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

Text and Photo by Seven Cycles

titanium

 

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、長期的な性能維持、そして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。

自転車のフレームには、チタンチューブを用いることが一番理想的なであ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、そのフレームはとても贅沢な走りを可能にし、また一方では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な事でもあります。チタンは決して珍しいものでは無いのですが、高価な材料であるという側面も併せ持っています。

 

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な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、鉄、マグネシウムに次ぐ質量が地球上に存在す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。そして実際にはそこからの抽出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する一番最初の手順とは「チタンスポンジ」を作る事です。実際にそれが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。塗料、M&Mキャンディのプリント、ドーナッツの充填物など、様々な「白色をしたもの」に見受けられる二酸化チタンは、最初にコークスと混合されます。続いて塩素化装置に入れられた鉱石が塩素と反応すると「くすみ」、すなわち四塩化チタンが生じるのです。

このくすんだ無色の液体は、蒸留によって分離精製され、続いて粉末マグネシウムと混合されます。この抽出物を密封容器に入れ、酸素及び水素を除去し、マグネシウムが塩素と反応するまで加熱します。これにより塩化マグネシウムが精製され、チタンスポンジとして知られる純粋なチタンの堆積物が手に入るのです。

次にチタンスポンジは、強力な油圧プレスによって圧縮され、コンパクトと呼ばれる大きなチタン塊になります。その後、このコンパクトは25,000ポンド(11トン)以上もの重さの消耗電極を形成する為に隅々までTIG溶接されます。

この段階で純チタンは合金化されます。ほとんどのチタンフレームの為の材料となる3Al-2.5Vチタンは、チタンに3%のアルミと2.5%のヴァナジウムを添加することによって作られます。

直径1メートルにもなる電極を消耗電極真空アーク炉に入れ、溶融したチタンのプールを作り、そのまま炉の中で凍結/固化させます。炉はチタンからの保護の為に銅の内張りを備えていますが、チタンが固化するとその銅がチタンに付着するため、大きな旋盤を用いて銅をインゴットから削り落とします。

段々とチタンがチュービングに近づいてきました。
巨大な装置によってインゴットが鍛造されます。チタンは酸素があるところでは鍛造できないため、特別に設計された装置が用いられます。この鍛造のプロセスでは、インゴットは絶え間なくハンマーで打ち続けられ、鍛えられるのです。こうしてコントロールされた加熱と冷却を経ることで、加工硬化及び脆化の除去を含む多くの目的が達成されます。インゴットは、押出成形機の穴を通ることのできる直径約8インチの棒状になるまでこの鍛造整形は繰り返され、この成形機(鍛造と押出成形を同時に行う)を使用して棒状から管状へとようやく姿を変えていくのです。

 

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装置と無酸素環境が必要となります。チューブのサイズと重量、純度、真直度、分子粒配向、表面仕上げ、および表面欠陥の有無にかかわらず、チタンチューブの価格は1フィート(約30cm)あたり70ドル近くがかかります。

ハンマーで叩かれ、鍛造された 8インチ(約20cm)のチタン棒はここで押出成形機にかけられます。巨大な油圧シリンダーによって棒が機械に押し込まれると、長さが45フィート(約13.7m)ほど高温のチタンチューブとなって出てきます。チューブはすぐさま塩酸の中に浸され、余分な表層が除去されます。

成形機は、巨大なチューブからサイズダウンして中空形状のチューブにしていきます。しかし、このままではまだ使い物にはなりません。チュービングミルによる加工の工程を経てようやく「使える」チューブになるのです。この段階を経てようやくチューブは計量され、視覚的にも寸法的にも検査されます。同時に化学分析にもかけられ、純度等の物質的要件が規格要件を満たしているかどうか確認されます。こうした検査に合格したチューブは、洗浄され、酸に浸けられ、表面の酸化や残留不純物が除去され、いよいよ真空焼きなましの準備が整うのです。

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)圧延機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。チタンチューブが圧延機に通された時、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、より強くなります。もし真空焼きなまし作業がなければ機械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ることで、圧延機を通す事ができるようになります。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。

 

 

ksi_csr

 

 

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。

 

 

 

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