チタンは、周期表上で化学記号 Ti、原子番号 22 を持つ重要な金属元素です。銀白色の金属光沢を持ち、融点が高く、密度が低く、強度が高く、延性が強いなどの優れた特性を持っています。 チタン 重要な産業資材です。チタンについてさらに詳しく知りたい場合は、以下を読み続けてください。
チタンの別の用語
チタンは、密度が低く、延性が強く、耐食性が強いなど優れた利点が多く、「奇跡の金属」「宇宙金属」「海洋金属」とも呼ばれています。
チタンの歴史
1791年、チタンはイギリスでアマチュア地質学者によって発見されました。 ウィリアム・グレガー。 1795年、ドイツの化学者クラプロートは、ギリシャ神話のタイタンの神々の名前を引用して、この新しい元素を「チタン」と名付けました。アメリカの化学者ハンターが、TiCl をナトリウムで還元することにより、初めて 1910% 純度の金属チタンを取得したのは 99.9 年のことでした。 1940年にはルクセンブルクの科学者クロールもマグネシウム還元法を用いて純チタンを製造しました。それ以来、マグネシウム還元法とナトリウム還元法の両方がチタン製造の工業プロセスとなっています。
チタンの色
チタン金属は、銀白色または銀灰色の光沢を持ち、鋼鉄のような外観を持ち、遷移金属です。
チタンは何でできていますか?
チタンは広く分布しており、地殻の約 0.44% を占め、あらゆる岩石、砂、粘土、その他の土壌に含まれています。しかし、チタンは酸素と容易に反応するため、純粋なチタンは自然界には存在しません。それは主に二酸化チタンの形で存在します。チタン鉱石には主にイルメナイトやルチルがあり、これらを精製することで純チタンが得られます。
チタンはどのように作られるのでしょうか?
チタンは通常、次のような方法で製造されます。 クロールプロセス。まず、チタン鉱石を加熱して液体の四塩化チタン(TiCl4)を生成します。次に、分別蒸留を使用して精製が行われます。蒸留後、溶融マグネシウムを加えて「スポンジ」状にします。次に、スポンジを溶かしてインゴットを形成し、さらに棒、板、シート、チューブなどのさまざまな機械製品に加工します。最後に、これらの機械製品はさらに加工、成形され、必要に応じて表面処理が施され、製品が最適化されます。
チタンの主な種類は何ですか?
チタンにはα相とβ相という2種類の多形構造があります。チタンの多形特性に基づいて、チタン合金はαチタン合金、βチタン合金、α+βチタン合金の3つに大きく分類されます。
アルファチタン合金
アルファチタン合金は、フルアルファ合金とニアアルファ合金にさらに分類されます。これらは、アルファ相固溶体から構成される単相合金です。優れた冷間および熱間加工特性、安定した構造、および強力な耐酸化性を示します。
ベータチタン合金
ベータチタン合金は、安定ベータ合金、準安定ベータ合金、および近ベータ合金にさらに分類されます。 β相固溶体からなる単相合金であり、優れた強度特性を示し、高い強度を実現します。強い耐食性と溶接性も備えています。
α+β(アルファ+ベータ)チタン合金
これは、安定した構造、良好な靭性、良好な可塑性、高温変形耐性などの優れた総合特性を備えた二相合金です。合金はホットプレス、焼き入れ、時効処理などのプロセスにより強化することができます。
チタンの一般的なグレードは何ですか?
グレード1
グレード 1 の商用純チタンは、最も柔らかく、最も延性のあるタイプのチタンです。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。これは、成形の容易さが必要な用途に適した材料であり、航空宇宙、自動車、発電産業で一般的に使用されています。
グレード2
グレード2の商用純チタンは、最も一般的に使用されている商用純チタンであり、適度な強度と優れた冷間成形特性を備えています。他の市販の純チタン グレードと比較すると、グレード 2 チタンはグレード 3 よりわずかに弱いですが、グレード 1 よりは強く、耐食性も備えています。耐食性があるため、海洋、医療、発電、石油産業で一般的に使用されています。
グレード3
グレード3チタンは市販の純チタングレードの中で最も使用量が少ないグレードですが、それでもその価値が損なわれるわけではありません。高強度、良好な耐食性、溶接性を備えています。強度は1級、2級に比べて高いですが、延性は他のXNUMX級に比べて低くなります。海洋産業、航空宇宙産業、化学処理産業で一般的に使用されています。
グレード4
グレード 4 チタンは、市販の純チタン グレードの中で最も強度が高いと考えられており、優れた耐食性、良好な成形性、溶接性で知られています。航空宇宙、化学処理、医療業界で、機体構造、熱交換器、手術用ハードウェアなどの用途に一般的に使用されています。
グレード 5 または Ti 6Al-4V
Ti5Al-6V としても知られるグレード 4 チタンは、チタン合金の「主力製品」と呼ばれ、すべてのチタン合金の中で最も一般的に使用されており、全世界のチタン使用量の 50% を占めています。この合金は、軽量で非常に高い強度、耐熱性、耐食性、成形性を備えているのが特徴です。そのため、航空宇宙産業でエンジン、構造部品、留め具の製造に非常に好まれています。
グレード 6 または Ti 5Al-2.5Sn
グレード6チタンは非常に強い安定性を持ち、高温下でも良好な溶接性と強度を維持します。加工性にも優れています。タービンエンジンのケーシング、航空機部品、化学処理部品などに広く使用されています。
グレード7
グレード 7 チタンはグレード 2 チタンに似ていますが、隙間腐食に対する耐性を強化する侵入元素パラジウム (0.12% ~ 0.25% の範囲) が添加されている点が異なります。グレード 7 は溶接性にも優れ、チタン合金の中で最も耐食性が優れています。化学薬品の製造、海水淡水化、発電によく使用されます。
グレード11
CP Ti-11Pd としても知られるグレード 0.15 チタンは、グレード 1 およびグレード 2 と同様の市販の純チタンで、耐食性を高めるために少量のパラジウムが添加されています。塩化物環境における隙間腐食の防止と酸の削減に使用できます。グレード 11 チタンは、高い延性、冷間成形性、有用な強度、衝撃靱性、および優れた溶接性も示します。化学処理や熱交換器でよく使用されます。
グレード 12 または Ti 0.3-Mo 0.8-Ni
Ti 12 Mo 0.3 Ni としても知られるグレード 0.8 チタンは、少量のニッケルとモリブデンを含む耐食性の高い合金です。これらの元素は耐食性を高め、合金の強度を高めます。船舶や海洋掘削プラットフォームなどの用途でよく使用されます。
グレード 23 または Ti 6AL-4V ELI
Ti 123Al-6V ELI としても知られるグレード 4 チタンは、高い延性、高強度、軽量、耐食性、および高い靭性を特徴としています。歯科および医療用途に最適です。
どのグレードのチタンが最適ですか?
グレード 5 (Ti 6Al-4V) チタンは、チタンの需要の半分を占めるため、「主力製品」として知られています。幅広い望ましい特性により、最も一般的に使用されるチタングレードとなっています。グレード 5 チタンは、高強度、高延性、強力な耐食性、優れた熱安定性を備え、加工や成形が容易なため、航空宇宙や海洋などの産業で広く使用されています。
チタンの価格はいくらですか?
市販の純チタンのコストは 23 キログラムあたり約 25 ~ 27 ドルですが、チタン合金のコストは 30 キログラムあたり約 XNUMX ~ XNUMX ドルです。
最安のチタングレードはどれですか?
現在、グレード 1 チタンは、主に特定の用途要件と市場の供給条件に応じて、価格が比較的安価です。
陽極酸化処理に使用されるチタンのグレードは何ですか
グレード2チタンとグレード3チタンの両方を陽極酸化処理に使用できます。
チタンの特性とは何ですか?
以下はチタンの物理的および化学的特性です。
物理的特性
密度: 4.5グラム/立方センチメートル
色: 銀白色の金属光沢
力: チタンの強度は、チタンのグレードと合金元素の濃度によって異なります。
豊富: チタンは地球の地殻で 9 番目に豊富な元素であり、ほぼすべての岩石や堆積物に存在します。
温度抵抗: チタンは、ステンレス鋼やアルミニウムと比較して、高温および低温に耐えることができます。
延性: チタンの延性は、伸び率 6% (Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo) から 25% (商業的に純粋なグレード 1) の範囲です。
化学的性質
酸化: チタンは酸化電位が高いため、自然界では純粋な形では存在せず、岩石や鉱物中に酸化物の形で存在します。
反応性: 高温では酸やハロゲンと反応しますが、アルカリとは全く反応しません。
耐腐食性: チタンは、酸素分子がチタンと結合して酸化チタンを形成するため、酸、アルカリ、海水などからの腐食に強く、非常に強い耐食性を持っています。
機械加工性: 棒、板、パイプなど様々な形状の製品への加工が容易です。
チタン金属の製造プロセス
クロールプロセスは、粗チタンを金属チタンに変換するために使用されます。このプロセスのステップには、抽出、精製、スポンジの製造、合金の製造、および成形と成形が含まれます。
抽出プロセス
高品位の濃縮物は、イルメナイトやルチルなどの原鉱石から抽出され、加工のために工場に送られます。鉄分を除去するための前処理の後、イルメナイトを塩素と炭素を含む流動床反応器に入れ、900℃まで加熱します。化学反応中に、一酸化炭素とともに四塩化チタンが生成されます。四塩化チタンには、二酸化チタンを製造するために除去する必要がある不純物が含まれています。
精製
四塩化チタンは高温減圧蒸留により精製されます。抽出プロセス中に生成された金属は、大きな蒸留タンクで加熱されます。精製プロセスでは分別蒸留と沈殿を使用して不純物を分離します。さまざまな元素の沸点が異なるため、蒸留プロセス中に、さまざまな元素が沸点に達すると除去されます。除去される不純物には、バナジウム、シリコン、マグネシウム、ジルコニウム、鉄などが含まれます。
スポンジの形成
スポンジの形成により、精製された四塩化チタンが液体の状態でステンレス鋼の反応容器に注がれます。マグネシウムを加え、混合物を1100℃まで加熱して塩素と反応させ、塩化マグネシウムを生成します。アルゴンガスをポンプで送り込んで空気を除去し、酸素や窒素との反応を防ぎます。生成されたチタンはドリルで抽出され、水と塩酸の混合物で処理されて過剰なマグネシウムと塩化マグネシウムが除去されます。得られたチタンはスポンジ状です。
合金の作成
純粋なスポンジチタンを各種合金や金属スクラップと混合して合金を製造します。金属を適切な割合で溶解および混合した後、塊を圧縮して溶接してスポンジ電極を形成します。これらは真空アーク炉で溶解され、さまざまな工業製品や商業製品にさらに加工されるインゴットが形成されます。
成形と成形
チタン合金製品を製造するために、インゴットは炉から取り出され、検査、梱包され、輸送されます。各インゴットの特性が検査され、顧客の要件を満たしていることが確認されます。インゴットは、製品の製造工程において、溶接、成形、鋳造、鍛造、粉末冶金などのさまざまなプロセスを経ます。
チタンの利点は何ですか?
高強度
チタンは優れた強度を有し、周期表上で最も強い金属の 1 つです。チタンは密度が低いため、非常に軽量です。
耐食性
チタンは酸素と容易に反応し、表面に薄い酸化物層を形成し、自然な耐食性をもたらします。
生体適合性
チタンは無毒で、人間にも動物にも生体適合性があります。したがって、チタンは医療業界や歯科業界で頻繁に使用されています。
低い熱膨張係数
チタンは熱膨張係数が低いため、極端な温度でも膨張と収縮が最小限に抑えられ、構造の安定性が高まります。
高融点
チタンは融点が非常に高い (約 1668°C) ため、鋳造工場やタービン ジェット エンジンなどの高温用途に非常に適しています。
優れた製造可能性
チタンは非常に強い金属であるにもかかわらず、柔らかく延性もあります。これにより、さまざまな製造プロセスを使用してチタン部品を製造できるようになります。
チタンの限界とは何ですか?
高価な
チタンは希少金属とみなされており、その精製は高価で複雑です。
形状が難しい
実用的な形状に成形するには、高度な機械と特殊な設備が必要です。
高温で反応する
このため、純チタンおよびチタン合金の製造は複雑で、高度に管理されることになります。チタンの製造は、厳密に管理された嫌気性環境で行われなければなりません。
熱伝導率が悪い
チタンは熱伝導率が悪く加工が難しい素材です。
チタンの用途は何ですか?
航空宇宙
チタン合金は次の点で評価されています。 航空宇宙 高い強度対密度比、耐食性、およびクリープを発生させずに中程度の温度に耐える能力により、業界で高い評価を得ています。
自動車
チタンは、その低密度、高い強度重量比、耐食性、耐熱性により、自動車産業で好まれています。
産業
チタンは、その高強度、耐食性、軽量性、耐久性により、産業環境で広く使用されています。その用途には、熱交換器、バルブ、パイプ、コネクティングロッドが含まれます。
医療
チタンは毒性がなく、人骨と生体適合性があるため、医療用途に非常に適しています。骨結合のための固有の特性があり、30 年以上持続する歯科用インプラントに使用でき、整形外科用インプラントの用途にも役立ちます。
金属チタンの健康と環境への影響
チタンの健康への影響
金属チタンは生体適合性に優れ、毒性のない生体適合性素材です。医療器具やインプラントなどに広く使用されており、人体に悪影響を与えることはありません。
チタンの環境影響
チタンは有害物質を放出しないため、環境への悪影響を回避できます。ただし、チタンの製造工程においては、廃棄物や排気ガスが発生する場合があります。それにもかかわらず、効果的な管理と積極的な処理手段により、環境への影響を可能な限り最小限に抑えることができます。
よくあるご質問
チタンは錆びにくいのですか?
はい、チタン合金は優れた耐食性を備えており、多くの化学物質の浸食に耐えることができます。
チタンには磁性があるのでしょうか?
一般に、純チタンの結晶構造は磁性を持たないため、純チタンは通常非磁性です。ただし、一部のチタン合金は、合金元素の種類や濃度によっては磁性を示す場合があります。
チタンは防弾ですか?
はい、チタンは拳銃や狩猟用ライフルには防弾機能がありますが、軍用装備の場合はチタンは防弾ではありません。
チタンとアルミニウムの違いは何ですか?
材料特性
チタンはチタンに比べて強度と耐食性に優れています。 アルミニウム、アルミニウムよりも軽量ですが、コストが高くなります。アルミニウムは、熱伝導性と電気伝導性に優れ、チタンに比べて安価な軽量金属です。
アプリケーション
チタンは、航空宇宙機器や医療機器など、高い強度と耐食性が必要な用途でよく使用されます。アルミニウムには、航空宇宙、自動車、建設、エレクトロニクスなど、幅広い用途があります。
処理の難しさ
チタンは強度や耐食性が高いため加工が難しく、より高度な加工設備と技術が必要となります。対照的に、アルミニウムは加工が比較的容易であり、従来の方法を使用して機械加工および成形することができます。
3D プリントにはどのグレードのチタンが使用されますか?
Ti-5Al-6V としても知られるグレード 4 チタンは、その優れた強度重量比と生体適合性により 3D プリントでよく使用されます。
まとめ
ここでは、チタンとは何か、開発の歴史、チタンの種類、チタンのグレードの分類、特性の基礎知識などを紹介します。 チタン合金の形成過程をクロール法を中心に説明し、チタンのメリット・デメリットも解説します。とその応用分野。
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