チタン：主要特性、用途、産業利用

概要

チタンは周期表における遷移金属で元素記号Ti、原子番号22、原子量47.90。銀灰色の軽量金属で、密度は4,510kg/m³（アルミニウムとステンレス鋼の中間）。融点約1,667℃（3,032°F）、沸点約3,287℃（5,948°F）。化学的にはジルコニウムやケイ素と類似。優れた耐食性と高い比強度（強度/重量比）を持ちます。

チタンは地殻中で第4位の豊富さを誇る金属（約0.62%）ですが、純粋な形では稀にしか存在せず、アナターゼ、ブルッカイト、イルメナイト、リューコクセン、ペロフスカイト、ルチル、スフェーンなどの鉱物中に含まれます。豊富ながら分離精製が困難なため高価です。主要精鉱生産国はオーストラリア、カナダ、中国、インド、ノルウェー、南アフリカ、ウクライナ。米国ではフロリダ、アイダホ、ニュージャージー、ニューヨーク、バージニアが主産地です。

数千種類のチタン合金が開発され、基本化学構造と製造時の操作により4つの主要カテゴリーに分類されます。合金元素にはアルミニウム、モリブデン、コバルト、ジルコニウム、スズ、バナジウム等。α相合金は最低強度だが成形性・溶接性に優れ、α+β合金は高強度、ニアα合金は中強度でクリープ耐性良好、β相合金は最高強度だが延性に劣ります。

用途

チタンおよびその合金の用途は極めて広範です。最大のユーザーは航空宇宙産業で、高比強度と高温特性を評価され、機体部品、ファスナー、ガスタービンエンジン部品（コンプレッサーブレード、ケーシング、エンジンカウリング、ヒートシールド）に使用。

耐食性を活かし金属表面処理業界で熱交換器コイル、治具、ライニングに。塩素・酸耐性で化学プラントのポンプ、バルブ、熱交換器に採用。製油業では凝縮器チューブに、海水淡水化設備にも利用。

生体適合性に優れ人体インプラントに最適。2001年初の人工心臓移植をはじめ、人工股関節、ペースメーカー、除細動器、肘・股関節等に採用。

消費財にも広く展開：靴、ジュエリー、コンピュータ、スポーツ用品、時計、彫刻。二酸化チタンとしてプラスチック・紙・塗料の白色顔料、食品着色料、化粧品の日焼け止め成分としても使用。

歴史

発見は1791年、イギリスのメナカナイト鉱物を研究していたウィリアム・グレゴールに帰せられます。数年後、ドイツの化学者M.H.クラプロートがルチル鉱石で再発見し、ギリシャ神話の巨人「ティーターン」にちなんで「チタン」と命名。

両者はチタン化合物を扱いました。1875年、ロシアのキリロフがほぼ純粋なチタンの単離に初めて成功。純金属の単離実証は1910年、マシュー・ハンターらが四塩化チタンとナトリウムを加熱鋼製容器で反応させ個別の純チタン片を得たのが最初。1920年代半ば、オランダの科学者グループが四ヨウ化チタンの解離反応で微細な純チタンワイヤーを作製。

これらを受けウィリアム・クロールが効率的単離法を実験開始。1937年、マグネシウム還元法（クロールプロセス）を開発し、現在でもチタン製造の主要プロセスとなっています。最初のチタン製品（ワイヤー、シート、ロッド等）は1940年代に登場。

クロールの研究は実験室規模でしたが、大規模生産への適応にはさらに約10年を要しました。1938〜1947年、米国鉱務局がR.S.ディーン指揮下で改良を重ね、1947年には約2トンのチタン金属を生産。1948年、デュポン社が初の大規模製造操業を開始。

この量産技術により構造材としてのチタン利用が可能に。1950年代は主に航空機建造に使用され、鋼鉄より多くの用途で優位だったため産業は急成長。1953年には年産200万ポンド（907,200kg）に達し、主要顧客は米軍。1958年、軍が有人機からミサイル（鋼鉄の方が適する）へシフトしたため需要急減。以降、チタン産業は繰り返し需給サイクルを経験しつつ、新用途・新産業を開拓。現在、チタンの約80%は航空宇宙、20%は非航空宇宙用途に使用されています。

原材料

チタンは天然鉱石から得られます。主要鉱石：イルメナイト、リューコクセン、ルチル。その他：アナターゼ、ペロフスカイト、スフェーン。

イルメナイトとリューコクセンはチタン鉄鉱石。イルメナイト（FeTiO₃）は約53%酸化チタン含有。リューコクセンは組成類似だが約90%酸化チタン。硬岩鉱床、海浜砂、堆積砂に共存。ルチルは比較的純粋な二酸化チタン（TiO₂）。アナターゼも結晶性二酸化チタンで近年重要な商業源に。両者とも主に海浜・砂鉱床に存在。

ペロフスカイト（CaTiO₃）とスフェーン（CaTiSiO₅）はカルシウム・チタン鉱石。カルシウム除去の困難さから商業生産には未使用。将来的にペロフスカイトは酸化チタン約60%含有で不純物がカルシウムのみのため商業化の可能性あり。スフェーンはケイ素という第2不純物がありさらに困難。

鉱石の他、塩素ガス、炭素、マグネシウムも製造に使用。

製造工程（クロールプロセス）

米国では多くのメーカーが各工程に特化（スポンジ製造のみ、溶解合金化のみ、最終製品のみ等）しており、全工程を一貫して行うメーカーは現在存在しません。

抽出

• 鉱山からチタン精鉱を受入。ルチルは天然状態で使用可能だが、イルメナイトは鉄を除去し酸化チタン85%以上に精製。流動層反応器で塩素ガスと炭素と共に900℃（1,652°F）加熱。不純チタン四塩化物（TiCl₄）と一酸化炭素が生成。純粋な二酸化チタンを出発原料としないため、不要な金属塩化物が副生し除去必要。

精製

• 反応生成物を大型蒸留塔に移し加熱。分留と沈殿で不純物を分離。鉄、バナジウム、ジルコニウム、ケイ素、マグネシウム等の金属塩化物を除去。

スポンジ製造

• 精製済み液体四塩化チタンをステンレス反応槽に移し、マグネシウムを添加、約1,100℃（2,012°F）加熱。アルゴンガスで置換し酸素・窒素汚染を防止。マグネシウムが塩素と反応し液体塩化マグネシウム生成。チタン融点が反応温度より高いため固体チタンが残留。
• ボーリングで反応槽からチタン固体を取り出し、水と塩酸で余剰マグネシウムと塩化マグネシウムを除去。多孔質金属「スポンジ」が得られる。

合金化

• 純チタンスポンジを消費電極アーク炉で合金化。スポンジに合金添加元素とスクラップを混合（正確な配合比は事前ラボ試験で決定）。コンパクトに圧縮溶接しスポンジ電極を形成。
• 真空アーク炉（水冷銅製容器）で電極を溶解。電気アークで溶かしてインゴット形成。容器内は真空引きまたはアルゴン置換で汚染防止。通常1〜2回再溶解して商業グレードインゴットを得る。米国では約9,000ポンド（4,082kg）、直径30インチ（76.2cm）が標準。
• インゴット取出し後、欠陥検査。顧客要求に応じ表面処理。完成品メーカーへ出荷され圧延・加工され各種製品化。

副産物・廃棄物

純チタン製造時に大量の塩化マグネシウムが発生。リサイクルセルで即座に再生：マグネシウム金属を分離回収、塩素ガスも回収し両方をチタン製造に再利用。

将来展望

今後の進歩はインゴット製造改良、新合金開発、製造コスト削減、新産業応用の領域に集中。現在、既存炉より大型インゴットへの需要があり、大型炉開発が進行中。最適合金組成の探索も継続。制御された微細構造を持つ特殊材料が容易に製造可能になることが期待されます。また、チタン精製の新手法研究も進行中。最近、ケンブリッジ大学の科学者たちが二酸化チタンから直接純チタンを製造する手法を発表し、大幅なコスト削減と供給拡大の可能性を示唆しています。

参考文献

書籍

Othmer, K. Encyclopedia of Chemical Technology. New York: Marcel Dekker, 1998.

U.S. Department of the Interior U.S Geological Survey. Minerals Yearbook Volume 1. Washington, DC: U.S. Government Printing Office, 1998.

雑誌

Freemantle, M. “Titanium Extracted Directly from TiO2.” Chemical and Engineering News (25 September 2000).

Eylon D. “Titanium for Energy and Industrial Applications.” Metallurgical Society AIME (1987).

その他

WebElements Web Page. December 2001. < https://www.webelements.com >.

Perry Romanowski