チタン（Ti）｜軽量で強度と耐腐食性を持つ金属

チタン（Ti）

チタン（Ti）は、周期表における元素記号Ti、原子番号22を持つ元素である。比重が鉄（Fe）の約60%と軽く、高強度で耐腐食性、弾性に富んだ材料である。また、耐食性に優れており、海水に対しても完全耐食であること、耐酸性、低温でも粘り強い過酷な環境下での使用が可能である。チタンの化学的性質としては、酸素や窒素との結合に強い親和性を持つことが特徴であり、高温下で酸化膜を形成して腐食を防ぐ特性も備えている。チタン（Ti）は地球上に豊富に存在しているが、製造が難しいため、レアメタルとして知られている。航空宇宙産業から医療分野に至るまで幅広い用途で利用される。

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チタンの歴史

チタンは1791年、イギリスの牧師ウィリアム・グレゴールによって発見された。彼はコーンウォール州の川で見つけた鉱物に注目し、これが新しい元素を含んでいることを確認した。その後、1795年にドイツの化学者マルティン・ハインリヒ・クラプロートが、同様の鉱物を研究して独自に発見し、ギリシャ神話の巨人「ティーターン」にちなんで「チタン」と命名した。しかし純粋なチタンの分離が成功したのは1910年であり、アメリカの化学者マシュー・ハンターがチタンとナトリウムを用いてチタンの抽出に成功した。

結晶構造と相変態

チタン（Ti）は常温で六方最密充填（α相）、883°C以上で体心立方（β相）となる同素変態を示す。合金元素の添加で相の安定領域が変わり、α安定化元素（Al、O、N）やβ安定化元素（V、Mo、Cr、Fe）が変態温度を制御する。α相は寸法安定と耐溶接割れに優れ、β相は成形性と熱処理強化に適する。

代表的物性

  • 密度：4.5 g/cm³、融点：1668°C
  • 熱膨張：8.6×10⁻⁶/K、熱伝導：低い（7 W/m·K）

合金系の分類

用途に応じてα、近α、α+β、β合金に区分される。Ti-6Al-4Vは代表的なα+β合金で、強度・靭性・溶接性・耐食性のバランスが良い。β合金（例：Ti-15Mo等）は冷間加工性に優れ高強度化が容易。医療では純チタンや低弾性率β合金が骨適合に有利である。

機械的特性と設計

チタン（Ti）の引張強さは純チタンで240–550 MPa、Ti-6Al-4Vで900–1100 MPaが目安である。弾性率が低いため、剛性確保には断面最適化やリブ補強が有効。切欠き感受性は中程度で、表面粗さ・残留応力の管理が疲労寿命を左右する。高温側ではクリープに留意し、使用温度と応力のマップで許容を定める。

水素脆化

酸洗い・電解処理・水素雰囲気で水素を吸収し脆化するおそれがある。前処理とベーキングで抑制する。

耐食性と表面

自然酸化皮膜が腐食を抑えるが、フッ化物や強還元環境では皮膜が破壊されうる。異種金属接触ではガルバニック腐食を防ぐため、絶縁・防水・面積比の設計を行う。陽極酸化やPVD/CVDは耐摩耗・耐食性と外観の向上に有効である。

加工・接合・AM

切削は低熱伝導と化学的活性により工具摩耗が大きい。低切削速度、高送り、十分な切削油、鋭利な工具、断続切削の回避が基本である。溶接はTIG・電子ビーム・レーザーが用いられ、高純度シールドで酸素・窒素の侵入を防ぐ。LPBF/EBMはトポロジー最適化と相性が良く、軽量一体化設計を実現する。

品質と欠陥管理

  • NDT：浸透探傷、超音波、X線CT
  • AM特有：ポロシティ、未溶融。異方性に配慮

チタンの用途

チタンは、その軽量かつ耐久性の高さから航空宇宙産業において重要な役割を果たしている。ジェットエンジンの部品や航空機の構造材料として使用されるほか、ロケットの燃料タンクなどの製造にも利用される。また、医療分野ではチタンの生体適合性に注目が集まっており、骨の代替やインプラント、歯科用の材料としても利用されている。さらに、ゴルフクラブや自転車などのスポーツ用品、さらには日常生活で使用される時計やジュエリーにも採用されている。

主な用途

  • 航空宇宙：機体・エンジン、ファスナー
  • 化学・エネルギー：熱交換器、海水淡水化
  • 医療：人工関節、スクリュー、デンタルインプラント
  • 消費財：眼鏡フレーム、腕時計、スポーツ用品

工業用純チタン

工業用純チタンは、CPチタンと呼ばれ、耐食性にすぐれた素材である。チタン消費の大部分を示す。strong>チタンの優れた耐食性は、緻密な酸化皮膜としてstrong>チタンの表面を被覆するTiO2によるものである。似たような働きをした素材として、ステンレス鋼におけるCr2O3、アルミニウム合金におけるAl2O3がある。

医療用チタン

チタンは生体適合性に優れ、医療用として人工関節や人工歯根などにも使われる。チタンは人間の骨と同等の弾性率を持つため、インプラントや人工関節、歯科用インプラントとして理想的な素材である。さらに、チタンの耐食性により長期間にわたって体内で安定した状態を維持することが可能であり、患者の健康リスクを最小限に抑えられる。この特性は医療機器にも応用され、外科器具や内視鏡の一部にも利用されるなど、医療現場で幅広く支持されている。

材料選定と環境側面

密度、弾性率、強度、耐食、耐熱、コスト、加工性、入手性、規格（JIS、ASTM、ISO）を総合評価する。α+β合金は汎用、β合金は高成形・高強度、純チタンは耐食・生体適合に優れる。原料のKroll法はエネルギー多消費であるため、Near-net成形やAM、歩留り改善とスクラップ回収、LCAによるフットプリント低減が有効である。