チタン グレードの比較: グレード 2 vs 5 vs 23 – どれを選択しますか?

チタンのグレードは、この多用途金属を産業用途に選択する際に重要な役割を果たします。グレード 2 とグレード 5 は、最も一般的に使用されるチタンのバリエーションです。それぞれが、特定のニーズに合った独自のパフォーマンス特性を提供します。グレード 2 は標準的な商業用純チタンとして機能します。パイプライン、熱交換器、圧力容器などに存在します。 Grade 5 は、航空宇宙産業の「主力」としての地位を獲得しました。

チタンのグレードは主にその組成と特性が異なります。このため、適切な材料を選択するには、グレード 2 とグレード 5 の違いを理解することが重要になります。グレード 2 チタンは、より多くの人が利用できるため、他のグレードよりも安価です。最大酸素含有量が 0.25% 以下で、優れたオールラウンドなパフォーマンスを発揮します。-グレード 5 は、-重量比に優れた強度を備えています。-華氏600度までの温度に効果的に対応します。これらの特性により、航空宇宙、医療用インプラント、自動車部品などの高性能用途に最適です。-グレードは、窒素、炭素、鉄、酸素などの格子間元素の量に基づいてカテゴリーが決定されます。これらの元素は合金の延性と強度に大きな影響を与えます。

グレード 2 チタンは、最も一般的な商業用純 (CP) チタンのバリエーションです。約 99% がチタンで、不純物として少量の酸素 (0.2 ～ 0.4%) と鉄 (0.1%) が含まれています。強度、延性、耐食性のバランスが優れているため、人々はCPチタングレードの「主力」と呼んでいます。これにより、多くの産業用途で役立ちます。

焼きなましたグレード 2 チタンは、極限引張強さ 345-515 MPa (50-75 ksi) と降伏強さ 275-380 MPa (40-55 ksi) という中程度の強度を示します。 20 ～ 30% の伸び能力があり、合金グレードと比較して優れた延性を示します。冷間加工では、材料の破損がなく優れた成形性を備えているため、メーカーは複雑な形状を作成できます。

グレード 2 は熱処理だけでは強度を高めることはできません。冷間加工のみが微量不純物による強度を超えて強度を高めます。それでも、ロックウェル硬度は約 B80 (ロックウェル C20 にほぼ等しい) なので、多くの用途に適しています。

グレード2チタンの耐食性は際立っています。安定した連続した密着性の高い酸化物層がその表面に形成されます。この保護により、グレード 2 チタンは 315 度 (600 度 F) までの温度の海水中での腐食に耐えることができます。また、次のような場合にも抵抗します。

酸化媒体およびアルカリ環境

有機化合物と酸

塩水溶液

湿ったまたは乾いた高温ガス

化学処理装置にはグレード 2 チタンが使用されることがよくあります。タンク、配管、熱交換器のチューブなどに存在し、腐食性の液体がステンレス鋼部品を急速に損傷する可能性があります。発電施設、海水淡水化プラント、海洋環境でも広く使用されています。

生体適合性があるため、医療機器にはグレード 2 チタンが使用されます。 MRI 環境で使用されるような、非磁性特性を必要とする医療用インプラント、骨プレート、手術器具などでこの磁性が見られます。-

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グレード 5 チタン (Ti-6Al-4V) は、総使用量の約 50% を占め、世界のチタンの使用をリードしています。チタン 90%、アルミニウム 6%、バナジウム 4% を含み、優れた特性を持つアルファ - ベータ合金を作り出します。

グレード 5 の機械的特性は、商業的に純粋なグレードを大幅に上回ります。少なくとも 895 MPa の極限引張強度と 828 MPa の降伏強度を備えており、これはグレード 2 の約 2.5 倍の強度です。ただし、この余分な強度により延性が低下しますが、伸び率はグレード 2 の 20 ～ 30% と比較して 10% のみです。

アルファ-ベータの微細構造により、グレード 5 は特別なものになります。アルミニウムはアルファ相を安定させ、高温強度と耐クリープ性を向上させます。-バナジウムはベータ相を安定化させて靭性を高め、熱処理を可能にします。厚さ 15 mm までの部分は熱処理して強度を高めることができますが、25 mm を超える部分は硬化性に限界があります。-

グレード 5 は、-210 度から 400 度まで安定しています。この安定性に加え、高い強度対重量比により、以下の用途に最適です。-

航空宇宙用途（航空機の機体およびエンジン部品）

高性能自動車部品-

構造的完全性が必要な医療用インプラント

極限状態での海洋および化学処理装置

航空宇宙技術者はグレード 5 をチタン合金の「主力製品」と呼んでいます。破損が許されない場合、耐疲労性と強度対重量比が非常に重要です。-

一般的な耐食性ではグレード 2 がグレード 5 を上回ります。ただし、グレード 5 は、強度と耐食性の両方が必要な過酷な環境でより効果的に機能します。

グレード 23 チタン (Ti-6Al-4V ELI) は、強化された低格子間元素を備えたグレード 5 の改良バージョンです。これが「ELI」の由来です。基本的な混合物はグレード 5 (アルミニウム 6%、バナジウム 4%) と同じですが、酸素、窒素、炭素、鉄がはるかに少なくなります。

溶融時の侵入元素の厳密な制御により、グレード 23 はグレード 5 よりも優れています。強度を維持しながら、より優れた延性と破壊靱性を備えています。テストでは、860 MPa の引張強さと 795 MPa の降伏強さが示され、伸び率は 14% で、グレード 5 の 10% を上回っています。

酸素が少なくなると、グレード 23 の生体適合性が高まります。他のチタン合金と同様、酸素にさらされると薄い二酸化チタン層を形成します。陽極酸化により、より厚い保護層が形成され、生体適合性と耐食性が向上します。

医療用インプラントでは、次の目的でグレード 23 がよく使用されます。

整形外科用ネジ、ピン、ケーブル

外科用ステープルと結紮クリップ

矯正器具

人工股関節置換術と骨プレート

歯科用ネジとインプラント

航空宇宙、化学処理、高性能工学でもグレード 23 が使用されています。その靭性と体液に対する耐性に加え、強度と寿命が重要な利点となります。{0}

グレード 23 とグレード 5 の主な違いは、隙間要素の内容です。どちらの合金も機械的には似ていますが、グレード 23 は格子間レベルが低いため、破壊靱性と疲労耐性が優れています。重要な医療アプリケーションでは、コストが高くても、失敗は許されないため、グレード 23 を選択します。

これら 3 つのグレードは明らかな進歩を示しています。グレード 2 は耐食性が高く、成形が容易ですが、適度な強度を備えています。グレード 5 は強度があり、耐食性に優れていますが、延性が劣ります。グレード 23 は、重要な用途に最適な強度、生体適合性、損傷耐性を兼ね備えています。

引張強さ: 345 MPa vs 895 MPa vs 860 MPa

材料は、耐荷重用途において重要な要素である引張強度により、張力下での破損に耐えます。{0}これら 3 つのグレードには明確な違いがあります。

グレード 2 チタンの極限引張強さは 345 MPa (49,900 psi) で最も低くなります。合金元素を最小限に抑えた商業的に純粋な組成により、その強度は合金化された同等品のどこにも及びません。一部の情報源では、加工条件に基づいて 345 ～ 550 MPa の引張強度値を示しています。

グレード 5 チタン (Ti-6Al-4V) は、895 ～ 930 MPa ではるかに高い引張強度を示します。これは、グレード 5 のアルミニウム含有量が 6%、バナジウム含有量が 4% であるため、グレード 2 のほぼ 3 倍の強度があることを意味するため、非常に重要です。一部の情報源は、特定の条件下で最大 1170 MPa までのさらに高い値を報告しています。

グレード 23 チタン (Ti-6Al-4V ELI) の値は 860 MPa で、標準のグレード 5 をわずかに下回ります。このわずかな減少は、格子間元素の含有量が低いためであり、同様の強度特性を維持しながら延性が向上します。

これらの強度の違いは、各グレードの使用方法に直接関係します。グレード 2 の適度な強度は、化学処理装置や非耐荷重部品に適しています。--グレード 5 の並外れた強度により、航空宇宙構造や高応力機械部品に最適です。-グレード 23 は、医療用インプラントの強度と生体適合性の間のスイートスポットに当たります。

航空宇宙: 構造コンポーネントのグレード 5 とグレード 23

航空宇宙産業は、性能のニーズと重量制限のバランスを取るためにチタン合金に大きく依存しています。グレード 5 チタン (Ti-6Al-4V) は、航空宇宙製造のバックボーンとなっています。この材料は、その驚くべき強度対重量特性を維持しながら、華氏 600 度までの温度に耐えることができます。この多用途合金は、世界中で使用されているチタンの約 50% を占めています。

航空宇宙エンジニアは次の点でグレード 5 を選択します。

航空機のタービンおよびエンジン部品

機体構造部品

着陸装置システム

高応力ファスナーとコネクタ-

グレード 5 の高い引張強度により、飛行中に極度の応力に耐える必要がある部品に最適です。温度変化が激しいエンジンエリアでも威力を発揮します。

グレード 23 (Ti-6Al-4V ELI) は別の目的に役立ちます。より優れた靭性と防錆性が必要な特殊な航空宇宙部品に最適です。この材料には侵入元素が少ないため、繰り返し応力がかかっても亀裂に強くなります。通常の航空宇宙用途ではグレード 5 ほど頻繁には見られませんが、グレード 23 は機体部品や装甲メッキで真の輝きを放ちます。これらの用途には、強度、軽量性、および損傷に耐える能力の特別な組み合わせが必要です。

これらのグレードの中から選択するのは、そのパーツで何をする必要があるかによって決まります。グレード 5 はほとんどの構造部品に適していますが、より優れた疲労寿命や靭性が必要な場合にはグレード 23 の方が良い選択肢になります。

医療: インプラントにグレード 23 が好ましい理由

チタンは人体に非常によく受け入れられるため、医療分野ではチタンが高く評価されています。グレード 2 およびグレード 5 のチタンはチタン製医療機器の 95% 以上に使用されていますが、重要なインプラントではグレード 23 が群をリードしています。

グレード 23 の超低格子間 (ELI) 評価により、医療用途で大きな利点が得られます。酸素、窒素、水素、炭素などの元素を減らすことで、材料は強度を保ちながら、より柔軟で丈夫になります。これにより、インプラントは長年にわたる繰り返しのストレス下でも長持ちします。

医療チームは主に次の目的でグレード 23 を使用します。

整形外科用インプラント（人工股関節置換術、膝インプラント、骨ネジ）

歯科インプラントにはオッセオインテグレーションが必要です

複雑な負荷を受ける脊椎コンポーネント

外科用ステープルと結紮クリップ

この材料は、金属イオンが近くの組織に漏れるのを防ぐ安定した酸化物層を形成するため、体内で非常にうまく機能します。グレード 23 の柔軟性は他の金属インプラントよりも人間の骨によく適合し、インプラント周囲の骨損失を防ぐのに役立ちます。

グレード 23 には、非強磁性であるというもう 1 つの重要な利点があります。-これは、チタンインプラントを装着した患者が、インプラントの移動や加熱を心配することなく、安全に MRI スキャンを受けることができることを意味します。これらのインプラントは体内で 20+ 年間持続することが多く、グレード 23 が人間の組織にいかにうまく作用するかを示しています。

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