チタンとは | チタンのことなら株式会社東京チタニウム

チタンの歴史

金属として身近なものは「鉄」「銅」「アルミ」などがあります、銅は6000年前、鉄は4000年前から、実用金属でもあるアルミは100年以上前より使用されています。
　
「チタン」は1790年にイギリスの鉱物学者であったウィリアム・グレゴーが海岸で発見したとされており、その後1795年にドイツの科学者であるクラプロートが鉱石より新しい元素として「チタン」を見出しました。
1910年にはアメリカの化学者ハンターがついに純度99.9％のチタンを抽出することができ、これが初めて純粋な「金属チタン」が誕生した瞬間です。
発見から純粋なチタンを得るまでに100年を超える年月が掛かった事が分かります。
実用化が開始されたのはルクセンブルクの化学者クロールの発明したマグネシウム還元法が確立した1946年です。
　
金属としてはまだ新しく実用化されてから約80年であり、可能性を秘めた夢の金属とも言えるのです。

チタンは元素記号「Ti」で原子番号は22番目に位置している銀灰色の金属となります。
「チタン」-Titanと言う名前はギリシャ神話の巨人を意味するタイタン-Titans 、Titanen に由来すると言われております。他の金属に比べて「チタン」は軽量・高強度・高耐食性の3拍子が揃っておりますので陸・海・空・宇宙の幅広い分野で今後も活躍が期待されております。

チタンの特徴

「チタン」は軽い・強い・錆びにくい、厳しい使用条件・環境にも対応、多彩なメリットを持つ魅力あふれる実用金属です。「チタン」の代表的な特徴を見ていきましょう。

軽量

「チタン」は比重(水1.0)が純チタン4.51、チタン合金4.43であり銅8.9の1/2で鉄、ステンレス7.9の約60％という軽さとなります。アルミ2.7、マグネシウム1.7よりは重くなる。

高比強度

「チタン」の強度を比重で割った値は純チタンで普通鋼並み、チタン合金ではアルミニウムの約3倍、普通鋼の約2倍の強度があります。ステンレス、アルミよりも高い比強度をしめします。

物理的性質（他金属材料との物性比較）

チタンの物性値（他金属材料との比較）

		純チタン Commercially Pure Titanium (CP2種) (Grade 2)	α-βチタン合金 α-β Titanium Alloy (Ti-6Al-4V)	βチタン合金 β Titanium Alloy (Ti-15-3-3-3)	鉄 Steel t5 (SS400)	ステンレス鋼 Stainless steel (SUS304)	アルミニウム Aluminum t1 (1100-H18)	アルミニウム合金 Aluminum alloy t1 (A7075-T6)	マグネシウム Magnesium alloy AZ31 (MP1B-0)	銅 Copper t4 (1020-O)	ニッケル Nickel	ハステロイC Hastelloy (NW0276)
溶融点	(℃)	1,668	1,650	1,668	1,530	1,400 ～1,420	646 ～657	476 ～638	650	1,083	1,453	1,305
溶融点	差	0	-18	0	-138	-248～-248	-1011	-1033	-1018	-585	-215	-363
結晶構造		HCP <885℃ BCC	HCP+BCC <990℃ BCC	–	BCC <830℃ FCC	FCC	FCC	FCC	–	FCC	–	FCC
密度	(g/cm³)	4.51	4.43	4.76	7.85	7.90	2.71	2.80	1.74	8.93	8.90	8.9
密度	倍率	1.00	0.98	1.06	1.74	1.75	0.60	0.62	0.39	1.98	1.97	1.97
原子番号		22	22(Ti)	–	26	26(Fe)	13	13(Al)	–	29	28	–
原子量		47.90	–	–	55.85	–	26.97	–	–	63.57	58.69	–
電気抵抗 (20℃)	(μΩ⋅ｍ)	0.55	1.71	1.4	0.097	0.72	0.03	0.052	0.044	0.017	0.095	1.3
電気抵抗 (20℃)	倍率	1.0	3.11	2.55	0.18	1.31	0.05	0.09	0.08	0.03	0.17	2.36
熱伝導率 (20℃)	(W/m⋅K)	17	7.5	8.08	63	16	220	130	167	394	92	13
熱伝導率 (20℃)	倍率	1.00	0.44	0.48	3.71	0.94	13.76	7.65	9.82	23.18	5.41	0.76
比熱	(KJ/kg⋅K)	0.519	0.610	0.500	0.460	0.502	0.879	0.962	1.038	0.385	0.460	0.385
体積比熱	(W/cm³⋅K)	2.3	2.7	2.4	3.6	4.0	2.4	2.7	1.8	3.4	4.1	3.4
体積比熱	倍率	1.0	1.17	1.04	1.57	1.74	1.04	1.17	0.78	1.48	1.78	1.52
線膨張係数 (20℃)	(/K×10^-6)	8.4	8.8	8.5	12.0	17.0	23.6	23.6	26	17.1	15	11.3
線膨張係数 (20℃)	倍率	1.0	1.05	1.01	1.43	2.02	2.81	2.75	3.10	2.04	1.79	1.35
透磁率	(μ/μ₀)	1.00005	1.000	1.000	10.	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0
透磁率	備考				高い強磁性	非磁性	非磁性 (常磁性)	非磁性 (常磁性)	非磁性	非磁性 (反磁性)	強磁性	強磁性

チタンの機械的性質（他金属材料との比較）

		純チタン Commercially Pure Titanium (CP2種) (Grade 2)	α-βチタン合金 α-β Titanium Alloy (Ti-6Al-4V)	βチタン合金 β Titanium Alloy (Ti-15-3-3-3)	鉄 Steel t5 (SS400)	ステンレス鋼 Stainless steel (SUS304)	アルミニウム Aluminum alloy t1 (A7075-T6)	アルミニウム合金 Aluminum t1 (1100-O)	マグネシウム Magnesium alloy AZ31 (MP1B-0)	銅 Copper t4 (1020-O)	ニッケル Nickel	ハステロイC Hastelloy (NW0276)
引張強さ (規格値) Tensile strength (standard value)	(MPa)	390	957	828	400	590	70	570	250	233	319	892
引張強さ (規格値) Tensile strength (standard value)	比強度 (計算値)	86	216	174	51	74	26	204	140	26	36	100
0.2％耐力 (規格値) 0.2% proof stress (standard value)	(MPa)	270	888	789	179	255	30	505	180	69	59	490
0.2％耐力 (規格値) 0.2% proof stress (standard value)	比耐力	60	200	166	23	32	11	180	100	8	7	55
伸び (規格値) Elongation (standard value)	(％)	38	11	18	48	60	43	11	15	48	30	45
ビッカース硬さ Vickers hardness (representative value)	(HV)	160	320	270	130	180	25	60	90	－	－	－
n値 (代表値) n value (representative value)		0.145	0.080	0.061	0.238	0.404	0.25	－	0.15	0.359	－	－
r値 (代表値) r value (representative value)		4.27	1.17	1.01	1.32	1.01	0.87	－	4.20	1.15	－	－
エリクセン値 (代表値) Erichsen value (representative value)	(mm)	9.7	－	－	12.0	13.0	11.0	－	－	10.5	－	－
低温性質		T.S.=1,000N/mm²	T.S.=1,400N/mm²	－	－	T.S.=1,600N/mm²	使用可能	－	T.S.=400N/mm²	－	－	－
低温性質	伸び	El=40%	El=15%	－	－	El=30%	－	－	El=50%	－	－	－
ヤング率 (代表値) Young’s modulus (representative value)	(GＰa)	106.3	110	78.4	205.8	199.9	69	71	45	107.8	205.8	204.4
ヤング率 (代表値) Young’s modulus (representative value)	比	1.00	1.03	0.74	1.94	1.88	0.65	0.67	0.42	1.01	1.94	1.92
ポアソン比 (代表値) Poisson’s ratio (representative value)		0.34	0.33	－	0.31	0.3	0.33	0.33	0.35	0.34	0.30	－
スプリングバック性	1/E	9.4	9.1	12.8	4.9	5.0	14.5	14.1	22.2	8.6	－	－

高耐食性

「チタン」は多種多様な環境で極めて安定した不動態皮膜(自然に生成する酸化被膜＝TiO2)で保護され、海水中では白金に次ぐ耐食性を持っている。「チタン」は極めて活性な金属のため酸素との結合力が強く、被膜に疵が発生しても瞬時に自己修復する。化学プラントなどの場合は腐食減肉速度が5mils/年以下(NASE)、即ち0.125㎜/年以下の腐食速度がある場合に耐食性が良いとしている。「チタン」は高濃度の非酸化性の強酸、沸騰ギ酸及びクエン酸などでも腐食する。また、ステンレスSUS304、SUS316とは電位が近く異種金属接触腐食の程度は軽い。

腐食媒	組成 (%)	温度 (℃)	耐食性比較
腐食媒	組成 (%)	温度 (℃)	チタン	SUS304	ハステロイC
塩酸 Hydrochloric acid
	10	24	○	×	◎
	30	24	×	×	◎
	10	80	×	－	○
	30	80	×	－	△
硫酸 Sulfuric acid
	10	24	△	－	◎
	50	24	×	×	◎
	10	100	×	－	◎
	50	100	×	－	◎
硝酸 Nitric acid
	10	24	◎	◎	◎
	50	24	◎	◎	－
	10	100	◎	◎	△
	50	100	◎	○	－
王水 Aqua regia
	HCI・HNO₃	24	◎	×	△
	3：1	100	○	－	－
クロム酸 Chromic acid	5	24	◎	－	◎
弗化水素 Hydrofluoric acid	5	30	×	×	△
燐酸 Phosphoric acid
	10(通気)	24	○	◎	◎
	50(通気)	24	△	◎	◎
	10(通気)	100	×	◎	◎
	50(通気)	100	×	○	◎
塩化第二鉄 Ferric chloride
	10	24	◎	×	◎
	30	24	◎	×	◎
	10	100	◎	－	－
	30	100	◎	－	－
塩化第二銅 Cupric chloride
	10	24	○	×	○
	30	24	○	×	○
	10	100	○	－	－
	30	100	○	－	－
塩化ナトリウム Sodium chloride
	10	24	◎	○	○
	40	24	◎	○	○
	10	100	◎^*	○^*	○
	40	100	◎^*	○^*	○
塩化カルシウム Calcium chloride
	10	24	◎	◎	◎
	50	24	◎	○	◎
	10	100	◎^*	－	◎
	50	100	◎^*	×	◎
塩化アンモニウム Ammonium chloride
	10	24	◎	△	◎
	40	24	◎	－	◎
	10	100	◎^*	－	◎
	40	100	◎^*	－	◎
塩化マグネシウム Magnesium chloride
	10	24	◎	△	◎
	40	24	◎	○	◎
	10	100	◎^*	△^*	◎
	40	100	◎^*	－	◎
硫酸第一鉄 Ferrous sulfate
	10	24	◎	○	○
	50	24	◎	○	○
	10	100	◎	○	○
	50	100	◎	－	○

腐食媒	組成 (%)	温度 (℃)	耐食性比較
腐食媒	組成 (%)	温度 (℃)	チタン	SUS304	ハステロイC
アンモニア Ammonium
	10	24	◎	◎	◎
	30	24	◎	◎	◎
	10	80	◎	○	○
	30	80	◎	○	◎
苛性ソーダ Sodium hydroxide
	10	24	◎	◎	◎
	50	24	◎	◎	－
	10	100	◎	◎	◎
	50	100	○	○	◎
炭酸ソーダ Sodium carbonate
	10	24	◎	◎	◎
	30	24	－	－	－
	10	100	◎	◎	◎
	30	100	◎	◎	◎
硫化水素 Hydrogen sulfide
	乾燥ガス	24	◎	△	◎
	湿潤ガス	24	◎	○	○
塩素 Chlorine
	乾燥ガス	24	×	－	◎
	湿潤ガス	24	◎	－	△
	乾燥ガス	100	－	◎	○
	湿潤ガス	90	◎	－	△
亜硫酸ガス Sulfur dioxide
	乾燥ガス	30-60	◎	－	－
	湿潤ガス	30-90	◎	－	－
海水 Seawater
	高流速	24	◎	－	－
	静止水	100	◎^*	－	◎
酢酸 Acetic acid
	10	24	◎	◎	◎
	60	24	◎	◎	◎
	10	100	◎	◎	◎
	60	100	◎	○	◎
蟻酸 Formic acid
	10	24	○	○	◎
	50	24	○	○	◎
	10	100	○	×	◎
	30	100	×	×	◎
乳酸 Lactic acid
	10	24	◎	○	○
	50	24	◎	○	◎
	10	100	◎	○	○
	50	100	◎	×	○
蓚酸 Oxalic acid
	10	24	○	○	○
	20	52	×	－	○
	50	24	－	○	○
	10	100	－	－	○
	50	100	－	×	○
クエン酸 Citric acid
	10	24	◎	○	◎
	50	24	◎	○	◎
	10	100	◎	○	◎
	50	100	×	×	◎

注）*は孔食その他の局部腐食を起こす場合があります

記号の説明　◎<0.127、○=0.127-0.508、△=0.508-1.27、×>1.27mm/year

生体適合性

「チタン」は生体適合性を有するといった特徴もあり、無毒性、低イオン溶出を活かし人工歯根、心臓ペースメーカーなどの体内に埋入するインプラント材として用いられている。特に使用量が多い分野として整形外科領域では脊椎固定器具、ボーンプレート、人工股関節、骨頭などの骨組織と光学顕微鏡レベルで直接密着します。チタンはニッケルやクロムコバルトなど、他の金属と比べてアレルギーを発症しにくい。

非磁性

チタンの透磁率は1.001で完全な非磁性体に近い非磁性である。磁石に付かない、磁石にならないという非磁性の性質を用いて、超電導装置、磁気共鳴画像診断装置(MRI)にも使用される。MRI環境下では完全非磁性ではない為、アーチファクトなどの影響は避けられない。また磁気テープを扱うハサミや磁気機雷を除去する工具などにも実際に使用されている。

不燃性

チタン展伸材は不燃材料に認定されている。しかし切粉、粉末などは燃焼する恐れもある為、取扱いには注意する必要がある。

低熱伝導率、低電気伝導率

純チタンの熱伝導率は鉄の1/3、アルミの1/10、銅の1/20であり、チタン合金(Ti-6Al-4V)はさらに低い。切削、溶接加工時にはこの熱に留意する必要がある。また、純チタンの電気伝導率では鉄の1/5、アルミの1/20、銅の1/30と熱伝導率よりさらに低い。言い換えれば電気と熱を伝えにくい実用金属でもある。

線膨張係数

鉄、ステンレス、銅の約1/2、アルミの1/3とチタンの膨張係数は小さい。その為、航空機分野ではカーボン素材(CFRP)との相性が良く、航空機部品への使用量が増えてきている。