チタンの加工はなぜ難しいのか?

チタン合金は、「強度」「軽さ」「耐食性」「耐熱性」を備え近年では需要が高まってきています。

今回はそのチタンの材質特性と加工の難しさについてご紹介いたします。

1.チタンとは何か

まずはじめに、チタンという材料自体についてご紹介いたします。
チタン及びチタン合金が工業的に幅広く実用化されるようになったのは、1940年代後半から、1950年代後半にかけてからです。したがって、金属材料としては、Ni基超耐熱合金とともに工業化の歴史は比較的浅い材料です。
「強度」「軽さ」「耐食性」「耐熱性」を備えるチタン合金は、以前は比較的高価であったため、航空機や宇宙航空機産業・原子力発電関連など限られた分野において利用されていました。
しかし、近年では、製造コストの低減化が進んだことにより、チタンの需要は年々高まっています。

このチタン材料は以下の2種類に分類されます。
・汎用材料
汎用材料とは、鋼やアルミニウム材料と同様に、板、棒、鍛造品などの製品に加工され、構造材料、容器材料、配管材料などとして使用される材料です。
・特殊材料
一方、特殊材料とは、特定の目的に特殊な性能を有したチタン材料であり、上記の汎用材料とは区別されます。

先述したように、チタンの特性として「耐食性」「耐熱性」「強度」「軽さ」の4つが挙げられます。
このような特徴からチタンは、鉄やアルミよりも優れた金属であるといわれています。
「耐食性」はその錆びにくさを表していて、チタンは、鉄や銅、さらには錆びにくいといわれているアルミニウムよりも耐食性が高いといわれています。
「耐熱性」は文字の通り、どれくらいの熱に耐えられるかを表しています。
チタンの耐熱性はおよそ1660度といわれており、鉄・銅・アルミよりも高い耐熱性を誇っています。
チタンの「強度」はとても高く、衝撃に耐えることができる金属です。
壊れてはいけない医療機械や航空機等に利用されることが多いのもこのチタンの高い強度が理由のひとつであるといえます。
チタンの「軽さ」も特徴の一つで、鉄や銅と比べるとはるかに軽いです。
上記の耐熱性・耐食性・強度をもちながら軽さまで兼ね備えていることを考えると
チタンが優れていることは一目瞭然ですね。

しかし、チタンはその優秀さの反面、加工が難しいという課題も抱えています。

 

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2.チタン加工はなぜ難しいのか?

先述のようにチタンは耐食性、耐熱性、高強度などの優れた材料特性を示します。
しかし、それらの優れた特性が原因となり、切削時の工具寿命が短くなるため、チタンは難削材に分類されます。
チタンの切削時に起こりやすい問題としては以下の5項目が挙げられます。

チタン加工の問題点

・熱伝導率が小さいため、切削時に発生した熱が逃げられずに工具と加工材に蓄積するため工具の磨耗が大きくなる。
・科学的に活性なため、切削速度が増すと切削熱の発生が多くなり、切削部の温度が高くなるため活性度が増し、工具の磨耗が大きくなる。
・継続的な変形により切りくずが生成されるため、刃先に加わる切削抵抗の変動が大きく、刃先が欠けたり大きく磨耗しやすい。
・ヤング率が小さいため切削したときに加工材が大きく変形しやすく、特に薄物の加工では、加工精度の低下やびびりが生じる。
・磨耗した工具や薄い切りくずが出る条件で切削した場合、熱で切りくずが発火することがある。

チタンは上記のような問題点を持つため、以下のようなトラブルが発生することがあります。

・工具寿命が著しく短くなる
・加工精度、面粗度が悪くなる
・切り粉が発火、しいては火災の原因となる。

このように優れた特性を持つ反面チタンの加工切削は難しいうえにトラブルがつきものです。

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