7号チタン対2号チタン:酸性環境ではどちらが優れているか?

グレード2とグレード7のチタンは、機械的特性が同一であり、化学組成もほぼ同一です。唯一の違いは、グレード7に0.12~0.25%のパラジウムが添加されている点です。このわずかな添加が、還元性酸性環境下ではすべてを大きく変えます。 沸騰した5% HCl中では、グレード7の腐食速度は0.18 mm/yrであるのに対し、グレード2は10 mm/yr以上も腐食する。 沸騰した5% H₂SO₄中では、グレード7の腐食速度は0.50 mm/yrであるのに対し、グレード2は48 mm/yrに達します。 プロセスに塩酸、硫酸、ギ酸、またはその他の還元性酸の流体が関与する場合、特に高温下では、グレード7がほぼ常に適切な仕様となります。 酸化性、弱酸性、または主に塩分を含む環境であれば、グレード2でも対応可能であり、コストはグレード7のわずか数分の1で済みます。本ガイドは、その判断を下すためのデータを提供します。.

7年生と2年生の違いとは

結晶構造レベルにおける、グレード2の商業用純チタンとパラジウムを添加したグレード7チタンの模式的な比較

組成の面では、グレード7とグレード2はほぼ同じ材料です。どちらも商業用純チタン(CPチタン)であり、酸素、窒素、炭素、水素の格子間制御以外の著しい合金元素の添加がないα相合金です。両者の違いはすべて、ASTM規格の1行に収まる程度です。.

7年生には以下の内容が含まれています 0.12~0.25% パラジウム (ASTM B338ではこの範囲が規定されている)。グレード2には含まれていない。.

以上です。チタンマトリックスも、機械的特性の下限値も、加工挙動も、溶接性も、密度もすべて同じです。グレード7とグレード2は、互換性の問題なく溶接することができます。 これらのASTM製品規格(B265(シート/プレート)、B337(パイプ)、B338(チューブ)、B348(バー)、およびB381(鍛造品))は、パラジウムの含有要件とUNS指定を除いて同一です。 グレード2はR50400、グレード7はR52400です。.

しかし、そのコストの差は甚大です。パラジウムはプラチナ族金属の一種です。グレード7は、現在のパラジウムのスポット価格や製品の形態にもよりますが、通常、グレード2に比べて3~5倍の価格プレミアムがかかります。 大型の熱交換器バンドルの場合、その価格差はすぐに大きな額になります。そのため、グレード7がいつ必要で、グレード2で十分なのかを正確に把握することは、プラントの信頼性と同様に、プロジェクトの予算にとっても極めて重要です。.

7年生対2年生の比較概要

以下の表は、組成、機械的性能、腐食挙動、および実用上の考慮事項に関する包括的な比較を示しています。機械的特性は同一であり、違いは耐食性とコストのみにあります。.

プロパティグレード2(CP-Ti)グレード7(Ti-0.15Pd)
UNS指定R50400R52400
パラジウム含有量なし0.12–0.25%
引張強度(最小)345 MPa345 MPa
降伏強度(0.2%、最小値)275 MPa275 MPa
伸び(最小)20%20%
密度4.51 g/cm³4.51 g/cm³
弾性係数103 GPa103 GPa
融点範囲1,668 ± 10°C1,668 ± 10°C
熱伝導率11.4 W/m・°C11.4 W/m・°C
酸化性酸に対する耐性素晴らしい素晴らしい
耐酸性低下数量限定素晴らしい
隙間腐食耐性中程度高い
高温塩化物塩水に対する耐性グッド素晴らしい
溶接性素晴らしい素晴らしい
成形性素晴らしい素晴らしい
相対的なコストベースライン3~5倍
ASTM規格B265、B337、B338、B348、B381B265、B337、B338、B348、B381

収穫だ: 使用環境が酸化性または軽度の腐食性である場合、性能面での違いはなく、グレード7のコスト割高分は回収できません。グレード7が価格に見合う価値を発揮するのは、酸性または侵食性の隙間環境を低減する場合に限られます。.

パラジウムが有効な理由 ― 電気化学

グレード7チタンの陰極脱分極メカニズムを示すエヴァンス図 — グレード2と比較して、チタン・パラジウムの混合電位が不動態化閾値より高くなっている

ほとんどの材料データシートでは、パラジウムがチタンの耐食性を向上させると記載されていますが、その仕組みについては説明されていません。そのメカニズムを理解することは、少し回り道をする価値があります。なぜなら、それによってグレード7がどのような環境では有効で、どのような環境では有効でないかが正確にわかるからです。.

酸化性環境におけるチタンの耐食性は、その不動態酸化皮膜に由来しています。これは、空気や水にさらされると瞬時に形成される、TiO₂からなる薄く、自己修復能力を持つ層です。 強い酸化性媒体中では、この皮膜は安定しており、金属の腐食はほとんど起こりません。問題は還元性環境、特に還元性の酸です。そこでは、電気化学的な駆動力は皮膜の形成ではなく、皮膜の溶解の方向に働きます。酸化皮膜が破壊され、素地が露出し、腐食が急速に進行します。.

パラジウムは、いわゆる 陰極脱分極. パラジウム濃度が低い場合(グレード7で0.12~0.25%)、パラジウムは酸に溶解しない。 その代わりに、TiO₂が周囲で優先的に溶解するにつれて、パラジウムは金属表面に富集し、パラジウムが富んだ小さな金属間化合物領域(主にTiPd)を形成する。 これらのPdが豊富な部位は、効率的な陰極部位として機能し、チタンよりもはるかに効果的に水素イオン(H⁺ → H₂)の還元を触媒する。.

この陰極触媒作用には2つの作用があります。すなわち、陰極反応速度を加速すること、そして金属表面の混合電位をより貴金属側(正の値)へとシフトさせることです。 その混合電位が、特定の媒体におけるチタンの臨界不動態化電位を上回ると、チタン表面は再び不動態状態に戻り、実質的に腐食が止まります。.

実際には、これは、グレード2が年間数十ミリメートルの速度で貫食してしまうような低酸濃度・低温の環境下でも、グレード7は自己不動態化できることを意味します。 このメカニズムには限界がある。酸濃度や温度が極めて高い場合、皮膜の溶解を促す駆動力がPd触媒作用によって打ち消せる範囲を超え、グレード7も腐食してしまう。 オーストラリアン・ライト社のデータによると、N₂飽和状態の190°Cにおける10% HCl中では、グレード7の腐食速度は8.8 mm/yrに達する。これはグレード2(>28 mm/yr)よりは依然として優れているが、もはや準不動態状態とは言えない。.

重要な注意点として、チタンの酸化皮膜が再形成されるには水分の存在が必要です。 無水(乾燥)の還元条件――乾燥塩化水素ガス、乾燥フッ化水素(HF)、赤色発煙硝酸――下では、グレード7はグレード2に比べて何の利点も持ちません。どちらも急速な、場合によっては自然発火性の腐食を受ける可能性があります。これは市販のデータシートでは一般的に記載されていない制限ですが、実際に存在する制限です。.

酸の種類別の耐食性

塩酸、硫酸、ギ酸、シュウ酸、リン酸におけるグレード2とグレード7のチタンの腐食速度(mm/年)を比較した棒グラフ。対数スケールで示されており、還元性酸においてグレード7の腐食速度が桁違いに低いことがわかる。

以下のデータは、管理された条件下で実施されたグレード7とグレード2の比較試験によるものです。腐食速度が0.1 mm/年未満であれば、一般的に長期使用に耐え得るとみなされます。一方、1.0 mm/年を超える場合は、通常、材料の交換が必要であると判断されます。.

塩酸(HCl)

HClは還元性酸であり、これが7年生の優位性を最も明確に示している。.

コンディション濃度温度7級(mm/年)等級 2(mm/年)
スタンダード5%沸騰0.18>10
N₂飽和3%190℃0.025>28
N₂飽和5%190℃0.10>28
N₂飽和10%190℃8.8>28
O₂飽和3%190℃0.13>28
O₂飽和5%190℃0.13>28

室温において、グレード2の実用上の限界は約7% HClです。グレード7では、腐食速度が問題となるまでの限界が約27% HClまで広がります。 沸点温度では、グレード2は1–2% HClを超えると実質的に不適となる。グレード7は、5%の沸点まで、わずかな腐食速度(0.18 mm/yr)で使用可能であるが、高温条件下では10%を超えると使用不可となる。.

硫酸(H₂SO₄)

硫酸もまた、その差異が顕著な還元性酸の一つである。.

コンディション濃度温度7級(mm/年)等級 2(mm/年)
スタンダード5%沸騰0.5048
N₂飽和1%100°C7
N₂飽和1%190℃0.13
N₂飽和5%190℃0.13
N₂飽和10%190℃1.5

グレード2は、沸騰した5% H₂SO₄中で48 mm/yrの腐食速度を示し、実質的に数日で溶解してしまう。同じ条件下でのグレード7の腐食速度は0.50 mm/yrであり、一部の用途では許容範囲の限界値となる。 高温の希薄H₂SO₄において、1–5%濃度のグレード7は、0.15 mm/yr未満の、ほぼ不動態に近い腐食速度を示す。.

有機酸(ギ酸、クエン酸、シュウ酸)

有機酸については、評価がまちまちである。.

濃度温度7級(mm/年)等級 2(mm/年)
ギ酸50%沸騰0.0753.6
クエン酸50%沸騰<0.0250.40
シュウ酸1%沸騰1.1345

ギ酸およびクエン酸:グレード7は良好な耐食性を示すが、グレード2は長期使用において問題となるような速度で腐食する。 シュウ酸は両グレードに対して腐食性が強い。グレード7の場合、沸騰した1%シュウ酸中での腐食速度は1.13 mm/yrと高く、グレード2の場合は45 mm/yrと壊滅的な数値である。.

リン酸(H₃PO₄)

濃度温度7級(mm/年)等級 2(mm/年)
50%70℃1.810
10%沸騰3.211

どちらのグレードも、濃リン酸中では性能が低下します。グレード7の方が性能は優れていますが、いずれの材料も、希薄な還元性酸で見られるような準不動態化状態の性能を発揮することはできません。 10%の沸騰条件下では、グレード7の3.2 mm/yrという腐食速度は、計画的なメンテナンスサイクルが設定された特定のプロセス設計においては許容範囲内である可能性もあるが、長期的にメンテナンスフリーの解決策とはならない。.

塩化物を含む媒体(塩水、AlCl₃)

ミディアム濃度温度7級(mm/年)等級 2(mm/年)
NaCl 塩水土.93°C<0.025
AlCl₃10%100°C<0.025<0.025
AlCl₃25%100°C0.02550

中性から弱アルカリ性の塩水では、どちらのグレードも良好な性能を発揮しますが、グレード2はコストパフォーマンスに優れた選択肢です。酸性化された、あるいは高濃度の塩化物を含む媒体では、グレード7が他を大幅に上回ります。.

2年生が最適な選択となる場合

腐食工学の議論ではグレード7が最も注目されがちですが、多くの産業用途においてはグレード2の方が適しています。グレード2で同等の性能が得られるにもかかわらず、グレード7を過剰に指定することは、直接的な不必要なコストとなります。.

酸化性の酸性環境。. 強酸化性酸である硝酸においては、どちらのグレードも同等の性能を発揮します。チタンの不動態皮膜は、パラジウム含有量にかかわらず、酸化条件下で極めて安定しています。これはクロム酸やその他の酸化性媒体についても同様です。コストがわずかしかかからないグレード2が、正しい選択です。.

有機酸は適度な温度で希釈してください。. 低濃度かつ沸点を大幅に下回る温度では、有機酸中におけるグレード2の腐食速度は、多くの場合許容範囲内です。 10%濃度の50°Cのギ酸流は、沸騰した50%のギ酸とは状況が異なります。グレード7を安易に選択する前に、具体的な運転条件と腐食データを照らし合わせて確認してください。.

海水、塩水、および塩化物環境での使用。. 中性pHの海水および塩水においては、どちらのグレードも実質的に腐食の影響を受けません。酸化皮膜は安定しており、腐食速度はごくわずかであり、隙間腐食のリスクは(両グレードとも確かに存在しますが)、標準的な海洋使用温度範囲内では、両者の間に大きな差は見られません。グレード2は、海水用オフショア熱交換器において主流の材料となっています。.

アルカリ性環境。. 強アルカリ(苛性ソーダ、水酸化カリウム)は、どちらのグレードにとっても問題にはなりません。グレード2はこれらに対して良好な耐性を示し、グレード7にパラジウムが添加されていることは、この点における耐食性には何の影響も与えません。.

耐用年数が比較的短い、コスト重視の用途。. 一部の処理環境では、腐食した部品の定期的な交換が保守スケジュールに組み込まれています。グレード2の腐食速度によって部品の耐用年数が、例えば3~5年となり、それが計画されたターンアラウンド間隔と合致する場合、単に耐用年数を延ばすという理由だけでグレード7を指定しても、投資対効果が見込めない可能性があります。.

実用的な決定ルール: プロセスで使用する化学物質が還元性酸(HCl、H₂SO₄、H₃PO₄、有機酸)に属さない場合、あるいは属していても低濃度かつ中程度の温度条件下で、グレード2の腐食速度が0.25 mm/yr未満である場合には、グレード2で十分です。 仕様書にグレード7を追加するのは、データ(具体的には、使用温度における当該酸での腐食速度)がそれを裏付ける場合にのみ行ってください。.

グレード7が真価を発揮する用途

使用条件が明らかに還元性酸の範疇に該当する場合、グレード7のコスト割増分は、ライフサイクル全体で見れば通常、容易に正当化できます。腐食した容器による交換コスト、プロセスの停止時間、および製品汚染のリスクなどが、その算定においてすべて考慮されます。.

塩素アルカリおよび塩素化学。. 塩素製造におけるセル構成部品、陽極アセンブリ、および配管は、湿潤塩素ガスと塩酸の両方の流体にさらされます。こうした使用環境の多くでは、グレード7が標準的な材料仕様となっています。湿潤塩素、HCl、およびブラインが組み合わさり、さらに温度変化が繰り返される環境は、湿潤面においてグレード2にとっては過度に腐食性が高すぎます。.

化学処理用反応器およびオートクレーブ。. 還元性酸による消化を行う反応槽(ニッケル、コバルト、銅の回収のための湿式冶金における酸浸出回路が典型的な例である)は、高温下で、その濃度がグレード7の適用範囲に完全に該当するHClまたはH₂SO₄を用いて運転される。 2010年に実施された、ニッケル酸浸出環境におけるTi-2およびTi-7の腐食に関する研究(Vaughan、ScienceDirect)では、両者の表面形態および腐食挙動に著しい違いが確認された。Ti-2では表面の著しい粗大化や粒界腐食が生じたのに対し、Ti-7は滑らかな表面を維持し、金属損失も大幅に少なかった。.

酸環境下で使用される熱交換器。. ASTM B338は、チタン製熱交換器用チューブに特化した規格です。グレード7は、酸性環境下における凝縮器および熱交換器に指定されています。特に、シェル側またはチューブ側の流体が還元性酸のプロセス流体である場合、あるいは装置が還元性および酸化性の化学的環境の間で周期的に変化するような交互の運転条件にさらされる場合に適用されます。.

医薬品およびファインケミカルの製造。. 医薬品合成における酸消化容器やプロセス配管では、沸点に近い温度でギ酸、シュウ酸、または希塩酸が使用されることがよくあります。製品の純度要件により、金属による汚染は絶対に許されないため、腐食速度がほぼ不活性に近いことがさらに重要となります。この用途にはグレード7が適切な仕様となります。.

大気汚染対策。. SO₂およびHClのガス流を処理する湿式スクラバー(特に酸洗浄液を使用するもの)では、グレード2において腐食の発生実績が報告されている使用条件が見られます。スクラバーの内部構造物や充填層支持材には、一般的にグレード7が指定されます。.

AS1210/ASME規格の圧力容器は、最高300°Cまでの使用が可能です。. いずれの規格も、300°Cまでの圧力容器の製造にはグレード7(ASME BPVC)、325°Cまでの配管にはグレード7(AS4041 圧力配管)を事前認定しています。 これらの規格に基づいて酸用圧力容器を設計する場合、液に接触する耐圧部品には、当然ながらグレード7が指定されます。.

パラディウム・グレード・ファミリー — グレード7、11、16、およびグレード12

グレード7の評価を行う際は、他のパラジウム含有グレードや、モリブデン・ニッケル系代替品(グレード12)についても把握しておく必要があります。なぜなら、「単にグレード7を使えばよい」という答えが、必ずしも最も費用対効果の高い選択肢とは限らないからです。.

グレード主要な合金の添加Pd含有量基本体力主なユースケース
グレード70.12–0.25% Pd全ラインナップCP-Ti(グレード2相当)還元性酸、隙間部での使用、標準的な用途
高校2年生0.12–0.25% Pd全ラインナップCP-Ti(グレード1ベース — 低酸素)グレード1のPd変種。グレード7と同等の耐食性を有するが、強度はわずかに低い。
16級0.04–0.08% Pd値下げCP-Tiより穏やかな還元条件下におけるグレード7のコスト最適化された代替品
12年生0.3% Mo + 0.8% Niなし2級より上高温塩水中の隙間腐食;Pdを使用しない(コスト削減、異なるメカニズム)

7年生対11年生: これら2つのグレードはパラジウム含有量の範囲が同じであるため、耐食性も類似しています。主な違いは母材にあります。グレード11とグレード1の関係は、グレード7とグレード2の関係に似ています。どちらもパラジウムを含むバリエーションですが、酸素含有量のレベルが異なります。 グレード11はグレード1の母材(酸素含有量が低く、最大酸素含有量は約0.18%、グレード2の最大0.25%に対し)を使用しており、これにより格子間強度がわずかに低くなります。 実際の耐食性能の差はごくわずかです。酸環境での用途の大部分において、耐食性の観点からはグレード7とグレード11は互換性があります。.

7年生対16年生: グレード16のPd含有量は0.04~0.08%のみであり、これはグレード7の下限値の約半分に相当します。還元性酸に対する耐食性はグレード2よりも向上していますが、グレード7ほど堅牢ではありません。 グレード16は、グレード7の性能余裕をフルに活用する必要がない環境において、コスト削減を図るための選択肢です。特定の条件下での腐食速度データが、グレード16の場合、0.1 mm/yrを確実に下回る場合、グレード7に比べて大幅なコスト削減が可能となります。.

7年生対12年生: グレード12はまったく異なるアプローチを採用しており、パラジウムの代わりにモリブデンとニッケルを使用しています。グレード12は、グレード2よりも強度が高く(引張強度:483 MPa以上 対 345 MPa)、高温の中性pHの塩化物環境における隙間腐食耐性も優れています。 しかし、還元性酸環境下での性能はグレード7には及びません。酸への曝露が著しくない高温の塩水環境における隙間腐食が主な懸念事項である場合、グレード12はコスト効率に優れ、強度面でも優位性があります。真の還元性酸環境での使用には、グレード7が適切な選択となります。.

よくある質問

グレード2とグレード7のチタンの違いは何ですか?
グレード7は、グレード2に0.12~0.25%のパラジウムを添加したものです。いずれも商業用純アルファチタンであり、機械的特性、密度、溶接性は同一です。機能面での唯一の違いは耐食性です: グレード7は、パラジウムを触媒とする電気化学的メカニズムにより、還元性酸(HCl、H₂SO₄、有機酸)に対する耐食性がグレード2を劇的に上回ります。このメカニズムにより、グレード2が10~50 mm/yrを超える速度で腐食する環境においても、グレード7は金属が自己不動態化することが可能となります。.

塩酸環境での使用には、どのチタングレードが最適ですか?
HCl環境では、グレード7が標準的な推奨グレードです。室温では、グレード2の使用はおよそ7%のHClに限定されますが、グレード7ではその範囲がおよそ27%まで広がります。 沸点温度では、5%のHCl中においてグレード2の腐食速度は10 mm/yrを超えるのに対し、グレード7では0.18 mm/yrにとどまります。 高温(190°C)下で塩酸濃度10%を超えると、グレード7の耐食性も大幅に低下します。このような過酷な条件では、ハステロイC-276または類似の合金の使用を検討してください。.

グレード7のチタンは、その価格差に見合う価値があるのでしょうか?
これは使用環境に完全に依存します。還元性酸環境において、グレード7は、容器の交換やプロセスの停止、さらには汚染事故につながるような壊滅的な腐食破損を防止します。ライフサイクルコストの観点から、グレード7を選択することが極めて有利です。 非酸性または非酸化性の環境では、グレード7はグレード2に比べて腐食防止効果の追加メリットが全くなく、3~5倍のコストプレミアムは純粋な過剰支出となります。材料選定は、「より優れた」材料という一般的な好みではなく、使用環境の化学的特性に合わせて行うべきです。.

グレード2のチタンは硫酸に耐えられるか?
グレード2は、高温の硫酸中で著しく腐食します。沸騰した5% H₂SO₄中では、グレード2の腐食速度は48 mm/yrに達し、事実上使用できません。 室温および極めて低い濃度(約5%未満)では、グレード2の腐食速度は比較的緩やかですが、使用温度や濃度が変動した場合、許容範囲は極めて狭くなります。H₂SO₄を本格的に使用する場合は、グレード7が適切な仕様となります。.

パラジウムはチタンの隙間腐食を防ぐのでしょうか?
はい、かなりの程度においてそうです。チタンの隙間腐食は、隙間に滞留した流体中の酸化性物質が枯渇し、その局所的な電気化学的状態が還元条件へと移行した際に発生します。 パラジウムの陰極触媒作用により、耐食性がこうした局所的な還元条件の領域まで拡張されるため、酸性環境下でのガスケット、チューブとチューブシートの接合部、ボルト締めフランジなどの用途では、グレード2よりもグレード7が好んで使用されます。.

還元性酸用熱交換器には、どのチタングレードを指定すべきでしょうか?
チューブバンドルには、ASTM B338のグレード7(シームレス管または溶接管)を指定すること。 シェルについては、シェル側の流体が還元性酸でない場合、ASTM B265(鋼板)のグレード2でも許容される。シェル側とチューブ側の両方に還元性酸が流れる場合は、全体を通じてグレード7を指定すること。現場での溶接には、AWS ERTi-7の溶加材を使用すること。.

グレード7のチタンのUNS指定番号は何ですか?
グレード7のチタンはUNS R52400と指定されています。グレード2はUNS R50400です。.

7年生と11年生は同じ意味ですか?
ほとんどの酸環境用途においては、その通りです。どちらも0.12~0.25%のパラジウムを含有しており、同等の耐食性を発揮します。 グレード11は、グレード1に対するグレード7のような関係にあります。つまり、同じ基本酸素含有量レベルにおけるパラジウム含有のバリエーションです。グレード11は格子間酸素含有量が低いため、グレード7よりも強度がわずかに低くなります。グレード7が機械的要件を満たす場合、入手性がより高いため、一般的にグレード7が優先されます。.

概要

グレード7とグレード2のチタンは、1つの点、すなわちパラジウムの含有の有無を除けば同じ材料です。この添加によりコストは大幅に高くなりますが、特定の性能項目、すなわち還元性酸に対する耐性において劇的な向上がもたらされます。 沸騰したHClおよびH₂SO₄中では、グレード7の腐食速度はグレード2に比べて50~300倍低くなります。一方、酸化環境、塩水環境、およびアルカリ性条件下では、両グレードの性能は同等であり、グレード2が当然の選択肢となります。.

意思決定の枠組みは単純明快です。プロセスストリーム内の主な腐食要因を特定し、その酸について、運転温度および濃度における腐食速度を調べ、その速度が0.1 mm/yrを下回り、かつ十分な余裕があるグレードを選択します。 その結果がグレード2であるなら、グレード7の費用を支払う必要はありません。グレード7である場合は、ライフサイクルコストの観点から、早期の設備故障によるコストを上回るプレミアムを支払うことが、ほぼ常に正当化されます。.

グレーゾーンに該当する環境――すなわち、軽度の還元性酸性条件、変動しやすい使用環境の化学的特性、あるいは予算上の制約など――においては、大規模な設備全体で一律にグレード7を採用する前に、コスト面の中間的な選択肢として、グレード16(還元パラジウム)およびグレード12(Mo-Ni)を検討する価値がある。.

チタン加工とCNC製造において10年以上の実務経験を持つ材料エンジニアのウェインです。私は、バイヤーや専門家がチタンの等級、性能、実際の製造方法について理解できるよう、実用的でエンジニアリングに基づいたコンテンツを執筆しています。私の目標は、複雑なチタンに関するトピックを分かりやすく、正確で、お客様のプロジェクトに役立つものにすることです。.

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