チタン合金

チタン合金は、チタンと他の化学元素の混合物を含む合金です。 このような合金は、(極端な温度でも) 非常に高い引張強度と靭性を備えています。 軽量で、優れた耐食性と極端な温度に耐える能力を備えています。

耐腐食性
空気にさらされると、チタンの表面に酸化物の薄い層が形成されます。 この層は、ほとんどの物質が浸透するのが非常に困難です。 そのため、チタンは優れた耐腐食性を示し、腐食性物質による有害な変化（孔食、亀裂など）を受けません。
屋内でも屋外でも、長年にわたって使用できるため、継続的に海水や雨にさらされる建築物や海洋用途に最適です。

強さ
チタンの最大の利点の1つはその強度です。 これは地球上で最も強い金属の 1 つであるだけでなく (鋼鉄に匹敵します!)、周期表上の金属元素の中で最も高い強度と密度の比を持っています。 そのため、多くの職業で人気のオプションとなっています。
さらに、チタンは密度が低いため、驚くほど軽量です。
これを大局的に考えると、チタンの比重は 4.5 です。これは、同量の銅よりも約 40% 軽く、同量の鉄よりも 60% 軽いです。 これが、航空宇宙産業や構造フレームの作成によく使用される理由の 1 つです。

無毒
鉄、鋼、アルミニウムなどの金属はすべて人体に有毒である可能性があります。
対照的に、チタンは生体適合性があります。 これは人間にも動物にも完全に無毒であり（一部は耐腐食性があるため）、その結果、有害反応を引き起こすことなく安全に体内に埋め込むことができます。 これが、チタンが医療業界（骨折した骨を永久に強化するためなど）や歯科インプラントで一般的に使用される理由です。

低熱膨張
チタンは熱膨張係数が低いです。
これは本質的に、他のほとんどの製造材料と比較して、極端な温度下でもそれほど膨張したり収縮したりしないことを意味します。 実際、鋼よりも膨張が約 50% 少ないため、構造の安定性が大幅に向上します。
この機能は、剛性がありながら軽量なフレームワークを必要とする上部構造を作成する場合に特に役立ちます。 また、チタンは防火性が最優先される建築用途（超高層ビルなど）にも適しています。

高融点
これはチタンの重要な利点の 1 つです。 非常に高い融点 (約 1668 度) を示すため、高温用途での使用に最適です。 たとえば、鋳造工場、タービン ジェット エンジン、さらには一部の人工衛星にも選ばれる金属です。
注目に値するのは、この利点は、前述の低い熱膨張によってさらに高まるということです。

優れた製造可能性
チタンはその強度にもかかわらず、比較的柔らかく延性のある高融点金属です。 そのため、簡単に機械加工して製造して、さまざまな金属部品やコンポーネントを作成できます。 酸化に対する耐性があるため、いかなる種類のフラックス剤も必要とせずに、野外溶接やシーム溶接も可能であり、溶接部にはいかなる追加の保護も必要ありません。

アルファ合金
アルファ合金は、酸素のみを意図的に合金化したチタン合金です。 炭素や鉄などの他の成分も少量含まれていますが、それらは不純物としてのみ存在します。 酸素は格子間合金元素として、延性を低下させながら強度を大幅に向上させます。 アルファ合金の主なユーザーは化学産業とエンジニアリング産業です。
ここでは、高い（比）強度よりも優れた腐食挙動と変形性の方が重要です。 市販の純 (cp) チタン グレードの主な違いは、酸素濃度です。

ニアアルファ合金
チタンのニアアルファ合金は、最も一般的な高温合金です。 この合金クラスは、アルファ合金の優れたクリープ挙動とアルファ + ベータ合金の高強度を組み合わせているため、高温に適しています。 ただし、現在、最高使用温度は 500 ～ 550 °C に制限されています。

ベータ合金および準ベータ合金
ベータ合金は、別のタイプのチタン材料です。 メーカーは、チタンに十分なベータ安定化元素を添加して、すべてのチタン合金を作成します。 これらの材料は長年にわたって入手可能でしたが、人気が高まったのは最近になってからです。 アルファベータ合金よりも冷間加工が容易で、高強度まで熱処理が可能で、市販の純グレードより優れた耐食性を備えているものもあります。

アルファ合金とベータ合金
これらは通常、引張強度が 620 ～ 1250 MPa、耐クリープ性が 350 ～ 400 度の、中強度から高強度の材料です。 引張特性に加えて、低サイクル疲労および高サイクル疲労および破壊靱性特性も備えています。
その結果、合金がさまざまな用途に最適な機械的特性のバランスを提供できるように、熱機械および熱処理手順が開発されました。

かじり防止
かじりはチタンに過度の摩耗を引き起こすだけでなく、フレッティング作用により腐食を促進する可能性もあります。 多くの場合、かじりを克服するには、グラファイトまたは二硫化モリブデンを使用した単純な潤滑で十分です。 したがって、軽度から中程度の負荷がかかる可動部品や、チタン自体や他の金属と摺接する部品にチタンを使用することが可能です。 一方、より重い荷重には、硬化したチタン表面が必要です。 プラズマ溶射、イオン注入、陽極酸化または窒化などの市販の表面硬化技術、または硬質クロム電気めっきや炭化タングステンやその他の硬質で耐摩耗性の材料の火炎溶射などのコーティング技術が使用されます。
このような表面処理は、良好な密着性と耐摩耗性および耐擦傷性という必要な品質を備えています。 ただし、処理表面とそれがさらされる腐食環境との適合性については、慎重に考慮する必要があります。

チタン製機器の洗浄
チタン表面の効率は通常、複雑な洗浄手順を行わなくても維持できます。 一般に、ステンレス鋼で場合によって必要となる腐食防止のための洗浄は必要ありません。また、銅ベースの合金で時々発生するような、薄い酸化物表面膜が冷却水と結合して重い鉱物堆積物を形成することもありません。
熱交換器表面の海洋汚れは、塩素注入によって制御される場合があります。 チタンの表面はこのような処理による影響をまったく受けません。 チタン表面コンデンサーチューブも、この方法やゴムボールやナイロンブラシを利用した連続洗浄システムによっても、有害な影響を与えることなく清潔に保たれます。

酸洗浄
堆積物を除去するためにチタン表面の酸洗浄が必要になる場合があります。 適切な抑制剤が存在する場合には、従来の酸洗浄サイクルを使用できます。 フィルム化アミンなどの有機阻害剤はチタンには効果がありません。 塩化第二鉄としての第二鉄イオンは、酸性溶液中でのチタンの阻害剤として非常に効果的です。 わずか 0.1 パーセント (重量) の塩化第二鉄が、塩酸などによるチタンの腐食を抑制します。 周囲温度では、FeCl3 で抑制された 25 重量パーセントもの HCl をチタンに安全に使用できます。
硝酸はチタンの優れた不動態化剤であり、単独でまたは塩酸と併用してチタン表面を洗浄できます。

ブラシのクリーニング
チタンの堆積物を除去するために炭素鋼ワイヤーブラシを使用することはお勧めできません。 同様に、炭素鋼のパイプやチューブは、詰まったチタンチューブの掃除に使用しないでください。 スチールに埋め込まれた、または汚れた鉄粒子が付着すると、ユニットを再使用したときにチタンが腐食しやすくなる可能性があります。 ステンレス鋼またはチタンのワイヤーブラシとパイプが推奨されます。 チタンのユニークな特性を注意深く利用することにより、製造された装置は長期間メンテナンスフリーで使用できます。 チタンの誤った使用、不適切な洗浄手順の使用、その他の乱用は故障につながる可能性があります。 一方、いくつかの予防策、特に耐食性と耐かじり性に関する予防策を注意深く使用すると、チタン製機器の耐用年数を大幅に延ばすことができます。

申請要件
チタン合金を選択する際の主な要素は、意図する用途です。 航空宇宙、医療、自動車、その他の産業のいずれで作業している場合でも、合金の機械的および化学的特性はプロジェクトの要求に適合する必要があります。 たとえば、Ti-6Al-4V (グレード 5) は、その高い強度と耐食性により、航空宇宙部品によく選ばれています。

強度と重量
チタンは、その並外れた強度対重量比で高く評価されています。 合金によって強度のレベルは異なり、多くの合金鋼の強度を上回るものもあります。 スポーツ用品や義肢などの用途では、強度と重量のバランスが重要です。

耐食性
チタンの耐食性は伝説的です。 その合金は、海洋用途や化学処理など、腐食が懸念される過酷な環境で使用されます。 Ti-6Al-4V と Ti-6Al-4V ELI は、優れた耐腐食性で知られています。

温度耐性
ジェット エンジンや熱交換器など、極端な温度を伴う用途では、その条件に耐えられる合金を選択する必要があります。 Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4V ELI、Ti-5Al-2.5Sn などの合金は、優れた高強度を提供します。温度パフォーマンス。

製造と機械加工性
チタン合金を選択するときは、製造の容易さと機械加工性を考慮してください。 製造プロセスによっては、合金によっては扱いが難しいものもあれば、より使いやすい合金もあります。

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