鋳造用語集

チタニウム / チ タ ン
Titanium

チタンは1791年、イギリスの聖職者で鉱物学者でもあったウィリアム・グレゴール（William Gregor）によって発見された。
グレゴールはイギリス南西部コーンウォール地方のメナカン（Manaccan）で採取された黒色の砂を分析し、その中に当時知られていなかった新しい金属元素の酸化物が含まれていることを見いだした。彼はこの未知の物質を、発見地にちなみ「メナカナイト（Menachanite）」と呼んだ。
その数年後の1795年、ドイツの化学者マルティン・ハインリヒ・クラプロート（Martin Heinrich Klaproth）が鉱物ルチルを分析し、同じ元素を独立して確認した。クラプロートはこの新元素を、ギリシャ神話に登場する巨神族「ティターン（Titans）」にちなみ「Titanium」と名付けた。
しかし、チタンは酸素、窒素、炭素などとの反応性が非常に高く、純粋な金属として取り出すことは容易ではなかった。19世紀から20世紀初頭にかけてさまざまな単離方法が研究され、1910年にはマシュー・A・ハンター（Matthew A. Hunter）が四塩化チタン（TiCl₄）をナトリウムで還元することによって比較的高純度の金属チタンを得ることに成功した。
さらに1930年代にはウィリアム・ジャスティン・クロール（William Justin Kroll）が、四塩化チタンをマグネシウムで還元するクロール法（Kroll Process）を開発した。現在でも金属チタンの工業生産では、このクロール法を基本とする製造方法が広く利用されている。

チタンは第4周期・第4族に属する遷移金属元素である。電子配置は [Ar] 3d²4s² で、代表的な酸化数は+4である。このほか+3、+2などの酸化状態もとるが、自然界ではTiO₂などTi(IV)の化合物が特に安定である。

純チタンは銀灰色の金属光沢を持ち、密度は約4.51 g/cm³である。鉄の約7.9 g/cm³と比較すると軽量である一方、高い比強度を持つことが大きな特徴である。
また、チタンは非常に反応性の高い金属であるにもかかわらず、常温では優れた耐食性を示す。これは表面に緻密で安定した酸化チタンを主体とする不動態皮膜が形成され、内部の金属を腐食から保護するためである。
特に海水や塩化物環境に対して優れた耐食性を示すことから、化学プラント、海水設備、熱交換器、船舶関連設備などに利用されている。

チタンには温度によって結晶構造が変化する特徴がある。純チタンは常温では六方最密構造（HCP）のα相であるが、約882℃以上になると体心立方構造（BCC）のβ相へ変態する（同素変態）。
この変態温度やα相・β相の安定性は合金元素によって変化する。アルミニウムなどはα相を安定化させるα安定化元素、バナジウムやモリブデンなどはβ相を安定化させるβ安定化元素として知られている。
この性質を利用して、チタン合金はα型、α+β型、β型などに分類され、合金組成や熱処理によって組織と機械的性質を大きく変化させることができる。

代表的なチタン合金がTi-6Al-4Vである。約6％のアルミニウムと約4％のバナジウムを含むα+β型チタン合金で、高い比強度、耐食性、耐疲労性などを持つことから、航空機部品、宇宙機器、医療機器などに広く利用されている。

天然では金属チタンの状態ではほとんど存在せず、主として酸化物や複合酸化物として存在する。代表的な鉱物にはルチル（TiO₂）やイルメナイト（FeTiO₃）がある。
チタンは地殻中に比較的豊富に存在する元素であるが、酸素との結合が非常に強いため、鉱石から金属チタンを製造するには複雑な工程と大きなエネルギーを必要とする。このことが、原料元素そのものの希少性とは別に、金属チタンが比較的高価になる理由の一つである。

チタンの代表的な用途は航空・宇宙分野である。軽量でありながら高い強度を持ち、さらに耐熱性や耐食性にも優れるため、航空機の機体部品、エンジン部品、締結部品などに使用される。
また優れた耐食性を利用して、化学プラント、熱交換器、海水淡水化設備、発電設備などにも使用される。
医療分野では、耐食性に加えて優れた生体適合性を持つことから、人工関節、骨固定用プレート、ボルト、歯科インプラントなどに利用されている。
さらに酸化チタン（TiO₂）は白色顔料として極めて重要であり、塗料、インク、プラスチック、紙、化粧品など幅広い製品に使用されている。金属チタンだけでなく、その化合物まで含めると、チタンは日常生活から航空宇宙まで非常に幅広い分野を支えている元素である。

チタンと鋳造

チタンは鋳造によって複雑形状の部品を製造することが可能であり、航空宇宙、医療、化学装置などの分野でチタン鋳物が利用されている。
しかし、チタンは一般的な鉄鋼材料や銅合金などと比較して、鋳造が非常に難しい金属の一つである。
その最大の理由が、溶融状態における極めて高い化学反応性である。

■ 溶融チタンの高い反応性
チタンは常温では表面の不動態皮膜によって優れた耐食性を示すが、高温、特に溶融状態になると状況が大きく変わる。
溶融チタンは酸素、窒素、水素、炭素などと非常に反応しやすい。
これらの元素がチタン中へ侵入すると、硬さや強度が増加する一方で、延性や靱性が低下し、材料が脆くなる場合がある。
特に酸素や窒素はチタンに対する強力な侵入型固溶元素であり、わずかな含有量の変化でも機械的性質へ大きな影響を与える。
このためチタンを溶解・鋳造する際には、大気との接触をできるだけ避ける必要がある。

■ 真空・不活性雰囲気での溶解
チタンの溶解では、大気中の酸素や窒素との反応を防ぐため、真空またはアルゴンなどの不活性ガス雰囲気が利用される。
ここで重要なのは、窒素ガスを一般的な意味での「不活性ガス」と考えて使用できないことである。
チタンは高温で窒素とも容易に反応して窒化チタン（TiN）を形成するため、チタン溶解の保護ガスとして窒素を使用することは適さない。
そのため、チタンの溶解・鋳造ではアルゴンなどの希ガスや真空環境が重要となる。

■ ルツボとの反応
チタン鋳造を難しくしているもう一つの要因が、溶湯とルツボ材料との反応である。
一般的な金属ではセラミックス製ルツボを使用して溶解できる場合が多いが、溶融チタンは多くの酸化物系耐火物と反応する。
ルツボや鋳型材料から酸素などがチタン溶湯へ取り込まれると、チタンの組成や機械的性質が変化する可能性がある。

そのためチタン溶解では、溶湯とルツボの接触を極力避ける方法が利用される。
代表的なものが水冷銅ルツボである。
水冷された銅製ルツボでは、ルツボ表面付近のチタンが凝固して薄い固体層を形成し、この層が溶湯とルツボを隔てる役割を果たす。このように、溶解する金属自身の凝固層によって溶湯を保持する方式はコールドクルーシブル（Cold Crucible）と呼ばれる。

■ アーク溶解と誘導溶解
チタンやチタン合金の溶解には、真空アーク溶解やプラズマ溶解、電子ビーム溶解、コールドクルーシブルを利用した誘導溶解などが用いられる。
特に水冷銅ルツボと高周波誘導加熱を組み合わせたコールドクルーシブル誘導溶解（CCIM：Cold Crucible Induction Melting）では、溶湯と耐火物との接触による汚染を抑えながら溶解することができる。
チタンのような活性金属では、単に「金属を融点以上まで加熱する」だけではなく、何で加熱するか、何に触れさせるか、どのような雰囲気で溶解するかが材料品質を大きく左右する。

■ チタンのロストワックス鋳造
チタンでもロストワックス鋳造を利用して複雑形状の精密鋳物を製造することができる。
航空宇宙部品、医療部品、ゴルフクラブなどのスポーツ用品、各種機械部品などでは、チタン精密鋳造品が利用されている。
しかし、一般的なロストワックス鋳造で使用されるシリカ系埋没材やその他の酸化物系の鋳型材料は、溶融チタンと反応する可能性がある。
チタン溶湯が鋳型と反応すると、鋳物表面に酸素などが濃化した硬く脆い反応層が形成されることがある。
この表面反応層は一般にαケース（Alpha Case）と呼ばれる。

αケースは硬く脆いため、疲労特性や延性などを低下させる原因となる。そのためチタン精密鋳造では、鋳型材料の選択、溶湯との接触時間、鋳込み温度、真空・不活性雰囲気などを適切に管理する必要がある。
鋳造後には、必要に応じて酸洗、機械加工、研削などによって表面反応層を除去する場合もある。

■ Ti-6Al-4Vと鋳造
鋳造用チタン合金としても代表的なのがTi-6Al-4Vである。
Ti-6Al-4Vは約6％Al、約4％Vを含むα+β型チタン合金であり、高い比強度と耐食性を兼ね備えている。
鍛造材として非常に広く利用されているが、複雑な形状を一体成形できるという利点から鋳造品としても使用される。
特に航空宇宙分野では、機械加工では材料歩留まりが悪くなる複雑形状部品において、ニアネットシェイプ化できる精密鋳造のメリットが大きい。
一方で、チタン鋳物では凝固組織、鋳造欠陥、表面反応層などの管理が重要となる。用途によっては鋳造後にHIP（熱間等方圧加圧）処理を行い、内部の微小な鋳造欠陥を低減させることもある。

■ チタンと凝固組織
チタンは約882℃を境として、低温側のα相（HCP）から高温側のβ相（BCC）へ変態する。
したがってチタン鋳物では、単純な「液体から固体への凝固」だけでなく、その後の冷却過程で起こるβ相からα相への固相変態も最終的な組織や機械的性質を左右する。
特にTi-6Al-4Vなどのα+β型合金では、冷却速度や熱処理条件によってα相の形態や大きさ、α相とβ相の割合などが変化し、強度、延性、靱性、疲労特性などに影響を与える。
つまりチタン鋳造では、鋳型へ金属を流し込んで形を作るだけではなく、凝固から固相変態、熱処理までを含めて組織を制御することが重要なのである。
チタンは軽量、高強度、高耐食性という優れた性質を持つ一方、溶融状態では極めて反応性が高い。
真空・不活性雰囲気、水冷銅るつぼ、特殊な鋳型材料、精密な温度・凝固制御など、高度な溶解・鋳造技術によって初めて、その優れた材料特性を十分に生かすことができる元素なのである。

鋳造用語　索引