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チタン合金とは

チタン合金(英語:Titanium alloy)とは、チタンを主成分とする合金です。純チタンが持つ長所の向上や短所の改善のために、アルミニウムやバナジウムなど様々なの元素が添加されることで機械的性質を向上させた合金や、チタンが持つ優れた耐腐食性をさらに向上させた合金などがあります。
優れた比強度や生体適合性を持ち、耐腐食性にすぐれるため、航空機、化学プラント、スポーツ器具、医療機器などで幅広く使用されています。しかしながら欠点として切削加工を始めとした機械加工の難しさや、鋳造やダイキャストも困難なことから高コストであることが挙げられます。
また大きな特徴の一つとして金属組織の状態によって、大きく α 型合金、β 型合金、α+β 型合金の3つに分類され、熱処理による特性変更が可能で、溶体化処理および時効処理によって組織を変化させ、機械的特性を変えることが可能です。特に弊社でも実績の多いα+β 型に属する Ti-6Al-4V 合金は、強度と靭性を兼ねることができるのでTi合金の中で最も需要が大きいです。

チタン材料の主な特徴

軽量:
比重4.51で鋼の約1/2,鉄の約60%という軽さです。
高比強度:
重さ当たりでは、アルミニウムの約6倍、鉄の約2倍の強度です。
高耐食性(耐海水性):
海水中では、白金に匹敵し他の主要金属より優れています。
無害・生体適合性:
金属アレルギーなど人体に優しい安全な金属です。
不燃性・耐熱性:
チタン展伸材は不燃材料としても認定されています。

チタン系合金の主な用途

チタン及びチタン合金の主な応用分野は
  • 航空・宇宙(ロケット、エンジン)
  • 化学プラント(電極、反応槽、熱交換器)
  • 自動車、オートバイ(エンジン部品、超電動モーター、スプリング、マフラー)
  • 生体適合材(インプラント)、医療機器(鉗子、把持具
  • スポーツ用品(ゴルフドライバー、ラケット、アイゼン、ピッケル、釣具)
  • 装飾(メガネ、サングラスなどのアイウェア、時計、その他民生品の外装装飾など)
鉄系金属合金には無い特色を生かして宇宙開発から医療、電気化学、スポーツ用品まで幅広く利用されており。
用途に合わせて様々な新規の合金系や二次加工技術が開発されています。

医療用Ti合金

チタンおよびTi合金は生体適合性に優れるため生体生体材料として用いられ
軽量・高強度度等の特性を生かし医療材料としても用いられています。



医療用チタン材料に要求される特性

生体材料については体内外での利用や用途に応じて要求される特性や評価が異なります。
≪要求される性能例≫
強度、靭性、弾性、剛性、柔軟性、軽量性、生体内活性、生分解、X線造影性

主なチタン合金の種類と熱処理

主なチタン系材料の特性の一例を以下に示します。
※実際の物性は熱処理状態(組織の状態)によって大きく異なります、お客様の仕様目標となる特性から是非一度ご相談ください。

組成 熱処理 引張性質
引張強さ 耐力 伸び
(MPa) (MPa) (%)
純チタン
JIS 1種 A 270~410 ≧165 ≧27
JIS 2種 A 340~510 ≧215 ≧23
JIS 3種 A 480~620 ≧345 ≧18
JIS 4種 A 550~750 ≧485 ≧15
α合金
Ti-5 A1-2.5 Sn A 862 804 16
αリッチ α-β合金
Ti-8 A1-1 Mo-1 V A 1000 951 15
Ti-6 A1-2 Sn-4 Zr-2 Mo A 980 892 15
α-β合金
Ti-3 A1-2.5 V A 686 588 20
Ti-6 A1-4 V A 980 921 14
STA 1170 1100 10
Ti-6 A1-6 V-2 Sn A 1060 990 14
STA 1270 1170 10
Ti-6 A1-2 Sn-4 Zr-6 Mo STA 1270 1180 10
Ti-10 V-2 Fe-3 A1 STA 1270 1200 10
β合金
Ti-13 V-11 Cr-3 A1 STA 1220 1170 8
Ti-3 A1-8 V-6 Cr-4 Mo-4 Zr STA 1440 1370 7
Ti-11.5 Mo-6 Zr-4.5 Sn STA 1380 1310 11
Ti-15 Mo-5 Zr-3 A1 STA 1470 1450 13
Ti-15 V-3 Cr-3 A1-3 Sn STA 1230 1110 10

MIMでのチタン加工

MIM(ミム)は金属粉末射出成形法と呼ばれる精密な金属部品の加工方法で、従来では困難なコンパクトで複雑形状部品を、高精度・高密度で量産できる加工システムです。
プラスチック射出成形のように金型からの量産が可能なため、自由曲面の多い部品や穴や軸の多い部品、歯車形状などでの難削材の量産に力を発揮します。
さらに粉末冶金の技術を基盤としているため、様々な合金粉の組合わせや添加元素の混合から新規の合金系の開発まで対応可能です。

特徴と工法のメリット

しかしながらチタン系合金のように活性が高い金属は酸素・窒素・水素などの軽元素との反応が起こりやすく、それが物性に大きな影響を及ぼすため
特にミクロン台の微粉をスタート材料とするMIMでは高度な焼結ノウハウが必要とされます。世界でも最終製品の金属組織の状態から各種元素分析、物性評価まで一貫して対応可能な一部のMIMメーカでしか対応しておりません。

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