第６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．

１．アルミニウム

1.1 アルミニウムの特徴と種別
1.2 溶体化処理および時効処理

２．チタン

2.1 チタンの特徴と種別
2.2 微視組織と熱処理
2.3 チタン産業の現状

演習問題

１．アルミニウム
1.1 アルミニウムの特徴と種別
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
表1 アルミニウムとその合金

1１．アルミニウム
・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-MgSi，7：Al-Zn-Mgを表す（表1参照）．用途の大別は次の通り．
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
・各種アルミニウム合金は，調質状態によって表2に示すように分類される．
表1 調質の分類

図1 アルミニウム合金の引張強さと伸びの関係

１．アルミニウム
1.2 溶体化処理および時効処理
溶体化処理
図2に示すように，TTT線図のノーズの左側を通過するように急冷する．これにより，Al中にCuが過飽和に固溶される．
時効処理
溶体化後，TTT線図下側の低温で加熱す
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度は著しく上昇する．
以上の溶体化処理と時効処理は，通常，併せて実施される．

図2 Al-Cu 4wt％合金（2000系）における溶体化処理および時効処理

2

１．アルミニウム
溶体化・時効処理にともなう構造変化は，5段階に分類れる（図4，図5参照）．
（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，降伏強度が上昇する．

（b） GP（Guinier Prestpon）ゾーン
上記（a）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，さらに降伏強度が昇する．
図3 時効処理にともなう降伏強度と構造変化

１．アルミニウム

図4 Al-Cu 4wt％合金の時効処理にともなう構造変化：（a）過飽和固溶体，（b）GPゾーン，（c）θ’’相，（d）θ’相，（e）θ相（CuAl2）形成3

１．アルミニウム（c）θ’’相GPゾーンが成長し，θ’’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．また析出物であるθ’’相の存在は，転位の移動をピン止めするため，さらに降伏強度が上昇する（析出強化）．
（d）θ’相θ’’相が成長し，θ’相が転位線上などの核生成が容易な領域に形成される．その一方で，θ’’相は消滅して行く．析出物としてより粗大化するになるに従い，転位をピン止めする効果は徐々に薄れ，降伏強度は低下傾向を示す．
（e）θ相θ’相が分解し，最終的にθ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，降伏強度は一定値に漸近していく．
一般には，降伏強度が最大となるあたりの条件か，少し行き過ぎて安定化する条件で時効処理を施す．

１．アルミニウム

図5 アルミニウムおよびその合金の使用例

4

２．チタン
2.1 チタンの特徴と種別
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）→ジェットエンジン
・身体親和性良好→めがねフレーム，時計，生体医療器具（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（α相），882℃以上：BCC構造（β相）
合金元素
α安定化元素β安定化元素
中間元素

Al，O，C，N
V，Mo，Nb，TaZr，Sn（特にAlが重要）（特にVが重要）（固溶強化）

２．チタン
表2 純チタンおよびチタン合金の種別
名 称

用 途

種 別

特 徴

純チタン（a 相）万能（Tiであれば良いという用途），耐食性狙い

CPチタン（JIS1種～4種，強度相違）

・非酸化性環境での耐食性良好，
特に塩水に対する耐食性は高い・比較的安価，加工性悪い

a 型チタン合金

耐食性狙い，高温・低温で使用される製品

Ti-0.2Pd～0.25 Pd（JIS1種～3種，強度相違），Ti-5Al-2.5Sn

・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

航空宇宙用製品の構造， Ti-6Al-4V（JIS60），航空機エンジン，人工股 Ti-6Al-6V-2Sn
関節・高強度・高延性
・高価，加工性悪いb 型チタン合金

航空機，自動車部品，ゴルフクラブ

・熱処理性向上（高強度）・さらに高価，加工性良好

Ti-13V-11Cr-3Al，Ti-20V-4Al-1Sn

5２．チタン
2.2 微視組織と熱処理

（a）

(b)

（c）

(d)

α＋β型チタン合金（Ti-6Al-4V）・β変態点は995℃①等軸状組織（図6（a））
・β変態点未満で加熱後炉冷・強度・延性のバランス良好②針状組織（図6（b））
・β変態点以上に加熱後炉冷・クリープ特性向上，延性低下③Bimodal組織（図6（c））
・β変態点付近から炉冷④マルテンサイト（図6（d））
・溶体化急冷により形成，その後時効・強度向上，延性低下

図6 Ti-6Al-4Vの組織：（a)等軸状，（b）
針状，（c）Bimodal，（d）マルテンサイト

２．チタン
β型チタン合金：冷間加工性向上のために開発された合金
・β単相域から溶体化（図7）→冷間加工性向上（β相はBCC構造ですべり系が多い）
・加工後に時効し，微細α相を析出させる（図8） →高強度化
・V量が多いため高価，密度が高い

図8 Ti-20V-4Al-1Sn合金の溶体化・時効
組織：（左）光学顕微，（右）TEM
図7 平衡状態図（模式図）

6２．チタン

図9 チタンおよびその合金の使用例

２．チタン
2.3 チタン産業の現状
米国と日本でのチタン産業
米 国
チタンは航空宇宙産業，軍需産業において多用されている．そのため，高強度のα＋β型チタン合金の使用が全体の70％（Ti6Al-4Vだけで全体の56％）を占める．
日 本
チタンの原料（スポンジチタン），耐食性や民生品への応用を主眼とする．そのため，純チタンが全体の90％を占める．

米国
CP Ti
26%
Ti-6Al-4V
56%

b Alloys 4%
a+b Alloys
14%

日本

Alloys
10%

CP Ti
90%

図10 米国と日本でのチタンの割合

7２．チタン
チタン需要量の周期性と民生品への転用
チタンは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同じ機種の代替機をまとめて購入する．その結果，チタンの需要量には約5年後との周期が発生する（図11参照）．
このようなチタン需要量の周期性を回避するため，1980年代よりチタンを民生品へ応用する試みがなされた．
しかし，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，当然，その価格は高い．このようなコストの問題のため，民生品におけるチタン使用は限定的である．
図11 チタン需要量の変遷

２．チタン
設計上の制約チタンの素材製造メーカーは，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の代替機の製造が重なった1980年代には，チタン価格の高騰が生じた（図12参照）．
一方，航空機の低燃費化や輸送量増大のため，機体軽量化を目的として1機あたりのチタン使用量は年々増加している（図13）．B767では設計の段階で上記の代替機ラッシュを見越し，チタンの使用量が低い値に抑えられた．

図12 チタン価格の変遷

図13 １機当たりのチタン使用量8

演習問題
問題 1

ジュラルミン（Al-Cu4％）における溶体化・時効処理を説明しなさい．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なさい．

問題 2

純チタン以外に，チタンにはα型，α＋β型およびβ型合金がある．以下の場合，どの材料を使用するのが適切か，理由と合わせて答えなさい．
（1） 化学プラントの配管（2） 航空機の主脚（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なさい．

演習問題解答問題 1
TTT線図のノーズの左側を通過するように急冷する．これにより，Al中にCuが過飽和に固溶される．溶体化後，TTT線図下側の低温で加熱すると，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．すなわち，降伏応力および引張強度は著しく上昇する．
問題 2（1） 純チタン，α型チタン合金，耐食性が良好であるため．
（2） α＋β型チタン合金，特に高強度であるため．
（3） β型チタン合金，冷間加工性に優れているため．
問題 3（例）できるだけチタンの価格を下げ，民生品への使用量を増やす．

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