チタンの特徴と機能

Aug 26, 2023

チタンは、周期表の原子番号 22 の元素です。第 4 周期元素サブグループ (IVB 指定) には、チタンに加えてジルコニウムとハフニウムが含まれます。共通の特徴は、室温で表面に形成される高い融点です。安定した酸化皮膜です。

1. 低密度、高強度、高比強度

チタンの密度は 4.51g/cm3 で、これは鋼鉄の 57% です。チタンはアルミニウムの 2 倍未満の重さでありながら、3 倍の強度を誇ります。チタン合金の比強度（強度/密度比）は、一般的に使用される工業用合金の中で最大です（表2-1を参照）。チタン合金の比強度はステンレス鋼の3.5倍です。アルミニウム合金の1.3倍。マグネシウム合金の1.7倍。航空宇宙産業には欠かせない構造材料です。

表 2-1 チタンと他の金属の密度と比強度の比較

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2. 優れた耐食性

チタンの不動態化は酸化膜の存在に依存しており、酸化膜は還元性媒体よりも酸化性媒体の方が耐食性が高くなります。還元媒体では高速腐食が発生します。チタンは、海水、湿った塩素、亜塩素酸塩および次亜塩素酸塩の溶液、硝酸、クロム酸、金属塩化物、硫化物、有機酸などの一部の腐食性媒体では腐食しません。しかし、チタンと反応して水素を発生する媒体（塩酸、硫酸など）では、通常、チタンの腐食速度が大きくなります。しかし、酸に少量の酸化剤を添加すると、チタン表面に不動態皮膜が形成されます。したがって、チタンは濃硫酸・硝酸や塩酸・硝酸混合液、さらには遊離塩素を含む塩酸に対しても耐食性を有します。チタンの保護酸化膜は、たとえ少量または水蒸気であっても金属が水と接触すると通常形成されます。チタンが水なしで強い酸化環境にさらされると、急速な酸化と激しい反応が起こり、しばしば自然発火さえも起こります。この現象は、チタンが過剰な窒素酸化物を含む発煙硝酸と反応したり、チタンが乾燥塩素ガスと反応したりするときに発生します。したがって、このような反応を防ぐためには、ある程度の水が必要です。たとえ少量でも、水蒸気中でも。チタンが水なしで強い酸化環境にさらされると、急速な酸化と激しい反応が起こり、しばしば自然発火さえも起こります。この現象は、チタンが過剰な窒素酸化物を含む発煙硝酸と反応したり、チタンが乾燥塩素ガスと反応したりするときに発生します。したがって、このような反応を防ぐためには、ある程度の水が必要です。たとえ少量でも、水蒸気中でも。チタンが水なしで強い酸化環境にさらされると、急速な酸化と激しい反応が起こり、しばしば自然発火さえも起こります。この現象は、チタンが過剰な窒素酸化物を含む発煙硝酸と反応したり、チタンが乾燥塩素ガスと反応したりするときに発生します。したがって、このような反応を防ぐためには、ある程度の水が必要です。

3. 優れた耐熱性

通常、アルミニウムは 150 度で元の特性を失い、ステンレス鋼は 310 度で元の特性を失い、チタン合金は約 500 度でも良好な機械的特性を維持します。航空機の速度が音速の2.7倍に達すると、航空機構造の表面温度は230度に達し、アルミニウムやマグネシウム合金は使用できなくなりますが、チタン合金は要件を満たすことができます。チタンは耐熱性に優れており、航空エンジンのコンプレッサーのディスクやブレード、航空機の後部胴体の外板などに使用されています。

4. 優れた低温性能

一部のチタン合金（Ti-5AI-2.5SnELI など）の強度は温度の低下とともに増加しますが、可塑性はあまり低下しません。低温でも良好な可塑性と靭性を有しており、超低温での使用に適しています。乾燥液体水素や液体酸素のロケットエンジンに使用できるほか、有人宇宙船の超低温コンテナや貯蔵タンクにも使用できます。

5.非磁性

チタンは非磁性で、潜水艦の砲弾に使用されており、機雷爆発を引き起こすことはありません。

6. 熱伝導率が小さい

チタンと他の金属の熱伝導率の比較を表2-2に示します。

表 2-2 チタンと他の金属の熱伝導率の比較

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