Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr（Beta C）
Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr（Beta C）の概要
Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr（一般にBeta Cチタンと呼ばれる）は、超高強度、優れた耐食性、卓越した冷間成形性を実現するために設計された準安定β型チタン合金です。本合金は、強度対重量比および疲労耐性が極めて重要となる航空宇宙、自動車、化学プロセス分野の過酷な環境で広く使用されています。
深い焼入れ性と高い破壊靭性を兼ね備えているため、Beta Cは複雑形状、薄肉構造、高精度ボアを必要とするカスタムCNC加工チタン部品に最適です。熱処理応答性が高く、かつ被削性が難しい材料であるため、最終部品において高精度な公差と機械的安定性を実現するには、高性能なCNC加工サービスが不可欠です。
Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr（Beta C）の化学的・物理的・機械的特性
化学成分（代表値）
元素 | 含有量範囲（wt.%） | 主な役割 |
|---|---|---|
チタン（Ti） | 残部 | 母材金属、耐食性を付与 |
アルミニウム（Al） | 2.5–3.5 | β相強度調整元素 |
バナジウム（V） | 7.0–9.0 | β安定化元素および強度向上 |
クロム（Cr） | 5.5–6.5 | 耐食性およびβ相安定性を向上 |
モリブデン（Mo） | 3.5–4.5 | クリープ強度および疲労特性を改善 |
ジルコニウム（Zr） | 3.5–4.5 | クリープ特性、強度、耐酸化性を向上 |
酸素（O） | ≤0.12 | 強化元素、延性に影響 |
鉄（Fe） | ≤0.30 | 微量不純物 |
水素（H） | ≤0.015 | 脆化防止のため管理 |
物理特性
特性 | 代表値 | 試験規格／条件 |
|---|---|---|
密度 | 4.82 g/cm³ | ASTM B311 |
融点範囲 | 1600–1660°C | ASTM E1268 |
熱伝導率 | 100°Cで7.0 W/m·K | ASTM E1225 |
電気抵抗率 | 20°Cで1.70 µΩ·m | ASTM B193 |
線膨張係数 | 9.0 µm/m·°C | ASTM E228 |
比熱容量 | 20°Cで550 J/kg·K | ASTM E1269 |
縦弾性係数 | 110 GPa | ASTM E111 |
機械的特性（溶体化処理＋時効）
特性 | 代表値 | 試験規格 |
|---|---|---|
引張強さ | 1100–1400 MPa | ASTM E8/E8M |
耐力（0.2%） | 1000–1300 MPa | ASTM E8/E8M |
伸び | ≥8% | ASTM E8/E8M |
硬さ | 340–400 HB | ASTM E10 |
クリープ耐性 | 高 | ASTM E139 |
疲労耐性 | 非常に優れる | ASTM E466 |
Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr（Beta C）の主な特長
超高強度：時効処理後は最大1400 MPaの引張強さに達し、重量はほぼ半分で高性能鋼に匹敵する強度を実現します。
優れた冷間成形性：溶体化処理状態では高い成形性を持ち、時効前に深絞りや複雑成形が可能です。
卓越した耐食性：クロムおよびモリブデンの含有により、塩化物環境、酸性、酸化性雰囲気などの過酷な媒体に耐性を示し、航空宇宙用油圧システムや化学反応器に適しています。
熱処理による特性調整：加工後の時効処理（通常480～540°C）により、用途に応じた機械特性の最適化が可能です。
優れた疲労強度と破壊靭性：繰返し荷重下でのき裂進展に対する耐性が高く、航空宇宙用高サイクル部品や構造用ファスナーに最適です。
Beta CチタンのCNC加工における課題と解決策
加工上の課題
極めて高い強度と加工硬化：時効後のBeta Cは340 HBを超える高硬度を示し、最適化されていない条件では工具寿命や切削性能に大きな影響を与えます。
低い熱伝導率：7.0 W/m·Kと低く、熱が工具‐切りくず界面に集中し、工具摩耗や部品変形のリスクが高まります。
高い摩耗性と凝着：工具に付着しやすい切りくずを生成し、炭化物形成元素により刃先摩耗が加速されます。
寸法精度の管理：スプリングバックと弾性回復が大きいため、薄肉部品では高精度な治具設計と工具経路補正が必要です。
最適化された加工戦略
工具選定
項目 | 推奨内容 | 理由 |
|---|---|---|
工具材質 | 超硬（K種）、仕上げにはCBN | 超高強度合金でも刃先を維持 |
コーティング | AlTiNまたはTiAlSiN PVD（≥4 µm） | 発熱低減および凝着防止 |
刃形 | 鋭利な刃先、低ヘリックス角 | ビルトアップエッジ抑制と切りくず排出改善 |
切削速度 | 20–50 m/min（荒加工）、50–80 m/min（仕上げ） | 発熱制御と工具寿命向上 |
送り速度 | 0.08–0.20 mm/rev | 適切な切りくず厚さを確保 |
クーラント | 高圧エマルジョン（≥100 bar） | 切りくず排出と熱安定性を確保 |
Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr（Beta C）切削条件（ISO 3685準拠）
加工内容 | 速度（m/min） | 送り（mm/rev） | 切込み量（mm） | クーラント圧力（bar） |
|---|---|---|---|---|
荒加工 | 20–30 | 0.15–0.20 | 1.5–2.5 | 80–100（内部給油） |
仕上げ加工 | 50–80 | 0.05–0.10 | 0.2–0.5 | 100–150 |
Beta Cチタン部品の表面処理
熱間等方圧加圧（HIP）は残留気孔を除去し、特に圧力や振動を受ける部品の疲労寿命を向上させます。
熱処理により、500～550°Cで4～8時間の時効処理を行い、耐力向上と延性調整が可能です。
スーパーアロイ溶接では、同系βチタン溶加材を使用し、相バランスと強度を維持した高品質な溶接を実現します。
遮熱コーティング（TBC）は、600°Cを超えるエンジンや化学環境で使用されるBeta C部品を保護します。
CNC加工により、航空宇宙や油圧機器に必要な高精度公差と複雑形状を実現します。
放電加工（EDM）は、時効処理後のBeta C部品における微細形状や高精度ボア加工に不可欠です。
深穴加工により、高圧油圧用途において、穴の真直度＜0.3 mm/m、内面粗さRa ≤ 1.6 µmを確保します。
材料試験では、組織観察、相分析（XRD）、超音波探傷、引張試験を実施し、機械特性の完全な適合性を保証します。
材料試験および分析
Beta Cは、常温および高温での引張試験、破壊靭性評価、SEM／XRD分析を通じて材料検証が行われ、組織の均一性と時効応答が確認されます。
Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr（Beta C）の産業用途
航空宇宙：高い強度対重量比と疲労特性により、ファスナー、アクチュエータ、油圧配管システムに使用。
化学プロセス：塩化物、酸、酸化剤を扱うバルブ、圧力容器、オートクレーブに適用。
自動車：剛性と軽量化が求められる高性能サスペンションや駆動部品に使用。
医療機器：高い疲労耐久性と生体適合性を必要とする構造用インプラントや外科用器具に最適。
発電：コンプレッサーブレード、燃料系コネクタ、圧力重要回転部品に適用。
