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チタンとは?

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  • 出典がまったく示されていないか不十分です。内容に関する文献や情報源が必要です。(2016年4月)
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  • 独自研究が含まれているおそれがあります。(2017年6月)

スカンジウム | ← | チタン | → | バナジウム

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Ti

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22Ti
周期表



外見
銀白色

一般特性
名称, 記号, 番号 チタン, Ti, 22
分類 遷移金属
, 周期, ブロック 4, 4, d
原子量 47.867(1)
電子配置 [Ar] 4s 3d
電子殻 2, 8, 10, 2(画像)
物理特性
固体
密度(室温付近) 4.506 g/cm
融点での液体密度 4.11 g/cm
融点 1941 K, 1668 °C, 3034 °F
沸点 3560 K, 3287 °C, 5949 °F
融解熱 14.15 kJ/mol
蒸発熱 425 kJ/mol
熱容量 (25 °C) 25.060 J/(mol・K)
蒸気圧
圧力 (Pa) | 1 | 10 | 100 | 1 k | 10 k | 100 k
温度 (K) | 1982 | 2171 | (2403) | 2692 | 3064 | 3558

原子特性
酸化数 4, 3, 2, 1
(両性酸化物)
電気陰性度 1.54(ポーリングの値)
イオン化エネルギー 第1: 658.8 kJ/mol
第2: 1309.8 kJ/mol
第3: 2652.5 kJ/mol
原子半径 147 pm
共有結合半径 160 ± 8 pm
その他
結晶構造 六方晶系
磁性 常磁性
電気抵抗率 (20 °C) 420 nΩ・m
熱伝導率 (300 K) 21.9 W/(m・K)
熱膨張率 (25 °C) 8.6 µm/(m・K)
音の伝わる速さ
(微細ロッド) (r.t.) 5,090 m/s
ヤング率 116 GPa
剛性率 44 GPa
体積弾性率 110 GPa
ポアソン比 0.32
モース硬度 6.0
ビッカース硬度 970 MPa
ブリネル硬度 716 MPa
CAS登録番号 7440-32-6
主な同位体
詳細はチタンの同位体を参照
同位体 NA 半減期 DM DE (MeV) DP
Ti | syn | 63 y | ε | - | Sc
γ | 0.07, 0.08 | Ti | 8.0% | 中性子24個で安定
Ti | 7.3% | 中性子25個で安定
Ti | 73.8% | 中性子26個で安定
Ti | 5.5% | 中性子27個で安定
Ti | 5.4% | 中性子28個で安定


二酸化チタン粉末(最も広く使用されているチタン化合物)
チタン製指輪(酸化皮膜技術で色彩を制御)

チタン(: Titan [tiˈtaːn] ( 音声ファイル)、: titanium [taɪˈteɪniəm] ( 音声ファイル)、: titanium)は、原子番号22の元素元素記号Ti第4族元素遷移元素のひとつ。

目次

  • 1 名称
  • 2 特徴
  • 3 性質
  • 4 用途
    • 4.1 金属素材
    • 4.2 航空宇宙用途・海洋用途
    • 4.3 工業設備・工業資材
    • 4.4 建材
    • 4.5 土木
    • 4.6 塗料・顔料
    • 4.7 紙
    • 4.8 宝飾品・硬貨・メダル・芸術作品
    • 4.9 医療品(義手・義足・人工骨・インプラント)
    • 4.10 スポーツ用品
    • 4.11 調理器具・食器
    • 4.12 核廃棄物貯蔵施設
    • 4.13 その他
    • 4.14 チタン製品例の一覧
  • 5 歴史
  • 6 分布
  • 7 生産
    • 7.1 クロール法(スポンジチタン製造プロセス)
    • 7.2 チタンインゴット製造プロセス
    • 7.3 チタン圧延(展伸)プロセス
    • 7.4 世界におけるチタン製造
    • 7.5 日本におけるチタン製造
  • 8 化合物
  • 9 同位体
  • 10 出典・注釈
  • 11 関連項目
  • 12 外部リンク

名称

1791年イギリス帝国の聖職者ウィリアム・グレゴールが「メナカイト(menachite)」と名付けた。発見地のメナカン谷にちなむ。

1795年プロイセン王国マルティン・ハインリヒ・クラプロートが「チタン」と名付けた。ギリシア神話における地球最初の子、ティーターンにちなむ。

特徴

金属光沢を持つ。性質は化学的・物理的にジルコニウムに近い。酸化物である酸化チタン(IV)は非常に安定な化合物で、白色顔料として利用され、また光触媒としての性質を持つ。この性質が金属チタンの貴金属に匹敵する耐食性や安定性をもたらしている(水溶液中の実際的安定順位は、ロジウムニオブタンタルイリジウム白金に次ぐ7番目。より優れる)。

チタンは、酸化物が非常に安定で侵されにくく、空気中では空気に触れる表面が強力な酸化物(不動態酸化皮膜)で覆われる不動態となり、白金などの貴金属とほぼ同等の強い耐食性を持つ。貴金属並みの耐食性を持つ金属の中で、もっとも軽く安価な金属と言える。

常温では食塩水(海水)などに対し高い耐食性を示し、少量の湿気が存在する場合は塩素系ガスとも反応しない。そのため純チタンはやや接着性に劣るが、逆に表面の汚れやごみなどの付着物を容易に取り除ける。一方、高温ではさまざまな元素と反応しやすくなるため、鋳造溶接には酸素窒素を遮断する大がかりな設備が必要であり、この点が製造の難しさのひとつの起因となっている。炭素窒素とも反応してそれぞれ炭化物窒化物を作り、これらは超硬合金の添加物としてしばしば利用される。

特に純度の高いチタンは無酸素空間においての塑性に優れ、と似た色合いの銀灰色光沢を持つ。チタンは鋼鉄以上の強度を持つ一方、質量は鋼鉄の約55パーセントと非常に軽い。チタンはアルミニウムと比較して、約60パーセント重いものの、約2倍の強度を持つ。これらの特性により、チタンはアルミよりも金属疲労が起こりにくいが、工具鋼などの鉄鋼材料には劣る。

性質

外観は銀灰色を呈する金属元素であり、比重は4.5。融点は1,812℃(1,667℃、1,668℃の報告もあり)、沸点は3,285℃(3,287℃の報告もあり)であり、遷移金属としては平均的な値である。常温常圧で安定な結晶として六方最密充填構造を持つが、880℃以上で体心立方構造転移する。純粋なものは耐食性が高く、展性・延性に富み、引張強度が大きい(硬くかつ粘り強い)。空気中では常温で酸化被膜を作り内部が保護される。フッ化水素酸には徐々に溶けフルオロ錯体(TiF6)を生成し、加熱下の塩酸に溶けて青紫色の3価のイオン(Ti)を生成する。アルカリ水溶液とはほとんど反応しない。

150℃以上でハロゲンと、700℃以上で水素・酸素・窒素・炭素と反応する。安定な酸化数は+IIIまたは+IVである。磁石にわずかに引きつけられるほどの弱い常磁性や、きわめて低い電気伝導性熱伝導性を持っている。

用途

窒化チタンでコーティングされたドリルの刃
チタンの円柱材

金属チタンは強度・軽さ・耐食性・耐熱性・環境性能・色彩などを備え、さまざまな分野で活用されている。しかし、金属チタンは製錬・加工が難しく、費用もかかるため大量には使われていない。

化合物では酸化チタン(IV)が安価な白色顔料として広く用いられ、日常でも接する機会が多い。

金属素材

チタンあるいはチタン合金は、一般の合金鋼と同等の強度を持ち、鉄よりも軽く、ステンレス鋼・アルミニウムよりも圧倒的に耐食性に優れており、500℃の高温でも有効な強度を保てる耐熱性といった性質から、航空機潜水艦自転車ゴルフクラブなどの競技用機器、化学プラント生体インプラントの材料、打楽器など多岐にわたって使用されるほか、合金鋼との脱酸剤や、ステンレス鋼において、炭素含有量を減少させる目的などにも使用される。

本格的な実用化は、1950年代のジェット軍用機からであり、人類が実用化し始めてから時間が経過しておらず、人類にとって比較的若い金属である。

金属チタンの加工は、かなり難しい。これは鉄鋼材料には備わっている、熱処理による強度増幅能力が、金属チタンには備わっていないためである。金属チタン製の部品は高価なため、その用途は耐食性・耐熱性・軽量化と強度のバランスを考慮した狭い領域に限られるが、腕時計眼鏡フレームの装用品には、広く使用されている。

1952年に、生体親和性が非常に高くと結合する(オッセオインテグレーション)ことが発見されると、デンタルインプラントのフィクスチャー(インプラント体)のほとんどが、チタンを使用するようになった。拒絶反応金属アレルギーを防ぐため、グロー放電でクリーニングしたり、純度の高いチタンが使用される。また、人工関節人工骨といった、整形外科分野でも利用されている。

合金の組成例

航空宇宙用途・海洋用途

Airbus A380

チタンの持つ優れた耐食性・疲労特性などより、航空機・装甲・軍艦・宇宙船・ミサイルなどに使用されている。重要な構造物には、アルミニウムジルコニウムニッケルバナジウムなどの他元素との合金が使用されることが多い。

航空機では、熱環境に応じて他素材との使い分けられる傾向にある。耐熱性・強度を優先すると、チタン合金は1,000℃を超える耐熱性を持たないため、ジェットエンジンのホットセクションには使われない。金属チタンは500℃以下の部分で、ニッケル超合金よりも軽量化できるノズルなどに使われる。その他のより低温な機体構造には、より安価で軽量化できるアルミニウム合金を多用する。低温部でも鉄鋼よりも軽量化できることから、降着装置に用いた例もある。

旅客機の使用原単位の事例では、ボーイング777では59トン、747で45トン、737で18トン、エアバスA340で32トン、A330で18トン、A320で12トン、A380で77トンが使用されている。とりわけエアバスA380では、ジェットエンジンだけで11トン使用されている。

本格的にチタンを構造材に採用した最初の例は、世界最初の実用超音速戦闘機でもあるF-100であり、1953 - 54年にかけてのアメリカ合衆国のチタン生産量の80パーセントが本機に使われた。ほか、ロッキードA-12、戦略偵察機SR-71などがある。特に機体重量においてチタン合金の使用割合がもっとも多いのは、1950年代に開発開始された戦略偵察機SR-71の93パーセントであり、加工の難しさから歩留まりは10パーセント程度だったとも言われているが、少量生産機ゆえに可能だったといえる。

量産機では、F-15が25.8パーセントにチタンを用いているが、当時としてはかなり高価な機体であった。その後は複合材料の発達により、強度・軽量を求められる部位への使用量は減っており、潤沢な製造原価を充てられる軍用機といえども、使用割合は下がっている。

チタンは海水に耐える優れた耐食性から、プロペラシャフトなどの海洋での利用事例もある。旧ソ連ではアルファ級・マイク級潜水艦などで、潜水艦製造にチタン合金を用いる技術を発展させてきた。

工業設備・工業資材

優れた耐食性から、チタン合金製の溶接管・熱交換器・タンク・反応容器・バルブなどの製品が、化学プラント・石油精製プラントに適用されている。ほか、製紙業の製造プロセスにも使用されている。

チタン採用事例(浅草寺宝蔵門)((2)軽量性能(4)意匠性:瓦のチタン置換のみで耐震強化を実現。表面加工により瓦の風貌も維持)
チタン採用事例(Hotel Marques de Riscal)((3)色彩性能(6)加工性:カラフルなシルク生地のような色合いで赤白ワインを表現)
スペインのビルバオ・グッゲンハイム美術館

建材

おもに航空宇宙分野で利用が拡大したチタンは、1970年代になると建材への適用事例が見られるようになった。

チタンの性質である、

  1. 耐食性能・耐久性能(理論上、数百年の耐用年数を持つ貴金属並みの耐食性)
  2. 軽量性能(既存素材に比べて大幅に軽量化が図れ、建物全体として耐震強化が可能。例:土瓦からチタン製への置換で10分の1に近い軽量化)
  3. カラフルな色彩・光沢(酸化皮膜の屈折率の違いによる独特な発色)
  4. その表面加工による意匠性の高さ(金・銀発色から苔や木皮などに似せた光沢を抑えた渋みまで表現)
  5. 環境適合性(他金属素材と異なり自然界に流出しない)
  6. 加工性のよさ(表現できる幅が鉄鋼よりも広い)
  7. 汚れの付着しにくさ
  8. 非磁性などが、従来素材と比較して、メンテナンスの大幅軽減を見込め、中長期で経済的であること

が評価されるようになったことが要因である。

初期は海浜地区などの厳しい腐食環境での適用といった、1.耐食性能に着目した適用が中心だった。臨海部立地の施設・社屋・公共施設への採用が目立った(名古屋港水族館フジテレビ本社ビル、JR函館駅石川県内灘町役場など)。

1990年代後半以降、徐々にその他の性能が評価されての適用事例も増えてきた。とりわけ、2. 軽量性能(土瓦をチタン置換し耐震強化。例:浅草寺)、3. カラフルな色彩・光沢、4. 意匠性の高さ、5. 環境適合性が注目を集めており、神社仏閣・博物館などの世代を超えて使用する建造物への適用事例が増えている。

1. 耐久性能と組み合わせて検討すると、長期的に見て経済的(ライフサイクルコストの低減が可能)で、長期的な文化財の保全・安全性維持・環境維持に適している。加工性のよさ、多彩な発色で優美な雰囲気を出せることから複雑な伝統的なデザインにも適用されている。

日本の有名寺社では、浅草寺の宝蔵門・本堂・五重塔、金閣寺の茶室、北野天満宮の宝物殿、大徳寺宮地嶽神社高野山など、また、博物館では東京国立博物館(昭和館・平成館)、九州国立博物館奈良国立博物館島根県立美術館佐川美術館の事例が上げられる。ほか、福岡ドーム大分ドーム東京国際展示場(東京ビッグサイト)などの競技場・展示場への適用も存在する。一部の寺院からは、科学的に解明されていないものの、寺社内のカラスによる鳥害が大幅に減少した、という報告もなされている。

世界では、各国の大規模公共施設(中華人民共和国:中国国家大劇院・杭州大劇院・江蘇大劇院など、中華民国:台北アリーナなど)での事例がある。

チタンの酸化皮膜の成長により屈折率が変化し、表面が変色する現象の克服が建材利用における重要な課題であり、チタンの建材への利用拡大の大きなネックであった。2001年に新日鐵住金が変色現象のメカニズムを解明し、変色の原因となるチタン表層の不純物を取り除く技術を確立した。以降も利用技術の開発が進んでおり、チタンの建材利用の拡大に向け、各社が技術革新を競っている。

後述の宝飾品に関係するが、豊かな色彩などの優れた意匠性から、関連技術・製品群をブランド化する企業が登場している(2017年新日鐵住金:TranTixxiiブランド)。

羽田空港滑走路・橋脚(チタンカバー採用事例)

土木

チタンの優れた耐食性から、橋梁・桟橋などの長期間使用されるインフラストラクチャーにも適用が進んでいる。象徴的な事例として、2011年(平成23年)に竣工した東京国際空港のD滑走路が存在し、桟橋部分の防食カバーにチタンが採用され、海上滑走路の長寿命化・メンテナンス低減に貢献している。

塗料・顔料

チタンの約95パーセントは酸化チタン(IV)として、おもに白色の顔料として絵具合成樹脂などに使用される。酸化チタン(IV)で作られた絵具は赤外線反射率が高いため、屋外での絵画の描写に向いているほか、セメントなどにも使用される。また光触媒としての性質を持ち、光を吸収して有機物を分解する。この性質によって、光のあたる場所では有機物による汚れが分解されるために白さが長く保たれる。しかし有機系の色素や合成樹脂も分解してしまうため、これらと混ぜて利用するのは難しい。

陽極酸化技術により制御可能なチタンのカラーバリエーション

酸化チタン(IV)はに織り込むという方法でも使用される。チタンをパルプに織り込むことで、白く丈夫で薄くて透けない良質の紙を作ることが可能となった。一方で、金属化合物であるため重くなる。広辞苑など、長期にわたって使用される分厚い書籍に利用されるようになっている。

宝飾品・硬貨・メダル・芸術作品

ニコンF2チタン

チタンの優れた耐久性・耐食性に加え、酸化皮膜の制御によってさまざまな色合いを発色でき、表面加工により光沢を自在にコントロールできることから、デザインジュエリーへの採用例が増えている。チタンの生体適合性が、金属アレルギーを発生させないため、アレルギー体質を持つ購入者の支持を集めているほか、チタンの優れた耐食性が海水の腐食環境に影響されないため、マリンスポーツの愛好家にも注目され始めている。

チタンの耐久性・耐食性に加え、軽量性・耐デント性から、カメラや時計ケースへの適用も増えている。また、一部のアーティストによる彫刻・装飾・家具などの例が散見されるようになってきた。また、硬貨やメダルとして使用する事例も少数ではあるが存在する。1999年に英領ジブラルタルのミレニアム記念硬貨として世界初のチタン硬貨が発行されたほか、オーストラリアのラグビーリーグ球団が、自球団の選手の表彰に純チタンメダルで表彰した事例がある。

日本では、国宝級の伝統技術の中でもチタンの特性に着目する例があり、江戸時代由来の歴史的金属製品である明珍火箸が代表的である。

医療品(義手・義足・人工骨・インプラント)

チタンは、高い耐食性から自然界に流出しない環境負荷の低い金属であるが、この性能は人体に対しても同様であり、生体適合性に優れた金属であるといえる。義手・義足人工骨インプラントなどの人体に接触面を持つ医療器具に適用されており、今後技術開発が期待される用途である。

スポーツ用品

チタンの持つ軽量性と高強度を合わせもつ性能から、スポーツ用品にも多く適用されている。特に、ゴルフクラブ、スキーストック、テニスラケットなどが有名であり、スポーツ用品メーカー各社から製品が発売されている。

調理器具・食器

チタンは、軽量性、高い耐食性からの長寿命性・低流出性に加え、低比熱・低熱伝導性から熱を遮断する特性も有している。この特性に着目して高価格帯の製品を中心に調理器具・食器などで用いられる事例が増えている。チタン製刃物、チタン製タンブラーなどのほか、アウトドア用の調理器具・食器類が代表的である。

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出典:wikipedia
2019/12/16 12:11

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