Ti-4Al-2V
Ti-4Al-2Vの概要
Ti-4Al-2Vは、適度な強度、優れた耐食性、信頼性の高い熱安定性が求められる高性能構造用途向けに設計されたニアα型チタン合金です。Ti-6Al-4Vよりもバナジウムとアルミニウム含有量が低いため、溶接性と成形性が高く、特に厚肉部や耐圧部品で有利です。
Ti-4Al-2Vは、厳しい公差と長期にわたって安定した機械特性が求められる高精度CNC加工チタン部品に適しています。高度なCNC加工サービスにより、Ti-4Al-2V部品は、適度な強度と耐食性が不可欠な海洋、航空宇宙、発電、医療分野で広く使用されています。
Ti-4Al-2V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 | 母材元素として優れた耐食性を付与 |
アルミニウム（Al） | 3.8–4.2 | α安定化元素、強度と耐酸化性を向上 |
バナジウム（V） | 1.8–2.2 | β安定化元素、靭性と焼入性を向上 |
酸素（O） | ≤0.15 | 強度に寄与（延性確保のため管理が必要） |
鉄（Fe） | ≤0.30 | 残留元素 |
水素（H） | ≤0.015 | 脆化防止のため低含有量を維持 |
炭素（C） | ≤0.08 | 残留元素 |
窒素（N） | ≤0.03 | 残留元素 |
物理的特性
特性 | 代表値 | 試験規格／条件 |
|---|---|---|
密度 | 4.46 g/cm³ | ASTM B311 |
融点範囲 | 1610–1660°C | ASTM E1268 |
熱伝導率 | 6.5 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
電気抵抗率 | 1.66 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
線膨張係数 | 8.7 µm/m·°C | ASTM E228 |
比熱容量 | 560 J/kg·K（20°C） | ASTM E1269 |
縦弾性係数 | 114 GPa | ASTM E111 |
機械的特性（焼鈍状態）
特性 | 代表値 | 試験規格 |
|---|---|---|
引張強さ | 780–850 MPa | ASTM E8/E8M |
耐力（0.2%） | 730–800 MPa | ASTM E8/E8M |
伸び | ≥14% | ASTM E8/E8M |
硬さ | 260–300 HB | ASTM E10 |
耐クリープ性 | 400°Cまで良好 | ASTM E139 |
耐疲労性 | 中～高 | ASTM E466 |
Ti-4Al-2Vの主な特長
良好な溶接性と加工性：高合金化グレードより溶接性が良く、組立・成形時の割れ感受性を低減します。
高い耐食性：安定した酸化皮膜を形成できるため、海洋および化学環境に適しています。
適度な高温強度：タービンケーシングや圧力ハウジングなどの構造用途で、400°Cまで良好に性能を発揮します。
寸法安定性の向上：熱サイクル中の歪みが小さく、耐荷重部品で優れた性能を示します。
Ti-4Al-2VのCNC加工における課題と対策
加工上の課題
かじり（凝着）と摩擦：チタンの反応性により、潤滑不足では切削工具への凝着が起こりやすくなります。
熱感受性：熱伝導率が低いため切削域に熱が集中し、工具寿命や仕上げ面に影響します。
工具摩耗：Ti-6Al-4Vほど合金量は高くないものの、冷却と条件最適化が不十分だと顕著な工具摩耗が発生します。
弾性回復：中程度の弾性率により、最終パスでスプリングバックが生じ、公差管理に影響します。
最適化された加工戦略
工具選定
項目 | 推奨 | 理由 |
|---|---|---|
工具材質 | 微粒超硬（K30） | 熱応力下での耐摩耗性を確保 |
コーティング | AlTiN または TiCN | 摩擦低減と刃先保護 |
形状 | シャープなすくい角、ホーニング刃（約0.05 mm） | 切削抵抗を最小化し、切りくず流れを改善 |
切削速度 | 20–45 m/min | 過度な発熱の蓄積を防止 |
送り | 0.10–0.20 mm/rev | 加工硬化の回避に有効 |
クーラント | 高圧内部給油（≥100 bar） | 排熱と切削域のクリーン化を確保 |
Ti-4Al-2V切削条件（ISO 3685準拠）
工程 | 速度（m/min） | 送り（mm/rev） | 切込み量（mm） | クーラント圧（bar） |
|---|---|---|---|---|
荒加工 | 20–30 | 0.15–0.20 | 2.0–3.0 | 80–100（内部給油） |
仕上げ加工 | 40–50 | 0.05–0.10 | 0.2–0.5 | 100–150 |
Ti-4Al-2Vチタン部品の表面処理
熱間等方圧加圧（HIP）は内部気孔を除去し、航空宇宙用構造部品の耐疲労性を向上させます。
熱処理は、溶接後や冷間成形後の強度向上と応力除去に有効で、通常700～800°Cで行われます。
耐熱合金溶接により高健全性の接合が可能で、溶接後の熱処理で延性を回復させます。
遮熱コーティング（TBC）は、タービンおよび産業用途の熱サイクル環境から部品を保護します。
CNC加工は、航空宇宙、海洋、エネルギー用途向けに高精度・厳公差の形状を実現します。
放電加工（EDM）は、熱歪みを誘発せず、硬化部や薄肉部への精密加工を可能にします。
深穴加工は、L/D >30:1の長尺狭径穴加工をサポートし、表面粗さRa ≤1.6 µmを実現します。
材料試験には、SEM/EDS解析、クリープおよび疲労試験、AMSおよびGB規格に基づく超音波欠陥検査が含まれます。
材料試験および解析
Ti-4Al-2V部品は、引張・クリープ試験、SEM/XRDによる相確認、硬さプロファイル評価、超音波NDTにより検証され、航空宇宙およびエネルギーグレードの信頼性を保証します。
