チタン金属の種類を知る―iPhone 15 Proに使われた金属も解説

こんにちは。今日は、チタンという金属材料を中心に、詳しく見ていきます。

 

特にチタン合金についてお話しします。

 

チタン合金を相によって大きく分類するときは、通常αチタンとβチタンの割合で説明します。今日は相による金属の種類を中心に学びます。

 

 

まず、チタン合金は相によって次のように分類できます。

 

 

αチタンは、純チタンで室温に存在する相を持ちます。六角柱状の六方最密構造（HCP）です。この相はβチタンより加工性が良く、耐食性も高い部類です。

一方、βチタンは純チタンでは約890度を超える温度で形成されます。この温度をβ-transus temperatureと呼びます。立方晶系で、体心立方構造（BCC）を持ちます。

 

その構造を下図[1]に示します。左がHCP構造のαチタン、右がBCC構造のβチタンです。

 

 

 

相による合金の種類は次のとおりです。

 

 

- α-Ti

特徴: αチタン合金は室温・低温で安定した構造を持ちます. 主にα相で構成され, 低温での強度と靱性に優れます.

- CP-Ti（commercially pure titanium）：工業用純チタンです。酸素濃度に応じてGrade 1からGrade 4まであります。一般に酸素濃度、すなわち等級の数字が増えると、降伏強度と最大引張強さが高くなる一方、伸びは低下します。室温の純チタンはαチタンです。

用途: 航空宇宙産業, 医療産業, スポーツ用品など（耐食性・腐食抵抗）

 

- near α-Ti

特徴: Near αチタン合金は、高温で優れた性能を発揮する合金です. クリープ特性と耐食性に優れます.

用途: 航空宇宙産業, エネルギー産業, 自動車産業など（主に高温環境で使用）

 

- α+β Ti

特徴: α+–βチタン合金は、α相とβ相の混合構造です. 高強度と軽量性を兼ね備え、幅広い分野で使われます.

用途: 航空宇宙産業, 医療産業, スポーツ用品など

（比強度、つまり密度に対する強度が高いため軽量化できます。iPhoneに使われたTi 64（Ti-6Al-4V）もこの分類です。）

 

- metastable β Ti

特徴: 準安定βチタン合金は、高温で安定した体心立方構造を持ちます. 塑性変形しやすく、多くの分野で使われます.

用途: 航空宇宙産業, 自動車産業, ガスタービンエンジンなど (（主に高温環境で使用）

最近、あるYouTuberがiPhone 14 Proと15 Proの強度を比較する動画を投稿しました。結果は、15 Proの機械的特性、特に落下時の衝撃吸収能力が14 Proより低いというもので、チタン自体の問題のように受け取られていました。

 

しかし金属材料の仕様だけを見れば、チタンはステンレスより明らかに比強度が高く、機械的特性も優れています。そのため、チタン素材そのものを原因とするには大きな無理があります。

 

私は、その動画でiPhone 15 Proの強度が低く見えた理由として、次の可能性を考えています。

 

1. 実験条件が同じではなかった：一見同じに見えても、実際の試験機を使わない落下実験で結果が正確だと断定するのは難しいでしょう。実験には再現性が必要です。落下位置をできる限りそろえていても、床面が平らでないことや、一度落とした機器を繰り返し使っている点は、信頼性に少し懸念が残る部分です。

 

2. 外装全体にチタンを使っているわけではない：Apple公式サイトにも書かれているとおり、チタン合金とともに再生アルミニウムも使っています。再生アルミニウムが落下衝撃を十分に吸収できなかった可能性があります。（一般に再生材料は、通常の市販材料より扱いが難しいと考えられるためです。）

 

3. 設計上の問題：製造過程で設計の問題があった可能性もあります。例えば板の厚さが異なることや、iPhoneに小さな切り欠きがあることなどです。その他の要因も考えられます。

 

以上、チタン合金の種類の簡単な紹介と、iPhone 15 Proのチタンをめぐる問題についての私の考えをまとめました。最後までお読みいただきありがとうございました。

 

出典：

[1] Leyens, Christoph, and Manfred Peters, eds. Titanium and titanium alloys: fundamentals and applications. Wiley-vch, 2006.