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2015/3/4
SEVEN Tipsセブンのチタニウム技術&製造方法論 (2)

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真性文系の私にとってここまで難解な英文は初めてでした。
でも読み進むうちに徐々にわかってくることもあるわけで。
SEVEN Tips (2) チタン素材の概要編の始まりです。

 

 

チタン素材の概要

 

近年ではこれまで以上に何百もの種類の素材、製作方法がバイシクルビルダーのための技術として溢れています。これらのオプションは全て自転車フレームにおける走り方、全体的な強さ、長期間における性能維持、そして究極にはスポーツとして自転車を純粋に楽しむ事に大きな影響を与えるのです。
自転車のフレームはチタンチューブを用いることが一番理想的なものになるとセブンは考えています。素材の軽量性、同調性、そして耐久性(鉄の2倍の強さを誇る)はビルダーにもやる気を与え、その作られたフレームはとても贅沢な走りを可能にし、また一方でも優れたドライブトレインの効率性とねじれに対する剛性をも維持することが出来ます。しかしながらチタンを扱うという事は非常に多くの専門的知識と技術が必要でもあります。チタンは決して珍しいものでは無いのですが、やはりとても高価なものであり、第一に加工するのにとてもお金がかかるのです。

 

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チタン合金への道

 

多くの人がチタンという素材はとても希少価値の高いものであると思いがちなのですが、チタンという素材は世界中においてどこでも入手できるものなのです。事実、地球において4番目に豊富な金属資源であり、アルミニウム、マグネシウム、そして鉄がチタンより多くあるという現実をまず知っておくといと思います。それにもかかわらずチタンは通常時においてそれ単体の純粋なピュアチタンとして発見される事はなく、その代わりにルチル鉱石やイルメナイトなどが混ざった混合物として採掘されます。そして実際にはこの取り出し作業が非常に難しく、そしてコストが高いという理由から、チタン、そしてチタンチューブとしての値段が必然的に高くなってしまうのです。

 

チタンを純粋に抽出させる一番最初の手順としてチタンスポンジを作る事です。実際にそれはスポンジのような外見をしている事からこの名前がつきました。自然界から採取されるチタン鉄鋼の約95%は二酸化チタン(TiO2)で、その多くは塗料、M&Mのキャンディーに施してあるプリント、ドーナッツの中に入っているクリーム、紙、プラスチックなどの白色顔料に使用されています。その他、航空機、ロケット、電力・化学・海水淡水化プラント、自動車、自転車、金属製品、建材、医療、光触媒、形状記憶合金などにも使用されます。そしてピュアチタンを得るためには多くのプロセスが必要です。まず、チタン鉱石に塩素を加え蒸留して四塩化チタンを得ます。次にマグネシウムで還元・分離するとチタン単体が得られます。これを粉砕・整粒したのがスポンジチタンと呼ばれるのです。

 

この色素が無い四塩化チタンという物質は部分蒸留を通して精製され、マグネシウムの粉と混ぜられます。その物質は密閉コンテナに入れられ、酸素と水素が全くない状態で、マグネシウムが塩素と化学反応を起こすまで熱せられます。これにより塩化マグネシウムを作り出し、チタンスポンジとして知られるピュアチタンが生まれるのです。スポンジは巨大な油圧プレスによって、コンパクトと呼ばれるチタンの塊にさせられて、消耗電極を形成するために、コンパクトはその端と端をティグ溶接をされ、そして25,000ポンド以上の重さの巨大なチタンの塊となります。

 

次のステージにおいてピュアチタンはチタン合金となります。ほとんどのチタンフレームが使用している素材の3AI-2.5Vチタン(325チタン)は、3%のアルミニウムと2.5%のバナジウムがチタンに混ざっているのですが、1mほどの直径をした電極棒がチタン溶融池を作り出すために、真空消耗電極式アーク溶解炉にまず入れられます。そして溶解炉の中で固められるのですが、(溶解炉はチタンから守るために銅の内張りがしてある。) 溶解炉の中身が凍った際に銅の内張りがチタンにくっついてしまうため、最終処理では大きな旋盤を使用してチタンにくっついた銅が取り除かれます。

 

この時点でのチタンはチューブになる一歩手前の状態になり、その前にこの金属の延べ棒は大きな炉の中で縮小させられます。またチタンは酸素がある場所での加工が難しいので、この大きな炉は特別にチタンのためにデザインされています。チタンがこの炉の中に入っている時、延べ棒は連続してハンマーでたたかれ、焼きなましされる。焼きなましとは、制御された間隔において熱したり、冷ましたりする過程のことであり、色々な目的に使用され、加工硬化による内部のひずみを取り除く事もそのうちの一つです。このプロセスは延べ棒が約8インチの直径、そしてインパクト押出し成形機の穴に通せるようになるまで続けられる。インパクト押出し成形機(炉と押出し成形機の混合機械)は約8インチ(約20cm)になった延べ棒をチューブ成形するために使われるのです。

 

 

チタンチューブの製作

 

チタンチューブの成形加工には特別な道具と無酸素状態の環境が必要となります。そしてその価格はチューブのサイズ、重さ、純度、真直度、分子粒子配合、表面仕上げなどに応じて変わります。(そして表面の傷の対処の仕方によって30cmほどで$70ほどのコストがかかる可能性も出てきます。)

 

ハンマーでたたかれ、焼きなましされた 8インチ(約20cm)のチタンの延べ棒はここでインパクト押出し成形機にかけられます。巨大な油圧シリンダーがチタンバーを機械の端まで45フィート(約13.7m)ほどの長さにおいて打ち込まれ、ものすごく熱く加熱されたチタンチューブとして出てきます。そして出来上がったチューブはすぐさま塩酸の中へ入れられ、余分な表面のレイヤーが取り除かれるのです。

 

チューブの内部をきれいに成形するための機械は大きなチューブをその出来上がったチューブの内部に差し込まれ、引っこ抜きます。しかしここで出来上がったチューブはまだまだ使えるシロモノではありません。完成されたチューブに変身させるためにチューブフライス盤にこの未完成チューブが届けられるのです。未完成チタンチューブがフライス盤に到着した際には、重さを計られ、外見と面積などをしっかりと検査され、未完成チューブはチューブフライス盤を通すのに必要とされる条件を満たすかどうかを判断するために徹底的に化学分析されます。チューブが検査に合格した後、未完成チューブは、アルファケースとして知られる残留不純物や酸化を取り除くために綺麗にされ、酸処理をされ、真空焼きなまし作業に対してようやく準備が整うのです。

 

真空焼きなまし作業が、チタンチューブの製作において重要である理由は2つあります。

 

1)ピルガーミルを使用するためにチタンチューブの強度をいったん小さくさせます。チタンチューブがピルガーミルに通された時、チューブの強度は急激に増加するためチタンはより硬くなり、より強くなる。もし真空焼きなまし作業がなければピルガーは大きなダメージを負ってしまうのです。

 

2)チューブの可鍛性を上げ、ピルガーミルを通す事ができる。これにより強度を無くさず柔軟性を劇的に増加させる事が可能になる。チューブに柔軟性が無ければ、とても不安定で使い物にならなくなり、機械加工や折り曲げる事がしずらくなる可能性も出てきます。

 

(焼きなまし作業中に柔軟性と強度を増加させる事でチタンチューブが曲がってしまう場合があるので、チューブは全ての工程作業に入る前にしっかりと真っすぐにさせられてから作業に入ります。)

 

 

もう一度酸処理をさせられ、ピルガーミル加工する時に問題となるひびを、超音波(もしくは化学物質)によって発見します。ピルガーミルにて加工している間、チューブの直径を小さく、管表面を薄くするために、穴は押しつぶされ、丸くされ、ハンマーでたたかれるのですが、実際のところチューブは何回も何回もピルガーミルに通されるのです。ある時は直径を小さくする事に集中され、またある時は管表面を薄くする事に力を注がれます。

 

(何度も繰り返されるピルガーミル加工は、適切なチューブのサイズ、そしてグレイン構造が出来上がるまで、酸処理、焼きなまし、真直加工、超音波検査などの連続した作業のうちの一つとして数えられている。)

 

 

 

 

グレイン構造は、管表面の薄さに対し、どのくらいチューブの直径が小さくなるかという割合によって決められます。粒子、もしくはそのテクスチャはチューブのCSR(収縮性ひずみ速度)を計測する事で検査が可能なのですが、下記の表からも分かるように1.7から1.9までのCSR値は、一番高い値の疲労強度を助長し、一方で最高水準の曲げ変形特性を維持することが可能です。しかし2.0以上のCSR値は、曲げ変形特性に関しては維持できるが、疲労耐久性に関しては劇的に減少します。最適のCSR値はピルガーミルによってコントロールされるのですが、ピルガーミル加工を離れた後、チタンチューブを冷温度作業(例:テーパリング又はインターナルバティング)に通すことにより、チューブの耐久性に悪影響を与えてしまう可能性がある事も忘れてはいけません。

 

先に述べたようにグレイン構造はピルガーミルにおける、最終的な冷温度ストレスリリース作業一連の動作後に行なう、通常の冷温度作業を通す事で悪化してしまう可能性があります。例えば冷温度ストレスリリース作業一連の動作が完了した後、チューブを伸ばしたりテーパリングしたりする事で、ラジアル配向から分子が外に出てしまいCSR値を下げるのである。しかしながらこのようなCRS値を縮小させる工程は時に、メインチューブ、チェーンステイなどを細くさせたり、チューブの耐久限度を小さくしたりする為に使われることもあります。

 

 

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最適な値の管表面、直径、そしてグレイン構造に達した時、ピルガーミルの工程によって生まれた不純物や破片を取り除くために、もう一度酸処理が行なわれます。部分的な応力除去を確実に行なうために最後の焼きなまし作業が以下のステップによって行なわれ、ピルガーミルの最終目標は柔軟性や強度の細かいバランスを整えることにある。この最後の焼きなまし作業は少しだけチューブの強度を減らし、エンドユーザーに対しての最適化を実行させるのです。

 

真空焼きなましによって酸化やアルファケースチューブの内側と外側の両方に酸エッチングを最後に施し、この最後の酸処理により完全体になります。スポーツ専用のチタンチューブではほぼ行われない工程なのですが、セブンは特別にこの最後の処理を要求してオリジナルのチタンチューブを作り上げているのです。

 

このチューブが箱に入れられセブンへと発送される前に、さらに厳しい品質テストにかけられます。質と見た目を検査する、うず電流もしくは超音波テストであり、そしてこれが一番最後の品質管理におけるテストとなります。

 

 

次回、チタンクオリティーへと続きます。

 

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