チタンについて

Sep 19, 2025

チタンは1791年にイギリスの鉱物学者ウィリアム・グレゴールによって発見されました。グレゴールはイングランドのコーンウォールで磁性を持つ鉱砂を分析し、イルメナイトを分離しました。

それから4年後の1795年、ハンガリー産のルチルからドイツの化学者マルティン・ハインリッヒ・クラプロートがチタン酸化物を分離し、この新元素に「チタン」と名付けました。

金属チタンは初めて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、TiCl4とナトリウムを加熱することで製造されました。

1932年、ルクセンブルクの化学者であるヴィルヘルム・ジャスティン・クロールは、TiCl4とNaを使用して大量のチタンを製造した。第二次世界大戦の初頭に、彼はアメリカ鉱山局で、還元剤としてMgの代わりにCaを用いてTiCl4を還元することでチタンを商業的に抽出できることを証明した。この方法は「クロール法」として知られており、今日まで広く使用されている。チタン金属は1948年にアメリカのデュポン社によって初めて商業生産された。

現在までに、中国、アメリカ合衆国、ロシア、および日本がチタン製品の主要生産国であり、これらの国の生産量の合計は世界のチタン生産の90％以上を占めている。

1. チタンおよびその合金の基本的特性

正直に言うと、チタンは希少金属ではありません。地殻中で9番目に豊富な元素であり、構造用金属ではアルミニウム、鉄、マグネシウムに次いで4番目に豊富です。しかし残念なことに、チタンを多く含む鉱石は地殻中にめったに存在せず、純粋なチタンが天然で発見されたこともありません。純粋なチタン金属の製造が非常に困難であるため、チタンは常に「高価」なのです。現在でも、チタンはバッチ式かつ断続的にしか生産できず、他の構造用金属のように連続生産プロセスが確立されていません。

周期表に知られている112種類の化学元素（図1）のうち、約85％が金属または半金属です。金属の分類方法にはさまざまなものがあり、例えば鉄金属と非鉄金属、軽金属と重金属などがあります。チタンは非鉄金属かつ軽金属です。

図1 周期表

チタンの原子番号は22です。標準原子量は47.90、密度は4.5g/cm³、融点は1725℃に達します。チタンは二形性の同素異形体であり、882.5℃以下の温度では六方最密充填構造のα-チタンとなり、882.5℃以上では体心立方構造のβ-チタンへと変化します。

金属の性質は主に格子内の原子間の金属結合に依存しており、これは格子内にある自由に移動可能な価電子が電気伝導性などの典型的な金属的性質をもたらすことを意味しています。また、格子内の原子の滑りによる塑性変形や、不純物原子のドーピングによって合金化することも可能です。純チタンに他の金属元素を添加して常温（高温）における機械的性質や耐腐食性を向上させたものをチタン合金と呼びます。

チタンおよびチタン合金には、比強度が高く、優れた耐腐食性を持つという2つの顕著な特性があります。

比強度 は、材料の強度と密度の関係を測定する指標です。特定強度は、材料の強度（通常は引張強度で表される）をその密度で割った比として定義されます。特定強度は、単位質量あたりの材料の荷重支持能力を評価するために使用され、軽量かつ高強度の構造物を設計する際の重要なパラメータです。チタン合金は軽量でありながら高特定強度を持つことで知られており、この特性から航空宇宙産業で特に広く用いられています。

腐食に強い 耐腐食性とは、材料が化学的または電気化学的な反応に対して抵抗する能力を指し、これらの反応により材料の劣化、損傷、または性能低下が生じる可能性がある。耐腐食性は材料科学において非常に重要な特性であり、特に過酷な環境や腐食性のある媒体に曝される用途では重要である。チタン合金の耐腐食性は、表面に緻密で自己修復可能な酸化皮膜を形成できることが主な理由である。この不働態皮膜により、チタン合金はステンレス鋼よりも100倍高い耐腐食性を持つ。海洋工学分野では、チタン合金は「海洋金属」として知られ、軽量性、高強度、そして優れた耐腐食性から、徐々にステンレス鋼に取って代わりつつある。