第7章 アルミニウムおよびチタン
目 的 アルミニウムおよびチタンの組織，特性および熱処理に関する 基本的事項を理解するとともに，各材料の特徴を把握する． 7.1 アルミニウム 7.1.1 アルミニウムの種別 7.1.2 溶体化・時効処理 7.2 チタン 7.2.1 チタンの種別 7.2.2 微視組織と熱処理 7.2.3 チタン産業の現状 演習問題 特 徴 ・成形性比較的良好→サッシ，缶など ・比重小，合金化（Cu，Mg，Si など）により高強度→航空機材料 ・電気・熱伝導性良好→配線，冷却器 ・耐食性良好 アルミニウムおよび その合金の分類を 表7.1に示す． JIS規格の最初の数 字は，1：純Al，2：Al- Cu，3：Al-Mn，4：Al- Si，5：Al-Mg，6：Al-Mg-Si，7：Al-Zn-Mg を表す．7.1 アルミニウム（aluminum）
表7.1 アルミニウムおよびその合金7.1.1 アルミニウムの種別
表7.2 調質の分類 表7.1に示す各種アルミニウム合金は，調質状態によって表7.2に示すよう に分類される． 非熱処理合金 1000系：印刷版，3000系：アルミ缶，5000系：展伸材 熱処理合金 2000系・6000系：建材サッシ，7000系：航空機構造用材料 図7.1に示すように，塑性加工により成形する 2000・6000系では延性が高く，また航空機構 造用材料である7000系では強度が高い． 図7.1 アルミニウム合金の引 張強さと伸びの関係
7.1.2 溶体化・時効処理
図7.2 Al-Cu 4wt%合金（2000系）にお ける溶体化・時効処理 溶体化（solution treatment） 図7.2に示すように，TTT線図の ノーズにかからないように急冷する． これにより，Al中にCuが過飽和に 固溶される． 時効（aging） 溶体化後，TTT線図下側の比較 的低温で加熱すると，核生成が活 発で成長速度が遅いため，極微細 な析出物が均一に生成する． このような極微細な析出物は，転 位移動の妨げとなる（析出強化）． すなわち，降伏応力および引張強 さは著しく上昇する．溶体化・時効処理にともなう構造変化は，5段階に大別される（図7.4，図7.5）． （a） 溶体化 Al中にCuが過飽和に固溶し，Cu 周囲のひずみが転位の移動を妨げ る（固溶強化）．これにより，降伏応 力は上昇する． （b） GP（Guinier Prestpon）ゾーン 上記の過飽和固溶体中に，Cuが 規則的に配列した円板状の領域が 均一に生成する（GPゾーン）．円板 およびその側面は母相と整合であ るが，大きな整合ひずみをともなう ため，さらに降伏応力は上昇する． 図7.3 時効処理にともなう降伏応力と構造変化 図7.4 Al-Cu 4wt%合金の時効処理に ともなう構造変化（a）溶体化， （b）GPゾーン形成，（c）q ’’相形 成，（d）q’相形成，（e）q相（Cu ）形成
（c）q’’相 GPゾーンが成長し，q’’相を形成する．この相とAl母材は整合であるが，格 子定数が異なるため，整合ひずみを生ずる．また析出物（q’’相）の存在は， 転位の移動をピン止めするため，さらに降伏応力は上昇する（時効硬化，析 出強化）． （d）q’相 q’’相が成長し，q’相が転位線上などの核生成が容易な領域に形成される． 同時にq’’相は消滅していく．析出物としてより粗大化するにしたがい，転位を ピン止めする効果は徐々に薄れ，降伏応力は徐々に低下していく． （e）q相 q ’相が分解し，q相（CuAl2）が生成する．この段階に至ると，焼鈍材と同じ 組織となり，降伏応力は一定値に漸近していく． 通常は，降伏応力が最大となる時効条件で熱処理を施して使用する． 図7.5 Al合金の使用例
特 徴 ・耐食性良好（表面酸化膜TiO2）→熱交換器，屋根（福岡ドーム） ・比重小，高強度→航空機，スペースシャトル，潜水艦，ゴルフクラブ ・耐熱性良好（500 ℃まで）→航空機エンジンなど ・身体親和性良好→めがねフレーム，時計，生体材料（人工股関節等） ・高価→付加価値が高いものに使用 ・二酸化チタン：絵具（白），化粧品（UVカット） 純チタンの結晶構造 882 ℃未満： HCP構造（a 相），882 ℃以上： BCC構造（b相） 合金元素 a安定化元素 Al，O，C，Nなど （特にAlが重要） b安定化元素 V，Mo，Nb，Taなど （特にVが重要） 中間元素 Zr，Snなど （固溶強化）
7.2 チタン
7.2.1 チタンの種別
名 称 用 途 種 別 特 徴 純チタン（a 相） 耐食性用 CPチタン（JIS1種～4 種，強度相違） ・塩水，非酸化性環境での 耐食性良好 ・比較的安価，加工性悪い a 型チタン合金 （near a 型） 耐食性用，極低温用 Ti-01.2～0.25 Pd （JIS1種～3種，強度 相違），Ti-5Al-2.5Sn など ・Pd添加により，さらに耐食 性改善 ・耐熱性良好 ・低温で高延性 a＋b 型 チタン合金 航空宇宙構造用， 航空機エンジン， 人工股関節 Ti-6Al-4V（JIS60）， Ti-6Al-6V-2Snなど ・高強度・高延性 ・高価，加工性悪い b 型チタン合金 航空機・自動車部 Ti-13V-11Cr-3Al， ・熱処理性向上（高強度） 表7.3 純チタンおよびチタン合金の種別 純チタン，a型チタン合金： 高耐食性 a＋b 型チタン合金： Al添加によるα相強化とV添加によりb 相安定化 （相界面による強化），熱処理性向上 b 型チタン合金： 加工→時効により高強度化7.2.2 微視組織と熱処理
a＋b型チタン合金（Ti-6Al-4V） ・Al添加によりa / b 変態温度は995 ℃に上昇 ①等軸状組織（図7.6（a）） ・変態温度未満で加熱後炉冷 ・強度・延性のバランス ②針状組織（図7.6（b）） ・変態温度以上に加熱後炉冷 ・クリープ特性向上，延性低下 ③Bimodal組織（図7.6（c）） ・変態温度近傍から溶体化後時効 ・強度向上 ④溶体化時効組織（図7.6（d）） ・変態温度未満で溶体化後時効 ・強度大幅向上，延性低下 図7.6 Ti-6Al-4Vの組織：（a)等軸状，（b） 針状，（c）Bimodal，（d）溶体化時効 （a） (b) （c） (d) b 型チタン合金 ・b単相域から溶体化（図7.7）→加工性向上（b相はすべり形が多い） ・加工後に時効し，微細a 相析出（図7.8） →高強度化 ・V量が多いため高価，比重上昇 チタンの加工性に関する問題点解決のために開発された合金 図7.7 Ti-b 安定化元素系平衡状態図 図7.8 Ti-20V-4Al-1Sn合金の溶体化 時効組織：（左）光学顕微鏡観 察，（右）TEM観察図7.9 Ti合金の使用例 米国と日本でのチタン産業 米国：航空宇宙産業， 軍需産業において多 用される．そのため， a＋b型チタン合金 の使用が全体の70 % （Ti-6Al-4Vだけで全 体の56 %）を占める． 日本：耐食性や民生 品への応用を主眼と した使用のため，CP チタンが全体の90 % である．
7.2.3 チタン産業の現状
CP Ti 26% b Alloys 4% ab Alloys 14% Ti-6Al-4V 56% CP Ti 90% Alloys 10% 米国 日本チタン需要量の周期性と民生品への転用 チタンは主として航空機産業を中心に多用されてきた．耐用年数に達すると 航空会社は代替機を購入するが，その時期は開発時期が同じ機種ごとにま とめて発注される．その結果，チタン需要量には約5年後との周期が発生する （図7.11）． このようなチタン需要 量の周期性を回避する ため，1980年代半ばよ りチタンを民生品へ応 用する試みが活発とな っている． しかしながら，チタン の第1次生産品（スポ ンジチタン）が高価格 であることから，民生 品におけるチタン使用 は未だ限定的である． 図7.11 チタン需要量の変遷 設計上の制約 チタン製造メーカーは，種々 の取り組みにより価格の安定 化を図っているが，それでも B737およびB747の代替機製造 が重なった1980年代半ばには， チタン価格の高騰が生じた（図 7.12）． 一方，航空機の機体軽量化 （低燃費化・輸送量増大）を目 的として，1機あたりのチタン使 用量は年々増加している（図 7.13）．しかしながら，B767にお いては，設計当初より，上記の 代替機ラッシュを見越してチタ ンの使用量が低い値に抑えら れている． 図7.12 チタン価格の変遷 図7.13 １期当たりのチタン使用料
問題 1 ジュラルミン（Al-Cu 4wt％）における溶体化・時効処理を説明せよ． また，この熱処理にともない降伏応力および引張り強さはどうなるか 答えよ． 問題 2 純チタン以外に，チタンにはa型，a＋b型およびb型合金がある． 以下の場合，どれを使用するのが適切か，理由と合わせて答えよ． （2-1） 化学プラントの配管 （2-2） 航空機の主脚 （2-3） ゴルフヘッド 問題 3 チタン需要量には不可避的な周期性が存在する．これを回避する 具体的な方策を考えよ．
