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チタンは軽くて強く、錆びにくいという特徴がありますが、加工が難しい金属の代表例でもあり、現場では厄介者とされています。これは、チタンの特性が影響しており、具体的には熱伝導率やヤング率の低さ、化学活性化しやすいことが大きく関わっています。

 

加えて、チタンは外部から力が加わると硬さが増す性質（加工硬化）もあります。これら多くの特徴を踏まえて対策をすることで、質の高いチタン加工が可能になるのです。

 

そこでこの記事では、チタン加工が難しい理由を4つの要因をもとに解説し、加工方法ごとの対策をまとめました。また、チタンの種類や安全管理に関わる火災対策についても解説しましたのでご覧ください。

 

 

なぜチタンの加工が難しいのか？

 

チタンは軽くて強く、錆にも強いという優れた特性を持っています。ですがその反面、金属加工をする現場では、加工が難しい難削材（なんさくざい）の代表格としても有名です。

 

では、なぜチタンの加工は大変なのか。その理由を物理的・化学的な観点から4つに分けて解説します。

 

 

熱伝導率の低さが招く”熱集中”

 

チタンのもっとも厄介な性質が熱伝導率の低さです。鉄と比較すると、チタンの熱伝導率は約1/4程度しかありません。

 

通常、金属加工をする際に発生する熱の多くは、切りくずに伝わって排出されます。しかし、チタンは熱が切りくずに逃げにくいため、工具の刃先に熱が集中してしまいます。

 

その結果、工具が高温となり強度が低下し、摩耗や刃先のかけが急速に進んでしまうのです。

 

 

化学的な活性による”溶着”

 

チタンは常温では安定しているものの、高温になると化学反応を起こしやすい金属です。加工する際の摩擦熱で高温になったチタンは、工具の刃先にくっつく溶着などを引き起こします。

 

溶着が起きると、刃先が“にぶる→擦る→さらに発熱→さらに溶着、という悪循環に入ります。その結果、工具の寿命が短くなり、チタンの仕上げ面も荒れてしまうのです。

 

 

ヤング率の低さが招く”びびり”

 

ヤング率とは、変形のしにくさを表す数値です。ヤング率が小さいほど力が加わった際にたわみやすく、元に戻ろうとする性質が強い、ということになります。

 

チタンのヤング率は鉄の約半分ほどであるため、工具を当てた際に”たわんで戻る”を繰り返し、振動が発生しやすくなります。この振動が”びびり”となって、加工面の品質低下などを招いてしまうのです。

 

 

削った直後に硬くなる”加工硬化”

 

チタンは外部から力が加わって変形すると、その部分が硬くなる加工硬化という現象が現れる金属です。工具が通過して削られた直後のチタンは、その表面が加工硬化によって以前よりも硬くなっています。

 

そのため、次の刃が硬化した表面を削るので、工具への負担が大きくなり、最終的には刃が入りにくくなって仕上げ面が荒れてしまうのです。

詳しくは次の記事でまとめていますのでご覧ください。

≫チタンが加工硬化する3つの原因｜防止するための具体的な4つの対策を解説

 

 

純チタン・チタン合金への加工の特徴

 

 

チタンは大きく分けて純チタンとチタン合金の2種類があります。この2つは成分が異なるため、それぞれで加工する際の注意点が違います。

 

 

純チタン

 

純チタンは比較的強度が低く、粘りが強いという特徴があります。そのため、むしれや溶着が起きやすい傾向にあり、その対策を講じることが大切です。

 

具体的には、切れ味の鋭い工具を使用し、切りくずが詰まらないように排出性を高める必要があります。

≫純チタンとは？｜種類とJIS規格上の成分、加工や効果について解説

 

 

チタン合金

 

アルミやバナジウムなどを添加したチタン合金は、純チタンよりも強度が高いです。加えて、切削抵抗が大きく、熱伝導率が低いという特徴があります。

 

そのため、工具への負担と発熱が非常に大きいため、より厳密な冷却管理と特殊なノウハウ、高度な設備が必要です。

≫チタン合金とは｜主な特徴と種類、機械的性質や用途について

 

 

チタンの加工方法ごとの特徴

 

チタンを加工する上で行われる主な方法は次の5つです。

 

 

これらそれぞれに、チタンの特性が影響して加工を難しくしています。具体的な理由を方法ごとに紹介します。

 

 

切削加工

 

金属の表面を削り、外径を整える作業が切削です。チタンの強度と熱伝導率が影響し、削る際に工具に負担がかかります。また、たわみによってびびりが起こるので、切削は非常に難しいです。

 

対策としては、切削の速度を遅くして、できるだけ熱が高まらないようにすること。切削油を使い、抵抗を少なくするのも有効な方法です。

詳しくは次の記事にまとめましたので、そちらをご覧ください。

≫チタンの切削加工について｜旋盤・フライス加工を行う際のポイント

 

 

切断加工

 

ディスクグラインダーやハンドソーを使えば、個人でも金属の切断はできます。しかし、チタンは強度が高いため、工具の摩耗は早まり、切断面が痛みやすいです。

 

また、化学反応しやすいため、カット中の火花が原因で火災が起きる可能性も。そのため、レーザー加工のように、金属に接触せずに切断できる方法が適しています。

≫チタンの切断方法｜加工時に気をつけるべき2つの注意点

 

 

曲げ加工

 

ヤング率が小さいためしなりやすく、スプリングバックと呼ばれる現象が生じやすいです。スプリングバックとは、曲げても元に戻ってしまう性質。これを考慮して、予定より深く曲げることが大切です。

 

合わせて、チタンは塑性異方性が大きい特徴もあります。これは、方向によって曲げやすさが異なる、という性質なので、変形しやすい向きを意識して加工し始めることがポイントです。

≫チタンの曲げ加工を行う際の3つのポイント

 

 

穴あけ加工

 

穴を開ける作業は、切削と同じく金属を削って行います。そのため、強度や熱伝導率の影響が大きく、チタンは穴あけがとても難しいです。

 

ドリルを使う場合は、できるだけ回転は遅くして熱が上がらないようにします。速いと振動でびびりが起きるので、その点も考慮することが大切です。

≫​​チタンの穴あけ加工が難しい理由｜ドリルで穴開けする際の3つのポイント

 

 

溶接

 

チタンは溶け始める温度がとても高い金属です（約1,700℃）。ですが、そこまで温度を上げると、周りの酸素と反応し始めて非常に硬くなります。その結果、脆くなって質が下がってしまうのです。

 

そのため、溶接中は大気に触れさせないことがポイント。ティグ溶接のシールドガスで、酸素を遮断すると防げます。

≫チタンの溶接方法｜難しいとされる理由と大阪・九条工場の施工事例

 

 

チタン加工の火災リスクについて

 

チタンは化学的に活性であり、可燃性金属の一種とされています。特に、切削や研削などで発生する切りくずや粉じんは引火しやすく、着火すると高温で激しく燃えます。

 

そのため、チタンの加工現場では以下の対策が必要です。

 

具体的な対策

• 切粉を蓄積させない
• 乾燥した粉塵を飛散させない
• 切粉を発火源から遠ざける
• 適切な液体又は不活性ガス中で保管する

 

また、チタンが発火した場合、水をかけると水蒸気爆発などを引き起こす可能性があります。必ず乾燥した砂や金属火災用の消火器を使用してください。

 

以上です。株式会社新進では大阪の町職人300名と協力し、チタンをはじめとして様々な金属加工のコーディネートをしています。

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