Ti-6Al-4V（TC4）
チタン合金 Ti-6Al-4V（TC4）の概要
Ti-6Al-4V（TC4、Grade 5 Titanium）は、アルミニウム6%とバナジウム4%で強化されたα-β型チタン合金です。強度・耐食性・耐熱安定性のバランスに優れ、最も広く使用されているチタン合金として知られています。比強度が非常に高く、航空宇宙、防衛、モータースポーツ、医療分野で広く採用されています。
TC4は高性能材料であるため、CNC加工サービスによって製造される重要部品の材料として定番です。機械的・熱的特性がバランスしているため、TC4製のCNC加工チタン部品は、過酷な使用条件でも安定した信頼性の高い性能を発揮します。
Ti-6Al-4V（TC4）の化学的・物理的・機械的特性
化学成分（代表値）
元素 | 成分範囲（wt.%） | 主な役割 |
|---|---|---|
チタン（Ti） | 残部（~90） | 耐食性を備えた母相 |
アルミニウム（Al） | 5.5–6.75 | α相安定化、強度向上 |
バナジウム（V） | 3.5–4.5 | β相安定化、靭性と焼入れ性向上 |
鉄（Fe） | ≤0.40 | 残留元素、強度に影響 |
酸素（O） | ≤0.20 | 強度向上、延性に影響 |
炭素（C） | ≤0.08 | 結晶粒微細化、耐摩耗性向上 |
窒素（N） | ≤0.05 | 残留元素、硬さ増加 |
水素（H） | ≤0.015 | 脆化防止のため管理が必要 |
物理特性
特性 | 代表値 | 試験規格/条件 |
|---|---|---|
密度 | 4.43 g/cm³ | ASTM B311 |
融点範囲 | 1604–1660°C | ASTM E1268 |
熱伝導率 | 6.7 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
電気抵抗率 | 1.71 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
熱膨張係数 | 8.6 µm/m·°C | ASTM E228 |
比熱容量 | 560 J/kg·K（20°C） | ASTM E1269 |
ヤング率（弾性率） | 113.8 GPa | ASTM E111 |
機械的特性（焼なまし状態）
特性 | 代表値 | 試験規格 |
|---|---|---|
引張強さ | 895–960 MPa | ASTM E8/E8M |
耐力（0.2%） | 830–900 MPa | ASTM E8/E8M |
伸び | ≥10% | ASTM E8/E8M |
硬さ | 330–360 HB | ASTM E10 |
耐クリープ性 | 高い | ASTM E139 |
疲労強度 | 優れる | ASTM E466 |
Ti-6Al-4V（TC4）の主な特長
高い比強度: 密度4.43 g/cm³で最大960 MPaの引張強さを実現し、航空機構造部品、締結部品、高性能パーツに最適です。
優れた耐食性・耐酸化性: TiO₂の不動態皮膜により、塩化物・海洋環境・軽度酸性環境で高い耐食性を示し、大気中で約400°Cまでの性能維持が可能です。
熱安定性と耐クリープ性: 高温域でも機械的健全性を維持（連続使用で最大約400°C）し、ジェットエンジン周辺部品や排気系にも適しています。
溶接性と生体適合性: TIG/MIG溶接に対応し、非毒性であるため、航空宇宙構造体から長期埋込型医療機器まで幅広く利用されます。
Ti-6Al-4V（TC4）のCNC加工における課題と解決策
加工上の課題
極めて低い熱伝導率: 熱伝導率6.7 W/m·Kと低く、切削熱が刃先に集中して工具劣化や寸法不安定を招きやすいです。
加工硬化が顕著: 切りくず厚が不足すると工具軌跡上に硬化層を形成しやすく、連続的な切削負荷と一定の切りくず厚が必要です。
工具摩耗が大きい: 酸化膜や相の影響で刃先欠け・クレータ摩耗が起きやすく、乾式や低クーラント条件では顕著になります。
弾性率由来のスプリングバック: 弾性率113.8 GPaにより薄肉形状などでたわみと弾性回復が発生し、厳しい公差管理が難しくなります。
最適化された加工戦略
工具選定
パラメータ | 推奨 | 根拠 |
|---|---|---|
工具材種 | コーティング超硬またはセラミックインサート | 高温・摩耗条件に耐える |
コーティング | AlTiNまたはTiSiN（PVD、3–5 µm） | 耐熱性向上、構成刃先（BUE）抑制 |
刃先形状 | 鋭い刃先、正すくい角 | 切削抵抗と発熱を低減 |
切削速度 | 30–70 m/min（荒）、50–100 m/min（仕上げ） | 加工硬化を抑え、工具寿命を確保 |
送り | 0.05–0.25 mm/rev | 切りくず厚を維持し、グレージングを回避 |
クーラント | エマルション 100–150 bar | 切りくず排出と熱制御を強化 |
Ti-6Al-4V（TC4）の切削条件（ISO 3685準拠）
工程 | 切削速度（m/min） | 送り（mm/rev） | 切込み（mm） | クーラント圧（bar） |
|---|---|---|---|---|
荒加工 | 20–30 | 0.15–0.25 | 2.0–3.0 | 70–100（スルーツール） |
仕上げ加工 | 50–80 | 0.05–0.10 | 0.2–0.5 | 100–150 |
Ti-6Al-4V（TC4）部品の表面処理
熱間等方圧加圧（HIP）は内部ポロシティを除去し、疲労寿命を改善します。圧力容器や航空宇宙用ケーシングなどに重要です。
熱処理は700–850°Cでの時効・焼なましにより、引張強さの最適化と応力除去を行います。
超合金溶接はTC4航空宇宙アセンブリ向けに欠陥の少ない接合を実現し、フィラーワイヤ（Ti-6Al-4V）で母材組成との整合を取ります。
遮熱コーティング（TBC）（YSZセラミック層）により、600°C超で稼働するエンジン・排気部品の耐酸化保護を向上させます。
CNC加工は、航空宇宙・医療グレードのTC4部品に必要な寸法公差<±0.01 mmと精密形状を実現します。
放電加工（EDM）は、機械加工で熱クラックのリスクがある微細穴やスロット加工に適しています。
深穴加工は、燃料インジェクタ向けの高L/D流路を実現し、内部Ra ≤1.6 µmを達成します。
材料試験（疲労、硬さ、SEM組織、超音波探傷など）により、TC4重要部品の健全性を検証します。
材料試験・解析
Ti-6Al-4Vの試験には、硬さ確認、疲労寿命評価、常温および高温引張特性、さらにASTMおよびISOの航空宇宙規格に基づく非破壊検査が含まれます。
Ti-6Al-4V（TC4）の産業別用途
航空宇宙: エンジン周辺部品、ランディングギア、構造フレーム、機体コネクタなど、比強度が求められる用途。
防衛: 軽量かつ耐衝撃性が必要な装甲板、ミサイルケース、UAV構造体など。
医療: 生体適合性と骨結合性により、整形外科インプラント、脊椎固定具、歯科補綴など。
モータースポーツ: バルブスプリング、サスペンション部品、排気系など、熱疲労耐性と軽量性が要求される部品。
エネルギー: ガスタービン部品、熱交換器、化学プラント部品など、耐食性と耐クリープ性が必要な用途。
