チタンは化学元素であり、記号は Ti、原子番号は22 です。自然界では酸化物としてのみ存在し、還元すると銀色の光沢のある遷移金属となり、密度が低く、海水、王水、塩素に対する耐腐食性を持つ高強度になります。

チタンは1791年にイギリスのコーンウォールでウィリアム・グレゴールによって発見され、ギリシャ神話のティーターンにちなんでマーティン・ハインリヒ・クラプロートによって命名されました。この元素は、地球の地殻とリソスフェアに広く分布する多くの鉱物、主にルチルとイルメナイトの中に存在します。また、ほとんどすべての生物、水域、岩石、土壌にも含まれています。[11]この金属は、クロール法とハンター法によって主要鉱石から抽出されます。[12]最も一般的な化合物である二酸化チタン（TiO 2）は、人気の高い光触媒であり、白色顔料の製造に使用されます。[13]その他の化合物には、煙幕や触媒の成分である四塩化チタン（TiCl 4 ）、ポリプロピレンの製造触媒として使用される三塩化チタン（TiCl 3 ）などがあります。[11]

チタンは、鉄、アルミニウム、バナジウム、モリブデンなどの元素と合金化することができます。得られたチタン合金は、強度、軽量性、汎用性に優れており、航空宇宙（ジェットエンジン、ミサイル、宇宙船）、軍事、工業プロセス（化学薬品および石油化学製品、淡水化プラント、パルプ、製紙）、自動車、農業（農作業）、スポーツ用品、宝飾品、家庭用電化製品など、幅広い用途に使用されています。[11]チタンは最も生体適合性の高い金属の一つと考えられており、義肢、整形外科用インプラント、歯科用インプラント、外科器具など、幅広い医療用途に使用されています。[14]

この金属の最も有用な2つの特性は、耐食性と強度対密度比であり、これらはあらゆる金属元素の中で最も高い。[15]合金化されていない状態では、チタンは一部の鋼と同等の強度を持つが、密度は低くなる。[16]この元素には2つの同素体[ 17]と5つの天然同位体（ 46 Tiから50 Tiまで）があり、 48 Tiが最も豊富（73.8%）である。[18]

特徴

物理的特性

金属として、チタンは高い強度対重量比で知られています。[17]密度が低く、延性（特に無酸素環境で）に富み、[11]光沢のある金属白色の強固な金属です。[19]融点が比較的高い（1,668 °Cまたは3,034 °F）ため、耐火金属と呼ばれることもありますが、実際はそうではありません。[20]チタンは常磁性であり、他の金属と比較して電気伝導性と熱伝導性がかなり低いです。[11 ]チタンは臨界温度0.49 K以下に冷却すると超伝導になります。 [21] [22]

商業的に純粋な（純度99.2%）チタンの引張強度は約434  MPa（63,000  psi）で、一般的な低級鋼合金と同等ですが、密度は低くなります。チタンはアルミニウムよりも60%密度が高いですが、最も一般的に使用されている6061-T6アルミニウム合金の2倍以上の強度があります[16]。特定のチタン合金（例：Beta C）は、1,400 MPa（200,000 psi）を超える引張強度を達成しています[23]。しかし、チタンは430 °C（806 °F）以上に加熱すると強度が低下します[24] 。

チタンは、熱処理された鋼の一部グレードほど硬くなく、非磁性で、熱伝導率と電気伝導率が低い。機械加工には注意が必要であり、鋭利な工具と適切な冷却方法を使用しないと、チタンは焼き付きを起こす可能性がある。鋼構造物と同様に、チタン製の構造物にも疲労限度があり、用途によっては長寿命が保証される。[19]

この金属は、六方最密充填α型の二形同素体であり、882℃（1,620℉）で体心立方（格子）β型に変化する。 [24] [25] α型の比熱は、この転移温度まで加熱すると劇的に増加するが、その後は低下し、β型では温度に関わらずほぼ一定となる。[24]

化学的性質

チタンのプールベ図を示すグラフ
純水、過塩素酸、または水酸化ナトリウム中のチタンのプールベ図[26]

アルミニウムやマグネシウムと同様に、チタン金属およびその合金の表面は空気にさらされるとすぐに酸化され、薄い非多孔性の不動態層を形成し、金属全体をさらなる酸化や腐食から保護します。[11]この保護層は、最初に形成されたときはわずか1～2  nmの厚さですが、ゆっくりと成長し続け、4年で25 nmの厚さに達します。[27]この層により、チタンは酸化性酸に対する優れた耐腐食性を備えていますが、希フッ化水素酸、高温塩酸、高温硫酸には溶解します。[28]

チタンは、室温での希硫酸や希塩酸、塩化物溶液、およびほとんどの有機酸による攻撃に耐えることができます。 [12]しかし、チタンは濃酸によって腐食されます。[29]チタンは融点よりも低い温度で通常の空気中で燃焼するため、金属を溶かすには不活性雰囲気または真空中でのみ可能です。[12]室温では、チタンはハロゲンに対してかなり不活性ですが、 550 °C（1,022 °F）で塩素と臭素と激しく結合して、それぞれ四塩化チタンと四臭化チタンを形成します。[28]

チタンは空気中では1,200℃（2,190℉）、純酸素中では610℃（1,130℉）で酸素と容易に反応し、二酸化チタンを形成する。[17]この酸化物は、室温、25バール（2,500 kPa）の圧力下でチタンと純酸素が反応することによっても生成される。[28]チタンは、純窒素ガス中で燃焼する数少ない元素の一つであり、800℃（1,470℉）で反応して窒化チタンを形成し、これが脆化を引き起こす。[30]

発生

チタンは地球の地殻中に9番目に多く存在する元素（質量比0.63% ）[31]であり、金属としては7番目に豊富です。ほとんどの火成岩、火成岩由来の堆積物、生物、そして天然の水域に酸化物として存在します。 [11] [12]米国地質調査所によって分析された801種類の火成岩のうち、784種類にチタンが含まれていました。土壌中のチタン含有量は約0.5～1.5%です。[31]

一般的なチタン含有鉱物は、アナターゼ、ブルッカイト、イルメナイト、ペロブスカイト、ルチル、チタン石（スフェーン）である。 [27] アカオギ石は二酸化チタンからなる極めて希少な鉱物である。これらの鉱物のうち、ルチルとイルメナイトのみが経済的に重要であるが、高濃度で見つけることは困難である。これらの鉱物は、それぞれ約600万トンと70万トンが2011年に採掘された。[32]重要なチタン含有イルメナイト鉱床は、オーストラリア、カナダ、中国、インド、モザンビーク、ニュージーランド、ノルウェー、シエラレオネ、南アフリカ、ウクライナに存在する。[27]アナターゼ、イルメナイト、ルチルの総埋蔵量は20億トンを超えると推定されている。[32]

海水中のチタン濃度は約4ピコモルです。100℃では、水中のチタン濃度はpH 7で10 -7 M未満と推定されます。水溶液中のチタン種の正体は、その溶解度が低く、高感度な分光分析法がないため不明ですが、空気中では4+の酸化状態のみが安定です。生物学的役割を示す証拠は存在しませんが、稀な生物が高濃度のチタンを蓄積することが知られています。[33]

チタンは隕石に含まれており、太陽や表面温度が3,200 °C（5,790 °F）のM型 恒星[12] （最も低温の恒星）でも検出されています。 [34] アポロ17号のミッションで月から持ち帰られた岩石は、12.1%のTiO2で構成されています。 [ 12]天然チタンは、地球上で約2.8～4.0ギガパスカルの圧力にさらされた岩石にのみ存在しますが、 [35]月面ではナノ結晶で確認されています。 [36]  

同位体

天然チタンは、 5つの安定同位体、すなわちTi46、Ti47、Ti48、Ti49、Ti50から構成されており、Ti48が最も豊富（天然存在比73.8%）です。23種類の放射性同位体が特徴付けられており、[b]最も安定なのはTi44（半減期63年）、Ti45（184.8分）、Ti51（5.76分）、Ti52（1.7分）です。その他の放射性同位体の半減期は33秒未満で、その大部分は0.5秒未満です。[18] [37]

チタンの同位体は39 Tiから66 Tiの範囲です。[39] [38] 46 Tiより軽い同位体の主な崩壊モードは陽電子放出（電子捕獲を受ける44 Tiを除く）であり、スカンジウムの同位体につながります。また、 50 Tiより重い同位体の主な崩壊モードはベータ放出であり、バナジウムの同位体につながります。[18]チタンは重陽子の衝撃で放射性になり、主に陽電子と硬ガンマ線を放出します。[12]

化合物

らせん状の溝が金色に着色されたスチール色のツイストドリルビット
窒化チタンコーティングされたドリルビット

チタンの化学においては+4の酸化状態が支配的である[40]が、+3の酸化状態の化合物も数多く存在する[41] 。一般的に、チタンは錯体中で八面体配位構造をとるが[42] [43]、四面体TiCl 4は注目すべき例外である。高い酸化状態のため、チタン(IV)化合物は高度な共有結合を示す[40]。

酸化物、硫化物、アルコキシド

最も重要な酸化物はTiO 2で、アナターゼ、ブルッカイト、ルチルという3つの重要な多形が存在します。これら3つはいずれも白色の反磁性固体ですが、鉱物サンプルはルチルのように暗色を呈することもあります。Tiは6つの酸化物配位子に囲まれ、他のTi中心と結合した高分子構造をとります。[44]

チタン酸塩という用語は通常、チタン酸バリウム（BaTiO 3 ）に代表されるチタン(IV)化合物を指します。ペロブスカイト構造を持つこの物質は圧電特性を示し、音と電気の相互変換における変換器として用いられます。[17]イルメナイト（FeTiO 3）など、多くの鉱物がチタン酸塩です。スターサファイアやルビーは、二酸化チタンの不純物の存在によってアステリズム（星のような輝き）を得ています。 [27]

チタンの還元酸化物（亜酸化物）には様々な種類が知られており、主に大気プラズマ溶射法で得られる還元化学量論比の二酸化チタンである。Ti(IV)-Ti(III)種と呼ばれるTi 3 O 5は、高温で水素でTiO 2を還元して生成される紫色の半導体であり、 [45]工業的には、表面に二酸化チタンを蒸着する必要がある場合に使用されている。Ti 3 O 5 は純粋なTiOとして蒸発するのに対し、TiO 2は酸化物の混合物として蒸発し、さまざまな屈折率のコーティングを堆積する。[46]また、コランダム構造のTi 2 O 3や、非化学量論的であることが多いが岩塩構造のTiOも知られている。[47]

チタン(IV)アルコキシドは、TiCl 4をアルコールで処理して得られる無色の化合物で、水と反応すると二酸化物に変換されます。工業的には、ゾル-ゲル法による固体TiO 2の堆積に有用です。チタンイソプロポキシドは、シャープレスエポキシ化によるキラル有機化合物の合成に用いられます。[48]

チタンは様々な硫化物を形成しますが、特にTiS 2のみが大きな注目を集めています。これは層状構造をしており、リチウム電池の開発において正極として利用されました。Ti(IV) は「ハードカチオン」であるため、チタンの硫化物は不安定で、硫化水素を放出しながら酸化物に加水分解する傾向があります。[49]

窒化物と炭化物

窒化チタン（TiN）は、極めて高い硬度、熱伝導性・電気伝導性、高融点を示す耐火性固体である。[50] TiNの硬度はサファイアやカーボランダム（モース硬度9.0 ）と同等であり、[51]ドリルビットなどの切削工具のコーティングによく使用される。[52]また、金色の装飾仕上げや半導体製造におけるバリア層としても使用される。[53]炭化チタン（TiC）も非常に硬く、切削工具やコーティングに使用されている。[54]

ハロゲン化物

試験管の中の紫色の液体
チタン(III)化合物は特徴的に紫色をしており、この三塩化チタン水溶液でそれが示されています。

四塩化チタン（塩化チタン(IV)、TiCl 4 [55]）は無色の揮発性液体（市販のサンプルは黄色がかっている）で、空気中で加水分解され、白い雲を激しく放出する。クロール法では、TiCl 4はチタン鉱石をチタン金属に変換するために使用される。四塩化チタンは、例えば白色塗料に使用する二酸化チタンの製造にも使用される。[56]有機化学ではルイス酸として広く使用されており、例えば向山アルドール縮合に用いられる。[57]ファン・アルケル・デ・ブール法では、高純度チタン金属の製造時に四ヨウ化チタン（TiI 4）が生成される。[58]

チタン(III)とチタン(II)も安定な塩化物を形成します。注目すべき例としては、塩化チタン(III)（TiCl 3 ）が挙げられます。これはポリオレフィン製造触媒（ツィーグラー・ナッタ触媒参照）や有機化学における還元剤として用いられます。[59]

有機金属錯体

チタン化合物は重合触媒として重要な役割を果たすため、Ti-C結合を有する化合物は精力的に研究されてきた。最も一般的な有機チタン錯体は二塩化チタノセン（(C 5 H 5 ) 2 TiCl 2）である。関連化合物には、テッベ試薬やペタシス試薬などがある。チタンはカルボニル錯体を形成し、例えば(C 5 H 5 ) 2 Ti(CO) 2 となる。[60]

歴史

額の高い中年男性の横顔が刻まれている。コートとネッカチーフを着用している。
マーティン・ハインリッヒ・クラプロートは、ギリシャ神話のタイタン神にちなんでチタンと名付けました。

チタンは1791年、牧師で地質学者のウィリアム・グレゴールにより、イギリスのコーンウォールで鉱物の包有物として発見されました。 [61]グレゴールは、小川のそばで黒い砂を見つけ、その砂が磁石に引き寄せられることに気づいたとき、イルメナイト[13]に新しい元素が含まれていることを認識しました。[61]砂を分析し、彼は2つの金属酸化物、つまり酸化鉄（磁石に引き寄せられる理由を説明）と、彼が特定できなかった白い金属酸化物が45.25%あることを突き止めました。[31]未確認の酸化物に既知の元素と一致しない金属が含まれていることに気づいたグレゴールは、1791年にドイツとフランスの科学雑誌、Crell's AnnalenとObservations et Mémoires sur la Physiqueで発見を報告しました。[61] [62] [63]彼はこの酸化物をマナッカナイトと名付けました。[64]

同じ頃、フランツ・ヨーゼフ・ミュラー・フォン・ライヒェンシュタインも同様の物質を生成したが、同定できなかった。[13]この酸化物は、1795年にプロイセンの化学者マルティン・ハインリヒ・クラプロートによって、ハンガリーの村ボイニク（バイモチカのドイツ語名）（現在のスロバキアのボイニチキ）で採掘されたルチルの中に独自に再発見された。[61] [c] クラプロートは、そこに新元素が含まれていることを発見し、ギリシャ神話のタイタンにちなんで名付けた。[34]グレゴールの以前の発見を聞いた後、彼はマナッカナイトのサンプルを入手し、そこにチタンが含まれていることを確認した。[66]

現在知られている各種鉱石からチタンを抽出する方法は、手間がかかりコストもかかる。チタンは炭素と化して炭化チタンを生成するため、炭素と共に加熱して鉱石を還元する（鉄の製錬のように）ことはできない。 [61] 95% 純粋なチタンの抽出は、ラース・フレドリック・ニルソンとオットー・ペッターソンによって達成された。彼らは、一酸化炭素雰囲気中で塩素ガスを用いて酸化チタンを塩素化し、その後ナトリウムを用いて金属チタンに還元した。[67]純粋な金属チタン（99.9%）は、1910年にレンセラー工科大学のマシュー・A・ハンターによって、ハンター法と呼ばれるバッチ法でTiCl4 をナトリウムと共に700～800 °C（1,292～1,472 °F）で高圧下で加熱することによって初めて製造された。[68] [12]チタン金属は、1932年にウィリアム・ジャスティン・クロールが四塩化チタン（TiCl4）をカルシウムで還元して生産するまで、研究室以外で使用されていませんでした。[69] 8年後、彼はマグネシウムとナトリウムを加えてこのプロセスを改良し、クロール法として知られるようになりました。[69] FFCケンブリッジ法など、より安価で効率的な方法を求める研究が続けられていますが、商業生産では依然としてクロール法が主に使用されています。[12] [13]

光沢のある金属の粗い破片
クロール法で作られたチタン「スポンジ」

1925年にアントン・エドゥアルド・ファン・アルケルとヤン・ヘンドリック・デ・ブールがヨウ素と反応させ、発生した蒸気を熱いフィラメントで分解して純粋な金属にするヨウ化物法を発見し、非常に高純度のチタンが少量生産されました。[70]

1950年代から1960年代にかけて、ソ連は冷戦に関連したプログラムの一環として、軍事および潜水艦へのチタンの使用を開拓しました[68]（アルファ級とマイク級）[71] 。 [72] 1950年代初頭から、チタンは軍用航空機、特に高性能ジェット機で広く使用されるようになり、F-100スーパーセイバーやロッキードA-12、SR-71などの航空機がこれに当たりました[73]。

冷戦時代を通じて、チタンは米国政府によって戦略物資とみなされており、国防備蓄センターによって大量のスポンジチタン（純金属の多孔質形態）が備蓄されていたが、2000年代に分散された。[74]それでも、米国政府は毎年15,000トンのスポンジチタンを備蓄の潜在的な購入対象として割り当てている。[75] 

生産

チタンの生産は、大きく分けて3つのカテゴリーに分類されます。多孔質チタン金属「スポンジ」、酸化チタン顔料、そしてスポンジ、顔料、金属インゴット、コーティングなどのその他のチタン製品の製造に使用されるチタン鉱石精鉱の製造です。これらの精鉱は主にイルメナイト鉱物で構成されていますが、アナターゼ、天然および合成ルチル、尾鉱、スラグ、白鉄鉱も含まれます。2024年現在、チタン鉱石精鉱の最大の生産国は中国、モザンビーク、南アフリカです。[75]

世界のチタンのほとんどは中国で生産されている。米国地質調査所の2025年の鉱物資源報告書によると、2024年に世界で生産される32万トン（31万長トン）のスポンジチタンのうち、22万トン（69％）が中国で生産され、2番目に大きい生産国は日本（ 同年の生産量は5万5000トンで全体の17％）であると推定されている。日本は2024年にスポンジチタンの最大の輸出国だったが、自国でチタン鉱物を生産してはいなかった。[75] 2021年の以前の報告書では、スポンジチタンの上位4カ国は中国（52％）、日本（24％）、ロシア（16％）、カザフスタン（7％）であると指摘されていた。[32]ロシアは、ウクライナ侵攻中の国際制裁にもかかわらず、冶金会社VSMPO-AVISMAの努力により、チタンスポンジの第3位の生産国であり続けています[75]。[76]二酸化チタン顔料の生産統計は明確ではありませんが、推定では世界の顔料生産の最大能力は2024年に980万トン（960万ロングトン）に達します。[75]

1910年に初めて金属が精製されて以来、鉱石からチタンを抽出し精製するための様々な方法が開発されてきた。[28] [77]

鉱物の選鉱プロセス

直径1mm未満の均一な黒い粒の小さな塊
微粒子チタンの鉱物濃縮物

鉱石からチタンおよび利用可能なチタン含有鉱物を抽出するためのいくつかのプロセスが開発されている。ベッチャー法は、鉄を除去することでイルメナイト鉱石から二酸化チタンの一種である合成ルチルを製造する工業プロセスである。[78]このプロセスは大規模には利用されていない。[77]塩化物法は、ルチル鉱石を塩素と炭素で高温処理して四塩化チタンを生成し、[42]次いで、生成物を酸素炎またはプラズマで酸化して二酸化チタンを生成する。[79]硫酸塩法は、硫酸（H 2 SO 4 ）を用いてイルメナイト鉱石（FeTiO 3 ）からチタンを浸出させ、硫酸チタン（TiOSO 4）を生成する。この硫酸塩は水を加えることでTiO 2とH 2 SO 4の2つの水和物に分解され、加熱によってこの水が除去され、最終製品として二酸化チタンが生成される。[80]

精製プロセス

ハンタープロセス

ハンター法は、純粋な金属チタンを生産する最初の工業的プロセスでした。1910年、ニュージーランド生まれでアメリカ合衆国で活躍した化学者、マシュー・A・ハンターによって発明されました。 [81]このプロセスでは、バッチ反応器内で不活性雰囲気下、1,000℃の温度で四塩化チタン（TiCl 4 ）をナトリウム（Na）で還元します。その後、希塩酸を用いて生成物から塩を浸出させます。[82]

TiCl 4 (g) + 4 Na(l) → 4 NaCl(l) + Ti(s)

クロール法

黒いテーブルの上に白いキャップが付いた小瓶に入ったわずかに黄色の液体
揮発性液体である四塩化チタンのサンプル

チタン金属の加工は、主に4つのステップで行われます。チタン鉱石を多孔質の「スポンジ」に還元するステップ、スポンジまたはスポンジとマスター合金を溶かしてインゴットを形成するステップ、インゴットをビレット、バー、プレート、シート、ストリップ、チューブなどの一般的な製鉄所製品に変換する一次加工、そして製鉄所製品から完成した形状に二次加工するステップです。[83]

二酸化チタンの還元では容易に生成できないため、[19]金属チタンはクロール法で四塩化チタン(TiCl 4 ) を金属マグネシウムで還元することによって得られる。クロール法におけるこのバッチ生産の複雑さが、チタンの比較的高い市場価値を説明しているが、 [84]クロール法はハンター法よりも安価であるにもかかわらずである。[68]クロール法で必要なTiCl 4を生成するために、二酸化チタンは塩素の存在下で炭素還元される。このプロセスでは、塩素ガスを炭素の存在下でルチルまたはイルメナイトの赤熱混合物に通過させる。分留による徹底的な精製の後、TiCl 4はアルゴン雰囲気下で 800 °C (1,470 °F) の溶融マグネシウムで還元される。[17]

アーケル・ボーア法

ファン・アルケル・デ・ブール法は、純チタンを生産するために開発された最初の半工業的プロセスであり、 1925年にアントン・エドゥアルド・ファン・アルケルとヤン・ヘンドリック・デ・ブールによって電子機器会社フィリップスのために発明されました。[85]これは閉ループプロセスであり[86] 、四ヨウ化チタンの熱分解を伴います。[87]この同じプロセスは、トリウム、ハフニウム、ジルコニウムなどの他の金属の精製にも使用されており[85]、さらに精製されたヨウ化物を使用する同様のプロセスがクロムの精製にも使用されました。連続的に稼働できるプロセスを開発したいという願望が、チタンを精製するための商業的プロセスの開発につながりました。[86]

アームストロング法

チタン粉末は、アームストロング法[88]として知られるフロー生産プロセスを用いて製造されます。これはバッチ生産のハンター法に似ています。四塩化チタンガスの流れを溶融ナトリウムの流れに加え、生成物（塩化ナトリウム塩とチタン粒子）を余分なナトリウムから濾過します。その後、水洗によってチタンを塩から分離します。ナトリウムと塩素は両方ともリサイクルされ、より多くの四塩化チタンを製造・加工します。[89]

その他のプロセス

ハンター法とクロール法の両方で中間体として使用される四塩化チタンは、揮発性と腐食性を持つ液体であるため、取り扱いには危険です。四塩化チタンを使用するプロセス、すなわちその生成と最終物質の精製に使用される真空蒸留プロセスはいずれも処理速度が遅く、他の技術の開発が求められました。[90]

溶融塩電解質を用いてTiO2からTi金属を電解製造する方法は1990年代から提案されており[90] 、実験室規模や小規模パイロットプラント規模で研究・試験されてきた。[91]ニッケルや銅などの一部の金属は室温で電解採取によって精錬できるが、チタンは溶融状態にする必要があり、反応容器の耐火ライニングを損傷する可能性がある。 [92]張らは2017年に、業界がチタン金属を製造する新しい方法の発見に関心を示しているにもかかわらず、クロール法を商業的に置き換える方法はまだ開発されていないと結論付けた。[93]バージニア州のある製造業者は、スクラップのチタン金属を粉末にリサイクルする方法を開発したが、その規模はまだ小さく、2025年までに年間125トンのチタンを生産することを目標としている。 [75]

クロール法に代わる可能性のある方法として開発された方法の一つに、水素補助マグネシオサーミック還元法があります。この方法は、マグネシウム、塩酸、水素雰囲気を用いて二酸化チタンを直接還元し、純チタンを生成します。水素雰囲気下で二酸化チタン粉末をマグネシウムで還元した後、塩酸で浸出させることで、マグネシウムと残留チタン以外の酸化物を除去します。その後、さらなる還元と浸出の工程を経て、最終的に純チタン粉末または水素化チタンが得られます。[94]

製造

チタンの溶接はすべて、大気中のガス（酸素、窒素、水素）による汚染を防ぐために、アルゴンまたはヘリウムの不活性雰囲気中で行わなければなりません。 [24]汚染は脆化などの様々な状態を引き起こし、溶接部の完全性を低下させ、接合部の破損につながります。[95]

チタンは直接はんだ付けするのが非常に難しいため、はんだ付けする前に鋼などのはんだ付け可能な金属または合金でチタンをコーティングします。[96]チタン金属はステンレス鋼と同じ設備とプロセスで機械加工できます。[24]

チタン合金

棒、チューブ、プラスチック容器に入った粉末など銀色の金属製品がすべて反射金属板の上に置かれている
チタン基本製品：板、管、棒、粉末

一般的なチタン合金は還元によって作られます。例えば、銅を添加したルチルチタン（銅チタン）、電気炉でコークスを用いて還元した鉄チタン（イルメナイトチタン）、マンガンまたはマンガン酸化物を添加したルチルチタン（マンガンチタン）などが還元によって作られます。[97]

チタン合金には約50種類のグレードが設計され、現在使用されていますが、市販されているのはわずか20種類程度です。[98] ASTM Internationalは31種類のチタン金属および合金を認定しており、そのうちグレード1から4は商業的に純粋な（合金化されていない）チタンです。これらの4種類のチタン合金は、酸素含有量に応じて引張強度が異なり、グレード1は最も延性が高く（酸素含有量が0.18%で引張強度が最も低い）、グレード4は最も延性が低く（酸素含有量が0.40%で引張強度が最も高い）なります。[27]残りのグレードは合金であり、それぞれ延性、強度、硬度、電気抵抗率、耐クリープ性、耐食性、およびそれらの組み合わせといった特定の特性を持つように設計されています。[99]

ASTM規格に加えて、チタン合金は航空宇宙および軍事規格（SAE-AMS、MIL-T）、ISO規格、各国固有の規格、さらには航空宇宙、軍事、医療、産業用途向けの独自のエンドユーザー規格を満たすようにも製造されています。[100]

成形と鍛造

市販の純粋な板状製品（シート、プレート）は容易に成形できますが、加工においては金属のスプリングバック特性を考慮する必要があります。これは特に特定の高強度合金に当てはまります。[101] [102]鍛造に使用される高温で空気中の酸素にさらされると、「アルファケース」と呼ばれる脆い酸素を豊富に含む金属表面層が形成され、疲労特性が悪化するため、フライス加工、エッチング、または電気化学処理によって除去する必要があります。[103]チタンの加工には、摩擦溶接、[104] 、低温鍛造、[105]、真空アーク再溶解などがあります。[106]

アプリケーション

反射する銀色の金属の円筒を持つ手
チタンシリンダー

チタンは、鋼鉄においては結晶粒径を小さくし、脱酸剤として合金元素（フェロチタン）として、またステンレス鋼においては炭素含有量を減らすために使用されています。[11]チタンは、アルミニウム（結晶粒径を微細化するため）、バナジウム、銅（硬化のため）、鉄、マンガン、モリブデン、その他の金属と合金化されることがよくあります。[107]チタン圧延製品（シート、プレート、棒、ワイヤー、鍛造品、鋳造品）は、工業、航空宇宙、レクリエーション、新興市場で使用されています。粉末チタンは、花火の高輝度燃焼粒子源として使用されています。[108]

顔料、添加剤、コーティング

小さな山になった白い粉
二酸化チタンは最も一般的に使用されているチタン化合物です。[32]

二酸化チタン（TiO
2チタン（TiO2）は、この元素の最も一般的な化合物であり、世界で精製されるチタンの95%を占めています。白色顔料として広く使用されています。[32]また、セメント、宝石、紙の光学不透明化剤としても使用されています。[109]

二酸化チタン
2顔料は化学的に不活性で、日光による退色に強く、不透明度が非常に高い。家庭用プラスチックの大部分を占める茶色や灰色の化学物質に、純粋で鮮やかな白色を与える。[13]自然界では、この化合物はアナターゼ、ブルッカイト、ルチルなどの鉱物中に見出される。[11]二酸化チタンで作られた塗料は、厳しい温度や海洋環境にも耐える。[13]純粋な二酸化チタンは屈折率が非常に高く、光学分散はダイヤモンドよりも高い。[12]二酸化チタンは紫外線を反射・吸収するため、日焼け止めに用いられる。[19]

航空宇宙および海洋

空中の黒い飛行機
ロッキードA-12は、主にチタン製のフレームを備えた最初の飛行機の1つです。

チタン合金は、高い引張強度対密度比、[17] 、高い耐腐食性、[12] 、耐疲労性、高い耐亀裂性、[110]、およびクリープなしで中程度の高温に耐える能力を備えているため、航空機、装甲板、海軍艦艇、宇宙船、ミサイルに使用されています。[12] [13]これらの用途では、チタンはアルミニウム、ジルコニウム、ニッケル、[111]、バナジウム、およびその他の元素と合金化され、重要な構造部品、着陸装置、ファイアウォール、排気ダクト（ヘリコプター）、油圧システムなど、さまざまな部品が製造されています。生産されるチタン金属の約3分の2は、航空機のフレームとエンジンに使用されています。[112]チタン6AL-4V合金は、航空機用途で使用されるすべての合金のほぼ50％を占めています。[113]

ロッキードA-12とSR-71「ブラックバード」は、チタンが使用された最初の航空機フレームの 2 つであり、現代の軍用機や民間航空機でのより広範な使用への道を開いた。 大量のチタン製粉製品は、多くの航空機の製造に使用されている。たとえば、ボーイング787では 116 メトリック トン、エアバス A380では 77 メトリック トン、ボーイング 777 では 59 メトリック トン、ボーイング 747では 45メトリック トン、エアバス A340では32 メトリック トン、ボーイング 737 では 18 メトリック トン、エアバスA330では 18メトリックトン、エアバス A320では 12 メトリック トンが使用されている。[114]航空エンジン用途では、チタンはローター、コンプレッサーブレード、油圧システム部品、ナセルに使用されている。[115] [116]ジェットエンジンへの初期の使用は1950年代のオレンダ・イロコイでした。 [117] [118] [119]

チタンは海水に対する耐腐食性があるため、プロペラシャフト、索具、淡水化プラントの熱交換器、[12]、海水水槽のヒーターチラー、釣り糸とリーダー、ダイバーナイフなどに使用されています。チタンは、科学研究や軍事目的で海洋に設置される監視・モニタリング装置の筐体や部品にも使用されています。旧ソ連は、チタン合金製の船体を持つ潜水艦の製造技術を開発し、[120]、巨大な真空管内でチタンを鍛造しました。[111]

産業

溶接チタン管およびプロセス機器（熱交換器、タンク、プロセス容器、バルブ）は、化学・石油化学産業において主に耐食性を目的として使用されています。石油・ガス掘削坑井用途やニッケル 湿式製錬においては、特定の合金が高強度（例：チタンベータC合金）、耐食性、またはその両方を目的として使用されています。パルプ・製紙産業では、次亜塩素酸ナトリウムや漂白工場の湿式塩素ガスなどの腐食性媒体にさらされるプロセス機器にチタンが使用されています。 [121]チタンはスパッタリングターゲットにも使用されています。[122]

粉末チタンは非蒸発性ゲッターとして機能し、超高真空システムからガスを除去するために使用されるいくつかのガス反応性材料の1つです。[123]この用途は、 1961年に初めて採用されたチタン昇華ポンプ[124]に現れましたが、[125]この金属が最初に真空システムに使用されたのは、 1953年にレイモンド・ハーブによって作成された設計で、チャンバーの酸化を防ぐためにでした。[126]

無色の液体である四塩化チタン（TiCl 4 ）は、TiO 2 の製造工程における中間体として重要であり、チーグラー・ナッタ触媒の製造にも用いられます。四塩化チタンはガラスの虹色化にも使用され、湿った空気中では強い煙を発するため、煙幕の製造にも用いられます。[19]多くの工業用途において、チタンとその合金は、ニッケル、ニオブ、スカンジウム、銀、タンタル、タングステンなどの他の金属の潜在的な代替品として機能します。[127]

消費者と建築

スピーカーボックス
直径25 mmのチタン製膜を備えたツイータースピーカードライバー。JBL TI 5000スピーカーボックスより。 1997年頃。

チタン金属は自動車用途に使用されており、特に軽量で高い強度と剛性が求められる自動車やオートバイのレースで使用されています。[128]この金属は一般消費者にとっては高価すぎるため、一部の後期型コルベットにはチタン製の排気管が採用されています。[129]

チタンは多くのスポーツ用品に使用されています。例えば、テニスラケット、ゴルフクラブ、ラクロスのスティックのシャフト、クリケット、ホッケー、ラクロス、フットボールのヘルメットのグリル、自転車のフレームや部品などです。自転車製造の主流素材ではありませんが、チタン製の自転車はレーシングチームやアドベンチャーサイクリストによって使用されています。[130]チタンは耐久性がありレンズを保護するため、眼鏡のフレームに使用されていますが、他の素材に比べて柔軟性に劣る場合があります。[131]生体適合性は、他の眼鏡フレーム素材よりも優れた潜在的な利点です。[132]チタンは、バックパック用の調理器具や食器の一般的な素材です。蹄鉄工は、軽量で耐久性が高いため、鋼鉄よりもチタン製の蹄鉄を好みます。 [ 133]シャベル、ナイフの柄、懐中電灯など、軽量で耐腐食性のある高級工具の中には、チタンまたはチタン合金製のものがあります。[134]

銀色の金属で覆われた抽象的な形で作られた建物
フランク・ゲーリー設計のビルバオ・グッゲンハイム美術館のチタン外装材

チタンは建築にも時折使用されている。人類初の宇宙飛行士ユーリ・ガガーリンの42.5メートル（139フィート）の記念碑、およびモスクワの宇宙飛行士博物館の頂上にある110メートル（360フィート）の宇宙征服者記念碑の上部はチタン製である。[135] [136]ビルバオ・グッゲンハイム美術館とセリトス・ミレニアム図書館は、それぞれヨーロッパと北米で初めてチタンパネルで覆われた建物である。[112]コロラド州デンバーのフレデリック・C・ハミルトン・ビルにもチタン外装が使用された。[137]

チタンは他の金属（鋼、ステンレス鋼、アルミニウム）に比べて強度と軽量性に優れていること、そして金属加工技術の進歩により、銃器の製造において広く利用されるようになりました。主な用途としては、ピストルのフレームやリボルバーのシリンダーなどが挙げられます。同様の理由から、一部のノートパソコン（例えばAppleのPowerBook G4）[138] [134]や携帯電話（ iPhone 15 Proなど） [139]の筐体にも使用されています。

ジュエリー

生成される電圧に応じて異なるチタンの色を示す図
陽極酸化チタンの電圧と色の関係

チタンは耐久性に優れているため、チタンリングなどのデザイナージュエリーに使用されています。[133]不活性であるため、低アレルギー性で、プールなどの環境でも着用できます。また、チタンは金と合金化され、 24金として販売される合金も製造されています。これは、合金化されるチタンの含有量が1%では、より低い刻印を必要とするほどではないためです。結果として得られる合金は、14金とほぼ同等の硬度を持ち、純粋な24金よりも耐久性に優れています。[140]

チタンは耐久性、軽量性、耐へこみ性、耐腐食性を備えているため、時計のケースによく使用されています。[133]芸術家の中には、チタンを使って彫刻や装飾品、家具を制作する人もいます。[141]チタンは陽極酸化処理によって表面の酸化層の厚さを変えることができ、光学干渉縞や様々な鮮やかな色を生み出すことができます。 [142]チタンは多様な色合いと化学的に不活性な性質から、ボディピアスに人気の金属です。[143]

チタンは、流通していない専用の硬貨やメダルにもわずかに使用されています。1999年には、ジブラルタル建国1000周年を記念して世界初のチタン硬貨が鋳造されました。[144]この硬貨を製造した英国の造幣局、ポブジョイ・ミントは、2023年に閉鎖されるまで、陽極酸化チタン硬貨の製造を続けました。 [145]オーストラリアのラグビーリーグチーム、ゴールドコースト・タイタンズは、年間最優秀選手に純チタン製のメダルを授与しています。[147]

医学

チタンは生体適合性（無毒で体内で拒絶反応を起こさない）があるため、股関節球関節置換術や歯科インプラントなどの外科用器具やインプラントを含む多くの医療用途があります。[61]チタンおよびチタン合金インプラントは1950年代から外科手術に使用されており、腐食率が低く、寿命が長く、ヤング率が低いことから好まれています。航空宇宙産業で一般的に使用されている6%のアルミニウムと4%のバナジウムを含むチタン合金も、人工関節の一般的な材料です。[148]

ネジと定規付きプレート
手首の骨折を修復するために使用する医療用ネジとプレート。スケールはセンチメートルです。

チタンは骨と結合する性質を有しており、30年以上持続する歯科インプラントに使用することができます。この特性は整形外科用インプラントにも有用です。[61]チタンは弾性率が低いため、これらのインプラントが修復しようとする骨の弾性率に近い値を得ることができます。その結果、骨格への負荷は骨とインプラントの間でより均等に分散され、応力遮蔽による骨の劣化や、整形外科用インプラントの境界で発生する人工骨周囲骨折の発生率が低下します。しかしながら、チタン合金の剛性は依然として骨の2倍以上であるため、隣接する骨にかかる負荷は大幅に減少し、劣化する可能性があります。[149] [150]銀とチタンの組み合わせでコーティングされた生体医学用インプラントは、抗菌性表面を必要とする荷重支持インプラントの潜在的な選択肢として研究されています。[148]

積層造形技術の近年の進歩により、整形外科用インプラントへのチタンの応用可能性が高まっている。[151]複雑なインプラントスキャフォールド設計はチタン合金を用いて3Dプリントすることができ、これにより患者固有の用途への適応性が向上し、インプラントの骨結合性も向上する。[152]チタンは非強磁性体であるため、チタンインプラントを埋め込まれた患者は磁気共鳴画像法（MRI）で安全に検査することができる（長期インプラントに便利）。体内へのインプラントのためのチタンの準備には、高温プラズマアーク照射が含まれ、表面原子が除去されて新鮮なチタンが露出し、瞬時に酸化される。[61]チタンは、画像誘導手術で使用される外科器具のほか、車椅子、松葉杖など、高強度かつ軽量であることが求められるあらゆる製品に使用されている。 [153]

二酸化チタンナノ粒子は、電子機器や医薬品・化粧品の送達に広く使用されています。[154]

抗がん療法の研究

白金系化学療法の成功に続き、チタン(IV)錯体は、白金系以外の化合物として初めて癌治療における臨床試験に供され、承認された化合物の一つであった。[155]チタン化合物の利点は、生体内での高い有効性と低毒性にある。生物学的環境下では、加水分解により安全で不活性な二酸化チタンが得られる。これらの利点にもかかわらず、最初の候補化合物は、有効性と毒性の比率が不十分であることや製剤の複雑さのために臨床試験で不合格となった。その後の開発により、有効性、選択性、安定性に優れたチタン系薬剤が開発されるに至った。[156]

核廃棄物貯蔵

耐腐食性に富むことから、チタン製の容器は核廃棄物の長期貯蔵に研究されてきました。材料欠陥を最小限に抑える製造条件を採用すれば、10万年以上の耐用年数を持つ容器も可能と考えられています。[157]チタン製の「ドリップシールド」を他のタイプの容器の上に設置することで、耐用年数を向上させることが検討されています。[158]

危険と安全

チタンは大量に摂取しても無毒であり、人体の中で自然な役割を果たすことはありません。[34]推定0.8 ミリグラムのチタンがヒトによって毎日摂取されていますが、そのほとんどは組織に吸収されることなく消化器系を通過します。 [34]しかし、シリカを含む組織では生体蓄積することがあります。黄色爪症候群はチタンに曝露された個人で報告されていますが、この疾患の希少性のため、曝露と疾患の発症との直接的な関連性を判断することは困難です。[161] [162]

粉末または金属の削りくずの状態では、チタン金属は重大な火災の危険性があり、空気中で加熱されると爆発の危険性があります。[163]水と二酸化炭素はチタンの火災を消火するのに効果がありません。代わりにクラスDの乾燥粉末消火剤を使用する必要があります。[13]塩素の製造または取り扱いに使用された場合、チタンが乾燥塩素ガスにさらされると、チタン-塩素火災が発生する可能性があります。[164]チタンは、酸化されていない新鮮な表面が液体酸素と接触した場合にも発火する可能性があります。[165]

植物における機能

イラクサの濃い緑色の鋸歯のある楕円形の葉
イラクサには最大80ppmのチタンが含まれています。[34]

植物には、チタンを利用して炭水化物の産生を刺激し、成長を促進するという未知のメカニズムがあると考えられます。このメカニズムは、ほとんどの植物が約1ppm（百万分の一）のチタンを含み、食用植物は約2ppm、スギナやイラクサは最大80ppmのチタンを含む理由を説明できるかもしれません。[34]

参照

脚注

  1. ^ 熱膨張は異方性であり、各結晶軸の係数は（20℃で）α a  = 9.48 × 10 −6 /K、α c  = 10.06 × 10 −6 /K、α平均= α V /3 = 9.68 × 10 −6 /K。
  2. ^ 2021年現在、NUBASE2020核データライブラリの公開により21種の放射性同位体が知られており、[37] 2025年にはさらに2種の放射性同位体、65 Tiと66 Tiが発見される予定である。[38]
  3. ^ "Diesem zufolge will ich den Namen für die gegenwärtige metallische Substanz, gleichergestalt wie bei dem Uranium geschehen, aus der Mythologie, und zwar von den Ursöhnen der Erde, den Titanen, entlehnen, und benenne also Diese neue Metallgeschlecht:チタン; ... " [65] (p 244) [このおかげで、私は現在の金属物質の名前を、ウランの場合と同様に、神話、つまり地球の最初の息子であるタイタンから導き出し、したがって[私]はこの新しい金属種を「チタン」と名付けます。 ...]
  4. ^ abcde 国はイルメナイトのみを生産したと報告している
  5. ^ ab 国はルチルのみを生産したと報告している

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参考文献

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