チタンを使用する理由と、使用を避けるべき場合
チタン グレード5 (Ti-6Al-4V) は、中級鋼の強度を約60%の重量で実現し、さらに優れた耐食性と生体適合性を兼ね備えています。これら3つの特性により、整形外科用インプラント、航空宇宙構造用ファスナー、およびハイエンドスポーツ用品の標準材料となっています。しかし、アルミニウムと比較して完成部品の製造コストが5～10倍高くなるため、チタンの使用は慎重に検討されます。
チタン加工を行う前に、当社のエンジニアは通常、「7075アルミニウムでは対応可能か？」「17-4 PHステンレスでは対応可能か？」と問いかけます。両方の答えが「いいえ」の場合、つまりアルミニウムでは実現できない強度対重量比、ステンレスでは匹敵しない耐食性、またはインプラントに必要な生体適合性が必要な場合に、チタンが選択されます。
グレード5 vs グレード23 — 医療分野での使い分け
グレード5とグレード23 (Ti-6Al-4V ELI) の化学組成は、介在元素の制限のみが異なります。グレード23では、酸素、窒素、炭素、鉄の最大許容値がより厳しく設定されています。その結果生じる機械的特性の差はわずかですが、グレード23は約10%優れた破壊靭性と疲労性能を持ち、その代償として降伏強度が約5%低下します。
永久的な整形外科用インプラント（股関節ステム、骨ねじ、脊椎ケージなど）には、ASTM F136に準拠したグレード23が規制上の標準です。試用インプラント、手術器具、非荷重医療部品、およびほぼすべての航空宇宙用途には、ASTM F1472またはASTM B348に準拠したグレード5で十分であり、大幅に安価です。
航空宇宙および構造用途
当社では、AS9100に準拠したプロセス管理のもと、チタン製の航空宇宙用ブラケット、エンジンマウント部品、油圧システム継手などを加工しています。アルミニウムに対するコストプレミアムは、以下の状況でその価値を発揮します。(1) 動作温度が200 °Cを超える場合（アルミニウムはこの温度を超えると急速に強度を失います）、(2) 40%の軽量化が材料コストを正当化する場合、または (3) ステンレス製ファスナーとの接触によるガルバニック腐食によりアルミニウムが使用できない場合。
大型航空宇宙構造部品には、ビレットよりもチタンプレートをお勧めします。プレートは熱間加工されており、より優れた結晶粒構造を持っています。小型で高精細な部品には、ビレットからの5軸加工がより適しています。当社の10台のBeijing Jingdiao JD500 5軸加工機は、約300 × 300 × 150 mmまでのチタン加工に対応しています。
仕上げ — 発色と不動態化
チタン製手術器具やカスタム自転車部品に見られる着色された「アルマイト」は、実際にはアルミニウムのような染料アルマイトではなく、電気化学的な酸化膜の成長です。10 Vから100 Vまで電圧を変化させることで、ゴールド、ブロンズ、パープル、ブルー、ティール、ピンクの色を生成します。これは同一バッチ内では再現性が高いですが、ロット間では再現性が低くなります。
医療用インプラントの仕上げには、お客様のご要望に応じて硝酸またはクエン酸でASTM F86に準拠した不動態化処理を行います。これにより表面の鉄汚染を除去し、クリーンで均一なTiO₂不動態層を形成します。不動態化処理前のビーズブラストは、取り扱い痕を隠す均一なマット仕上げを提供します。
コストの目安
Ti-6Al-4Vビレットの原材料費は、アルミニウム6061の1キログラムあたりの約6倍です。加工時間は部品あたり通常2～3倍長くなります。工具の摩耗は3～5倍速いです。結果として、チタン製CNC部品はアルミニウム製部品の約5倍のコストがかかります。10個未満の試作数量の場合、プレートからのワイヤー放電加工は、ビレットからの3軸フライス加工よりも安価になることがあります。お客様の形状に適用される場合は、DFMレビュー時にこの点をご指摘いたします。
チタン部品のリードタイムは通常7～14日ですが、アルミニウム部品は3～7日です。お客様のプロジェクトでグレード23の医療グレード材料が必要な場合は、認定ミル（ATI Specialty Alloys、TIMET、Baoji Titanium）からの調達に1～2週間追加でかかります。