(57)【要約】  溶融塩浴で、陽極及び陰極を用いて電気分解を行い、金属チタンを製造する方法であって、前記陽極として、金属チタンを含有する陽極を使用し、金属チタンを陰極上に析出させるチタン析出工程を含み、前記チタン析出工程で、溶融塩浴の温度を２５０℃以上かつ６００℃以下とするとともに、当該チタン析出工程の開始時から３０分経過するまでの間の前記陰極の平均電流密度を０．０１Ａ／ｃｍ2〜０．０９Ａ／ｃｍ2の範囲内に維持する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融塩浴で、陽極及び陰極を用いて電気分解を行い、金属チタンを製造する方法であって、
前記陽極として、金属チタンを含有する陽極を使用し、
金属チタンを陰極上に析出させるチタン析出工程を含み、前記チタン析出工程で、溶融塩浴の温度を２５０℃以上かつ６００℃以下とするとともに、当該チタン析出工程の開始時から３０分経過するまでの間の前記陰極の平均電流密度を０．０１Ａ／ｃｍ2〜０．０９Ａ／ｃｍ2の範囲内に維持する、金属チタンの製造方法。
【請求項２】
チタン析出工程で、前記溶融塩浴に浸漬させる陰極浸漬部分の表面積を３０００ｍｍ2以上とする、請求項１に記載の金属チタンの製造方法。
【請求項３】
チタン析出工程で金属チタンを析出させる前記陰極の表面が、曲面形状を有する、請求項１又は２に記載の金属チタンの製造方法。
【請求項４】
前記陰極が円筒形状を有する、請求項３に記載の金属チタンの製造方法。
【請求項５】
前記溶融塩浴が、ＭｇＣｌ2、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＣａＣｌ2、ＬｉＣｌ、アルカリ金属のヨウ化物、およびアルカリ金属の臭化物からなる群から選択される少なくとも二種を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の金属チタンの製造方法。
【請求項６】
前記陰極が、Ｔｉ、ＭｏまたはＦｅの何れかを７０質量％以上含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の金属チタンの製造方法。
【請求項７】
チタン析出工程に先立ち、前記溶融塩浴で電気分解により前記陽極を溶解させる陽極溶解工程をさらに含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の金属チタンの製造方法。
【請求項８】
チタン析出工程の後、前記陰極上に析出した金属チタンを、該陰極から剥離させるチタン剥離工程をさらに含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の金属チタンの製造方法。
【請求項９】
２０μｍ〜１０００μｍの厚さを有するシート状の金属チタンを製造する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の金属チタンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、溶融塩浴で、陽極及び陰極間への電圧の印加により電気分解を行って、金属チタンを製造する方法に関するものである。特にこの発明は、陰極上に電着する金属チタンの、陰極からの剥離性を向上させる技術を提案するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属チタンは、大量生産に適したクロール法により製造することが一般的である。このクロール法では、はじめに、チタン鉱石に含まれる酸化チタンを塩素と反応させ、四塩化チタンを生成する。そして、この四塩化チタンを金属マグネシウムで還元し、スポンジ状の金属チタン、いわゆるスポンジチタンを得る。【０００３】
ここで、比較的薄い厚みの箔状等のシート状の金属チタンを製造するには、上記のスポンジチタンを溶解するとともに鋳造してチタンインゴットやチタンスラブとした後、さらに鍛造や圧延その他の所要の加工を施すことが必要になる。それ故に、このような溶解及び加工を要するプロセスでは、箔状その他のシート状等の所定の形状の金属チタンを効率的かつ低コストで製造できるとは言い難い。【０００４】
かかる状況の下、上述した溶解及び加工に代えて、溶融塩浴を用いて金属チタンを析出させる溶融塩電解を採用することが、製造プロセスでの消費エネルギーの削減及びコストの低減の観点から注目されている。【０００５】
これに関連する技術としては、たとえば特許文献１に記載されたもの等がある。特許文献１には、「溶融塩電解法で金属チタンを製造する方法において、カソード電極の少なくともチタン電析面が金属モリブデンあるいは金属シリコンであり、溶融塩浴がアルカリ金属の塩化物又は塩化物とヨウ化物の混合塩にチタンイオンが溶解した溶融塩浴である、ことを特徴とする金属チタン箔の製造方法」が記載されている。そして、これにより、「直接平滑なチタン箔が得られるため、熱間鍛造や熱間圧延などの工程が不要となり、工程削減や歩留向上が可能であり、工業用純チタンレベルの低酸素（１０００ｐｐｍ以下）、低鉄濃度（２０００ｐｐｍ以下）のチタン箔を低コストで得られる。」とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１７−１３７５５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、溶融塩浴で、陽極及び陰極間への電圧の印加に基いて電気分解を行う溶融塩電解では、陰極上に金属チタンを析出させた後、該金属チタンを陰極から剥離させることを要する。特に、このような溶融塩電解による金属チタンの製造を工業的に利用しようとすれば、シート状の金属チタンの表裏面の面積の増大等に伴って、陰極からの剥離性の問題が顕在化する。【０００８】
この点に関し、特許文献１は、陰極上に、表面が平滑な金属チタンを析出させることについては検討されているものの、陰極から金属チタンを剥離させることは検討課題であった。特許文献１では、「カソード電極の浸漬部は１０ｍｍ幅×１０ｍｍ深さ」としており（段落００３１）、比較的小さな寸法の金属チタンを析出させている。したがって、この技術を、ある程度大きな寸法の金属チタンの析出を要する量産に適用するには、陰極からの金属チタンの剥離性の観点で更なる改善の必要性があるといえる。
また特許文献１では、溶融塩浴の温度を７００℃以上として電気分解を行っているが、高温の溶融塩浴では、陰極からの金属チタンの剥離性の悪化を招く場合があることが解かった。【０００９】
この発明の目的は、溶融塩電解により陰極上に析出する金属チタンを良好に剥離することのできる金属チタンの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明者は鋭意検討の結果、溶融塩浴を比較的低温とし、かつ、チタン析出工程開始後３０分間の陰極の平均電流密度を所定の範囲とすることにより、その後に陰極上に析出する金属チタンの剥離が容易になることを見出した。【００１１】
この発明の金属チタンの製造方法は、溶融塩浴で、陽極及び陰極を用いて電気分解を行い、金属チタンを製造する方法であって、前記陽極として、金属チタンを含有する陽極を使用し、金属チタンを陰極上に析出させるチタン析出工程を含み、前記チタン析出工程で、溶融塩浴の温度を２５０℃以上かつ６００℃以下とするとともに、当該チタン析出工程の開始時から３０分経過するまでの間の前記陰極の平均電流密度を０．０１Ａ／ｃｍ2〜０．０９Ａ／ｃｍ2の範囲内に維持するというものである。【００１２】
ここで、チタン析出工程では、前記溶融塩浴に浸漬させる陰極浸漬部分の表面積を３０００ｍｍ2以上とすることが好ましい。【００１３】
またここで、チタン析出工程で金属チタンを析出させる前記陰極の表面は、曲面形状を有することが好ましい。
この場合、前記陰極は円筒形状を有することがより一層好ましい。【００１４】
そしてまた、前記溶融塩浴が、ＭｇＣｌ2、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＣａＣｌ2、ＬｉＣｌ、アルカリ金属のヨウ化物、およびアルカリ金属の臭化物からなる群から選択される少なくとも二種を含むことが好ましい。【００１５】
なお、前記陰極は、Ｔｉ、ＭｏまたはＦｅの何れかを７０質量％以上含むものとすることができる。【００１６】
この発明の金属チタンの製造方法は、チタン析出工程に先立ち、前記溶融塩浴で電気分解により前記陽極を溶解させる陽極溶解工程をさらに含むことができる。【００１７】
この発明の金属チタンの製造方法は、チタン析出工程の後、前記陰極上に析出した金属チタンを、該陰極から剥離させるチタン剥離工程をさらに含むことができる。【００１８】
この発明の金属チタンの製造方法は、２０μｍ〜１０００μｍの厚さを有するシート状の金属チタンを製造することに特に適している。
【発明の効果】
【００１９】
この発明の金属チタンの製造方法によれば、チタン析出工程で、溶融塩浴の温度を２５０℃以上かつ６００℃以下とするとともに、当該チタン析出工程の開始時から３０分経過するまでの間の前記陰極の平均電流密度を０．０１Ａ／ｃｍ2〜０．０９Ａ／ｃｍ2の範囲内に維持することにより、溶融塩電解により陰極上に析出する金属チタンを良好に剥離することができる。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、この発明の実施の形態について詳細に説明する。
この発明の一の実施形態に係る金属チタンの製造方法は、溶融塩浴で、陽極及び陰極を用いて電気分解を行う溶融塩電解により、金属チタンを製造するものである。この製造方法は、溶融塩浴を用いた電気分解で、陰極上に金属チタンを析出させるチタン析出工程を含む。
【００２１】
チタン析出工程は通常、電解槽内の溶融塩を溶融状態として溶融塩浴とし、この溶融塩浴に、電源に接続した陽極及び陰極を浸漬させ、それらの陽極及び陰極間に電圧を印加して電気分解を行う。特にチタン析出工程では、溶融塩浴の温度を、２５０℃以上かつ６００℃以下と比較的低温にするとともに、チタン析出工程の開始時から３０分経過するまでの間の陰極の平均電流密度を０．０１Ａ／ｃｍ2〜０．０９Ａ／ｃｍ2の範囲内に維持することが重要になる。それにより、その後のチタン剥離工程で、陰極から金属チタンを容易に引き剥がすことができる。
【００２２】
（溶融塩浴）
電解槽内の溶融塩浴を構成する溶融塩は一般に、ハロゲン化物を複数種類混ぜ合わせたものとする。代表的なハロゲン化物としては、ＭｇＣｌ2やＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＣａＣｌ2、ＬｉＣｌ等の塩化物、ＫＢｒ等のアルカリ金属の臭化物、ＬｉＩやＣｓＩ、ＫＩ等のアルカリ金属のヨウ化物等を挙げることができる。これらのうちの二種以上を含むことにより、ある程度低温としても溶融塩浴の溶融状態を良好に維持できるので、チタン析出工程での溶融塩浴の先述した低い温度範囲を実現しやすくなる。
なお、溶融塩中のアルカリ金属のヨウ化物の含有量は、５０ｍｏｌ％以上としてよく、さらに８５ｍоｌ％以上とすることとしてよい。このようにアルカリ金属のヨウ化物を主体とした組成では、例えば電気分解時の溶融塩の温度を２５０℃〜４００℃と十分低下させることができる。
【００２３】
溶融塩浴は、ＭｇＣｌ2、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＣａＣｌ2、ＬｉＣｌ、アルカリ金属のヨウ化物、およびアルカリ金属の臭化物からなる群から選択される少なくとも二種を含むものとしてよい。
なかでも、溶融塩浴は、ＭｇＣｌ2、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＣａＣｌ2及びＬｉＣｌからなる群から選択される少なくとも二種を含む組成としてもよい。この場合、溶融塩浴の温度は４００℃以上６００℃以下、また４００℃以上５５０℃以下とすることができる。この場合、溶融塩浴における、ＭｇＣｌ2、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＣａＣｌ2及びＬｉＣｌからなる群から選択される少なくとも二種の含有量は、合計で８０ｍｏｌ％以上としてよい。
【００２４】
但し、上記のような塩化物等のハロゲン化物は、操業温度等を考慮して、その具体的な塩の種類や含有量を適宜決定することができる。なお、上述したモル基準の含有量は、ＩＣＰ発光分析により測定する。
【００２５】
かかる溶融塩浴は、上述したような塩化物等を含むことにより、融点（共晶点）を、たとえば１３０℃〜４８０℃と低いものとすることができる。これにより、後述の電気分解に際する溶融塩浴の温度を低くすることができる。
【００２６】
なお、溶融塩浴がハロゲン化チタン等といったチタン原料を事前に含むものとして、電気分解の開始前に予め、溶融塩浴にチタン原料を存在させることも可能である。チタン析出工程では、金属チタンが陰極に析出する。なお、溶融塩浴にチタン原料を予め混合する場合、チタン原料としては、ハロゲン化チタン、より詳細には、ＴｉＣｌ2やＴｉＩ2、及び／又は、チタンスクラップやスポンジチタンのような不純物を含む低純度の金属チタン等を挙げることができる。このうち、不純物を含む金属チタンは、たとえば、不純物としてＦｅやＯを比較的多く含む場合がある。チタンスクラップやスポンジチタンをチタン原料として使用する場合は、これらとＴｉＣｌ4を接触させてより低級の塩化チタンを生成させればよい。この実施形態では、チタン原料は溶融塩浴に溶解してから陰極に金属チタンを析出するので、チタン原料はＦｅやＯを比較的多く含んでいても、析出時にはこれらを低減可能である。
溶融塩浴にＴｉＣｌ2等を予め混合する場合、溶融塩浴中のＴｉＣｌ2の含有量は、３ｍоｌ％〜１２ｍоｌ％の範囲内、特に５ｍоｌ％〜１２ｍоｌ％の範囲内に維持することが好ましい。このような範囲内とすることにより、陽極の十分な溶解を待たずにチタン析出工程を開始可能であり、良好に金属チタンを析出させることができる。
【００２７】
但し、後述の陽極溶解工程が行われる場合は、金属チタンを含有する陽極の溶解に起因して、陰極に析出させる金属チタンの原料になるチタン原料が、溶融塩浴に供給されると推測される。これにより、その後のチタン析出工程で、金属チタンを陰極に析出させることができる。この場合、溶融塩浴にＴｉＣｌ2等を予め混合することは必ずしも必要ではない。
【００２８】
（電解装置）
溶融塩電解で用いる電解装置の電解槽は、通常の溶融塩電解で用いられ、溶融塩浴を貯留できる容器状等の一般的なものを用いることができる。
【００２９】
ここで、電解槽内の溶融塩浴に浸漬させる陽極及び陰極のうち、陽極は、金属チタンを含有するものとする。陽極としては、たとえば、スポンジチタン、チタン棒及び／又はチタン板等を用いることができる。スポンジチタンを陽極として使用する場合は、スポンジチタンをＮｉ製の籠内に設置し、Ｎｉ製の籠に通電することで、ＮｉはＴｉよりもイオン化傾向が低いため、Ｎｉは溶出せずに、Ｔｉのみを陽極として溶出させることができる。
【００３０】
またここで、陰極としては、後述のチタン析出工程で表面に金属チタンが電着する様々な材質のものを用いることができる。そのなかでも、陰極は、Ｔｉ、ＭｏまたはＦｅの何れかを７０質量％以上含むことが好ましい。たとえば、陰極は、金属モリブデン、金属チタン、ステンレス鋼および炭素鋼からなる群から選択される少なくとも一種を含むものとしてよい。これらの材質は６００℃以下であればＴｉに溶出しにくいことから、陰極に析出した金属チタンと密着せず、当該金属チタンが容易に剥離可能になるとともに、金属チタンへの不純物の混入が抑制される。陰極は、コーティング等により、少なくともその表面が、金属モリブデン、金属チタン、ステンレス鋼および／または炭素鋼からなるものであれば、このような効果を得ることができる。但し、陰極としては、これら以外にも、黒鉛やグラッシーカーボン等の炭素電極等も採用可能である。
【００３１】
なお、後述の陽極溶解工程を行う場合、その後のチタン析出工程に先立って、陰極を交換することができる。陽極溶解工程では陰極にＴｉ以外の金属が析出しうるので、この状態の陰極を使用してチタン析出工程を行うと、それにより得られる金属チタンの純度が低下する。また、析出するＴｉが合金化し剥離性が低下するおそれもある。よって、陽極溶解工程にて溶融塩浴にチタン原料を供給した後、陰極を交換することが好ましい。
【００３２】
そしてまた、陰極の形状としては、金属チタンが電着するその表面の少なくとも一部が、曲面形状であることが好適である。陽極表面および陰極表面をともに曲面形状、特に円筒形状とすると電極間距離を一定としやすいため、広い面積においてより均一に金属チタンを析出させることができる。この観点から、陽極表面および陰極表面は、互いに相似な曲面形状を有することが好ましい。一方、陽極表面および陰極表面をともに平板形状とした場合は板の裏側への電流の回り込みや、角に電流が集中し、析出する金属チタンの厚さばらつきが起きるおそれがある。
さらに、たとえば、いわゆるロール形状電極として陰極全体を円柱状とすること等により、陰極の表層側を円筒形状とすることは、金属チタンを連続的に製造できるようになるので、生産性の観点から有利である。陰極が円筒形状であるとは、金属チタンが析出する部位が円筒形状であることを意味する。よって、円柱状の陰極を使用した場合でも前記円筒形状の陰極に該当する。この場合、たとえば、円筒形状の陰極をその中心軸周りに回転させながら、溶融塩浴に浸漬させて金属チタンを電着させ、その後に溶融塩浴から引き揚げて、当該表面に電着した金属チタンを剥離させるという操作を連続的に行うことにより、連続的に長尺の金属チタンを製造することができる。
【００３３】
（陽極溶解工程）
先述したように、予め溶融塩浴に塩化チタン等のチタン原料を混合させない場合、チタン析出工程の前に、溶融塩浴で電気分解により陽極を溶解させる陽極溶解工程を行うことができる。なお、溶融塩浴にチタン原料を予め別途混合した場合は、陽極溶解工程を省略することもできるが、さらに陽極溶解工程を行ってもよい。
【００３４】
陽極溶解工程では、一般的な溶融塩電解と実質的に同様にして、溶融塩浴を所定の温度に維持した状態で、溶融塩浴に浸漬させた陽極及び陰極間に、適切な大きさの電流を流す。
【００３５】
これにより、金属チタンを含有する陽極は溶融塩浴に溶け出し、溶融塩浴に陰極に析出する金属チタンの原料が供給される。つまり、ここでは、陽極は、いわゆる消耗電極のように、チタン原料を溶融塩浴へ供給するべく機能する。
【００３６】
陽極溶解工程での溶融塩浴の温度は、２５０℃〜６００℃とすることができ、また陰極の平均電流密度は、０．０１Ａ／ｃｍ2〜２．００Ａ／ｃｍ2とすることができる。これにより、陽極の溶解が良好に行われる。
【００３７】
ここで、陰極の平均電流密度は、式：平均電流密度（Ａ／ｃｍ2）＝平均電流（Ａ）÷電解面積（ｃｍ2）により算出することができる。ここで、電解面積については、たとえば円筒形状の陰極の場合、式：電解面積（ｃｍ2）＝陰極浸漬表面積＝陰極直径（ｃｍ）×３．１４×陰極高さ（ｃｍ）で算出する。また、平均電流は、平均電流密度を求める所定の時間に流す電流の平均値である。陽極溶解工程では、全工程で流した電流の平均値である。後述するチタン析出工程では工程開始時から３０分経過するまでの間に流した電流の平均値を使用する。
【００３８】
（チタン析出工程）
上記の陽極溶解工程の後、必要に応じて陰極を交換し、チタン析出工程を行うことができる。なお、陽極溶解工程を省略した場合は、電解槽内を溶融塩浴とした後に直ちに、チタン析出工程を行うことができる。
【００３９】
チタン析出工程では、陽極及び陰極間への電圧の印加により、陰極上に、溶融塩浴中のチタンが金属チタンとして析出する。上記の陽極溶解工程で陰極上には金属チタンではない金属が電着されていることがあるので、陽極溶解工程後かつチタン析出工程前に陰極を交換しておくことで、より高純度の金属チタンを製造することができる。
【００４０】
チタン析出工程では、溶融塩浴の温度を２５０℃以上かつ６００℃以下とするとともに、チタン析出工程開始時から３０分経過するまでの間の陰極の平均電流密度を０．０１Ａ／ｃｍ2〜０．０９Ａ／ｃｍ2の範囲内に維持する。
【００４１】
溶融塩浴の温度を２５０℃以上とすることにより、溶融塩浴の良好な溶融状態を維持することができる。溶融塩浴の温度を６００℃以下とすることにより、析出する金属チタンと陰極との間に、それらの金属からなる合金が形成されにくくなるので、陰極からの金属チタンの剥離性を向上させることができる。また高温とすることに起因するコストの増大も抑制することができる。
【００４２】
陰極の平均電流密度を０．０１Ａ／ｃｍ2以上とすれば、良好なチタン析出量となる。また、陰極の平均電流密度を０．０９Ａ／ｃｍ2以下とすることにより、金属チタンの剥離性を良好とすることができる。チタン析出工程を開始した時から３０分経過するまでの間（以下、「析出開始期間」ともいう。）の平均電流密度を上記範囲に維持することで、良好な剥離性を発揮可能である。ここで、チタン析出工程の開始時とは、陰極上への金属チタンの析出が始まったときを意味する。
【００４３】
このような観点から、溶融塩浴の温度は２５０℃以上かつ５５０℃以下とすることがより一層好ましい。またチタン析出工程開始後３０分間の平均電流密度は０．０４Ａ／ｃｍ2〜０．０９Ａ／ｃｍ2の範囲内に維持することがより一層好ましい。
【００４４】
析出開始期間が経過した後は、陰極の平均電流密度を、０．０１Ａ／ｃｍ2〜５．００Ａ／ｃｍ2とすることができる。析出開始期間が経過した後は、陰極の平均電流密度の上限側は２．００Ａ／ｃｍ2以下としてよい。
【００４５】
チタン析出工程では、電気分解で金属チタンを陰極上に析出させるに際しては、定常電流とすることもできるが、ＯＮ／ＯＦＦ制御のパルス電流とすることができる。このＯＮ／ＯＦＦ制御のパルス電流とは、金属チタンを析出させるための電流の供給と、電流供給の停止とを交互に繰り返すことを意味する。三段階以上の電流値に切り替えることを繰り返してもよい。ＯＮ／ＯＦＦ制御のパルス電流とすることにより、電流供給停止時に濃度拡散によりＴｉの濃度の不均一が解消もしくは緩和される。その結果として、より高純度の金属チタンを得ることができると考えられる。
あるいは、傾斜電流とすることも可能である。傾斜電流とは、時間の経過に伴い、電流量を増加させ、もしくは減少させ、又は、増減を交互に行うことを意味する。増加もしくは減少の程度を途中で変化させることもできる。
このようなパルス電流もしくは傾斜電流を採用する場合、陰極の平均電流密度は、上述した算出方法と同様にして求めることができる。
【００４６】
なおここでは、陰極の、溶融塩浴に浸漬させる部分である陰極浸漬部分の表面積（すなわち、溶融塩浴と陰極の表面との接触面積）を、３０００ｍｍ2以上、さらに４０００ｍｍ2以上とすることが好適であり、より好ましくは６０００ｍｍ2以上、特に８０００ｍｍ2以上とする。これにより、表裏の表面積が大きな大型のシート状等の金属チタンを得ることができる。
【００４７】
（チタン剥離工程）
チタン析出工程の後は、陰極上に析出した金属チタンを、該陰極から剥離させるチタン剥離工程を行う。
ここでは、金属チタンを剥離させる種々の手法を採用することができる。たとえば、金属チタンの一部を把持し、物理的に陰極から金属チタンを剥離する形態（機械的な剥離）等を採用できる。
【００４８】
この実施形態では、先述したように、特にチタン析出工程で、溶融塩浴の温度を２５０℃以上かつ６００℃以下とするとともに、チタン析出工程開始後３０分間の前記陰極の平均電流密度を０．０１Ａ／ｃｍ2〜０．０９Ａ／ｃｍ2の範囲内に維持することにより、表面及び裏面の面積の大きな比較的大型のシート状等の金属チタンであっても、陰極から容易に剥離させることができる。
【００４９】
このようにして製造された金属チタンは、好ましくはシート状、より好ましくは箔状であり、たとえば２０μｍ〜１０００μｍ程度の厚さを有するものとすることができる。該厚さの下限側は６０μｍ以上とすることができる。金属チタンの厚さを算出するには、光学顕微鏡にてシートの１辺に沿って厚み方向断面を１００倍で観察し、１０点で厚みを求め、その平均値を金属チタンの厚みとする。なお、電解時間を長くするほど製造される金属チタンは厚くなる傾向にある。
また、この実施形態では、表面及び裏面の面積が、たとえば１００ｍｍ2〜１００００ｍｍ2程度の大きな寸法を有するシート状の金属チタンであっても、陰極から良好に剥離させて有効に製造することができる。
【００５０】
またここでは、金属チタンを、上述したように電気分解により陰極の表面に析出させて製造することから、これにより製造された金属チタンに含まれ得る酸素及び鉄の含有量を、陽極等のチタン原料に含まれ得るものよりも少なくすることができる。たとえば、この実施形態に従って製造した金属チタンでは、酸素の含有量は３００質量ｐｐｍ以下まで低減することができる。また、当該金属チタンの鉄の含有量は３００質量ｐｐｍ以下に低減可能である。
【実施例】
【００５１】
次に、この発明の金属チタンの製造方法を試験的に実施し、その効果を確認したので以下に説明する。但し、ここでの説明は単なる例示を目的としたものであり、それに限定されることを意図するものではない。【００５２】
（通電前）
内径が１０６ｍｍで高さが３５０ｍｍの円筒状のＮｉるつぼ内に、ＮａＣｌ：７２５ｇ（関東化学株式会社製の特級、事前に２００℃の真空乾燥を１日実施）、ＫＣｌ：６１６ｇ（関東化学株式会社製の特級、事前に２００℃の真空乾燥を１日実施）、ＭｇＣｌ2：１９６７ｇ（クロール法の還元工程で副生された無水のＭｇＣｌ2）を投入し、外熱ヒーターで７００℃まで昇温し、溶解させて、これを溶融塩浴とした。【００５３】
その後、比較例３を除き溶融塩浴の温度を５２０℃に低下させ、以後通電中もこの温度を維持した。なお通電前に、スポンジチタンにＴｉＣｌ4を添加したものを溶融塩浴に混合し、これにより溶融塩浴に６ｍｏｌ％のＴｉを供給した。これらの作業は全てＡｒ雰囲気下で行った。【００５４】
（通電後）
陽極としては、金属チタン板を、内径８９ｍｍ、高さ１００ｍｍの円筒形状に成形したものを用いた。また陰極としては、金属モリブデン、金属チタン、もしくは炭素鋼からなる円柱形状のものを用いた。この陰極の表面は、曲面形状、より具体的には陰極は円筒形状である。
これらの陽極及び陰極の電解槽内での配置態様については、円筒形状の陽極を、その中心軸線が溶融塩浴の深さ方向とほぼ平行になるように配置するとともに、この円筒形状の陽極の内側の中心に、円柱形状の陰極を配置した。【００５５】
上記の陽極及び陰極に、所定の間隔で通電及び停止を繰り返すパルス電流を流し、それにより電気分解を行って、陽極を溶解させ、陰極上に金属チタンを箔状に析出させた。実施例１〜７ならびに比較例１〜３の各種条件を、表１に示す。
ここで、実施例１〜７及び比較例３では、表１に示すように、通電開始時から３０分経過するまでの間を含む通電期間の全体を通して、陰極の平均電流密度が０．０１Ａ／ｃｍ2〜０．０９Ａ／ｃｍ2に維持されるようにパルス電流を流した。すなわち、チタン析出工程の開始から３０分までと３０分以降の平均電流密度は同じである。一方、比較例１及び２では、通電開始時から３０分経過するまでの間を含む通電期間の全体を通して、陰極の平均電流密度を０．０９Ａ／ｃｍ2より高くなるようにした。【００５６】
（金属チタンの回収）
電気分解の終了後、陰極を溶融塩浴から引き揚げて水洗し、その表面に付着していた溶融塩を除去した。いずれの実施例１〜７ならびに比較例１〜３においても、陰極浸漬部分の表面積と同等のサイズの金属チタンが陰極上に析出した。また、いずれの実施例１〜７ならびに比較例１〜３も、陰極に箔状の金属チタンが析出し、その箔状の金属チタンは外観で孔が観察されなかった。【００５７】
その後、乾燥させた金属チタンにカッターで切り込みを入れ、ピンセットおよび手で金属チタンの切り込み部を掴み、手の力による陰極からの剥ぎ取りを試みた。手で剥離できたものは高剥離性とし、剥離できなかったものは低剥離性として、表１に示す。低剥離性であった例における金属チタンの回収は、硝酸と硫酸の混合液で陰極を溶解することにより行った。【００５８】
【表１】
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【００５９】
表１に示すところから、陰極の平均電流密度を０．０１Ａ／ｃｍ2〜０．０９Ａ／ｃｍ2の範囲内に維持した実施例１〜７では、手で剥離できる高剥離性となり、この一方で、陰極の平均電流密度をそれよりも大きくした比較例１及び２では、手で剥離できない低剥離性となったことが解かる。また、溶融塩の温度が高温であった比較例３においても手で剥離できない低剥離性となった。【００６０】
（金属チタンの分析）
実施例１について、金属チタン中の酸素の分析を、不活性ガス溶解による赤外線吸光法で行った。また、実施例１について、金属チタン中の鉄の分析を、溶解した当該金属チタンに対して蛍光Ｘ線分析で行った。
その結果、実施例１で得られた金属チタンの酸素濃度は１７５質量ｐｐｍ、鉄濃度は６質量ｐｐｍであった。原料とした金属チタン製の陽極の酸素濃度は７００ｐｐｍ、鉄濃度は６００ｐｐｍであったことから、実施例１で得られた金属チタンは高純度になっていたことを確認した。【００６１】
（実施例８）
通電後（チタン析出工程開始後）３０分を経過した後は平均電流密度を０．０９Ａ／ｃｍ2超の０．１１Ａ／ｃｍ2とした点以外は実施例１と同様の条件にて陰極上に金属チタンを析出させた。その結果、実施例１と同様に箔状の金属チタンは大面積でも外観で孔が観察されず、かつ高剥離性を示した。【００６２】
（比較例４）
通電後（チタン析出工程開始後）２７分を経過した後は平均電流密度を０．０９Ａ／ｃｍ2超の０．１１Ａ／ｃｍ2とした点以外は実施例１と同様の条件にて陰極上に金属チタンを析出させた。その結果、得られた箔状の金属チタンは、外観に孔は観察されなかったが、手で剥離できない低剥離性を示した。
【国際調査報告】
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