次世代材質:チタン

 軽い!! 強い!! さびない!!   
     次世代ねじ【チタン】            

軽い!! 強い!! さびない!!          次世代ねじ【チタン】

 

 

 


チタンは実用金属の仲間入りしてからまだ50年!
新しい可能性を秘めた金属です

質量:鉄とアルミの中間で鉄の60%程
強度:炭素鋼とほぼ同じ
  (重さあたりの強度:鉄の約2倍でアルミの6倍)
耐食性:海水中では白金の次に耐食性に優れる

➡軽くて強い夢の金属です。

●【種類】チタンは2種類に分類されます●
①純チタン
②チタン合金 (➡3、チタン合金の分類と種類にて詳しく解説します)

目次

  • チタンとほかの金属との物理的性質の比較【比重】
  • JIS規格チタン展伸材料規格対照表
  • チタン合金の分類と特徴
  • 主な使用例
  • 歴史
  • 電蝕について
  • 表面硬化、タッピングについて
  • チタンの着色
  • チタン製ねじ 商品ラインナップ
     一部ネット販売を開始いたしました!(YahooShopping)

1、チタンとほかの金属との物理的性質の比較【比重】

  純チタン アルミニウム
溶融点℃ 1668 660 1530 1083
結晶構造 HCP
<885℃
BCC
FCC BCC
<830℃
FCC
FCC
密度 g/㎤ 4.51 2.70 7.86 8.93
原子番号 22 13 26 29
原子量 47.90 26.97 55.85 63.57
ヤング率 ㎫ 10.43×10 6.91×10⁴ 19.22×10⁴ 11.67×10⁴
ポアソン比 0.34 0.33 0.31 0.34
電気比抵抗 47~55 2.7 9.7 1.7
電気伝導率 Cuに比べた% 3.1 64.0 18.0 100
熱伝導率 0.041 0.487 0.145 0.923
線膨張係数 8.4×10⁻⁶ 23.0×10⁻⁶ 12.0×10⁻⁶ 16.8×10⁻⁶
比熱 0.12 0.21 0.11 0.09
磁比率 +1.25×10⁶ +0.65×10⁶ 強磁性体 -0.086×10⁶

1MPa=0.102kgf/mm2

【純チタンの比重:その他の金属と比較すると以下のようになります。】

比重 純チタン チタン合金 ステンレス鋼 アルミニウム マグネシウム
密度 4.51 4.13 7.90 7.90 2.80 1.77 8.93

【解説】
①酸に強く海水中では白金の次に耐食性に優れます。融点は1668度と高く耐熱性があります。
②電気抵抗は鉄の5倍と高いため伝わりにくく 誘導加熱に適します。
③熱伝導率は銅の4.4%と熱の伝わりは遅いのですが、熱容量(比熱x密度)は小さいので、鍋などでは直火のような効果を生みます。熱膨張率はステンレスの約半分で安定しています。
④ヤング率は低くてステンレスの2倍たわみやすく、バネ性をもちます。
⑤非磁性で18-8ステンレスのように強く加工した場合に磁性を帯びるようなこともありません。
⑥密度が4.51g/㎤で鉄の半分しかなく、アルミニウムの次に小さい。(純チタンの比重4.51)
⑦885℃で同素変動(個体のままで結晶構造が変わること)をして、結晶構造が低温側の最密六万晶から高温側の体心立法晶に変わる

2、JIS規格チタン展伸材料規格対照表

グレード C H O N Fe Ti 引張強さ
(㎫)
耐力
(㎫)
伸び
(%)
JIS 1種 0.015 0.15 0.05 0.20 残部 270-410 ≦165 ≦27
JIS 2種 0.015 0.20 0.05 0.25 残部 340-510 ≦215 ≦23
JIS 3種 0.015 0.30 0.07 0.30 残部 480-620 ≦345 ≦18

【純チタンの機械的性質】

純チタンの引張強さ270-620㎫は純鉄の標準的な引張強さ200㎫より高いレベルにあり、低炭素鋼の強さに匹敵します。(純度にもよる)
※工業用に使われる純チタンの中には、純と言っても純度は99.8%で残りは不純物の場合もあります。この不純物の量がチタンの機械的性質を支配しており、不純物元素の主なものは酸素と鉄です。

【純チタンの化学的性質】

主な酸や海水に対するチタンの腐食挙動
①硝酸のような酸化性の酸に強い。
 強固な不働態被膜が形成され、高温、高濃度の硝酸の中でも耐食性を維持できる。
②食塩水のような塩化水イオンに対しても、強い。
 孔食(部分的な腐食)、すきま腐食(穴の中や狭いすきまが特に腐食される現象)、
 応力腐食(応力が加わった部分が特に腐食される現象)は起きにくい。
③塩酸や硫酸のような非酸化性の酸には腐食される
 ➡酸化剤を少量添加してやると不働態化して、腐食は止まる
④微量の水分さえあれば硫化水素に耐えられる。
⑤亜硫酸ガスや硫化水素にも耐える。
⑥ほとんどの有機酸に対して優れた耐食性を示す。
⑦アルカリに対しては万能ではない。
 高温。高濃度の苛性ソーダ(NaOH)と苛性カリ(KOH)には腐食される。
⑧流動海水中ではエロージョン(流体の衝突による一種の摩擦現象)を起こしにくく、完全な耐食性を示す

※なお上記の特徴は一般的な場合を示します。特殊な状況下においては当てはまらない場合もございます。

高温酸化●

室温ではチタンの不働態被膜は極めて安定しています。しかし、600度を超えて空気中で長時間過熱を続けると酸化は徐々に進行し、900度以上になるとさらに急速に進行します。
よって長時間空気中で使用する場合の限度温度は550℃といわれています。

3、チタン合金の分類と特徴

チタン合金は機械的性質を改良するために純チタンに合金元素を加えて作ります。

主な改良点
①室温での機械的性質
 密度があまり大きくならない範囲で、とにかく室温付近の強さを大きくすること
②高温での機械的性質
 高温になっても強度があまり低下しないようにすること

主な用途
航空機の機体構造材料用・ジェットエンジンのタービン用など

代表的なチタン合金の性質

組成 熱処理 引張強さ
耐力
伸び
α合金
Ti-5-Al-2.5Sn
A 862 804 16
αリッチα+β合金
Ti-8 Al-1 Mo-1V
Ti-6 Al-2 Sn-4 Zr-2 Mo
A
A
1000
980
951
892
15
15
 α+β合金
Ti-3 Al-2.5V
Ti-6 Al-4V

Ti-6 Al-6 V-2 Sn

Ti-6 Al-6 Sn-4 Zr-6 Mo
Ti-10 V-2 Fe-3 Al
A
A
STA
A
STA
STA
STA
686
980
1170
1060
1270
1270
1270
588
921
1100
990
1170
1180
1200
20
14
10
14
10
10
10
β合金
Ti-l3 V-11 Cr-3 Al
Ti-3 Al-8 V-6 Cr-4 Mo-4 Zr
Ti-11.5 Mo-6 Zr-4.5 Sn
Ti-15 Mo-5 Zr-3 Al
Ti-15 V-3 Cr-3 Al-3 Sn
STA
STA
STA
STA
STA
1220
1440
1380
1470
1230
1170
1370
1310
1450
1110
8
7
11
13
10

【特徴】

①工業用チタン材料にはやわらかめの純チタンと硬いチタン合金がありますが、日本ではプラントなどで多く利用されるために耐食性の高い純チタンが利用されています。

②アメリカなどでは航空機に多用されることから、強く硬いチタン合金が利用されます。耐食性では純チタンに劣ります。JISでは純チタンを引っ張り強さ、耐力により1種から4種(Ti1~4)まで定めています。耐食性は同じです。

④冷間圧造でヘッダー加工するねじは純チタン(Ti1)を利用することが多いです。

⑤鋼種名としてはTW270 TW340 KS50などがあります。

⑥チタン製ねじ類は材料のチタン色ですが、潤滑用にニッケル皮膜処理した材料を使うと白っぽく皮膜のないものだと黒っぽくなります。特殊洗浄で白っぽくすることもできます(有料)。

⑦ニッケル皮膜したものはニッケルの毒性が残留するので、医療や食品などには利用できません。

 

4、主な使用例

海上施設・道路標識・発電所用復水器・医療用など


肌にやさしく金属アレルギーを起こしにくい材料なので医療用に人工関節や歯茎のインプラントなどに利用されます。めがねフレームが一番身近なチタン製品かもしれません。

クラーク数は10番目でアルミ、鉄、マグネシウムに次ぐ地殻埋蔵量ですが、酸素との結合力がアルミより強く精錬を難しくしています。また大気中での溶接作業を難しくしています。
そのため工業向けに大量生産できるようになったのは1948年アメリカでのことだそうです。
埋蔵量は多くても、掘り出し精錬して使える量が少なく 加工が難しいことがコスト高の要因になっています。

5、歴史

チタン(Titanium)はギリシャ神話の巨人Titanenの強さにちなんでとか、オリンポスの神々との戦いに敗れて地底に封じ込まれたからなどといわれています。
純チタンは耐食性に優れていることから化学プラントに多く利用されてきましたが、野球ドームなど屋根や外壁等の利用も増えてきました。ドームの屋根などメンテナンスしにくいところでの利用は管理において大きなコスト低減を果たしています。
航空機、特にエンジン部ではその耐熱性からなくてはならない存在で、最新の戦闘機からチタンをのぞいたらボディーは半分も残らないということです。
チタン製の人工関節は骨への親和性がよく、軽く強いので術後の生活を助け、その耐久性により手術を繰り返して人口関節を交換する必要も減り患者の負担を軽減します。

★かじり(焼きつき)について
チタンは熱の伝わりが遅いため、局所的にねじ山に大きな力がかかり続けると、その部分の金属が溶けて固まり、溶接したかのような状態となります。こうなるとどうしようもないので精度の良い組み立てと焼き付き防止用、ケミカル材のご利用をお勧めいたします。
ステンレス同士も焼き付き安い材質ですが、チタンはステンレス以上に焼きつきを起こしやすい材料ですのでご利用には十分にご注意下さい。(完全に焼きつきを防ぐ技術は確立していません)

6、電蝕について

チタンは表面に安定した不動態皮膜を酸化により形成するためにとても耐食性に優れますが、多かれ少なかれ異なる金属が接触する面には電位差が生じます。
電位差が小さい場合や、環境が乾燥している場合はそれほど気にする必要もありませんが、屋外で雨(酸性雨)にさらされるような場合は注意が必要です。

電位が低い金属が腐食、溶出します。
白金>チタン>SUS316>SUS304>Ni>SUS430>Cu>Fe>Al>Zu

チタン板をステンレスビスで止めて利用しているような場合、チタンとステンレスではステンレスが腐食しますので、ステンレスのビスが電蝕により腐食することがあります。

7、表面硬化、タッピングについて

チタンの表面はショットブラストと窒化処理を組み合わせた方法(WPC処理)により表面硬さHV650~700となりステンレス製タッピングの材料として多く利用されるSUS410焼きいれ品より硬くなりますが
芯部は硬くならないので粘り強さが残ります。
チタン薄板へのチタンタッピングご利用は板厚MAX0.5ミリとなります。

8、チタンの着色

チタンの表面に酸化チタン皮膜を形成させると、光の干渉により皮膜暑さによりいろいろな色をだすことができます。
放電加工による陽極酸化処理の電圧の大きさで皮膜厚さをコントロールします。


また、表面に薄い酸化チタン皮膜を形成させると、その暑さにより光の干渉でグレーから茶、赤、青、緑、黄色、ピンク、赤やその中間色など自由な色に処理できます。


9、チタン製ねじ ラインナップ 

分類 製品名
小ねじ +なべ小ねじ
+皿小ねじ
+皿小ねじ小頭
+トラス小ねじ
+バインドコネジ
タッピングネジ +Aナベ
+A皿
+Aトラス
+B1なべ
+B1皿
+BOナベ
+BO皿
ボルト 六角ボルト(全ねじ)
六角ボルト(半ねじ)
プレス蝶ボルト
フランジボルト2種
ナット 六角ナット1種、3種
袋ナット
プレス蝶ナット
四角ウェルドナット(Pなし)
高ナット
Uナット
フランジナット(S付)
フランジナット(Sなし)
六角穴付きボルト(CAP)
ホーローセット
CAP
ボタンCAP
皿cAP
ホーローセット(クボミ先)
エアー抜きCAP
ワッシャー(座金) 丸ワッシャー(特寸)
JISワッシャー
JISワッシャー小型丸
ISOワッシャー
スプリングワッシャー(ばね座金)
寸切り・長ねじ メーター寸切
マイクロねじ 0番1種(+)ナベ小
リベット

チタン製  ブラインドリベット登場

チタン製 ブラインドリベット
国内初 量産化の実現!!

●ステンレスの60%の軽さ
●高い耐食性
●環境と人にやさしい素材

 

主な使用例

 ・海洋関係・医療関係・食品関係・屋根などの接合部分
 ・その他チタン材料指定部位など

規格表下記参照(図1)

チタン製 ブラインドリベット

●丸頭
●リベットボディ:チタン(純チタン)
●マンドレル:チタン(純チタン)

ご希望に合わせた表面仕上げも可能です!

例 ・焼付塗装 ・陽極酸化発色

図1:チタン製ブラインドリベット規格表

リベット径 下穴径 サイズ 適正
カシメ板厚
L H T W F 引張強度


強度
3.2 3.3~3.4 4×2
4×3
1.6~3.2
3.2~4.8
6.5
8.2
6.4
1.0 2.1 38 1.60 1.30
4.0 4.1~4.2 5×2
5×3
5×4
1.2~3.2
3.2~4.8
4.8~6.4
7.2
8.9
10.5
8.0 1.2 2.6 41 2.50 2.00

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