チタンは、密度が鉄の約1/4ですから軽量金属材料として分類されており、しかも比強度が高く、耐食性も優れています。そのため、機械工業や輸送用機器など軽量高強度を要求される構造部品、化学工業や船舶など耐食性を重視する機器などに利用されています。

チタンの耐食性は、とくに塩素(Cl)イオンを含む海水のような環境や硝酸のような酸化性酸の雰囲気では優れています。しかし、硫酸や塩酸のような非酸化性酸の環境ではあまりよくありません。この耐食性の優れている理由は、表面の安定な酸化物皮膜(TiOやTiO2)の形成によるもので、これはチタンが酸素との親和力が極めて大きいことを示しています。

JISではJIS H 4650に、４種類の純Ti(1～4種)、耐食合金として13種類のTi-Pd合金やTi-Ru合金(11～23種)、1種類のTi-Al合金(50種)、５種類のTi-Al-V合金(60種、61種、80種)を規定しています。純Tiは耐海水性が優れ、Ti-Pd合金およびTi-Ru合金は耐すきま腐食性が良好であり、Ti-Al-V合金は高強度で耐食性が優れています。

表1に、主なチタンおよびチタン合金の種類を示すように、合金成分によって金属組織が異なります。純チタンの金属組織はα相(稠密六方晶)ですが、合金成分の種類や量によって、β相(体心立方晶)やα相とβ相の混相を呈します。例えば、合金元素としてのアルミニウム(Al)の添加はα相領域を拡げ、固溶強化に有効です。また、バナジウム(V)やモリブデン(Mo)の添加はβ相領域を拡げ、析出強化に有効です。

表１　チタンおよびチタン合金棒の種類と特徴・用途

(1) α相の合金：熱処理では強度を高めることはできませんが、圧延加工など塑性加工によって著しく高強度化します。耐食性が優れており、とくに耐海水性が優れています。

(2) α相とβ相の混相合金：熱処理(固溶化熱処理→時効処理)によって強度をコントールすることができます。高耐食・高強度を要する製品や部品によく利用されています。

(3) β相の合金：チタン合金の中では、熱処理によって最も高い強度を得ることができます。α相やα相とβ相の混相合金は常温での塑性加工が困難ですが、β相の合金は固溶化熱処理後の塑性加工が容易です。

チタン合金の中でも最もよく利用されている合金は、α相とβ相の混相合金であるTi-Al-V合金です。表１に示すように、その種類にはTi-6Al-4V合金(60種)、Ti-3Al-2.5V合金(61種)およびTi-4Al-22V合金(80種)があり、焼なましまたは固溶化熱処理後の強度も高いことを特徴としています。これらの合金は、固溶化熱処理後の時効処理によってさらに強度を高めることができ、その程度は熱処理条件によって大きく異なります。

表２に、Ti-6Al-4V合金の熱処理後の機械的性質の一例を示します。明らかに熱処理によって強度は高くなっており、しかも熱処理条件の影響が大きいことが分かります。なお、チタンは400℃以上の温度で加熱すると、雰囲気中の酸素や窒素と容易に反応して表面に酸化物や窒化物を生じます。そのため、チタン合金を熱処理する際は、温度条件だけでなく加熱雰囲気にも十分に留意する必要があります。例えば、真空熱処理炉を用いて光輝熱処理する際は、たとえ加熱時の圧力が高真空であっても、炉内に酸素や窒素が残留している場合には表面反応して変色します。すなわち、チタン合金を真空熱処理する際には、アルゴンガスやヘリウムガスなど不活性ガスを用いて、炉内を置換しなければなりません。

表２　Ti-6Al-4V合金の熱処理と機械的性質の一例

『機械部品の熱処理・表面処理基礎講座』の目次