ステンレススチールからチタンに部品をアップグレードすることを決めた瞬間、あなたはすぐに、より高価になる可能性のある第二のジレンマに直面することになります： 実際に必要なグレードは？
この業界には40種類近いグレードがあるが、その選択はほとんど常に市場の2大巨頭に絞られる： グレード2（市販純度） そして グレード 5 (Ti-6Al-4V).
一見すると、選択は二者択一のように見える。強度が欲しければグレード5を選び、耐食性が欲しければグレード2を選ぶ。しかし、材料科学における二者択一がそれほど単純でないことは、ベテラン技術者なら誰でも知っている。ここでの選択を誤ると、単に部品が駄目になるだけでなく、必要な形状が事実上存在しない材料を指定するという調達上の悪夢や、単純な冷間成形の曲げ部がひび割れたスクラップの山になるという製造上の大惨事を意味することもある。.
このガイドは、データシートの静的な数字を超えたものです。この2つの素材の真の違いを定義する、エンジニアリング上のトレードオフ、「隠された」製造コスト、サプライチェーンの現実を解剖していきます。.
冶金のDNAアルファ対アルファベータ
機械加工の際に、一方の鋼種が延性のある金属のように、もう一方が頑固なセラミックのように作用する理由を本当に理解するには、その結晶の “DNA ”を見なければならない。”
グレード2 は、私たちが “ワークホース ”と呼ぶものです。これは商業的に純チタンで、以下のような特徴がある。 アルファ(α微細構造. .合金元素を含まないため（純Tiは99%以上）、内部構造はすべり面の移動を比較的容易にする。これがチタンに延性を与えている。チタン界の “316ステンレス鋼 ”と考えていただければ、寛容で、成形しやすく、化学的に一貫しています。.
グレード5, 一方 アルファ・ベータ合金. .を導入する。 6% アルミニウム (α安定剤）と 4% バナジウム (ベータ安定剤）により、金属を強制的に二相構造にする。これは単なる化学的な微調整ではなく、金属の物理的性質を根本的に変えるものである。この二相構造は、グレード5を熱処理して驚異的な強度を得ることを可能にしますが、グレード2を非常に加工しやすくする延性を犠牲にします。.
機械的特性：強さ」の罠
引っ張り強度の数字に惑わされるのは簡単だ。そして、そのギャップは大きい。.
標準通り ASTM B265仕様, 5級はおよそ2倍から3倍の強さ グレード2より上。.
| プロパティ | グレード2（CP Ti） | グレード 5 (Ti-6Al-4V) | 工学的な意味合い |
|---|---|---|---|
| 降伏強さ（0.2%オフセット） | ~275 - 450 MPa | ~880 - 920 MPa | グレード5は、はるかに高い荷重下でも永久変形に耐える。. |
| 引張強さ（UTS） | ~345 - 500 MPa | ~950 - 1050 MPa | グレード5では、断面を大幅に薄くすることができる。. |
| 伸び（破断時） | > 20% | < 10-14% | クリティカルだ： グレード2のストレッチ、グレード5のスナップ。. |
| 硬度 | ~160 - 200 HV | ~300 - 350 HV | グレード5は耐摩耗性に優れている。. |
| 密度 | 4.51 g/cm³ | 4.43 g/cm³ | 生重量の差はごくわずか。. |
比強度」の要素
両者の密度はほぼ同じであるため（グレード5は厳密には一段と軽い）、グレード5とグレード6を比較することはできない。 強度重量比 グレード5の性能は驚異的である。グレード2に比べて半分の材料量で同じ荷重を運ぶことができる。.
しかし、ここからが問題だ： デザインに制限がある場合 硬さ 純粋な強さよりもむしろ、グレード5にはほとんど利点がない。両グレードの弾性係数（剛性）は、おおよそ105-114 GPaです。グレード2の梁が荷重で曲がりすぎている場合、グレード5に切り替えても曲がりは止まりません。剛性を修正するには、「より良い」グレードではなく、ジオメトリー（慣性モーメント）が必要です。.
製造業の現実：プロジェクトの死に場所
現場の話をする必要がある。グレード5の理論的な利点が、しばしば物理学の残酷な現実と衝突する場所である。.
成形性のギャップ“
これは若いエンジニアにありがちな罠だ。.
グレード2 の破断伸度がある。 20%. .それは論理的に振る舞う。冷間曲げ加工、深絞り加工、ハイドロフォーミングなど、鋼と同じように加工できる。.
グレード5 はまったく別物だ。その伸長率は 10%以下. .グレード5のシートをきつい半径に曲げようとすると、折れてしまう。グレード5を成形するには、通常、以下のものが必要である。 ホットフォーミング これは酸化スケーリングを引き起こし、高価な加熱工具を必要とし、サイクルタイムを大幅に増加させる。.
プロのアドバイス 複雑な曲げ加工が必要な部品（プレス加工されたハウジングなど）でグレード5を指定した場合、熱間成形の要件があるため、メーカーに見積もりの3倍を強いることになる可能性が高い。.
被削性指数
機械工に聞けば、チタンの切削は芸術だと言うだろう。.
- グレード2は「グミ」： 欠けるのを嫌います。切削工具（Built-Up Edge）にしみ込んで付着したがります。切屑の熱を逃がさないためには、鋭利な工具、高いクーラント流量、積極的な送り速度が必要です。.
- グレード5は “ホット＆ハード”： 莫大な熱が発生し、その熱は切り屑と一緒に排出されず、工具に染み込みます。SFM（サーフェスフィート・パー・ミニット）を大幅に下げる必要があります。グレード 5 の部品は 30-50%の方が加工時間が長い 同等のグレード2の部品より.
耐食性：バナジウムの脆弱性“
グレードが高いほど耐食性が高い」という俗説が蔓延している。“ これは危険なほど間違っている。.
海水、塩化物水溶液、酸化性雰囲気のような中性環境では、どちらのグレードもスーパースターです。両グレードは瞬時に酸化チタン（TiO2）層を形成し、事実上錆びることはありません。このような条件下では、その差はごくわずかです。.
エビデンス酸のパフォーマンスを下げる
しかし 弱還元性酸 (希硫酸や塩酸など）、グレード5はその弱点を露呈している。.
- メカニズム のテクニカルレポートによると 新日鉄 そして AZoM, を加えた。 6% アルミニウム は、還元性媒体で有害な要因として作用する可能性がある。多相構造は、均一な単相構造のグレード2に比べ、腐食を加速させるミクロ・ガルバニック・カップルを形成する。.
- データ 沸騰温度の10%硫酸(H2SO4)中では、非合金チタン(グレード2)は、より高い質量減少率を示すグレード5よりも著しく優れた耐食性を示します。.
エンジニアリングの収穫 高温で還元性の酸を使用する用途であれば、グレード2の高純度が優れた寿命を提供します。グレード2がまだ不十分な場合は、グレード5にアップグレードするのではなく、次のグレードに移行します。 グレード7 (グレード2＋0.15%パラジウム）で、耐酸性を飛躍的に向上させた。.
サプライチェーンの制約
最後に、部屋の中の象に対処しなければならない： 空室状況.
完璧なグレード5のブラケットを設計することはできても、原材料を購入することはできるだろうか？
- グレード2 の王である。 シート、プレート、パイプ. .巨大な工業用容器や熱交換器に使用されるため、どこにでもストックされている。.
- グレード5 の王である。 丸棒とブロック.
薄肉のエンクロージャー（例えば厚さ1mm）を設計し、グレード5を指定した場合、グレード5の薄板を在庫しているところがないことに気づくかもしれません。厚板を購入し、90%を機械加工してチップにすることを余儀なくされる。これでは “「バイ・トゥ・フライ」比率 そして、コストを爆発的に増加させる。.
コスト分析：原材料対総コスト
市場価格は変動するが、一般的には グレード5の原料価格はキログラム当たり30%から50%高い グレード2より上。.
しかし 総所有コスト（TCO） 乖離はより大きい：
- 材料費： グレードは5が上。.
- 加工コスト： グレード5の方が高い（速度が遅く、工具の摩耗が早い）。.
- スクラップ回収： グレード5の切粉（スワーフ）は厳重に分別されなければならない。混合チタンスクラップは非常に価値が低い。.
例外だ： グレード5の高強度によって肉厚を50%減らすことができれば、材料体積の削減は可能である。 かもしれない kgあたりの価格が高いことを相殺する。これには慎重な計算が必要だ。.
要約：電話をかける
では、どれが部品表にふさわしいのでしょうか？このマトリクスを参考にしてください。.
| 機能 / 要件 | 選ぶ グレード2（CP） | 選ぶ グレード 5 (Ti-6Al-4V) |
|---|---|---|
| プライマリー・ストレス・モード | 低～中程度 | 高引張/せん断荷重 |
| 成形プロセス | 冷間曲げ、深絞り | 機械加工、鍛造、熱間成形 |
| 腐食環境 | 化学処理、酸性媒体 | 一般海事、大気 |
| 温度限界 | 250℃まで | 400℃まで |
| デザインドライバー | 耐食性とコスト | 強度重量比 |
| 代表的なアプリケーション | 排気管、容器、クラッド | ファスナー、タービンブレード、インプラント*。 |
*注：医療用インプラントの場合、グレード5 ELI（Extra Low Interstitial）と呼ばれる特定のサブグレードが必要とされることが多い。.
よくある質問（FAQ）
Q: チタンのグレード2からグレード5まで溶接できますか？
A: はい、TIG（GTAW）溶接で可能です。通常、溶接部の延性を確保するために、強度の低い材料（ERTi-2）に適合するフィラー・ワイヤーを使用しますが、強度を最優先する場合はERTi-5を使用することもできます。溶接部は、両者の中間の特性を持つことに注意。.
Q: グレード5のチタンは磁性を持つのですか？
A: いいえ、グレード2もグレード5も非磁性です。そのため、医療機器（MRI対応）や磁気干渉が懸念される電子機器に最適です。.
Q: グレード2のチタンは錆びますか？
A: いいえ、チタンは鉄のように「錆びる」ことはありません。酸化皮膜を形成します。海水中でも、グレード2は何十年経っても新品同様です。.
Q: グレード5が「航空宇宙グレード」と呼ばれるのはなぜですか？
A: 世界で使用されるチタンの約50%を占めており、特に機体やエンジン部品では、その高い比強度によって航空機の軽量化と燃費の向上を実現しているからです。.