チタンとその合金には、高い比強度、良好な高温および低温性能、耐食性などの利点があります。 それらが正しく使用されず、長所を活用できず、短所を回避できない場合、依然として期待される結果を達成できないだけでなく、不当な損失を引き起こすことになります。 チタンの正しい使い方は？ チタン材料の選択では、次のような問題を慎重に考慮する必要があります。
1. 腐食環境 工業用純チタンおよびその他のチタン合金は、中性酸化環境下において優れた耐食性を示します。 弱い還元環境でも不動態を維持します。 強い還元酸で腐食します。 王水などの防食剤と共存する還元環境下では良好な耐食性を示します。 高温の塩、湿った塩素ガス、硝酸、各種漂白剤などの腐食性環境においても耐食性があります。 チタンは数ボルト下では陽極として不動態であるため、陽極処理、電気分解、電気メッキに利用されます。 海水中での孔食や隙間腐食が発生しません。 応力腐食破壊、接触腐食、摩耗に対する耐性が優れています。 蟻酸を除く有機酸（ノンベント）等に対する耐食性が良好。溶接によりチタンの耐食性が低下しにくい。 チタンは上記の腐食性媒体に対して優れた耐食性を持っていますが、 ただし、耐食材料としてチタンを選択する場合は、次の点に注意する必要があります。
（1）静的高温における工業用純チタン、硝酸溶液の溶解度が高く、耐食性が優れています。 しかし、硝酸溶液の流れでは、多くの場合、4価のチタンイオンの腐食抑制機能の欠如と腐食が原因です。 したがって、この環境で使用されるチタンには、Ti-5Ta 合金を選択する必要があります。
(2) チタンは海水や塩化物溶液中では孔食を起こさない。 ただし、塩化マグネシウム、塩化アルミニウム、塩化銅、塩化亜鉛、塩化カルシウムを含む沸騰溶液では孔食が発生します。 工業用純チタンは海水温度が90度を超えると隙間腐食が発生する可能性があるため、この環境ではTi-0.2Pb合金の選択を推奨します。
(3)工業用純チタンは塩素、フッ素を含む炭化水素中では腐食しません。 ただし水の場合、加水分解、塩酸、フッ酸の場合はチタンを腐食させます。 炭化水素が高温で分解して水素が発生すると、チタンが水素を吸蔵し、水素脆化を引き起こす可能性があります。
(4) チタンは、湿った塩素ガス (1% 以上の水を含む) や、二酸化硫黄、二酸化炭素、硫化水素などのガスによって腐食されません。 ただし、乾燥塩素ガス中では腐食を受けます。 火災や自然発火の原因となります。 -253 ~ 93 度の温度範囲では、水素および過酸化窒素に対するチタンの耐食性は優れています。 しかし、気体酸素、液体酸素、および水溶液中の一部の高い酸素分圧もチタン火災の自然発火を引き起こす可能性があります。 このような環境でチタンを使用する場合は注意が必要です。
（５）工業用純チタンは一般に応力腐食破壊が起こらない。 ただし、メタノール、エタノールベースの有機溶媒、および発煙硝酸には微量の塩酸が含まれており、応力腐食による破断や火災の自然発火が起こりやすくなります。
(6) チタンと低電位金属の接触、低電位金属の腐食。 腐食の程度は、チタンと接触する金属の表面積の割合によって異なります。
(7) チタンは、pH 値が 9 を超えるアルカリに対しても優れた耐食性を備えています。 ただし、チタンは高温で水素脆化する傾向があるため、低温での灰汁中でのみ使用されます。 灰汁に遊離塩素が含まれると、灰汁に対するチタンの耐食性が向上します。 逆に、灰汁に酸素とアンモニアが含まれる場合、チタンの灰汁腐食は悪化します。
2. チタンの化学的、物理的、機械的性質の特徴
チタン、チタン合金、その他の金属は、化学的、物理的、機械的性質など、独自の特性を持っています。 いくつかの特性は炭素鋼、ステンレス鋼、その他の鉄金属とは異なります。 一般に使用される非鉄金属（アルミニウム、鉛など）とも異なります。 したがって、チタンを使用する場合は、次の特性に注意する必要があります。
(1) チタンは化学的に非常に活性な金属であり、高温では多くの元素や化合物、特に空気中の窒素、酸素、水素、その他のガスと反応する可能性があり、チタンの性能が低下します。 これはチタンの溶解、加工、製造、使用において慎重に考慮しなければならない問題です。
(2) チタンの線膨張係数は炭素鋼の約 3 分の 2 です。 ステンレスの半分に相当します。 チタンを使用して炭素鋼またはステンレス鋼の容器ライニングを製造する場合。 または、チタンを使用してシェルアンドチューブ熱交換器チューブを製造し、シェルは炭素鋼またはステンレス鋼で製造し、温度の上昇と下降の過程での機器、熱応力に耐えるライニングとチューブを真剣に考慮します。
(3) チタンの熱伝導率は炭素鋼の4.5倍で、ステンレス鋼よりもわずかに低くなります。 そのため、高温で使用されるチタン製装置はシェル壁に高温勾配が形成されやすく、熱応力や熱疲労応力が大きくなります。 ただし、この欠点は線膨張係数が低いことで補われます。 したがって、チタンの熱伝導率は低くても、熱伝導率は高くなります。 熱伝達効率には影響しません。 これは、チタンの方が優れた耐汚染性を備えているためです。 気体ではないのは膜凝結と液滴凝結です。 より高い流量の洗掘腐食に耐えることができ、装置壁またはパイプ壁を非常に薄く高強度にすることができ、その他の特性を実現します。 したがって、チタンは熱伝達性能に優れています。
(4) チタンは融点が高く、通常 1668 ± 4 度です。 炭素鋼より約130度、ステンレス鋼より約243度高い。 熱伝導率が低いことも相まって。 そのため、高温域での溶接金属の滞留時間は若干長くなり、適度に粗大粒が発生し、塑性低下や大きな残留応力が生じやすい溶接となります。 これは溶接構造の設計において慎重に考慮する必要があります。
(5) チタンは導電性に劣ります。 銅の導電率を100%とすると、チタンの導電率はわずか3.1%です。 しかし、それはステンレス鋼の導電性に近いです。 これはチタン電極の設計において考慮する必要があります。
(6) チタンは弾性率が低く、炭素鋼やステンレス鋼の約半分です。 したがって、曲げ耐性のあるコンポーネントの設計には特別な注意を払う必要があります。
(7) チタンは優れた反発特性を持ち、その反発能力はステンレス鋼の冷間成形の 2 ～ 3 倍です。 これはチタンの降伏限界によるもので、弾性率比が大きく、降伏強度比も大きいため、成形時に部品内部に大きな応力が発生します。 したがって、チタン製の装置は一般にコールドスタンピングプロセスには適していません。 熱間成形または冷間スタンピングの熱間整形外科プロセスを使用する必要があります。
(8)チタン、ステンレスなので貼りやすい。 したがって、特別な処理をせずにチタンの摩擦ベアリングワークピースを作成するのは簡単ではありません。 そうしないと、摩耗や閉塞によりすぐに廃棄されてしまいます。 可動要素としてチタンを使用する必要がある場合、摩擦サブピースでできた摩擦材（プラスチックなど）をチタンに耐えられるものを選択する必要があります。 または表面硬化処理。 または、摩擦サブで作られたさまざまなグレードのチタン合金を使用します。 スパイラルでは、大きなギャップまたは潤滑剤を使用してスパイラルフィットに摩擦バイスを使用する必要があります。
(9) チタンの引張強さは温度が上昇すると低下します。 温度が250度に達すると、引張強さは室温の半分しかありません。 また、チタンの引張曲線には物理的な降伏限界はなく、条件付き降伏限界のみがあります。 したがって、チタン製機器の強度を計算する際には、設計温度における強度限界を選択する必要があります。
(10) チタンは耐クリープ性が悪く、高温だけでなく室温でもクリープ現象が発生します。 通常、そのクリープ限界は温度の上昇と下降に伴って最初に決まります。 しかし、120 度までクリープ限界は再び増加し始め、200 度で最大値になります。 その後、クリープ限界は温度とともに増加し続け、減少します。 通常200～300度の温度範囲で安定したクリープ特性を発揮します。 したがって、チタン製機器の強度を計算する際には、設計温度での強度限界に従って計算するだけでなく、チタン製の機器の強度を計算する必要があります。 ただし、クリープ限界に従って校正する必要もあります。
(11) 工業用純チタンの可塑性は温度と特別な関係があります。 室温から 200 度まで、チタンの相対伸びは増加します。 気温が続くと、気温が下がり始めます。 相対伸びは 450 ～ 500 度で最小値に達し、その後大幅に増加します。 したがって、350度を超えない温度で使用するのが最善です。
(12) 国内工業用純チタンの衝撃強度は低く、室温で8.0kg-m/cm2しかないものもあります。 しかし、気温の上昇とともに増加します。 温度が200度を超えると衝撃強度は急激に増加します。 550 度までに、衝撃強度は約 18 kg-m/cm2 に達します。 そして、その衝撃値は不純物含有量の増加とともに減少します。 したがって、チタン製装置を設計する際には、過度の局所的なピーク応力を防ぐために、応力集中を可能な限り回避する必要があります。
(13) チタンの硬度と強度は冷間変形の程度とともに増加します。 冷間変形度は、完全に焼鈍した試験片の1倍よりも試験片の強度限界の80%程度です。 冷間変形の程度が増加すると、伸びの値は急激に減少します。 冷間変形度が50%を超えると伸びは10%まで低下し、その後は低下しなくなります。 さらに、チタンの機械的特性は変形率に関係します。 延伸速度が 0.01 分から 1.5 分に増加すると、強度限界は 36.5 kg-force/mm2 から 42.5 kg-force/mm2 に増加します。 伸び率は大幅に減少し、その後再び増加します。 したがって、チタンを冷間プレス加工する際には、変形量と変形速度を厳密に管理する必要があります。
(14) チタンは耐疲労性に優れています。 ただし、ノッチに対してはより敏感です。 回転曲げ実験では、引張強度に対する疲労強度の比率は約 60% でした。 一方、一般的な炭素鋼の引張強さはわずか約 45% です。 表面仕上げも疲労強度に大きな影響を与えます。 高度に研磨された表面を備えたテストバーは、機械加工された表面を備えたテストバーよりも高い疲労強度を備えています。 したがって、チタン製機器を設計する場合は、構造的な不連続性を避け、溶接部を可能な限り滑らかにする必要があります。
15) チタンは他の金属と融着できません。 これは、チタンの融点が他の金属よりも高いためです。 脆い金属間化合物を形成し、溶接脆化を引き起こします。 容器を部分的にライニングする場合は、接合部の設計に特別な注意を払う必要があります。 他の金属との接続が必要な場合は、接着、ろう付け、爆発溶接、およびボルト締めを使用できます。
16) チタン機器の溶接継手の設計は、他の金属に使用される継手の形状と似ています。 ただし、溶融チタンの流動性が高いためです。 そのため、他の金属に比べてより強固に組み立てられます。 薄いプレートを突合せ溶接する場合、通常、等辺の突合せ接合部に鈍いエッジのクリアランスは残されません。 これらの溶接は、ストリートアセンブリが満足のいくものであれば、フィラーワイヤなしで行うことができます。 プレートの厚さが 1.5 mm を超える場合は、溶接の溶け込みを確保するために、鈍いエッジ ギャップまたは単一の V ベベルが使用されます。 これらのジョイントには追加のワイヤーが必要です。 厚板や厚肉部の場合はシングルV型ベベルまたはダブルV型ベベルを使用してください。 このような場合、必要な溶接パスが最小限に抑えられ、溶接のルート保護が容易になるように継手を設計する必要があります。
17) チタン鋳物を設計するときは、チタンの液相線と固相線の温度間隔が狭いことに留意する必要があります。 この急速に凝固する傾向は、鋳造品の方向性凝固に有利になります。 ただし、熱が集中すると亀裂や収縮が発生することがよくあります。 チタン鋳物の隣接するすべての部分では、厚さの急激な変化や鋭い角は避けるべきです。 それらが避けられない場合は、厚さの変化と鋭い角の両方に十分な半径の丸い移行部を持たせる必要があります。 鋳物の界面はテーパーのある均一な断面でなければなりません。 すべての垂直面で、大きな抜き勾配を考慮する必要があります。 また、ライザーの位置と、これらのスプルーライザーを取り外した後に細かい研削が必要ないという事実を考慮する必要があります。
18) チタンのタッピングはより困難なプロセスです。 これは、タップの切りくず溝が限られていることと、チタンの固着が激しいためであり、どちらもねじの劣化につながります。 切断終了時にチタンがタップに固着する傾向があり、タップが破損する原因となります。 したがって、チタン製機器の設計では止まり穴や過度に長い貫通穴は避けるべきです。 同時に、はめあい等級の公差を適切に緩和する必要があります。
(19) 国産チタンチューブの伸びは28～40％の範囲で変動します。 一方、ステンレス鋼の伸びは50〜60％の範囲にあります。 したがって、チタンシェルアンドチューブ熱交換器の膨張ギャップはステンレス鋼の膨張ギャップよりも小さくなければなりません。 そうしないと、拡張中にカラム チューブに亀裂が入りやすくなります。
(20) チタンは切削加工中に塑性変形し、高い切削温度で空気中の酸素や窒素を吸収しやすく、硬くて脆い表皮を形成し、加工硬化現象が起こります。 その結果、部品の疲労強度が低下するだけではありません。 工具の磨耗が増加し、将来の加工に困難が生じます。 したがって、チタンの切削では、一般に、より低い切削速度、より大きな切込み量および送りを選択します。 適切な冷却潤滑剤の使用、高圧冷却。 切削温度を下げるため、加工面品質と工具耐久性を向上させます。
