Titanium Metal? Everything About This Magical Metal

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導入

重要な金属材料として、チタンは幅広い用途の見通しと市場の需要を持っています。その独特の物理的および化学的特性により、航空宇宙、医療、自動車、工業、スポーツ用品などに広く使用されています。魔法に満ちた特別な金属として、この材料を深く理解して探究したいと願う人がますます増えています。この記事は、読者がこの材料についてより深く理解できるように、金属チタンの定義、特性、グレード、製造、およびさまざまな市場での用途を深く調査することを目的としています。

チタンとは何ですか？

1. チタンの定義と基本特性

チタンは、原子番号 22、元素記号 Ti の化学元素です。比較的軽い密度と優れた強度を備えた遷移金属です。金属チタンは、イルメナイトやルチルなどの鉱物の形で自然界に存在します。これは地殻内で 9 番目に豊富な元素であり、通常は酸化物の形で存在します。

金属チタンは数多くの優れた物理的および化学的特性を備えており、多くの用途にとって理想的な選択肢となっています。まず、金属チタンは密度が低く、1立方センチメートルあたり約4.5グラムで、鋼やニッケルなどの他の多くの金属よりも軽いです。このため金属チタンは、航空宇宙産業や自動車産業など、軽量設計が要求される分野で広く使用されています。

Secondly, titanium metal exhibits excellent strength. Despite its low density, it has strength comparable to many commonly used metals. This makes titanium metal highly favored in applications requiring high strength and corrosion resistance, such as aerospace engine components and artificial joints.

2. 金属チタンの歴史と発見

金属チタンは 18 世紀後半に初めて発見されました。 1801年、イギリスの化学者グレゴールはイルメナイトとして知られる鉱物からチタンという元素を発見しました。その後、他の化学者が金属チタンの研究を開始し、さまざまな鉱石からチタン金属を発見しました。

1840年、ドイツの化学者マルティン・ハインリヒ・クラプロスが初めて金属チタンの抽出に成功し、その金属を命名しました。 “チタン” ギリシャ神話の巨人タイタンに敬意を表します。しかし、金属チタンが産業界で広く使用され始めたのは 1940 年代になってからです。冶金技術の発展とコスト削減により、金属チタンは徐々にさまざまな用途で重要な素材となりました。

3. チタンの特徴

一般に、金属チタンには次のような主な特徴があります。

3.1 優れた耐食性: 金属チタンは、海水や酸性溶液など、多くの化学物質による腐食に耐えます。このため、海洋工学および化学産業にとって理想的な選択肢となります。

3.2 生体適合性: 金属チタンは人間の組織との良好な生体適合性を示し、人工関節や歯科インプラントの製造に広く使用されています。

3.3 優れた高温特性: チタンは摂氏約 1,668 度 (華氏 3,034 度) と高い融点を持ち、金属チタンは高温でも良好な機械的特性と安定性を維持するため、航空機エンジンやガス タービンなどの高温環境において重要です。

3.4 高強度と低密度: 金属チタンは密度が低いにもかかわらず、強度が高く、強度と密度の比較に優れています。このため、チタンは航空宇宙機器、自動車部品、その他軽量化が必要な製品の製造に最適な材料となっています。

3.5 優れた熱伝導性: 金属チタンは熱伝導性に優れているため、高性能ラジエーターやクーラーなどの製造に有利です。

金属チタンの製造および加工

1. 金属チタンの抽出・調製法

抽出方法： 金属チタンの抽出は主にクラウス法と塩素化法の2つの方法で行われます。クラウス法は、酸化チタン鉱石を還元してより高純度の金属チタンを得る最も一般的な方法です。塩素化のルールは、酸化チタンと塩素ガスを反応させて塩化チタンを生成し、還元反応により金属チタンを得るというものである。

精製プロセス: 金属チタンを入手した後、その純度と性能を向上させるために一連の精製プロセスが必要です。これらのプロセスには、真空溶解法、気相酸化法、およびプラズマ法が含まれます。

2.加工技術：鍛造、圧延、成形

鍛造： チタン金属は熱間または冷間鍛造して機械的および構造的特性を向上させることができます。熱間鍛造は変形が大きく複雑な形状の部品に適しており、冷間鍛造は小物部品や精密部品の加工に適しています。

圧延： 金属チタンは、熱間圧延や冷間圧延によって板、ストリップ、パイプなどの製品を製造することもできます。熱間圧延ではより大きなサイズと厚さの製品を得ることができ、冷間圧延ではより高い表面品質と寸法精度を得ることができます。

成形: 金属チタンは、ダイカスト、射出成形、3D プリントなどのプロセスを通じて、さまざまな形状の部品や製品を製造するためにも使用できます。これらの成形プロセスは、複雑な形状や構造の部品の製造に適しています。

純チタンとチタン合金の違い

Pure Titanium

It is also called industrial pure titanium or commercial pure titanium. It is graded according to the content of impurity elements. It has excellent stamping process performance and welding performance, is not sensitive to heat treatment and tissue type, and has a certain strength under satisfactory plasticity conditions. Its strength mainly depends on the content of interstitial elements oxygen and nitrogen. The properties of 99.5% industrial pure titanium are: density P=4.5g/cm3, melting point 1800°C, thermal conductivity λ=15.24W/(M.K), tensile strength σ b=539MPa, elongation: δ =25% , area shrinkage ψ=25%, elasticity modulus E=1.078×105MPa, hardness HB195

Titanium Alloy

チタンをベースに他の元素を添加した合金です。発見されてからまだ60～70年しか歴史がない、比較的若い金属です。チタン合金材料は、軽量、高強度、低弾性、耐高温性、耐食性などの特徴を持っています。これらは主に航空宇宙エンジン、ロケット、ミサイル、その他の部品に使用されています。チタンには 2 つの同形結晶があります。チタンは融点が 1720°C の異性体です。 882℃未満では最密六方晶格子構造となり、これをアルファチタンと呼びます。 882℃以上では体心構造になります。ベータチタンと呼ばれる立方格子構造は、上記 2 つのチタン構造の異なる特性を利用し、適切な合金元素を添加し、その相変態温度と相含有量を徐々に変化させることで、異なる構造のチタン合金を得ることができます。

チタンのグレード

グレード1

工業用純チタンの 4 つのグレードのうちの最初のグレードです。これらのグレードの中で最も柔らかく、最も展性が高いグレードです。最大限の成形性、優れた耐食性、高い衝撃靭性を備えています。グレード 1 は、成形の容易さを必要とするあらゆる用途に最適な材料であり、一般的に次の用途に使用されます。 チタンプレート そして チタンチューブ。

グレード2

グレード 2 チタンは、その多様な入手可能性と広範な入手可能性により、商業純チタン業界の「主力製品」として知られています。グレード 1 チタンと同じ品質を多く備えていますが、わずかに強度が高くなっています。どちらも耐腐食性は同等です。このグレードは、優れた溶接性、強度、延性、成形性を備えています。このため、グレード 2 のチタン ロッドとプレートは、建設、発電、医療産業などの多くの用途で第一の選択肢となります。

グレード3

このグレードは、商業的に使用されている純チタングレードの中で最も使用されていませんが、だからといって価値が下がるわけではありません。グレード 3 はグレード 1 および 2 よりも強度があり、延性は同様ですが、成形性はわずかに劣ります。 – しかし、それは前任者よりも高度なメカニカルを備えています。グレード 3 は、航空宇宙、化学処理、海洋産業など、中程度の強度と一次耐食性が必要な用途に使用されます。

グレード4

市販されている4種類の純チタンの中で最も強度が高いと考えられています。また、優れた耐食性、良好な成形性、溶接性でも知られています。一部の機体コンポーネント、極低温容器、熱交換器、および高解像度を必要とするその他のアプリケーションで使用されます。

7年生

機械的および物理的にはグレード 2 と同じですが、合金にするために格子間元素パラジウムが添加されています。グレード7は溶接性、加工性に優れ、チタン合金の中で最も耐食性が高いです。そのため、主に化学プロセスや生産装置の部品として使用されます。

11年生

グレード 1 と非常に似ていますが、耐食性を高めるために少量のパラジウムが添加されて合金になっている点が異なります。この耐食性を利用して、隙間腐食を防止し、塩化物環境での酸を減らすことができます。その他の有用な特性には、最適な延性、冷間成形性、有用な強度、衝撃靱性、優れた溶接性などがあります。この合金は、グレード 1 と同じチタン用途、特に腐食が必要な場合に使用できます。

5年生

Known as the “workhorse” of titanium alloys, Ti6Al-4V or Grade 5 titanium is the most commonly used of all titanium alloys. It accounts for 50% of the world’s total titanium consumption. Its usability lies in its many benefits. Ti6Al-4V can be heat treated to increase its strength. It can be used in welded structures at service temperatures up to 600°F. The alloy combines high strength with light weight, useful formability and high corrosion resistance. The availability of Ti6AI-4V makes it the best alloy for use in multiple industries such as aerospace, medical, marine and chemical processing industries.

23年生

Ti 6AL-4V ELI or Grade 5 ELI grade is a higher purity form of Ti 6Al-4V. It can be made into coils, strands, wires or flat wires. It is the first choice for any situation where high strength, light weight, good corrosion resistance and high toughness are required. It has excellent damage tolerance to other alloys. These advantages make Ti 6Al-4V ELI grade the ultimate dental and medical titanium grade. Due to its biocompatibility, good fatigue strength and low modulus, it can be used in biomedical applications such as implantable components.

12年生

高温下でも優れた強度を発揮する耐久性の高い合金です。グレード 12 チタンは、300 シリーズ ステンレス鋼と同様の特性を持っています。合金は、プレス成形、ハイドロフォーミング、ストレッチフォーミング、またはドロップウェイト法を使用して熱間または冷間成形できます。さまざまな方法で形成できるため、多くの用途に役立ちます。この合金は耐食性が高いため、隙間腐食が懸念される製造装置にとっても非常に貴重です。

9年生

アルミニウム約3％、バナジウム約2.5％を添加した純チタン製です。この合金は一般に、優れた耐食性、高強度、良好な溶接特性を備えています。 Gr9 チタン合金は、航空宇宙、造船、化学機器、その他の分野、特に高温や腐食環境で高性能材料が必要とされる分野で広く使用されています。 Gr9 チタン合金の特性により、さまざまな部品やコンポーネントの製造に使用できる理想的な構造材料となります。

チタンの応用市場

1. 航空宇宙

金属チタンは、航空機の胴体やエンジンブレードなどの航空機構造やエンジン部品の製造に広く使用されています。
その軽量かつ高強度の特性により、航空機の軽量化、燃料効率の向上、航空機の耐久性と安全性の向上が可能になります。

2. 医療

金属チタンは、骨インプラント、人工関節、歯科修復装置などの医療機器の製造に使用されます。
チタンはその生体適合性と耐食性により、医療分野において最も理想的な素材の 1 つです。

3. 自動車産業

自動車製造では、排気システム、サスペンション部品、車体構造などの軽量部品の製造にチタンが使用されています。
軽量設計により、車の燃費、動力性能、安全性が向上します。

4. 海洋工学

海洋工学における金属チタンの応用には、淡水化、海洋探査、海底パイプラインが含まれます。
耐食性と海水腐食に対する耐久性により、チタンは海洋環境にとって理想的な素材です。

5. スポーツ用品製造業

チタンは、ゴルフクラブ、自転車のフレーム、テニスラケットなどの高級スポーツ用品の製造に使用されています。
高強度、軽量、耐食性により、チタン製品は優れた性能と耐久性を実現します。

6. 産業

金属チタンは、化学装置、石油掘削工具、動力伝達装置の製造に業界で使用されています。
高温耐久性と耐食性により、金属チタンは過酷な産業環境での使用が期待できます。

チタンに関する興味深い事実

  1. The chemical symbol of titanium is Ti, the atomic number is 22.
  2. Titanium is the 9th most abundant element in the Earth’s crust.
  3. The name titanium comes from the Titans in Greek mythology.
  4. Titanium does not occur in nature as a metal.
  5. Titanium is the only metal that can bond and grow with human bones.
  6. The natural color of titanium is silvery white.
  7. Titanium is not magnetic.
  8. Titanium has a high melting point, about 1,668 degrees Celsius (3,034 degrees Fahrenheit)
  9. Titanium won’t rust.
  10. Titanium is non-toxic.
  11. China is the largest titanium producer in the world.