チタンの性質と特徴

この金属には、航空宇宙、軍事、医療用途があります

モンティ・ラクセン/カルチャー/ゲッティイメージズ

チタンは丈夫で軽量な高融点金属です。チタン合金は、航空宇宙産業にとって重要であると同時に、医療、化学、軍事ハードウェア、およびスポーツ用品にも使用されています。

航空宇宙アプリケーション アカウント チタンの消費量の 80% を占める一方で、金属の 20% は鎧、医療用ハードウェア、および消費財に使用されています。

チタンの性質

• 原子記号: あなた
• 原子番号: 22
• 要素カテゴリ: 遷移金属
• 密度: 4.506/cm³
• 融点: 3038°F (1670°C)
• 沸点: 5949°F (3287°C)
• モース硬度：6

特徴

合金 チタンを含む素材は、強度が高く、軽量で、耐食性に優れていることで知られています。あんなに強いのに 鋼 、チタンは重量で約 40% 軽量化。

これは、キャビテーション (急速な圧力変化、時間の経過とともに金属を弱めたり損傷したりする可能性のある衝撃波を引き起こす) および侵食に対する耐性とともに、航空宇宙エンジニアにとって不可欠な構造金属となっています。

チタンはまた、その耐性において手ごわいです腐食水と化学媒体の両方によって。この抵抗は、二酸化チタン (TiO₂）は、これらの材料が浸透するのが非常に困難な表面に形成されます。

チタンは弾性率が低いです。これは、チタンが非常に柔軟で、曲げた後に元の形状に戻ることができることを意味します。 形状記憶合金 (低温では変形するが、加熱すると元の形状に戻る合金) は、多くの最新のアプリケーションにとって重要です。

チタンは非磁性で生体適合性（非毒性、非アレルギー性）であるため、医療分野での使用が増加しています。

歴史

チタン金属の使用は、どのような形であれ、第二次世界大戦後に初めて本格的に発展しました.実際、アメリカの化学者マシュー・ハンターが四塩化チタン (TiCl₄) 1910 年にナトリウムで。現在ハンタープロセスとして知られている方法。

しかし、1930年代にウィリアム・ジャスティン・クロールがマグネシウムを使って塩化物からチタンを還元できることを示した後、商業生産は実現しませんでした.クロール法は、現在でも最も使用されている商業生産方法です。

費用対効果の高い製造方法が開発された後、チタンの最初の主な用途は軍用機でした。 1950 年代と 1960 年代に設計されたソビエトとアメリカの軍用機と潜水艦の両方で、チタン合金が使用され始めました。 1960 年代初頭までに、チタン合金は民間航空機メーカーでも使用され始めました。

1950 年代にさかのぼるスウェーデンの医師 Per-Ingvar Branemark の研究により、チタンは人間の負の免疫反応を引き起こさず、彼がプロセスで金属を体内に統合できることが示された後、医療分野、特に歯科インプラントと補綴物がチタンの有用性に目覚めました。オッセオインテグレーションと呼ばれます。

製造

チタンは地球の地殻で 4 番目に一般的な金属元素ですが (アルミニウム、鉄、マグネシウムに次ぐ)、チタン金属の生産は、特に酸素による汚染に非常に敏感であり、比較的最近の開発と高コストの原因となっています。

チタンの一次生産に使用される主な鉱石はイルメナイトとルチルで、それぞれ生産量の約90%と10%を占めています。

2015 年には 1,000 万トン近くのチタン鉱物精鉱が生産されましたが、毎年生産されるチタン精鉱のごく一部 (約 5%) だけが最終的に金属チタンになります。代わりに、ほとんどが二酸化チタン (TiO₂)、美白 顔料 塗料、食品、医薬品、化粧品に使用されます。

クロール法は、まずチタン鉱石を粉砕し、塩素雰囲気下で原料炭とともに加熱し、四塩化チタン（TiCl）を製造します。₄）。次に、塩化物が捕捉され、コンデンサーに送られ、より純度の高い 99% の塩化チタン液が生成されます。

四塩化チタンは、溶融マグネシウムを含む容器に直接送られます。酸素の混入を避けるため、アルゴンガスを加えて不活性化しています。

数日かかる場合もあるその後の蒸留プロセスの間、容器は 1832°F (1000°C) に加熱されます。マグネシウムは塩化チタンと反応し、塩化物を取り除き、元素状のチタンと塩化マグネシウムを生成します。

その結果できた繊維状のチタンをスポンジチタンといいます。チタン合金と高純度チタン インゴットを製造するには、電子ビーム、プラズマ アークまたは真空アーク溶解を使用して、さまざまな合金元素でスポンジ チタンを溶解します。