機械材料の基礎：チタン合金

チタン合金とは

チタン合金は、元素記号Tiで表されるチタンを主成分とし、他の元素を添加することで、強度、耐熱性、加工性などの特性を改善・調整した合金材料です。チタン自体が軽量、高強度、高耐食性という優れた特性を持ちますが、合金化によりこれらの特性をさらに向上させたり、特定の用途に適した性能を付与したりすることが可能になります。

チタンの性質と合金化の原理

チタンは温度によって結晶構造が変化する同素変態を起こす金属です。低温側では稠密六方格子構造のα相、高温側では体心立方格子構造のβ相となります。この変態点をβ変態点と呼びます。

チタンに添加される合金元素は、この結晶構造の安定性に影響を与えます。アルミニウムや酸素などはα相を安定化させβ変態点を上昇させるα安定化元素、バナジウム、モリブデン、鉄などはβ相の安定領域を広げβ変態点を低下させるβ安定化元素、ジルコニウムやスズなどは変態点にあまり影響を与えない中性元素に分類されます。これらの合金元素の種類と量を制御することで、室温での組織を調整し、多様な特性を持つチタン合金が作られます。

チタン合金の種類

チタン合金は、室温での金属組織に基づいて、主に以下のように分類されます。

• α合金: 主にα相から構成される合金で、α安定化元素や中性元素が添加されます。溶接性、高温クリープ強度、極低温靭性に優れますが、熱処理による強化はできません。代表例にTi-5Al-2.5Snなどがあります。航空宇宙用部品や低温タンクなどに用いられます。
• ニアα合金: 組織の大部分がα相で、少量のβ相を含む合金です。α合金に少量のβ安定化元素が添加されています。α合金より強度が高く、良好なクリープ強度と溶接性を維持します。高温環境で使用されるジェットエンジン部品などに使われます。
• α+β合金: α相とβ相が混在する組織を持つ、最も広く利用されている種類の合金です。α安定化元素とβ安定化元素の両方を含みます。熱処理によって組織を変化させ、強度を大幅に高めることが可能です。強度、靭性、加工性のバランスに優れており、代表的な合金であるTi-6Al-4Vは全チタン合金生産量の半分以上を占めるとも言われます。航空機の構造材、ジェットエンジン部品、人工関節などの医療用インプラント、スポーツ用品に多用されます。
• β合金: 十分な量のβ安定化元素を添加し、急冷することで室温でもβ相を主体とする組織が得られる合金です。熱処理により極めて高い強度を達成できます。溶体化状態では成形性に優れ、破壊靭性も良好です。ただし、密度は他のタイプのチタン合金よりやや高くなります。航空機用のばね、高力ボルト、ゴルフクラブフェースなどに用いられます。代表例にTi-15V-3Cr-3Sn-3Al（通称15-3-3-3）などがあります。

また、工業用純チタンも広く使われます。不純物の量によってJIS規格で1種から4種に分類され、純度が高いほど柔らかく加工性に優れ、耐食性が極めて高い特徴を持ちます。化学プラント装置、熱交換器、電極材料、建築材料、医療用材料に使われます。

チタン合金の主な特性

チタン合金に共通する主な利点は以下の通りです。

• 高い比強度: 密度が鋼の約60%と軽量でありながら、高い強度を持つため、重量あたりの強度（比強度）が極めて優れています。
• 卓越した耐食性: 表面に形成される安定な不動態酸化皮膜（TiO₂）により、海水、塩化物溶液、多くの酸や化学薬品に対して、ステンレス鋼をも上回る優れた耐食性を示します。
• 良好な耐熱性: 合金の種類によりますが、アルミニウム合金などより高温での強度保持能力が高く、中高温域（～600℃程度まで）で使用可能な合金もあります。
• 優れた生体適合性: 毒性がなく、体内でイオンが溶出しにくいため、人体組織との親和性が高く、アレルギー反応も起こしにくい材料です。人工関節、歯科インプラントなどに最適です。
• その他、低い熱膨張率、非磁性、良好な耐疲労性なども特徴です。

チタン合金の課題

多くの利点を持つ一方で、以下のような課題も存在します。

• 高コスト: 原料であるチタンの精錬や、溶解、加工に手間とコストがかかるため、材料価格が鉄鋼やアルミニウム合金に比べて高価です。
• 加工の難しさ: 熱伝導率が低く、切削熱が工具刃先に集中しやすいことや、活性で工具材料と反応しやすいことから、切削加工が難しい難削材とされています。
• 高温での反応性: 高温では酸素、窒素、水素などと容易に反応して脆化するため、溶解、鋳造、鍛造、溶接、熱処理などの高温プロセスは、真空またはアルゴンなどの不活性ガス雰囲気中で行う必要があります。
• 低い耐摩耗性: 凝着や摩耗を起こしやすいため、摺動部品などには表面改質（窒化処理、コーティングなど）が必要となる場合があります。

主な用途

上記の特性と課題から、チタン合金は特に性能が重視される分野で使用されています。

• 航空宇宙: 最も主要な用途分野。機体構造材、ジェットエンジン部品、ランディングギア、燃料タンク、油圧配管、締結部品など。
• 産業プラント: 化学プラント、発電プラント、海水淡水化装置、海洋構造物など、耐食性が求められる環境。
• 医療: 人工股関節・膝関節、骨接合プレート・スクリュー、歯科インプラント、心臓ペースメーカー外殻、手術器具など。
• 民生品・スポーツ: ゴルフクラブヘッド・フェース、テニスラケット、自転車フレーム・部品、オートバイ・自動車の高性能マフラーやエンジン部品、高級腕時計、眼鏡フレームなど。

まとめ

チタン合金は、軽量・高強度・高耐食性をはじめとする多くの優れた特性を併せ持つ高性能材料です。製造コストや加工性には課題が残るものの、その卓越した性能は他の材料では代替が難しく、航空宇宙産業をはじめ、化学プラント、医療、スポーツ用品など、先端技術分野や高い付加価値が求められる製品において不可欠な存在となっています。今後も新しい合金の開発や加工技術の進歩により、さらなる用途拡大が期待されます。