チタン合金 TA1
チタン合金TA1の概要
チタン合金TA1（グレード1チタン）は、市販純チタンに分類され、優れた耐食性と高い比強度（強度対重量比）を備えています。軽量性、強度、耐食性が重要となる用途で主に使用され、航空宇宙、海洋、医療機器などの産業に最適です。
TA1は、海水や酸性条件を含む過酷な環境に耐えられる点で特に高く評価されています。優れた生体適合性と溶接性により、精密用途における有力材料であり、しばしば専門的なCNC加工サービスが求められます。さらに、信頼性と性能が要求される各種産業向けに、高品質なCNC加工チタン部品の製造にも広く使用されています。
チタン合金TA1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（≥99.0） | 母相（基材）を形成し、優れた耐食性を提供 |
酸素（O） | ≤0.18 | 材料を強化し、耐食性を向上 |
窒素（N） | ≤0.03 | 強度および耐クリープ性に寄与 |
炭素（C） | ≤0.08 | 強度と被削性に影響 |
鉄（Fe） | ≤0.3 | 全体強度に影響する残留元素 |
水素（H） | ≤0.015 | 延性および加工性に影響 |
物理特性
特性 | 代表値 | 試験規格/条件 |
|---|---|---|
密度 | 4.51 g/cm³ | ASTM B311 |
融点範囲 | 1660–1670°C | ASTM E1268 |
熱伝導率 | 21.9 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
電気抵抗率 | 0.43 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
熱膨張係数 | 8.6 µm/m·°C（20–1000°C） | ASTM E228 |
比熱容量 | 520 J/kg·K（20°C） | ASTM E1269 |
ヤング率（弾性率） | 105 GPa（20°C） | 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 | 240–380 MPa | ASTM E8/E8M |
耐力（0.2%） | 170–275 MPa | ASTM E8/E8M |
伸び | ≥24% | ASTM E8/E8M |
硬さ | 120–170 HB | ASTM E10 |
耐クリープ性 | 中程度 | ASTM E139 |
疲労強度 | 優秀 | ASTM E466 |
チタン合金TA1の主な特長
耐食性: TA1は安定したTiO₂不動態皮膜により、酸化性環境、弱還元性環境、塩化物リッチ環境において卓越した耐食性を示します。海水、酸性媒体（例：塩酸・硝酸）、および工業大気中でも健全性を維持します。
高い比強度（強度対重量比）: 密度4.51 g/cm³、引張強さ最大380 MPaを有し、単位重量あたりの強度に優れます。軽量化が求められる航空宇宙・自動車用途に最適です。
生体適合性: TA1は生体不活性で細胞毒性を示しません。医療用インプラントやデバイス用途で広く承認されており、優れた骨結合性と低アレルギー性を提供します。
優れた成形性・溶接性: 低酸素・低侵入型元素含有により高い延性（伸び≥24%）を示し、冷間成形が容易です。標準的なTIG/MIGプロセスで後処理なしに溶接しやすい特長があります。
チタン合金TA1のCNC加工における課題と解決策
加工上の課題
低い熱伝導率: 熱伝導率が21.9 W/m·Kと低く、切削で発生した熱が効率よく逃げないため、切削温度が高くなります。これにより工具摩耗が加速し、表面劣化のリスクが高まります。
加工硬化: TA1は切削中に加工硬化しやすく、とくに不適切な送り条件や摩耗した工具を使用した場合に顕著です。切削抵抗が増大し、時間とともに寸法精度が低下します。
工具—材料の高い付着性: チタンは高温で工具に凝着しやすく、構成刃先（BUE）を形成します。これが表面粗さを悪化させ、工具寿命を短くします。
弾性回復: 弾性率が低い（105 GPa）ため、加工中にスプリングバックが発生しやすく、寸法管理が難しくなります。正確なツールパス補正が必要です。
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 | 微粒超硬またはCBNインサート | 高温域での耐摩耗性を提供 |
コーティング | TiAlNまたはAlTiNコーティング（2–4 µm） | 摩擦と発熱を低減し、工具寿命を向上 |
形状 | 正のすくい角、鋭い刃先 | 切削抵抗を低減し、表面品位を改善 |
切削速度 | 50–100 m/min（荒加工）、100–200 m/min（仕上げ） | 最適な切削状態を確保し、工具摩耗を最小化 |
送り | 0.1–0.3 mm/rev | 除去率と工具寿命のバランスを確保 |
クーラント | 高圧クーラント（最低70 bar） | 熱の蓄積を抑え、工具摩耗を低減 |
チタンTA1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 | 0.15–0.20 | 2.0–3.0 | 70–100（スルーツール） |
仕上げ加工 | 40–60 | 0.05–0.10 | 0.2–0.5 | 100–150 |
チタンTA1部品の表面処理
熱間等方圧加圧（HIP）は、内部空隙を除去することでチタン部品の疲労強度を向上させます。本プロセスでは高温・高圧を付与し、材料密度を高めます。
熱処理は、チタン合金の強度と安定性を向上させ、高応力環境に耐えられるようにするために用いられることが多いです。通常、溶体化焼なましの後に時効処理を行います。
超合金溶接はチタン部品の接合に使用され、高温用途においても合金の健全性を維持する強固で耐久性のある溶接を実現します。
遮熱コーティング（TBC）は高温環境におけるチタン部品を保護し、基材温度を最大200°C低減します。
CNC加工は、とくに複雑で精密な部品において、チタン部品の製造に必要な高精度を達成するために不可欠です。
放電加工（EDM）は、冷却穴などの到達しにくい形状に対しても熱応力を回避しながら高精度なチタン加工を可能にします。
深穴加工は、冷却流路などチタン部品における重要形状に適した、深さのある高精度穴を加工します。
材料試験には、引張試験、X線回折、SEM分析が含まれ、高性能用途に求められる厳格な基準をチタン部品が満たすことを確認します。
材料試験・解析
チタンTA1の材料試験には、引張試験、微小硬さ試験、腐食試験、酸化皮膜を解析するためのX線回折（XRD）などが含まれます。これらの試験により、最終加工品が航空宇宙、海洋、医療用途の高性能要件を満たしていることを保証します。
チタン合金TA1の産業別用途
航空宇宙: チタンTA1は、比強度と耐食性により、構造部材、機体、ランディングギア部品に使用されます。
海洋: 海水腐食に対する耐性が高く、プロペラ、シャフト、熱交換器などの海洋環境部品に最適です。
化学プロセス: 強い腐食性化学物質に対する耐食性が求められるタンク、配管、バルブなどでチタンTA1の高い耐食性が活かされます。
医療機器: 生体適合性と強度により、外科用インプラント、関節置換、義肢などに広く使用されます。
