Ti-6Al-4Vグレード5チタン合金としても知られるTi-6Al-4Vは、様々な用途で使用される最も一般的なチタン合金の一つです。この記事では、Ti-6Al-4Vの組成、特性、用途、仕様、価格、取り扱いなどを含む包括的な概要をご紹介します。
Ti-6Al-4V 組成
Ti-6Al-4Vは、アルミニウム6％、バナジウム4％、鉄0.25％（最大）、酸素0.2％（最大）、残りがチタンを含むα-βチタン合金です。以下はTi-6Al-4Vの公称組成です：
| エレメント | 重量 |
|---|---|
| チタン | バランス |
| アルミニウム | 5.5 – 6.75 |
| バナジウム | 3.5 – 4.5 |
| 鉄 | ≤ 0.3 |
| 酸素 | ≤ 0.2 |
アルミニウムはアルファ相を安定させ強化し、バナジウムはベータ相の形成を可能にする。α相とβ相の組み合わせにより、Ti-6Al-4Vは優れた強度、耐食性、加工性を発揮します。
Ti-6Al-4Vの特性
Ti-6Al-4Vは以下の特性を持ち、航空宇宙、医療、海洋、その他の用途に有利である：
| プロパティ | 価値 |
|---|---|
| 密度 | 4.43 g/cm3 |
| 融点 | 1604 – 1660°C |
| 引張強度 | 895 – 1170 MPa |
| 降伏強度 | 825 – 1103 MPa |
| 伸び | 8 – 16% |
| 弾性係数 | 114 GPa |
| 疲労強度 | 400 – 500 MPa |
| 破壊靭性 | 55 – 115 MPa-m^1/2 |
| 耐食性 | 素晴らしい |
| 生体適合性 | 素晴らしい |
主な特徴
- 軽量で高い強度対重量比
- 極端な温度に耐える
- 高い疲労強度
- 耐腐食性、耐酸性、耐塩化物性
- インプラントや補綴物に適合
Ti-6Al-4V 用途
Ti-6Al-4Vは、そのユニークな特性の組み合わせから、以下の主要用途に使用されている：
| 産業 | 用途 |
|---|---|
| 航空宇宙 | 航空機エンジン部品、機体、ファスナー、油圧システム |
| バイオメディカル | 外科用インプラント、整形外科用補綴物、歯科用補綴物 |
| マリン | プロペラ、海洋プラットフォーム・リグ、パイプライン、熱交換器 |
| ケミカル | タンク、パイプ、バルブ、ポンプ、反応容器 |
| 自動車 | バルブ、コンロッド、サスペンション・スプリング |
| 発電 | 蒸気タービンブレード、廃棄物焼却炉部品、熱交換器 |
| スポーツ用品 | ゴルフクラブ、自転車フレーム、テニスラケット、ホッケースティック |
Ti-6Al-4Vは、より軽く、より速く、より耐久性のある部品や機器の設計を可能にします。
Ti-6Al-4V 仕様
Ti-6Al-4Vは以下の仕様でカバーされる：
| スタンダード | タイトル |
|---|---|
| AMS 4911 | チタン6Al-4V合金、焼鈍板/条/板 |
| ASTM B348 | チタンおよびチタン合金の棒材および鋼片 |
| ASTM F1472 | 外科インプラント用チタン-6アルミニウム-4バナジウム錬合金 |
| ASTM F1108 | 外科インプラント用チタン-6アルミニウム-4バナジウム合金 |
| AMS 4928 | インベストメント鋳物, 耐食鋼, 高強度, 真空溶解, チタン合金 |
| AMS 4965 | チタン合金シート、ストリップおよびプレート 6Al -4Vアニール |
| MSRR 9545 | チタン合金、シート、ストリップおよびプレート 6Al – 4V, 焼きなまし |
これらは、合金組成の限界、機械的特性、熱処理、微細構造の要件、腐食試験、およびその他のパラメータをカバーしています。
Ti-6Al-4V 製品フォーム
Ti-6Al-4Vは、以下の形状、サイズ、形状および仕上げで製造される：
| 製品形態 | サイズ範囲 |
|---|---|
| シート | 0.4 – 6.35 mm 厚 |
| プレート | 6 – 250 mm 厚 |
| バー | 直径650mmまで |
| ロッド | 直径650mmまで |
| ワイヤー | 0.1 – 15 mm 径 |
| チューブ | 2 – 直径 300 mm |
| 鋳物 | カスタムサイズと形状 |
| 鍛造品 | カスタムサイズと形状 |
仕上げには、熱間圧延、冷間圧延、焼鈍、研磨、機械加工、酸洗、スケール除去などがある。
Ti-6Al-4V グレード
Ti-6Al-4Vは、最小引張強さと降伏強さのレベルが異なる以下のASTM等級でカバーされています：
| ASTMグレード | 引張強さ（最小） MPa | 降伏強度（最小） MPa |
|---|---|---|
| グレード5 | 895 | 825 |
| グレード23 | 965 | 895 |
| グレード24 | 1170 | 1103 |
グレード5のTi-6Al-4Vは標準的な特性を持ち、グレード23と24は高強度タイプである。
Ti-6Al-4V 供給者
Ti-6Al-4Vは、以下の主要なチタンサプライヤーおよび販売業者から容易に入手可能です：
- エーティーアイ
- VSMPO-AVISMA
- 西部金属材料
- 宝吉チタン工業株式会社
- 西部超電導技術
- チタン産業
世界のスポンジチタン生産能力は2020年には約33万トンと推定され、その多くがTi-6Al-4V製造に使用される。
Ti-6Al-4V 価格
2023年現在、Ti-6Al-4Vの価格はおよそ以下の通りである：
| 製品形態 | kgあたりの価格帯 |
|---|---|
| シート/プレート | $15 – $50 |
| バー/ロッド | $15 – $35 |
| ワイヤー | $25 – $60 |
| チューブ | $20 – $45 |
| 鋳物 | $25 – $100 |
| 鍛造品 | $25 – $100 |
価格は、サイズ、厚さ、等級、注文数量、加工、リードタイム、需給関係によって異なる。工場では通常、数量に応じた割引を提供している。
Ti-6Al-4V 機械加工
Ti-6Al-4Vは熱伝導率が低いため、加工中の放熱が遅い。推奨される技術は以下の通り：
- 振動を最小限に抑えるため、剛性の高いセットアップを使用する
- 遅い送り/深さで高い切削速度を使用する。
- 鋭利な刃先を持つ、ポジティブ・レーキの高い工具を使用する。
- 乳剤を使用した重洪水冷却
- 加工硬化を避けるために切り屑の形成を制御する
超硬、サーメット、CBN、ダイヤモンド工具が一般的に使用される。硫黄を含むクーラントは避けるべきである。
Ti-6Al-4V溶接
Ti-6Al-4Vは、GTAW、PAW、LBWおよびその他の方法で溶接できる。注意事項は以下の通り：
- 酸化を防ぐために不活性ガスのシールドを維持する
- ひび割れや強度の低下を避けるため、入熱を制限する。
- 溶接後の熱処理が必要な場合がある
- 母材とフィラーの組成を合わせる
一般的なフィラーメタルには、ER5356とER2319がある。
Ti-6Al-4V 熱処理
Ti-6Al-4Vは、熱処理によって組織や機械的性質を変えることができる：
| プロセス | 代表的な熱処理 |
|---|---|
| アニーリング | 705℃、2時間、空冷 |
| ストレス解消 | 480 – 650°C、2– 4 時間、空冷 |
| 溶液処理 | 930 – 955°C、1 時間、水冷 |
| エイジング | 480 – 595°C, 2 – 8 時間, 空冷 |
焼きなましは延性と加工性を向上させる。時効処理は強度を高める。特性を最適化するには適切な熱処理が重要です。
Ti-6Al-4V鍛造品
鍛造は、優れた疲労強度を持つ強固なTi-6Al-4V部品を作ります。鍛造の主要な側面
- 鍛造温度までゆっくり加熱 700 – 850°C
- 中間焼鈍を伴う複数回の鍛造が必要となる場合がある。
- 焼鈍前の熱間トリム鍛造品
- 鍛造後にアニールして応力を緩和する。
- 機械代は1– 2 mmとする。
ハンマーやプレス機による閉塞鍛造が最良の特性を生み出す。チタンは鍛造に大きな力を必要とする。
Ti-6Al-4V鋳物
Ti-6Al-4Vのインベストメント鋳造は、良好な表面仕上げで複雑な形状を作ることができます：
- 健全な鋳造のために複数のゲートとライザリングを使用する
- 溶解と鋳造の間、不活性雰囲気を維持する。
- 熱間等方圧プレス（HIP）は内部欠陥の除去に役立つ
- アルファ・ケースを除去するために表面を化学研磨
- 鋳物の延性を向上させるアニール処理
Ti-6Al-4V鋳造品は、展伸品より疲労強度が低い。
Ti-6Al-4V 接合
一般的なTi-6Al-4Vの接合方法には次のようなものがある：
- 溶融溶接（GTAW、PAW、LBW、電子ビーム）
- Ti-Cu-Niフィラーメタルを用いたろう付け
- 機械的締結、ボルト、リベット
- エポキシまたはポリイミドを使用した接着剤による接着
接合強度は使用する工程に依存する。合金組成を一致させ、汚染を最小限に抑えることが鍵となる。
Ti-6Al-4Vの取り扱い
Ti-6Al-4Vの推奨される取り扱い方法：
- 皮膚の油分や塩分による汚染を防ぐため、清潔な手袋を使用する。
- カドミウム、水銀、ガリウムなどの有害金属との接触を避ける。
- 酸、塩化物、その他の腐食性化学物質への曝露を防ぐ
- 湿気を避け、涼しく乾燥した不活性な環境で保管すること。
- 輸送中や保管中の傷、打痕、へこみから守る
チタンの粉塵は非常に可燃性が高く、静電気放電に敏感です。適切な接地、換気、清掃手順に従ってください。
Ti-6Al-4Vの安全性
チタン合金を取り扱う際の主な安全対策：
- 適切なPPEを着用すること – 保護眼鏡、防塵マスク、手袋
- 加工時には十分な局所排気を行ってください。
- 溶接や熱切断によるヒュームの吸入を避けること
- 切り屑やほこりの堆積を防ぐ
- 適切な消火設備を確保すること
- 圧縮ガスボンベとクライオジェンの安全な取り扱い方法に従うこと
チタン自体の毒性は低いが、加工によって有害な微粒子が発生する可能性がある。
Ti-6Al-4V 検査
Ti-6Al-4Vの部品は通常、以下の方法で検査される：
- 欠陥の目視およびマクロ検査
- 表面の欠陥を検出する液体浸透探傷検査
- 超音波による内部検査
- X線またはガンマ線を用いたX線透視検査
- クラックとボイドを特定するための渦電流法
- 完成部品のプルーフテストと圧力テスト
木目組織、アルファケースの深さ、表面仕上げ、寸法も一般的にチェックされる。
Ti-6Al-4V 品質保証
Ti-6Al-4Vのサプライヤーは、以下の認証を受けた品質システムを有するべきである：
- ISO 9001 品質マネジメント
- AS9100航空宇宙規格
- ISO 13485 医療機器規格
- NADCAP 熱処理やNDTなどの特殊工程
機体および医療用途には、さらに規制要件がある。
Ti-6Al-4Vの利点
- 優れた強度対重量比
- 極端な温度に耐える
- 様々な環境下での耐腐食性
- インプラント用生体適合性
- 特性を調整するための熱処理が可能
- 成形と機械加工が容易
- 多くの優良サプライヤーから入手可能
Ti-6Al-4Vの限界
- 鋼やアルミニウム合金よりも高価
- スチールより低い剛性
- 完全な硬度まで熱処理できない
- 加工中にカジリや焼付きが発生しやすい。
- 断面サイズは鍛造と鋳造の能力によって制限される
- 溶融には制御された不活性雰囲気が必要
Ti-6Al-4Vと他のチタン合金の比較
Ti-6Al-4Vと他の一般的なチタン合金との比較は？
| 合金 | 強さ | 耐食性 | コスト | 使用例 |
|---|---|---|---|---|
| Ti-6Al-4V | 高い | 素晴らしい | 中程度 | 航空宇宙、海洋、バイオメディカル |
| CPチタン | ミディアム | 素晴らしい | 低い | ケミカル、海水システム |
| Ti-10V-2Fe-3Al | 非常に高い | グッド | 高い | 航空宇宙用ファスナー、リギング |
| Ti-3Al-2.5V | ミディアム | 素晴らしい | 中程度 | ジェットエンジン、機体 |
| Ti-13V-11Cr-3Al | 高い | 素晴らしい | 非常に高い | 航空宇宙部品 |
Ti-6Al-4Vは、リーズナブルなコストで最高のオールラウンド特性を提供します。他の合金は、特殊な用途向けに、より高い強度や耐食性を提供します。
よくある質問
Q: Ti-6Al-4V は何に使われるのですか？
A: Ti-6Al-4V は、高強度、軽量、耐食性が要求される航空宇宙、海洋、化学処理、生物医学、一般消費者向けの用途で広く使用されています。
Q: Ti-6Al-4V は鋼鉄よりも強いのですか？
A: はい、Ti-6Al-4Vはほとんどの鋼よりも強度重量比が高いですが、剛性は低いです。アルミニウムよりも約60%重いです。
Q: Ti-6Al-4V は医療用インプラントに適合しますか？
A: はい、Ti-6Al-4Vは生体適合性に優れており、人工関節、歯科インプラント、ペースメーカー、骨折固定装置などによく使用されています。
Q: Ti-6Al-4V は熱処理が必要ですか？
A: Ti-6Al-4V は熱処理によって特性を変えることができます。固溶化熱処理と時効処理により、強度を大幅に向上させることができます。
Q: グレード 5 とグレード 23 Ti-6Al-4V の違いは何ですか？
A: グレード 5 は標準的な合金で、最低引張強度は 895 MPa です。グレード23はより高い強度が要求され、最低965MPaです。
Q: Ti-6Al-4V の耐食性は？
A: Ti-6Al-4V は、ほとんどの酸、塩化物、塩水環境に対して優れた耐食性を持っています。その不動態性は広いpH範囲で維持されます。
Q: Ti-6Al-4Vの溶接は可能ですか？
A: はい、GTAW、LBW、PAWなどの溶接法をTi-6Al-4Vの溶接に使用できます。接合部の完全性を確保するために、適切な手順に従ってください。
Q: 他の金属と比較して、Ti-6Al-4Vのコストはどのくらいですか？
A: 1ポンド当たりで見ると、Ti-6Al-4Vは鋼やアルミニウム合金よりも高価ですが、インコネルやハステロイのようなエキゾチック合金よりは安価です。
Q: Ti-6Al-4V の代替品にはどのようなものがありますか？
A: 航空宇宙用にはTi-10V-2Fe-3Alが強度が高い。耐食性ではCPチタンやTi-3Al-2.5Vが優れています。Ti-1023とTi-5553は新しい高強度合金です。
