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チタン製造技術の系統化
Historical Development of Titanium Production Technologies

伊藤喜昌 Yoshimasa Ito■ 要旨
チタンは元素として発見されたのは 19 世紀初頭ではあったが、天然に存在する酸化物を主体とする鉱石
TiFeO2 からチタンを抽出するためには精錬のための化学的基礎データーならびに高度な精錬技術とそれに関連する真空技術、不活性ガス精製技術、高圧容器製造などが完成される第二次世界大戦後を待つ必要があった。
チタンの鉱石は全世界に幅広く分布しており、日本にも古くは砂鉄を採取して玉鋼（日本刀の原料）を作っていた東北、鳥取地区などでは 30％程度含有するものが戦前の鋼研究で有害な元素として認識されていた。
チタンの精錬は 1930 年代ヨーロッパでクロール博士が基礎技術を開発し、アメリカに移って戦後工業化に成功していた。日本は第二次大戦後の混乱期にもかかわらずチタンの将来性をいち早く感じ取り、京都大学、大阪
大学、神戸製鋼で共同研究が始められた。その後、通産省の行政指導もあり精錬については大阪チタニウム㈱を中心に進められ、次いで創業した東邦チタニウム㈱の二社に集約された。米クラーク博士の来日を受け、二社とも技術的先進性の先鞭を付けるきっかけとなった。昭和 26 年（1951 年）より日本において金属チタンの原料であるスポンジチタンの製造が開始された。スポンジチタンは昭和 30 年（1955 年）に初めてアメリカへ輸出され、年々ロットの大型化と省エネ化が進められ、世界で最も高純度でかつ低コスト生産が可能となった。近年は酸化チタンを直接還元する新精錬法も研究開発されつつあり、日本においても独自技術が開発されている。
スポンジチタンを溶解して鋳塊を作り、以下鍛造、圧延、押出し、鋳造などの展伸材製造は日本において 1955
年から開始された。溶解はアメリカで開発されたばかりのアーク溶解法が適用され、日本独自のサイドチャージ
法も取入れられ、低コスト、大型化をリードした。アーク溶解法の他にプラズマアーク、電子ビームなども最終
展伸材形状に対応した溶解法も開発された。
溶解に続く素形材製造では戦後の兵器関連の製造禁止令を受け、日本は化学工業に用いられる純チタン材製造に特化した。純チタン製造においては鍛造、圧延、管の各製造で鉄鋼製造設備がそのまま適用できたことから、鉄鋼の大型化の流れにのって、純チタン材製造も大型化がスムースに進展した。チタン合金材を主体に進めていたアメリカやヨーロッパ諸国がチタン専用として小型設備でまとまってしまったのとは異なる点であった。
チタン板材の製造は日本のチタン製造を代表するもので、世界一に発展した大型鉄鋼製造設備にその製造を組入れることによって、最高品質かつ低コストの大型板材の供給が可能となり、現在では純チタン市場では世界の約半分のシェアを占めるに至った。
管材の製造はシームレス管においては戦後フランスで開発されたガラス潤滑押出し技術をいち早く導入し、ス
テンレス鋼シームレス管に採用されていたものが純チタン管製造にも利用された。溶接管製造でもステンレス鋼設備が転用され、純チタン特有の成形特性をロール成形に反映させ、1970 年前後に開発された渦流探傷ならびに超音波探傷装置を組入れて材質の信頼性を向上させた。これらを絶対的な安全性が要求される火力・原子力発電所復水器へ適用することに成功し、純チタン溶接管の世界的供給基地となった。
鋳造は従来技術が適用できないため、溶解法、鋳型ともに新しく研究開発がされた。先行していたアメリカの製造技術に追随するも、1990 年前後に出現したゴルフのドライバーヘッドに代表される一般消費財への適用は
1960 年代とは異なる溶解法、鋳型材ならび鋳造法の開発となり、日本独自の開発が行われた。
本調査ではチタン元素の発見からひもとき、工業化への道のりを精錬、溶解そして各種形状の製品を製造するための素形材製造技術へと系統化を多面的視野から試みた。最後に今後の技術進展を展望するとともに、さらに民生化するための考察も行った。

■ Abstract
While titanium oxide was discovered in the early nineteenth century, vacuum technology, refining techniques using argon
gas and manufacturing techniques using the high pressure chamber were needed to produce titanium metal as an industrial
metal after the Second World War.
Titanium ore is distributed vastly worldwide. In Japan, Tohoku and San-in area are famous for Tamahagane, which is the raw
material for producing traditional Japanese swords, but its TiO2 content is less than 30 to 40 percent. The Japanese titanium
industry imports ore with a higher TiO2 content of more than 50 to 90 percent which exists in Australia, India, USA, China, Russia
and other countries.
Dr. William J. Kroll developed the process for refining pure titanium in Belgium during the Second World War and escaped to
the U.S.A before Hitler invaded Belgium. It was about ten years before the industrial production of titanium started. After theSecond World War, the U.S. government recognized the importance of titanium as an aircraft material because U.S. jet fighters
were inferior to Soviet ones in aerial combat during the Korean War. U.S. industry started sponge titanium production in 1949.
Japanese industry had already started research on titanium in 1947.foreseeing the bright future of titanium.
There are two categories of titanium production: sponge titanium production for raw materials and titanium mill production
for industrial materials. Osaka Titanium was established in 1951 for producing sponge titanium and Toho Titanium followed in
1953. In that year, the Japanese government invited Dr. Kroll to lecture on sponge titanium production. The two companies
started to export sponge titanium to the U.S.A. in 1954. Mr. Henry Gilbert of the U.S.Bureau of Mines was also invited to teachabout consumable electrode ark melting technology to Kobe Steel and Sumitomo Metals, and they started to melt sponge
titanium into ingots in 1954.
Ingot making, forging and rolling of titanium started in 1955 in Japan. Titanium mill demand in the 1960’s was so small thatmajor steel companies such as Sumitomo Metals and Kobe Steel produced titanium mill products at a small scale and then wereable to use their highest performance steel mills when the big demand for titanium mill products occurred in 1980’s. Japanesetitanium mill products, especially commercially pure titanium, have the high performance properties such as good gauge
in thickness, the widest and longest,sheets and plates in the world and well controlled grain size and crystal texture for easy
deforming or shaping. Nippon Steel joined in this field in 1984.
Japanese titanium sponge is also of high quality because of its controlled elemental content and very low impurities. Thistitanium sponge is the standard raw material for jet engine companies and aircraft companies around the world. Good quality
titanium mill products in Japan are also based on this Japanese sponge titanium.
Now, the Japanese titanium industry supplies thirty percent of the sponge and twenty-five percent of the titanium millproducts in the world.
In this report, I first introduce the discovery of the element titanium and the work done to refine titanium metal in the U.S.A.
before the Second World War. Next, I introduce the development of the Japanese titanium industry for sponge titanium andtitanium mill products. Last, I summarize the content and discuss future trends and the ways in which titanium might be used.

■ Profile伊藤■ Contents

喜昌 Yoshimasa Ito

国立科学博物館産業資料センター主任調査員

１．はじめに……………………………………………… 213

昭和47年3月

千葉工業大学 金属工学科卒業

２．日本におけるチタン産業発展の推移……………… 214

昭和47年4月㈱神戸製鋼所 入社

３．金属チタンの誕生…………………………………… 216

チタン材の研究開発に従事

４．精錬技術の系譜……………………………………… 226

昭和62年3月

工学博士（チタン）

５．溶解技術……………………………………………… 235

平成14年9月

同社

平成14年10月

日商岩井アルコニックス

平成19年7月

同社

平成19年8月

社団法人 日本チタン協会

６．素形材製造技術……………………………………… 239

定年退職
技術担当部長７．まとめと考察 … ……………………………………… 258
８．チタン製造技術の系統化…………………………… 260

退職
コンサルタント

９．あとがき、謝辞……………………………………… 262
付録………………………………………………………… 263

1 はじめに世界のチタン産業は 2007 年において原料であるス

業化に向かうヨーロッパ、アメリカの相互関係からアポンジチタンで 13 万トン、スポンジチタンから製造

メリカを主舞台へと移る歴史とその後の日本がチタンされる鍛造品、圧延板類、管類ならびに線材などの展産業参入する背景を述べる。

伸材は約 11 万トンである。日本は平成 19 年
（2007 年）

第４章ではチタンの精錬技術としてチタン鉱石の前においてスポンジチタンで世界需要の約 30％である処理から精錬までを、アメリカからの技術導入より始38,865 トンを生産し、展伸材でも同じく世界需要の約まって日本独自の開発にいたる技術の系統化を述べ20％の 19,087 トンを供給している。展伸材には化学る。また、酸化物から直接精錬を可能とする各種精錬

工業用に広く採用される純チタンと航空機に使われる法についても技術の流れから述べる。

チタン合金とがあるが、日本は純チタンの世界市場の第５章では精錬によってできたスポンジチタンを溶約半分のシェアを有している。
本調査ではこのように、解してインゴット（鋳塊）にする溶解技術について、世界市場をリードする日本のチタン産業が戦後スター

初期からのアーク溶解とその大型化、プラズマアーク

トからいかに展開してきたかを技術的に検証すること

溶解や電子ビーム溶解へと続く技術の流れを述べる。

を目的に「製造技術」に焦点を当て、「チタン製造技

第６章では溶解によりできたインゴット（鋳塊）か術の発展」をテーマにその系統化を行った。
第２章では第二次大戦後のチタン製造スタートから現在までを概観し、日本のチタン産業が純チタンを主柱とするにいたった経過を述べる。

ら実際の製品を製造するための鍛造、圧延、造管、鋳造などの各種素形材製造技術を系統化する。
第７章では全体をまとめるとともに、今後の進むべき道を考察する。

第３章ではチタン元素の発見いたる歴史を繙き、工チタン製造技術の系統化調査

213

2 日本におけるチタン産業発展の推移
金属チタンが工業材料として初めて登場したのは第（同じく図 2.1 Ⅱ）平成２年（1990 年代）に入り、大二次世界大戦後の 1950 年代である。アメリカにおい

きなプロジェクトの有無によりチタン産業全体の生産て鉱山局が中心になって 90kg あまりのスポンジチタ量に影響が目立つようになり、幅広くチタンの用途を

ンを製造できるようになったのが 1951 年である。日

開拓すべく日本チタン協会の中に開発会議をもうけ、本も戦後すぐに精錬技術に取り組み、
昭和 27 年（1952

一般民生品向けも含めた新用途開拓を積極的にすすめ年）にはスポンジチタンの国産化に成功し、昭和 29た。（図 2.1年（1954 年）には板、棒などの展伸材の工業生産をⅢ）

日本のチタン産業は当初は国内向けが主体であったが、昭和 55 年（1980 年）以後はアメリカ、ヨーロッ開始した。
アメリカは当初より航空機用途を主体にチタン合金

パを中心とする航空機産業、石油精製産業などのチタン必須工業の中で、日本も国際的供給基地の一つとしを開発し、生産量を伸ばしていった。
日本は戦後すぐで航空機産業への参入も困難な時代て重要な地位を占めるに至った。これには日本のスポ背景もあり、純チタンの耐食性に着目して化学工業用

ンジチタンメーカーの原料としての製造努力とチタ途を指向していった。当初は価格も高く、工業材料とン展伸材メーカーの品質並びにコストダウンの努力がしての採用は限られていたが、腐食環境の厳しい石油あった。

化学工業の発展、化学繊維工業などが隆盛してくるにスポンジチタンの製造においては原料としての不純従って、昭和 35 年（1960 年）頃には純チタンを中心物除去が必須であるが、日本の高純度化を目指した精とする需要が増加してきた。
（図 2.1 Ⅰ）さらに、昭錬技術の進歩が大きく寄与している。日本のスポンジ

和 45 年（1970 年）になると電力需要の増加に伴う原

チタンはその品質の高さから、航空機産業、特にジェッ

子力発電の開始、増設により信頼性の点からオールチ

トエンジンにおいて高速回転する最重要部品のコンプタン製復水器が標準となり純チタンの使用量は大きく

レッサー（圧縮機）ディスク並びにコンプレッサーブ

伸びることとなった。
（図 2.1 Ⅱ）
昭和 55 年
（1980 年）

レード（回転翼）に不可欠の素材となっている。最近頃になると、中近東では不足する水を海水から造る海のスポンジチタンの輸出量は図 2.2 に示すように生産

水淡水化プラントの建設が折からの石油資源開発ブー量の増大もあるが、全体の 30％前後で推移している。

ムにのって急増し、MSF（多段フラッシュ）方式へ

平成 14 年（2002 年）に大きく低下したのは、アメリの純チタン材適用が進んだことから、１施設 数 100

カにおける 9.11 テロによる航空機需要の激減に起因トンから 1000 トンと大量に使用されるようになった。

している。

図 2.1

日本におけるチタン展伸材の生産量推移（伊藤喜昌作成：日本チタン協会 統計資料より）

214

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.13 2009.May࿑ 2.1

輸出用途解析 07年

医 療
1％

民生品
2％
スポーツ・レジャー
建築・土木 1％
0％
船舶・海洋
0％
自動車
2％

その他
8％ 化学工業
6％

販売業者
7％

電
力
24％
航空機
8％
電
P H E
33％

࿑ 2.2

図 2.2 日本におけるスポンジチタンの出荷状況（伊藤喜昌作成：日本チタン協会 統計資料より）

図 2.4 b）チタン展伸材の用途解析

チタン展伸材も図 2.3 に示すようにスポンジチタ

8％

解

造

0％

水

輸出

（伊藤喜昌作成：日本チタン協会 統計資料より）

ン同様、最近は 50％前後が海外向けである。平成 19

なり、広い意味での化学工業向けは全体の 1 ／３にな

年（2007 年）の統計結果によれば国内向けと輸出向る。一方、輸出向けではやはり一番多いのはプレーけに分けたチタン展伸材の用途は図 2.4 のようになっ

ト式熱交換器 36％で電力 26％、航空機７％、電極材ている。国内向けは最も多いのはプレート式熱交換器（電解）６％、化学工業５％とここまでで 80％を超え（Plate heat Exchanger）16％、電極材（電解）14％、ている。輸出向けでも広い意味での化学工業向けは

自動車 13％、電力９％、化学工業７％、航空機５％、50％近くある。輸出材の向け先はほぼ固定しておりプ

民生品７％、以下スポーツ ･ レジャー、船舶 ･ 海洋、

レート式熱交換器用はヨーロッパ、特にスウェーデン、

建築 ･ 土木が２～３％である。その他に向け先が多様

デンマーク、ドイツである。電力向けは海水を使用すである販売業者向けが 16％ある。

る蒸気タービン復水器用でほとんど中国向けである。

化学工業は石油精製や石油化学などをまとめたものであるが、プレート式熱交換器、電極材も広い意味で化学工業向けであるのでこれらも合わせると 37％と航空機はフランス、イギリス、ドイツ向けである。
このように、日本は現在米、欧州、アジア圏に対するチタン供給国として重要な地位を占めている。

参考資料
１）（社）日本チタン協会

統計資料 2007 年度（2008）

２） アメリカITA（International Titanium Association）
統計資料 2007 年度（2008）

࿑ 2.3

図 2.3

日本におけるチタン展伸材の出荷状況（伊藤喜昌作成：日本チタン協会 統計資料より）

国内用途解析 07年
その他
4％

࿑ 2.4

医 療
0％
スポーツ・レジャー
3％
建築・土木
2％
エネルギー
0％

化学工業
8％

販売業者
16％
民生品
7％

船舶・海洋
3％

電
力
12％

造

0％

水

電
解
13％
P H E
自動車
航空機 15％13％4％

図 2.4 a）チタン展伸材の用途解析

国内出荷（伊藤喜昌作成：日本チタン協会 統計資料より）

チタン製造技術の系統化調査

215

3 金属チタンの誕生
分析に精力を注いだ。そして王立コーンウォル地質学

3.1 チタン元素の発見

会の創立者の一人となった。

1791 年イギリスの聖職者（牧師）で鉱物学者である

学問的背景さらには英国の科学ソサイアティの環境

ウィリアム・グレゴール（William Gregor1761-1817）

が、偶然ではなく、グレゴールにチタンの発見を可能はドイツの科学誌 Crell’s Annalen に磁性のある（黒にしたのであろう。

教会の財政的背景、大学を卒業した科学者としての色火薬のような色の）黒い砂について発表した。現在

グレゴールは同定できなかった赤褐色の鉱石分を硫チタンの鉱石の一つとして FeTiO3 の組成で知られて酸で溶かしたところ黄色の溶液となった。さらにこれいるイルメナイト Ilmenite の発見である。後年、こを亜鉛、錫、または鉄で還元した結果、溶液は紫色にれがチタンを含む鉱石であることが判ったため、この変わった。しかし、まだチタンとしての分離解析はで

グレゴールによる発見をチタンの起源とすることにきないでいた。グレゴールはその他の元素の分析も精なった。

力的に行っている。そして、多くのヨーロッパ中の研

グレゴールは当時 30 歳で、イギリス Cornwall に究者に鉱物サンプルを提供している。

ある Manaccan 近くの Gonhilly 谷を源流とする川でグレゴールが研究者として過ごした時代には合計

黒い砂を初めて発見した。そしてグレゴールはこの物

29 の元素がグレゴール以外の研究者によって新たに質に彼の牧師としての教区の名前から Manaccanite

発見された。その内 5 種類、バリウム（Ba）、ホウ素（B）、と名付けた。グレゴールは彼の乏しい実験器具と限らカルシウム（Ca）、カリウム（K）ならびにナトリウ

れた時間の中で Manaccanie を分析し、以下の組成にム（Na）はデービー（Humphry Davy 1778-1829）によったどり着いた。

て同定されたが、1812 年に出版されてデービーの著

表 3.1 Gregor の Manaccanite 分析結果
（Kathleen L. Housley: BLACK SAND, Metal Management,
Inc.（2007）P1）

書 Elements of Chemical Philosophy でグレゴールの寄与に謝辞の言葉を書いている。デービーはイギリスの化学者で、電気分解で電気化学の基礎を築いた人である。また、電磁気理論で著名なファラデー（Michael

磁鉄鉱

46

％

シリカ（ケイ酸）

3.5％

同定できない赤褐色の鉱石45

残り（残渣）

４～ 5 %

Faraday 1791-1867）の師でもある。

%

同 定 で き な い赤褐色の鉱石が現在イルメ ナ イ ト
Ilmenite と呼んでいるチタン鉱石の主たる FeTiO3 の部分である。
中世（～ 15 世紀）以後、酒類の醸造なども含めて錬金術に代表される当時の科学（化学）技術はキリス
ト教修道士、牧師などの聖職者によって担われていた。各種金属の発見もこれら多くの聖職者が関わって

図 3.1 William Gregor（John Hoppner による肖像画）（Kathleen L. Housley: BLACK SAND, Metal
Management,Inc.（2007）P68）

きた。グレゴールもその一人であるが、彼自身の学問的バックグラウンドは 1784 年に卒業したケンブリッ
ジ St.John’s College に遡る。しかし、大学では数学を216

グレゴールは 1817 年、肺結核で 55 年の生涯を閉じる。

専攻していて、卒業後この当時の多くのイギリスの科

1793 年、 グ レ ゴ ー ル の Manaccanie の 発 表 の ２ 年

学者が自然科学や科学技術への道へ入っていったよう

後、ドイツの化学者クラプロート（Martin Heinrichに、グレゴールも地質学の理論分野に興味を持ち、当Klaproth1743-1817）はハンガリーの Boinik で採取さ時で言う科学者へとなっていった。当初はグレゴール

れた赤い鉱物からルチル（TiO2）を分離した。クラ

の地場であるコーンウォル（Cornwall）地方の鉱物

プロートはこの結果を公表した時グレゴールの仕事と国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.13 2009.May

グレゴールが見出した酸化物との同等性に言及して

ン小塊は窒素も珪素も含有することもなく、炭素がいる。そしてクラプロートがこの物質にギリシャ神２％であった。その他多くの功績により、モアッサン

話から新しい金属種 titanium と名付けた。ここで初は 1905 年にノーベル賞を受賞した。しかし、人体にめてチタン（titanium）という名称が誕生した。クラ有害なフッ素を含むプロセスを研究していたため 55

プロートは同様に 1789 年にウラン（Ｕ：ウラニウム

歳でこの世を去ることとなる。

uranium）も発見しているが、この時もギリシャ神話からウラニウムと命名している。
酸化物の形の金属元素発見までは探検・発見の時代

この後、真に金属チタンの塊を手にするのは小さいと言えども 1910 年の Matthew Albert Hunter の成果を待たなければならない。

の延長線上にあった。この酸化物（鉱石）から純粋な金属を得るためには金属の種類によって、その困難さに大きな差が生ずることとなる。金、銀のように天然

3.3 工業化への道

で純粋に近い状態で産する歴史をもつものから、鉄ニ ュ ー ジ ー ラ ン ド 出 身 の ハ ン タ ー（Matthew

や銅などのように大気環境下で精錬ができる金属類

Albert Hunter）はアメリカ General Electric での勤は早い時期に工業化されてきた。しかし、チタンは務の後 1908 年、ニューヨークの Rensslar Polytechnic

酸素との結合力が大きいため精錬には真空や不活性Institute の電気部門に採用された。弱冠 30 歳ではガスのアルゴン（Ar）が不可欠であったが、1800 年あったが当時寿命の短かった白熱電球の炭素フィラメ

当時には真空装置もアルゴンも存在していなかった。

ントにかわって金属のフィラメントを見出すことでドイツ人の Julius Plucker、
Heinlich Geissler が真空あった。ハンターのチタンに対する興味はチタンがポンプの基本形である水銀空気真空ポンプを発明し6000℃に近い高い溶融温度を有する（チタンの本当のたのが 1857 年である。またアルゴンがイギリス人の溶融温度は 1668℃である）という間違った思い違い

L.Rayleigh、W.Ramsay によって発見されたのが 1894

から始まった。

年である。工業的に利用できるまでにはさらに年数が必要であった。

3.2 金属チタンを手にする
ほぼ純粋な形での金属チタンを分離したのはロシアの科学者キリロフ（D.K.Kirillov）である。しかし彼が 1875 年にこの発見を発表した時、ロシア国内
でのみしか実施しなかったため、西欧世界に知られることはなかった。続く 1880 年代は更なる高純度
化 の 展 開 と な っ た。1887 年、 ス ウ ェ ー デ ン の Lars
Fredrik Nilson（スカンジウム Sc の発見者）と Otto
Petterson は 気 密 鋼 シ リ ン ダ ー 中 で 四 塩 化 チ タ ン
TiCl4 をナトリウム Na で還元することに
TiCl4 ＋４Na ＝ Ti ＋４NaCl

図 3.2 Matthew Albert Hunter（Kathleen L. Housley: BLACK SAND, Metal
Management,Inc.（2007）P68）

より、95％の純度に達する金属チタンを得た。できたものは青味かかった表面に黄色のスケール（酸化膜）が付いていた。

1910 年、 ハ ン タ ー は 当 時 Nilson ら が 考 案 し た
1000cc の内容積を有する高圧容器を用い、四塩化チ

この時代になると電気が利用できるようになり、実

タン TiCl4 をナトリウム Na によって高温還元し、純験装置や方法も変化してきた。フランスの化学者モ

チタン金属を得た。還元によって生成した NaCl をアッサン（Henri Moissan 1852-1907）は電気炉を発水で流し去り、残された純チタンは 99.9％まで高純

明し、以前では得ることのできなかった純度レベルの度化していた。これを溶解したところ溶融温度とし未知の元素を研究するのに利用した。この電気炉を使て 1800℃が測定されたが、金属フィラメントとし用して、彼は酸化物を炭素で高温加熱することによりて 6000℃を期待していたハンターは大きく落胆し

98% の純度まで上げることに成功した。得られたチタ

た。ハンター以外にもチタンの金属学的研究をヨー

チタン製造技術の系統化調査

217

ロッパでも実施していた。ドイツの科学者 D.Lely,Jr

センンブルグに戻り、補助研究員、機械保守者並びにと L.Hamburger は 1914 年 オ ラ ン ダ の Philips Glow

実験補助もする秘書を雇って自分の研究のためだけのWorks でハンターと同様の装置を用い、電球のフィ研究所を開設した。ここでの最初の研究は金属組織学

ラメント材の改良を進めていた。1920 年代に入ると、や分光分析で、チタンは登場しない。

や は り Philips Glow Works で 働 く ド イ ツ の 科 学 者

クロールの記述で初めてチタンという言葉が登場

A.E.Van Arkel、J.H. de Boer ならびに J.D.Fast によするのは 1930 年９月である。この年にクロールはり高純度で延性のあるチタン線がヨウ素法で製造されNilson-Pettersson 法を用いて四塩化チタン TiCl4 をた。これら多くの科学者によって造られたチタンはまナトリウム Na で還元して金属チタンを自分の手にしだ少量の規模で工業材料と呼べる量になるにはチタンた。この方法はその後アメリカでは Hunter がチタンの父クロール William J.Kroll の登場を待たなければで初めて用いたプロセスであったことから、Hunter

ならなかった。しかし、20 世紀に入ったアメリカと法と呼ばれることになる。クロールがチタン製造に着ヨーロッパで、同時進行的にそれも白熱電球用フィラ

手したのはプライベート研究所を設立した数年後となメントの開発という結果的には実用化に結びつかない

るが、この間に四塩化チタン TiCl4 の入手も容易（1916

同じ目的で、1920 年までに金属チタンを得ることに

年 Louis E. Barton は TiCl4 の製造法を発明）になり、成功していたのは興味深いことである。

Nilson-Pettersson の還元装置も金属の研究者の間で一般的となった。

3.4 チタンの父 William J.Kroll 登場
クロール（William J.Kroll 1889-1973）は鉄鋼業で有名なルクセンブルグで生まれ、生まれながらにして金属屋の環境で育った。祖父は鉄鉱石鉱山のオペレー
ター、父親はルクセンブルグ鉄鋼業の中心にあった溶鉱炉の責任者であった。ルクセンブルグの有名校である Atheneum でその後の基礎となる物理学や化学の素養を身につけた。ヨーロッパでもチタンが純粋な形で取り出せるようになった時期の 1910 年から 1917
年、クロールは金属の博士号を取るためにドイツのBerlin-Chrlottenburg に あ る 工 科 大 学 Technische
Hochshule で学んだ。ルクセンブルグはフランス、ド࿑ 3.3（ルクセンブルグ）
図３.3 クロールの家兼プライベート金属研究所

   （Kathleen L. Housley: BLACK SAND, Metal
Management,Inc.（2007）P6 ９）

イツ、ベルギーに囲まれていることから、クロールは218

ドイツ語、フランス語を話し、英語も話せたことからクロールはこの Hunter 法によって一回当たり 386g

当時先端の各国語の科学誌を読むことができた。またのフレーク状の金属チタンを得、さらに溶解、鍛造、Technische Hochshule はドイツでも各種実験設備、圧延などして金属小片（板）を試作した。1932 年、溶解炉を有し、ヨーロッパでも有名な金属研究者が在クロールはこれらのチタンサンプルを持ってアメリ籍していた。ここでクロールはその後アメリカでの仕カへ渡った。American Smelting and Refining Bell事でも関係するアメリカ人学生 Samuel Hoyt（後年Telphon、Westinghous、General Electric と 見 せ にGE、A.O.Smith、Battelle Memorial Institute でめざ回ったが、どこも興味を示さず、落胆のうちに帰国しましい活躍をする）に出会う。

࿑ 3.4
た。1939年代の世界はまだチタンのみならずジルコ

第一次世界大戦（1914-1918 年）が勃発するが、クニウムも必要としていなかったということである。そロールはほとんど影響されることなく鉄冶金の教授

れは第二次世界大戦後、東西両陣営による兵器開発競Walther Mathesius の下、ホウ素の析出に関する研争まで待たなければならない。

究を進めてることができた。学位を取得後、クロー

失意のうちに帰国したクロールは気を取り直して新ルはフラクフルトに本社があるドイツ有数の会社

しい挑戦を始めた。ナトリウムを使うプロセスではそMetallgesellschaft に採用される。仕事はまだチタンの反応があまりにも爆発的なので工業用のプロセスにとは関係のない錫 Habbitt metal に代わる新合金の開はなり得ないという考えから、不活性ガスのアルゴン発であった。1923 年クロールは 34 歳となった時ルクを部分的に使用して純カルシウムで還元する方法を開

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.13 2009.May

始した。最初の精錬は 1935 年５月に始めたが、アルた。それから丁度３ヶ月ヒットラーはルクセンブルグ

ゴンの使用は反応速度をコントロールするのに非常にに侵入し、支配下に置いた。

有効であった。さらに、1937 年７月には還元金属をクロールがニューヨークに着いた時、自分の名前のカルシウムから、現在の主流となっており後でクロー特許を 30 件持ち、健康状態は良く、未婚で、50 歳になっル法と呼ばれるマグネシウムによる還元法にかえた。

ていた。しかし、彼がアメリカに来たのはチタンの製

翌年、クロールはこの方法をジルコニウムにも適用し、造・開発のために研究所や企業から招待されたわけで

ZrCl4 から金属ジルコニウム Zr を取出すことにも成はなかった。Kroll がアメリカ鉱山局に招聘されチタ功した。クロールの自宅兼実験工場は色々な製品をン製造の仕事に就く 1945 年まで、Union Carbide の試作するには設備がなく限界があったので、1938 年

コンサルタントや以前アメリカを訪問した時にチタン

からは同じルクセンブルグにあった Cerametal 社ののサンプルを紹介した Siemens & Halske などのため

Dr.Nicolas Lanner に援助を求めた。この二人の科学にチタン以外の仕事をしていた。

者は工場が終わった後の夜間に合計 23kg の線材、棒材、板材を試作した。
࿑ 3.3

3.5 アメリカ鉱山局の決断   アメリカ鉱山局は 1910 年に設立され、資源の安定供給を目的に鉱山とその後の精錬プロセスの開発を進めてきた。アメリカ政府の中枢にあって、第二次世界大戦中も含めて重要案件の開発のスポンサーとして機能してきた。金属チタンに関しては 1938 年に Dr.Reginald S. Dean を 中 心 に 研 究 を 開 始 し た。
1941 年には鉱山局 Salt Lake City 研究所の Frank S.
Wartman がチタンの物性について研究し、「鋼に似た特性があり、重量も鋼の約 60％であり、価格が安け
れば構造部材に向いている」と言及していた。第二次世界大戦真っ只中の 1942 年には鉱山局でも 15 ～ 20g
図 3.4

࿑ 3.4
ルクセンブルグ時代（1937 年）の William J. Kroll（Kathleen L. Housley: BLACK SAND, Metal
Management,Inc.（2007）表紙裏）の金属チタンが得られるようになり、1944 年には約７kg 弱、さらには 50kg まで拡大する予定であった。
しかし、技術的問題点が出てきて Kroll 招聘となる。
Kroll は 1945 年１月鉱山局 Albany 研究所について

1938 年、 ク ロ ー ル は 今 度 こ そ は ア メ リ カ の メ ー

すぐ機材を集め、Kroll 法によるスポンジチタン製造

カーも興味を持つであろうと大きな期待を持ちつつ、プラントの建設に取り掛かるとともに、関連設備も整

再び（前回訪米の６年後）これらのサンプルを持っえた。そして第二次世界大戦が終わり、ソ連との冷戦て ア メ リ カ に 向 か っ た。 前 回 同 様 Union Carbide、が本格化するに至り各種兵器の性能差が目に見えるTitanium Alloy Manufacturing、General Electric、ようになってきた。特に朝鮮戦争でのソ連製ミグ戦International Nickel、Westinghouse を訪問したがや闘機との空中戦ではアメリカの劣勢が認められたこ

はり興味を持ってくれる会社は皆無に近かった。たとから、各種金属材料の再検討に入ることになった。

だ１社 Westinghouse がささやかではあるが年間２ポ

金属チタンの検討は 1938 年から開始されていたが、ンド（約１kg）の定期オーダーをくれた。またして1948 年までに多くの研究者が溶解法、鋳造法、粉末も失意のうちにルクセンブルグに帰国したが、今度製造法、素材製造法、成形法、鍛造法、ミクロ組織

はヨーロッパ中を席捲していたヒットラーが 1939 年

構造、相変態と状態図の解明、耐食性などに具体的９月にその戦車部隊をポーランドに侵入させ、イギリな成果を出し始めていた。Harold Kessler は Climax

スとフランスがドイツに宣戦布告した。ここに至って

Molybdenum Corp. の協力ですでに Mo の溶製に採用

ルクセンブルグの独立性も危ぶまれるようになって研されていた消耗式真空アーク溶解炉でスポンジチタ

究続行のためにルクセンブルグからの脱出も考えざるンを溶解し、健全なミル製品を可能とした。さらに、をえなかった。そして 1940 年２月 10 日、クロールはHarold Margolin もチタンの溶解をセラミックやカー

すべてを処分し移民ビザを持ってアメリカへと旅立っ

ボンの坩堝で行ってはいけないと言及している。

チタン製造技術の系統化調査

219

＝ Ti ＋４NaCl の反応をボンベ内で実施した

3.6 アメリカチタン産業の確立
この時期になると冷戦下の影響で、陸軍、海軍、空軍のプロジェクトの中にチタンの研究が多数組入れらが、得られてチタンの純度は 95% であった。
1898 年 August J. Rossi はチタンの脱酸剤としての効果を確認し、フェロカーボン・チタンを発明した。

れるようになり、1948 年末には Washington D.C. で1905 年 Werner Von Bolton は真空容器内で高融点初のチタン学会が海軍研究機構のもとで開催され、金属と電極間にアークを放電し、高融点金属

200 名近い関係者が集まった。

を融解するプロセスを発明した。

一方、工業生産のほうは同じく 1948 年に E.I.duPont

1906 年 National Lead Co.（T.M.C.A. の親会社）はde Nemours & Co.Inc.. が日産約 50kg の生産能力を

含チタン鉄鉱石を原料として溶鉱炉による持つに至った。スポンジチタン製造の企業化第一号でフェロ・カーボン・チタンの生産を開始した。

あった。Crucible Steel 社などの鉄鋼メーカーにスポAugust J. Rossi は TiO2 の分離に成功。サランジチタンを供給することになり、生産量を飛躍的に

ダ油と混合すると TiO2 は顔料（ペイント）

伸ばしていった。1950 年になると 1940 年代からチタとして優れた性質を持つことを発見した。

ンの研究を始めていた Allegheny Ludlum 社と酸化チ1910 年 M. A. Hunter（General Electric Co.）
はNielson

タンを塗料として使用していた National Lead 社の２& Petersson と同じプロセスであることが、ボ社はスポンジチタン製造を共同で進めることを決め、ンベを改善して実験し、99.5% 純度のチタン小Titanium Metals Corporation of America（TMCA、塊を取出すことに成功した。この小塊は熱間

現在、世界最大のスポンジチタンおよびチタン展伸可鍛性はあるものの、冷間可鍛性は無かった。

材 メ ー カ ー） を 設 立 し た。 同 じ く Remington Arms

しかし、Hunter は可鍛性のチタンを作った最社と Crucible Steel 社の２社もチタンを溶解、鍛造 ･初の研究者である。

圧延する Rem-Cru Titanium 社を立ち上げた。以後、

1916 年 Louis E. Barton は TiCl4 の製造法を発明。

スポンジチタン、チタン展伸材の製造メーカーが次々

1923 年 William J. Kroll は Luxenburg で金属チタンと創業し、現在もジェットエンジン・航空機用素材メーの研究を始めた。

カーとして有力な企業群がそろってくることになる。

1925 年 ポーランドの Arkel が TiCl4 をヨウ素で置換

Kroll 博士が日本政府の要請で技術指導のために日後、加熱フィラメントへの析出に成功した。

本 に 来 た 1953 年 に は、TMCA は 2,033 ト ン の ス ポ ン

1930 年 William J. Kroll は Hunter 法（Na 還元）にジチタン生産実績を持った。そして、この年、鉱山局より金属チタンをはじめて手にする。

の H.L.Gilbert はチタン溶解技術のスタンダードとな1932 年 William J. Kroll はチタン板サンプルを持っる消耗電極式二重アーク溶解技術を開発して発表して渡米するが、全く反応なく失意のまま帰国た。Gilbert は Kroll 博士の勧めで、同じ年に日本をした。

訪問し、神戸製鋼、住友金属にこの消耗電極式二重1937 年 William J. Kroll は Mg 還元（Kroll 法）を確

アーク溶解技術について技術指導を行い、日本のチタ

立し、安全に金属チタンを得る。

ン工業が躍進するきっかけを作ったと言っても過言で1938 年 William J. Kroll は再度アメリカに渡り、各ない。

種チタン材を提示するも、アメリカ各社の反応は大きくなかった。
〈チタン精錬技術の歴史〉

1940 年 William J. Kroll ナチスのベルギー進出を嫌1791 年 イギリスの僧侶 William Gregor が教会の近い、全財産処分してアメリカへ移る。

くの谷間の砂から未知金属の酸化物の存在を1795 年 オ ー ス ト リ ア の 化 学 者 Martin Heinrich

1947 年 DoPont 社

チタン精錬の研究を開始する。

Klaproth は同一未知の元素の存在を確認、1949 年 TMCA（Titanium Metal Corporation of

チタンと命名した。
（この間は探検 ･ 発見のAmerica）創業、スポンジチタンの製造を開時代から科学技術への移行期で分析など周辺始した。

技術の登場を待った）
1887 年 L.F.Nielson ＆ O.Peterson は TiCl4 ＋ ４ Na

220

1946 年 William J. Kroll アメリカ鉱山局で TiCl4 の
Mg 還元法で金属チタン生産。

知った

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.13 2009.May

1951 年 RMI（Reactive Metals Inc.）チタン展伸材
生産を開始。

して直接還元する実験も行った。Ti 還元率は 40％程

3.7 日本のチタン産業誕生まで度と低かったが、この実験はチタンに着目した日本

日本のチタン生産開始は第二次世界大戦後の昭和

12 年（1937 年）には同じく金属材料研究所の岡本正27 年（1952 年）であるが、その魁は原料の点で戦前

三は図 3.5 に示す溶融塩電解装置を用い金属チタンをから始まっていた。日本は日清戦争（1894-1895）、日得るべく努力したが、良い結果は得られなかった。こ露戦争（1904-1905）に勝利し、続く第一次世界大戦の方法は現在も各国で低コスト化を目指して進められ（1914-1918）にも連合国側として参加して勝利し、さている先進的な方法である。

最初のチタン精錬の実験であったと推定される。昭和らに軍備拡張の方向へと進みつつあった。このような第二次世界大戦（1941-1945 年）が終わり敗戦日本

社会情勢の中で、軍部は「本邦製鐵所が多量の海外鐵は産業界も混乱の極みではあったが、欧米の科学技術・鋼を輸入しつつあるのを見て一朝有事に際し原料供給

産業情報は戦前の限られた情報量に比較すると当時のを危惧し砂鐵に期待する」という要請を当時から金属技術者にはあふれるほどの感を持ったであろう。こののメッカと言われていた東北大学付属金属材料研究所

中で昭和 23 年頃、戦前神戸製鋼の社長で戦後相談役に出した。
日本には良好な鉄鋼石を産する鉱脈はなく、になっていた浅田長平がアメリカのライフ誌を読んで方策の一つとして比較的に豊富な砂鉄を利用せざるをいて「アメリカの鉱山局研究所がチタンの精錬に成功、えなかった現実もあった。

この金属は軽く強い上に耐熱性と耐食性に富み、正に砂鉄を鉄鋼原料として使用する場合には砂鉄中に含夢の金属」という記事を見た。敗戦から立ち上がるた

まれるチタンの存在が問題となった。チタン量が多い

めにはこれこそ最も注目すべき分野の一つとして決ほど溶融銑鉄の上部に浮くスラグにチタン分が入るた

断、早速検討すべく指示を出した。草道英武博士、湯めスラグの流動性が悪くなり、高炉の操業に支障をき

河透博士らの技術者はアメリカＴＭＣＡ社で製造開始

たす。昭和５年（1930 年）本多光太郎所長の下、岩されたチタン金属に将来の大きな可能性を感じ、昭和

瀬慶三教授らが砂鉄の研究を開始し、スラグに TiO2

24 年（1949 年）に京都大学 西村秀雄教授、大阪大学

が 60％含まれていても良好な流動性を確保できる操

浅田常三郎教授とチタンの精錬法、加工法について共業条件を出した。この時点では製鉄高炉操業技術の改同研究を開始した。クロール法の原料となる TiCl4 は良が達成されただけの意味であるが、これは戦後始ま液体状で戦時中煙幕として利用されていた。戦後、堺

るチタン製造のための重要な原料である“高チタンスの化学工場に残されていたガラス瓶詰めの TiCl4 を京ラグ”が誕生した瞬間でもあった。

都大学に運び、実験が開始された。翌年の昭和 25 年

引き続いて金属チタンを得るための精錬法の研究も（1950 年）には京都大学西村研究室で森山徐一郎教授、行われ、昭和６年（1931 年）には TiO2 を 40％含む

亀井清らによりクロール法によるスポンジチタン 200

気仙沼産の砂鉄と純 TiO2 粉末、カーボンをミックス

ｇ／回の製造に成功した。大阪大学にいた石原博もクロールによるスポンジチタン製造法の研究を進めていて、戦前から電気銑を製造していた㈱大阪特殊製鉄所と共同で研究を進め昭和 26 年（1951 年）には数百ｇのスポンジチタンを生成することに成功した。この時期の日本は昭和 25 年（1950 年）に勃発した朝鮮戦争による特需ブームで好況に沸き、産業界でもスポンジチタン製造のような新規事業も進めやすい環境になっていた。
日本政府は昭和 26 年（1951 年）に工業化補助金制度を制定し、金属チタン製造についても事業化の募集がされた。神戸製鋼と大阪特殊製鉄所の二社が手を上げたが、１社１件の原則から神戸製鋼はチタン製造以
外にも鋼製造部門でテーマを提案していたため降り、

図 3.5

東北大学 金属材料研究所で検討されていた溶融塩電解装置（岡本正三：東北大学 金属の研究 Vol.14、No.2（1931）
P46）

大阪特殊製鉄所が補助金 560 万円を得て日本初のスポ
ンジチタン（試験）工場を建設した。TiCl4 の還元剤となる金属マグネシウムは国内に生産工場が無く、戦チタン製造技術の系統化調査

221

後日本の金属マグネシウムは神戸製鋼が全量保持して過していたが、まだ食料は不十分でアメリカの農産物いたのでクロール法に必要なマグネシムを提供し、協余剰の背景もあって多くの食料品がアメリカから輸入力した。昭和 27 年（1952 年）年産８トンのスポンジされていた。この時輸入されたものに脱脂粉乳、小麦

チタン工場が完成し、社名も大阪チタニウム製造㈱と粉があり、当時の学童の学校給食開始のきっかけとした。この年、日本政府は閣議決定して「チタン工業なった。これらの輸入食品の決済としてアメリカが必育成対策要領」をたて、通産省は輸出産業として、ま要とする工業製品の日本からの輸入が考えられた。こた将来の基礎産業としてチタン工業の促進発展をはかの工業製品のひとつがすでに冷戦時代に入っていたア

るため、応用研究補助金、工業化試験補助金を交付しメリカの必要とする航空機（戦闘機、爆撃機など）用た。住友金属と神戸製鋼は夫々、溶解以降の加工技術

チタン合金の原料である日本のスポンジチタンであっの研究開発に専念することになり、政府の補助金をた。現在も続いている高品質の航空機用スポンジチタ

住友金属は 1,200 万円、神戸製鋼は 1,700 万円を得た。

ンの輸出の原点はここにあった。

富士製鉄（現 新日本製鉄）も日本の砂鉄から銑鉄およびチタン原料 ･ 製造工業化試験を実施し、その補助

以下に示す昭和 27 年（1972 年）11 月 18 日の通商金として 1,300 万円の交付を受けた。この時、スポン

産業省通達‘チタニウム工業育成対策要領’がこれらジチタンの輸出について免税処置の優遇制度も決めてのチタン産業の活発な事業化の後ろ盾になっていた。

いる。また、大学、産業界などチタン金属の研究開発者が増加してきたことから、日本全体のチタン製造技

チタニウム工業育成対策要領

術レベルアップを目的にチタニウム懇話会（現 社団
法人 日本チタン協会の前身）が設立された。
昭和 28 年（1953 年）、設立されたばかりのチタニ
ウム懇話会と日本政府からの招請に応じる形で Kroll
は大阪チタニウム、東邦チタニウムならびに日本曹達にスポンジチタンの製造技術を教示するために行
くことになる。さらに Kroll のアドバイスにしたがって、神戸製鋼と住友金属は鉱山局の Henry Gilbert を招請して同様に真空アーク溶解技術についてのアドバ
イスを受けることになった。神戸製鋼、住友金属は以後、スポンジチタンを溶解して鍛造・圧延などで板、棒などのチタン展伸材メーカーへとなっていった。
Kroll および Gilbert の両者の指導により、昭和 29 年
（1954 年）までに複数のスポンジチタンメーカーが立ち上がった。昭和 28 年の日本におけるスポンジチタ
ン生産の総量は 170 トンに達した。昭和 29 年（1954年）東邦チタニウムはアメリカリパブリックスチール（RSC）社へ 5,363kg のサンプル輸出に成功し、続いて昭和 30 年（1955 年）にはアメリカでのスポンジチ
タン供給不足を補うべく米国物資金融公社（CCC）に

27.11．18
１．方

通商産業省

針

最近米国に於いて急速に発達してきたチタニウ
ム工業は、将来鉄鋼業、アルミニウム工業などとともに産業構造の需要な部門をなすことが予想されるが、幸いわが国は資源的には含チタニウム砂
鉄が豊富であり、なおかつ水力資源にも恵まれているので本工業の発展のための好適な立地条件をそなえていると言うべきである。
政府は昨年度以来チタニウム製造の試験研究の助成を行って来たが、ここにその工業化を促進することが重要と考えられる。なお工業化に当たっては、チタニウム工業はその性質上極めて近代的な規模で行われることが望ましいので、投資の分
散は極力避け適正規模の企業により、凡ゆる施策を結集して効率生産をはかることとし、国際市場における競争力を培養しつつわが国の有力な新規産業として育成するものとする。
（東邦チタニウム 25 年史（1978）P10 より転記）

大阪チタニウムは 1,300 トン、東邦チタニウムは 720
トンの成約を結び、これら日本のスポンジチタンメー
カーは輸出できるレベルまで成長した。
こ の 輸 出 は 昭 和 32 年（1957 年 ） に 第 二 次 CCC 契約もされ、大阪チタニウム、東邦チタニウム両社は５年間でそれぞれ 3,000 トンを越える輸出実績となり、日本のスポンジチタン産業の確立に大きく寄与した。
これらのスポンジチタン輸出は当時の社会情勢も反映した結果でもあった。昭和 30 年前後は戦後 10 年を経

222

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.13 2009.May

参考文献
１）Kathleen L. Housley：Black Sand –The historyof Titanium-

Metal Management, Inc.（2007）

２）岡本正三：東北大学 金属の研究 Vol.14、No.2（1931）
３） 草 道 英 武： 防 錆 管 理

日 本 防 錆 技 術 協 会、

Vol.41,No.2（1997）P30-39

４）日本チタン協会：チタン 21 世紀へ＜チタニウム
協会 40 周年記念＞（1992）
５）草道英武：チタニウム・ジルコニウム Vol.41、
No.4（1993）P1-5

９）根元茂：チタニウム ･ ジルコニウム Vol.26 No.2
（1978）P67-70
10）大阪チタニウム 30 年史（1982）
11）大阪チタニウム 50 年史（2002）

６）草道英武：金属 Vol.65、No.1（1995）P6-13

12）東邦チタニウム 25 年史（1978）

７）湯河透：金属 Vol.69、No.8（1999）P75-81

13）東邦チタニウム 50 年史（2003）

８）チタニウム協会編集委員会：チタニウム ･ ジルコ

14）株式会社神戸製鋼所 100 年史（2006）

ニウム Vol.26 No.1（1978）P3-10

チタン製造技術の系統化調査

223

表 3.2
年
1946 年

第二次世界大戦後のチタン業界の動向
海外 (主にアメリカ)

Kroll 博士ｽﾎﾟﾝｼﾞﾁﾀﾝ製造開始

1947 年

鉱山局ｸﾛｰﾙ法による 2 ﾄﾝのﾁﾀﾝ生産
DuPont ｽﾎﾟﾝｼﾞﾁﾀﾝ工場建設、生産開始

昭和 23 年

（工業生産のｽﾀｰﾄ）
TMCA 創業 ｽﾎﾟﾝｼﾞﾁﾀﾝ生産開始

昭和 24 年

鉱山局 5 ﾄﾝ、民間会社合計 23 ﾄﾝ

1950 年

ｱﾒﾘｶ国内のｽﾎﾟﾝｼﾞﾁﾀﾝ生産総量 74 ﾄﾝに

昭和 25 年1951 年
昭和 26 年

(戦前より鉱滓

DuPont ﾁﾀﾝ研究開始

1948 年1949 年

内米）鉱山局 ﾁﾀﾝ試験工場建設

昭和 21 年
昭和 22 年

国

神戸製鋼 京都大学、大阪大学とﾁﾀﾝの精錬法、加工法の研究開始京大西村研でｸﾛｰﾙ法によるｽﾎﾟﾝｼﾞﾁﾀﾝ 200g／回の製･㈱大阪特殊製造に成功･石塚氏ｸﾛｰﾙ法･Boulder City の鉱山局で 1 ﾊﾞｯﾁ 90.7kg 古川電工ｽﾎﾟﾝｼﾞﾁﾀﾝ生産開始･金属ﾁﾀﾝの製のｽﾎﾟﾝｼﾞﾁﾀﾝを生産 ｱﾒﾘｶ全体で 462 ﾄﾝ･通産省から工
設開始･RMI ﾁﾀﾝ展伸材生産開始
1952 年
昭和 27 年

･Union Carbide ,Dow Chemical, Crane ･通産省「ﾁﾀﾆｳﾑ工業育成対策要綱」を省議決定
ｽﾎﾟﾝｼﾞﾁﾀﾝ生産開始（数年で休止）･ｱﾒﾘｶ全体でｽﾎﾟﾝｼﾞﾁﾀﾝ生産量 988 ﾄﾝに･住友金属 資･政府ｽﾎﾟﾝｼﾞﾁﾀﾝの免税処置･日本初のｽﾎﾟ･ﾁﾀﾆｳﾑ懇話会発足･社名を大阪ﾁ･神戸製鋼 ｽﾎﾟﾝｼﾞﾁﾀﾝの非消耗電極式ｱｰｸ溶解に成功
1953 年
昭和 28 年･H.L.Gilbert らはﾁﾀﾝやｼﾞﾙｺﾆｳﾑの消電 ･Kroll 博士来日
極式二重溶解技術を開発し報告した･ﾁﾀﾆｳﾑ懇話会を社団法人に改組･Boulder City の鉱山局ｽﾎﾟﾝｼﾞﾁﾀﾝ 86 ト ･鉱山局 Gilbert 氏来日､神鋼、住金を技術指導･Kroll 博士の･神戸製鋼と資･ﾁﾀﾝ工場建設

ン生産、TMCA なども 2,033 ﾄﾝを生産･日本のｽﾎﾟﾝｼﾞﾁﾀﾝ 3 社 170 ﾄﾝを生産した･米社とｽﾎﾟﾝｼ

1954 年英）ICI Na 法でｽﾎﾟﾝｼﾞﾁﾀﾝ生産開始･三井金属、日本曹達、電気冶金もｽﾎﾟﾝｼﾞﾁﾀﾝ生産･操業開始 ｽﾎ

昭和 29 年ソ連）Podolsk Chem.&Met.でﾁﾀﾝ研究開始･神戸製鋼 50kg ﾁﾀﾝ鋳塊を溶製(工業生産第 1 号)

1955 年
昭和 30 年

･神戸製鋼所 合計 2 トンのﾁﾀﾝ鋳塊を生産した･設備増強年産･神戸製鋼で展伸材の工業生産開始･米国物資金融

東燃蒸留塔にﾁﾀﾝ採用（化学ﾌﾟﾗﾝﾄでの初採用）
1956 年 仏）Ugine ｽﾎﾟﾝｼﾞﾁﾀﾝ生産開始
昭和 31 年ソ連）Zaporozhye 工場 Ti-Mg 連結生産

ﾁﾀﾝ JIS 規格制定

･設備増強年産･三井金属、電気冶金ｽﾎﾟﾝｼﾞﾁﾀﾝ生産中止（日本曹達は 1961 年に生産中止）

1957 年
昭和 32 年

224

RMI ｽﾎﾟﾝｼﾞﾁﾀﾝ生産開始･神戸製鋼 200kg ﾁﾀﾝ鋳塊が溶製可能に･電解法ﾁﾀﾝ実

米ｽﾎﾟﾝｼﾞ計 15,645 ﾄﾝ、展伸材 5,132 ﾄﾝ･設備増強年産

米政府ﾐｻｲﾙへ戦略転換･第 2 次 CCC

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.13 2009.May

大 阪 チ タ ニ ウ ム

東 邦 チ タ ニ ウ ム(戦前より鉱滓や硫酸滓から電気銑を製造)

精錬法、加工200g／回の製省議決定･㈱大阪特殊製鉄所に改組･石塚氏ｸﾛｰﾙ法の研究に着手･金属ﾁﾀﾝの製造研究開始→数百ｇの金属ﾁﾀﾝ･通産省から工業化補助金 560 万円→試験工場の建設開始･住友金属 資本参加
･日本初のｽﾎﾟﾝｼﾞﾁﾀﾝ試験工場（ｽﾎﾟﾝｼﾞﾁﾀﾝ 8 ﾄﾝ生産）･社名を大阪ﾁﾀﾆｳﾑ製造へ

ｰｸ溶解に成功･Kroll 博士の技術指導を受ける･東邦チタニウム創業･神戸製鋼と資本提携･Kroll 博士の技術指導を受ける

技術指導･ﾁﾀﾝ工場建設開始･ﾁﾀﾝ工場建設開始

した･米社とｽﾎﾟﾝｼﾞﾁﾀﾝ輸出契約締結

ﾝｼﾞﾁﾀﾝ生産･操業開始 ｽﾎﾟﾝｼﾞﾁﾀﾝ年産 300 トン設備

･設備増強年産 360 トンへ･設備増強年産 720 トンへ･設備増強年産 600 トンへ･米国物資金融公社（CCC)との第 1 次契約･連続還元分離の試験開始･電解設備試験開始の初採用）･米国物資金融公社との第 1 次契約 720 トン/年
･設備増強年産 1,440 トンへ･設備増強年産 1,200 トンへ･還元分離工場完成

止に

ｽﾎﾟﾝｼﾞﾁﾀﾝ年産 240 トン設備

･米へ 5,363kg 初輸出

産第 1 号)

生産した

･操業開始

･設備増強年産 1,800 トンへ･電解法ﾁﾀﾝ実験工場完成･酸化ﾁﾀﾝの研究開発開始･設備増強年産 2,040 トンへ･電解工場完成･第 2 次 CCC 契約成立

･第 2 次 CCC 契約成立 3,445 トン/5 年

チタン製造技術の系統化調査

225

4 精錬技術の系譜
理が精製（アップグレード、Up Grading）である。こ4.1 チタン鉱石と精製れには図 4.1 に示すように、乾式の高チタンスラグ法並びにイルメナイトより鉄分だけを塩酸、硫酸等で選

１）チタン鉱石

択的に抽出する湿式法がある。アップグレードされたチタンは単体では非常に活性な元素のため自然界でイルメナイトは UGI（Up Ggraded Ilmenite）と呼ばは金のような金属単体として出現することはなく、存れる。

在もしえない。そのため鉱石は地球表面上に十分ある①乾式法－高チタンスラグ法

酸素と結合した TiO2 並びに他の元素の複合酸化物とTiO2 組成が 50％前後のイルメナイト鉱を電気炉でして産する。多くはチタンと鉄の複合酸化物イルメナ

還元剤の炭素及び造滓剤を加え溶融し、TiO2 を 90％

イト（チタン鉄鉱）FeTiO3 やチタン磁鉄鉱 FeTi3O4 な以上に濃縮する方法である。

どの形が多い。チタン鉱石はすべての大陸に広く分布②湿式法－ビーチャー法、ルペーク法、ベニライト法

しており、アジア内陸部、北アメリカ内陸部などに見などられる地球創成期に遡る起源をもつものは大陸内部でイルメナイトより酸などの反応媒体を用いて選択的塊状鉱脈を形成し、以後のものはオーストラリア大陸に鉄分だけを抽出し、TiO2 の品位を高める。このたの鉱脈の例に見られるように河川下流まで流されて海めにはイルメナイト中の鉄分を溶出可能な状態にする

岸近傍の海砂下部に層状に分布存在する。これらの鉱ために鉱石の予備処理、リーチングの工程並びに回収

床では TiO2 の含有量が 40 ～ 50％以上と高い。代表的の３段階の基本プロセスが組合せられている。

なチタンを含む鉱石を表 4.1 に示す。日本でも砂鉄が࿑ 3.5

取れる山陰や東北の海岸にはチタン鉱石（砂状）が見
4. ♖㍰ᛛⴚߩ♽⼆
4.1 ࠴࠲ࡦ㋶⍹ߣ♖⵾
出されるが、TiO
2 の含有量が 20% 以下と少なく、現在
㧝㧕࠴࠲ࡦ㋶⍹࠴࠲ࡦߪන૕ߢߪ㕖Ᏹߦᵴᕈߥర⚛ߩߚ߼⥄ὼ⇇ߢߪ㊄ߩࠃ߁ߥ㊄ዻන૕ߣߒߡ಴⃻ߔ
のところ採取されることはない。
ࠆߎߣߪߥߊ‫ޔ‬ሽ࿷߽ߒ߃ߥ޿‫߼ߚߩߘޕ‬㋶⍹ߪ࿾⃿⴫㕙਄ߦචಽ޽ࠆ㉄⚛ߣ⚿วߒߚ TiO2

チタン鉱石は鉱石成分以外の土砂組成などは山元でਗ߮ߦઁߩర⚛ߩⶄว㉄ൻ‛ߣߒߡ↥ߔࠆ‫ޕ‬ᄙߊߪ࠴࠲ࡦߣ㋕ߩⶄว㉄ൻ‛ࠗ࡞ࡔ࠽ࠗ࠻㧔࠴࠲ࡦ㋕㋶㧕FeTiO3 ߿࠴࠲ࡦ⏛㋕㋶ FeTi3O4 ߥߤߩᒻ߇ᄙ޿‫ࡦ࠲࠴ޕ‬㋶⍹ߪߔߴߡߩᄢ
洗浄や比重選鉱を行って品位を上げる。日本に輸入さ㒽ߦᐢߊಽᏓߒߡ߅ࠅ‫ࠕࠫࠕޔ‬ౝ㒽ㇱ‫ޔ‬ർࠕࡔ࡝ࠞౝ㒽ㇱߥߤߦ⷗ࠄࠇࠆ࿾⃿ഃᚑᦼߦ㆚

れているチタン鉱石は TiO 換算ベースで 64 万トン

ࠆ⿠Ḯࠍ߽ߟ߽ߩߪᄢ㒽ౝㇱߢ႙⁁㋶⣂ࠍᒻᚑߒ‫ޔ‬એᓟߩ߽ߩߪࠝ࡯ࠬ࠻࡜࡝ࠕᄢ㒽ߩ㋶
2⣂ߩ଀ߦ⷗ࠄࠇࠆࠃ߁ߦᴡᎹਅᵹ߹ߢᵹߐࠇߡᶏጯㄭறߩᶏ⍾ਅㇱߦጀ⁁ߦಽᏓሽ࿷ߔࠆ‫ޕ‬である。
ߎࠇࠄߩ㋶ᐥߢߪ TiO2 ߩ฽᦭㊂߇ 40㨪50㧑એ਄ߣ㜞޿‫ޕ‬ઍ⴫⊛ߥ࠴࠲ࡦࠍ฽߻㋶⍹ࠍ⴫

4.1 ߦ␜ߔ‫ޕ‬ᣣᧄߢ߽⍾㋕߇ขࠇࠆጊ㒶߿᧲ർߩᶏጯߦߪ࠴࠲ࡦ㋶⍹㧔⍾⁁㧕߇⷗಴ߐࠇࠆ

Ԙੇᑼᴺ㧙㜞࠴࠲ࡦࠬ࡜ࠣᴺ
TiO2 ⚵ᚑ߇ 50㧑೨ᓟߩࠗ࡞ࡔ࠽ࠗ࠻㋶ࠍ㔚᳇Ἱߢㆶర೷ߩ὇⚛෸߮ㅧṗ೷ࠍട߃ṁⲢߒ‫ޔ‬TiO2 ࠍ 90㧑એ਄ߦỚ❗ߔࠆᣇᴺߢ޽ࠆ‫ޕ‬ԙḨᑼᴺ㧙ࡆ࡯࠴ࡖ࡯ᴺ‫ࠢ࡯ࡍ࡞ޔ‬ᴺ‫࠻ࠗ࡜࠾ࡌޔ‬ᴺߥߤ ࠗ࡞ࡔ࠽ࠗ࠻ࠃࠅ㉄ߥߤߩ෻ᔕᇦ૕ࠍ↪޿ߡㆬᛯ⊛ߦ㋕ಽߛߌࠍ᛽಴ߒ‫ޔ‬TiO2 ߩຠ૏ࠍ㜞߼ࠆ‫࠻ࠗ࠽ࡔ࡞ࠗߪߦ߼ߚߩߎޕ‬ਛߩ㋕ಽࠍṁ಴น⢻ߥ⁁ᘒߦߔࠆߚ߼ߦ㋶⍹ߩ੍஻ಣℂ‫ߩࠣࡦ࠴࡯࡝ޔ‬Ꮏ⒟ਗ߮ߦ࿁෼ߩ 3 Ბ㓏ߩၮᧄࡊࡠ࠮ࠬߩ⚵วߖࠄࠇߡ޿ࠆ‫ޕ‬       [ᣇᑼ]  

表 4.1 チタンを含むチタン鉱石
࠴࠲ࡦ㋶⍹ߪ㋶⍹ᚑಽએᄖߩ࿯⍾⚵ᚑߥߤߪጊరߢᵞᵺ߿Ყ㊀ㆬ㋶ࠍⴕߞߡຠ૏ࠍ਄ߍ          ⴫ 4.1 ࠴࠲ࡦࠍ฽߻࠴࠲ࡦ㋶⍹（1983）P2）(㜞㩋㩊㩧㩇㩡㩂㩨ᴺ)⍹ ฬ UGI          ోㆶరᴺ   NH4Cl    ILUKA   㨿㨺㩇㩎㩡㩢㨻࿑ 4.1  㧔ᧄᢥਛߦ߽޽ࠅ߹ߔ㧕    図
 4.1
  チタン鉱石のアップグレード（UGI）法          (㩕㩨㨺㩋㨶-ᴺ)
      Ḩᑼᴺ

（第８回チタン講習会テキスト、
日本チタン協会（2001）P15）   㧔ᧁ᧛໪ㅧ㧦㊄ዻ࠴࠲ࡦߣߘߩᔕ↪,ᣣೀᎿᬺᣂ⡞␠㧔1983㧕P2㧕
㋶                    ⎫㉄ᴺ    ⍹ේ↥ᬺ   ᣣᧄൻቇ⚵ᚑ

TiO2 㧑

⚿᥏♽⦡⺞‫․ޔ‬ᓽ                  (㩣㩗㩩㨺㩂ᴺ)  㧔↢↥ਛᱛ㧕࡞࠴࡞(㊄⚃⍹)

RutileTiO2

100㨪95

ᱜᣇ᥏♽

⿒ⶊ⦡

᧼࠴࠲ࡦ⍹

Brookite

TiO2

 ‫ޖ‬

ᢳᣇ᥏♽

⿒ⶊ⦡

AnataseTiO2

                    Ⴎ㉄ᴺ    Kerr McGee ☨࿖㍈   ⍹

 ‫ޖ‬

ᱜᣇ᥏♽

ⶊ⦡

Pseudo-rutile

FeO3㨯3TiO260                   (㩗㩨㩐㩡㨼㩎ᴺ)   DCW    ࠗࡦ࠼

ன㊄⚃⍹

౐ᣇ᥏♽

⿒ⶊ⦡

                           CMRW   ࠗࡦ࠼ 㨼㩣㩜㩏㨼㩎(㩋㩊㩧㋕㋶) Ilumenite

FeTiO352.7

ਃᣇ᥏♽㤥⦡‫ޔ‬ᒙ⏛ᕈࠥࠗࠠ࡯⍹Geikielite(MgFe)TiO3

66.3

ਃᣇ᥏♽

ⶊ㤥⦡

Ἧ࠴࠲ࡦ⍹

Perovskite

CaTiO3

58.8

╬ゲ᥏♽

ⶊ㤥⦡

࠴࠲ࡦ⏛㋕㋶Titanomagnetite FeTi3O4

2㨪25

╬ゲ᥏♽

ᒝ⏛ᕈ

ㇱಽㆶరᴺ

チタン鉱石の代表的組成を表 4.2 に示す。イルメナ

イトはアップグレードにより、天然ルチルとほぼ同程
UGI㧦Up Graded Ilmenite

度の TiO 量 96％まであげられている。

       2࿑ 4.1 ࠴࠲ࡦ㋶⍹ߩࠕ࠶ࡊࠣ࡟࡯࠼㧔UGI㧕ᴺ      㧔╙ 8 ࿁࠴࠲ࡦ⻠⠌ળ࠹ࠠࠬ࠻‫ޔ‬ᣣᧄ࠴࠲ࡦදળ㧔2001㧕P15㧕
 ࠴࠲ࡦ㋶⍹ߩઍ⴫⊛⚵ᚑࠍ⴫ 4.2 ߦ␜ߔ‫ޔࠅࠃߦ࠼࡯࡟ࠣࡊ࠶ࠕߪ࠻ࠗ࠽ࡔ࡞ࠗޕ‬ᄤὼ࡞࠴࡞ߣ߶߷ห⒟ᐲߩ TiO2
96㧑߹ߢ޽ߍࠄࠇߡ޿ࠆ‫ޕ‬
表㊂4.2
チタン鉱石の組成（%）

㧞㧕㋶⍹ߩ♖⵾ ♖㍰ߦవ┙ߞߡή㚝ߥ♖㍰ᤨߩൻቇ෻ᔕࠍㆱߌࠆߚ߼ߦ㋶⍹ߩຠ૏ࠍߢ߈ࠆߛߌ਄ߍࠆ
２）鉱石の精製ᔅⷐ߇޽ࠆ‫ޕ‬ℂᗐ⊛ߦߪ TiO2 ߇ 95㧑߆ࠄߥࠆ࡞࠴࡞㧔㊄⚃⍹㧕ߩߺߢ♖㍰ߢ߈ࠇ߫ή㚝߇              ⴫ 4.2 ࠴࠲ࡦ㋶⍹ߩ⚵ᚑ (%)（第8回チタン講習会テキスト、
日本チタン協会（2001）
P16）
㧔╙ 8 ࿁࠴࠲ࡦ⻠⠌ળ࠹ࠠࠬ࠻‫ޔ‬ᣣᧄ࠴࠲ࡦදળ㧔2001㧕P16㧕
TiO2

Al2O3

V2O5

MnO Fe

ZrO2

MgO

CaO

SiO2

U+0.4Th

ᄤὼ㩣㩋㩣

96.9

0.18

0.43

0.04

0.59

0.82

0.02

0.02

0.59

62 ppm

UGI

A

95.7

0.48

0.17

0.04

2.00

0.02

0.02

0.03

0.81

30 ppm߁ߦ‫ੇޔ‬ᑼߩ㜞࠴࠲ࡦࠬ࡜ࠣᴺਗ߮ߦࠗ࡞ࡔ࠽ࠗ࠻ࠃࠅ㋕ಽߛߌࠍႮ㉄‫ߢ╬㉄⎫ޔ‬ㆬᛯ⊛
的にはTiO2 が 95％からなるルチル（金紅石）のみで

B

96.0

0.80

0.30

0.96

1.13

0.10.

0.71

0.08

1.14

34 ppmߦ᛽಴ߔࠆḨᑼᴺ߇޽ࠆ‫ ߪ࠻ࠗ࠽ࡔ࡞ࠗߚࠇߐ࠼࡯࡟ࠣࡊ࠶ࠕޕ‬UGI㧔Up Ggraded

C

95.8

0.64

0.22

0.03

1.06

100

0.02

0.02

0.76

38 ppmIlmenite㧕ߣ๭߫ࠇࠆ‫ޕ‬
精錬できれば無駄がないが、実際にはルチル鉱はチタ

D

96.4

0.54

0.43

0.05

0.88

0.04

0.34

0.14

2.07

14 ppm

精錬に先立って無駄な精錬時の化学反応を避けるたߥ޿߇‫ޔ‬ታ㓙ߦߪ࡞࠴࡞㋶ߪ࠴࠲ࡦ㋶ో૕ߩᢙ㧑ߦ߽ḩߚߥ޿↥಴ߩߚ߼ߦࠗ࡞ࡔ࠽ࠗ࠻㧔࠴࠲ࡦ㋕㋶㧕ࠍ૶↪ߔࠆߎߣߣߥࠆ‫ߤߥ࠻ࠗ࠽ࡔ࡞ࠗޕ‬ຠ૏ߩૐ޿㋶⍹ࠍ TiO2 ߇ 95㧑એ

めに鉱石の品位をできるだけ上げる必要がある。理想਄ߦ਄ߍࠆಣℂ߇♖⵾㧔ࠕ࠶ࡊࠣ࡟࡯࠼‫ޔ‬Up Grading㧕ߢ޽ࠆ‫ߪߦࠇߎޕ‬࿑ 4.1 ߦ␜ߔࠃ25
ン鉱全体の数％にも満たない産出のためにイルメナイ

ト（チタン鉄鉱）を使用することとなる。イルメナイ
トなど品位の低い鉱石を TiO2 が 95％以上に上げる処

226 [ታᣉડᬺ]   [࿖]   RIT    ࠞ࠽࠳      ੇᑼᴺ    ᾲㆶరᴺ  ߇‫ޔ‬TiO2 ߩ฽᦭㊂߇ 20%એਅߣዋߥߊ‫⃻ޔ‬࿷ߩߣߎࠈណขߐࠇࠆߎߣߪߥ޿‫ޕ‬ࠆ‫ޕ‬ᣣᧄߦャ౉ߐࠇߡ޿ࠆ࠴࠲ࡦ㋶⍹ߪ
TiO2 ឵▚ࡌ࡯ࠬߢ 64ਁ࠻ࡦߢ޽ࠆ‫ޕ‬（木村啓造：金属チタンとその応用, 日刊工業新聞社[Fe ㆶర]   [ᶐ಴ᴺ]

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.13 2009.May

26

次にそれぞれの塩化物は液化温度が異なるので石油

4.2 精錬原理

精製と同じ原理で蒸留塔にて精製する。最も TiCl4 の沸点 136.4℃に近いバナジウムの塩化物 VCl4、VOCl2

TiO2 が主成分となる鉱石から他の不純物組成も排除（オキシ塩化バナジウム）は分離除去の効率が良くな

し、金属チタンを取出す過程が精錬である。最初の過程

いので、蒸留の前段階で H2S 処理により TiCl4 に溶解

で TiO2（固体）を塩化して TiCl4（気体）にする工程

している VOCl3 を部分的に還元したり、鉱物油処理
または銅粉と反応させて沈澱分離を行う。精製されたTiO2（固体）＋２Cl2（気体）＋ C（固体）→TiCl4 は冷却処理され、純度 99.99％以上の無色透明の

TiCl4（気体）＋ CO ／ CO2（気体）

液体となる。

が前段の主たる反応である。同様に他の組成も塩素化され精製工程で排除される。次に精製され冷却して液化した TiCl4 を 900℃近傍に溶融したマグネシウムに滴下し、4.4 金属チタンへの還元
金属チタンの精錬には、図 4.3 のように原理的には種々の可能性が考えられてきた。しかし工業化が進められていく中で、できた金属チタンの品質、装置の安TiCl4（液体）＋２Mg（液体） →全性、操業性、装置寿命、エネルギーコスト比較など

Ti（固体）＋２MgCl2（液体）を経て Kroll 法（TiCl4 の Mg 還元）と Hunter 法（TiCl4の Na 還元）のみが生き残った。そして現在は Kroll法のみに絞られた。しかし、最近では反応速度論の詳の反応によって金属チタンを得る。

࿑ 4.2

図 4.2

チタン鉱石から塩素化、TiCl4 精製まで

（草道英武、井関順吉：日本のチタン産業とその技術（1996）P56）



4.3 TiCl の精製
4

細解明、反応装置のハイテク化などにより従来不可能と思われた TiCl4 溶融塩電解または精製した TiO2 を直接電解する還元法も検討が行われ、パイロットプラ

チタン鉱石から TiCl4 精製までの代表的工程を図
4.2 に示す。砂状になった天然ルチル、アップグレー

ントの前段階まできているものもある。
１）クロール法の原理

ドイルメナイトはコークスを混ぜて流動炉（塩化炉）

クロール法は精製された 99.99％以上の TiCl4 を溶に投入され、炉の下部から塩素ガスを吹き込んで約融マグネシウムで還元して金属チタンを得る方法であ1000℃の高温で塩素化（気相）する。生成されたガスる。工業的には現在実施されている唯一の方法である。

状 TiCl4 は冷却行程をへて液化する。鉱石で見られた

具体的にはアルゴンガスで置換したステンレス製密閉

各種元素の塩化物も含むため、この粗 TiCl4 は褐色を容器に溶融マグネシウムを置き、900℃前後で溶融保呈している。

持した状態で密閉容器上部より TiCl4 を滴下してチタン製造技術の系統化調査

227

࿑ 4.2ࠍߣࠆߚ߼ࠬࡐࡦࠫ࠴࠲ࡦߣ๭߫ࠇࠆ‫ߩߎޕ‬ⓨሹߦߪᒰὼ෻ᔕਛߦߢ߈ߚ MgCl2 ߽౉ࠅㄟࠎߢ߅ࠅ‫ޔ‬ᓟᎿ⒟ߩ⌀ⓨಽ㔌Ꮏ⒟ߢ㒰෰ߐࠇࠆ‫ޕ‬㧞㧕ࠢࡠ࡯࡞ᴺߩᎿ⒟ ࠢࡠ࡯࡞ᴺߪ TiCl4 ߩࡑࠣࡀࠪ࠙ࡓㆶరᎿ⒟ߣߢ߈ߚ㊄ዻ࠴࠲ࡦਛߩ೽↢ᚑ‛ MgCl2 ߿ㆊ೾ߩࡑࠣࡀࠪ࠙ࡓࠍ㒰෰ߔࠆಽ㔌Ꮏ⒟ߦಽߌࠄࠇࠆ‫ޕ‬1960 ᐕઍ߹ߢߪࠕࡔ࡝ࠞ߆ࠄዉ౉
ߒߚ߹߹ߩㆶరᎿ⒟ߣಽ㔌Ꮏ⒟߇ಽ߆ࠇߡ޿ߚ߇‫ޔ‬ᣣᧄ⁛⥄ߩᛛⴚ㐿⊒ߦࠃࠅ৻૕ൻࠍน
⢻ߣߒߚ‫ޕ‬࿑ 4.4 ߪᄢ㒋࠴࠲࠾࠙ࡓ⵾ㅧࢃߦ߅ߌࠆ 1954 ᐕഃᬺ߆ࠄߩ⵾ㅧᎿ⒟ߩᄌㆫࠍ
␜ߒߡ߅ࠅ‫ޔ‬ਥⷐߥᛛⴚᡷༀ㗄⋡ࠍ 1964 ᐕߣ⃻࿷߽ⴕࠊࠇߡ޿ࠆ 1989 ᐕߩᛛⴚᲧセࠍ⴫
4.3 ߦ␜ߔ‫ޕ‬

図 4.3

金属チタン精錬の各種プロセス（木村啓造：日本鉄鋼協会

࿑ 4.3

第 11 回白石記念講座 資料（1986）P9）


TiCl4（気体） ＋Ti（固相） ＋Mg（液相） →２MgCl2（液相）の反応により、金属チタンを析出させる。900℃の密閉容器内では TiCl4（液体）が滴下され、瞬時にガス化（TiCl4 の沸点は 136.4℃）してやはり気化状態にあるマグネシウム液面上部のマグネシウムガスと気相反応してマグネシウム液面上にせき析出し、この反応のに上がった。
      ࿑ 4.4 ᄢ㒋࠴࠲࠾࠙ࡓ⵾ㅧࢃߩࠬࡐࡦࠫ࠴࠲ࡦ⵾ㅧᴺߩផ⒖     㧔㊁↰ᢅ↵㧦ᣣᧄ㊄ዻቇળળႎ, Vol.30 No.2(1991) P153㧕

表 4.3 主要な技術改善（野田敏男：日本金属学会会報
Vol.30No.2(1991)
No.2（1991）
P153）
㧔㊁↰ᢅ↵㧦ᣣᧄ㊄ዻቇળળႎ,, Vol.30
P153㧕

             ⴫ 4.3 ਥⷐߥᛛⴚᡷༀ
  1964 ᐕ   1989 ᐕ࠴࠲ࡦࠬ࡜ࠣ

࡞࠴࡞Ⴎ  ൻ

࿕ቯᐥᵹേᐥ

TiCl4 ߩ⫳⇐ㅪ⛯⫳⇐㧔ᾲᇦ૶↪㧕ㅪ⛯⫳⇐㧔⫳᳇૶↪㧕ࡃ࠽ࠫ࠙ࡓ㒰෰ࡃ࠽ࠫ࠙ࡓ㒰෰ේ  ᢱ

結果できた MgCl2（融点 712℃）は液体状態で溶融マ
グネシウム中に混ざっていくと推定されている。析出

㧔H2S ૶↪㧕㩇㩘㩩㩧㩆㩨㩋㩊㩧⵾ㅧする金属チタンはガス反応特有の多くの空孔を有する
スポンジ状の形態をとるためスポンジチタンと呼ばれMgCl2 ㆶర৻૕ൻᴺ

࿕૕ Mg లႯṁⲢ Mg ଏ⛎

1.4 ࠻ࡦࡃ࠶࠴

10 ࠻ࡦࡃ࠶࠴

30KA නᭂ࠮࡞110KA ᄙᭂ࠮࡞る。この空孔には当然反応中にできた MgCl2 も入り込んでおり、後工程の真空分離工程で除去される。
２）クロール法の工程

228 㧔㊀ᴤ♽૶↪㧕

ᓥ᧪ᴺ㧔㕖৻૕ൻᴺ㧕29３）日本におけるクロール法の低コスト化
クロール法が日本において技術的にも定着して、実クロール法は TiCl4 のマグネシウム還元工程とでき際に操業する国内２社はお互い切磋琢磨することにた金属チタン中の副生成物 MgCl2 や過剰のマグネシウ

よって前項で述べたように技術改善を加えていった。

ムを除去する分離工程に分けられる。1960 年代まで

その主な技術改良はスポンジチタンを製造する精錬はアメリカから導入したままの還元工程と分離工程がバッチの大型化と、その結果副生成する MgCl2 の電解分かれていたが、日本独自の技術開発により一体化を槽の大型化である。

可能とした。図 4.4 は大阪チタニウム製造㈱におけ

精錬は鉱石を塩素ガスと反応させる塩化炉の工程とる 1954 年創業からの製造工程の変遷を示しており、その後できた塩化物（液体）を蒸留する工程がある

主要な技術改善項目を 1964 年と現在も行われているが、まず前段階の塩化炉が 1960 年代後半に団鉱塩化1989 年の技術比較を表 4.3 に示す。

法から流動塩化法へ換えられた。従来の団鉱塩化法は一体化法以前のクロール法２段操業方式を図 4.5 に、

直径数 cm の団鉱を作る時にバインダーとしてピッチ

新しい反応分離一体化操業方式を図 4.6 に示す。２段（タールなどから作られる炭素粉）を用いていたので操業から反応分離一体化操業法に連続化した結果、操粉塵がひどく、とくに夏場の作業環境を悪化させた。

業上の熱的ロスが減少し、安全性・労働生産性も格段

次に成形団鉱はバッチ式焼結炉で焼き固められ塩化炉

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.13 2009.May࿑ 4.4

図 4.4

࿑ 4.4

大阪チタニウム製造㈱のスポンジチタン製造法の推移（野田敏男：日本金属学会会報 , Vol.30 No.2（1991）P153）

へ装入されたが、焼結炉からの発生ガス、塩化炉からの塩素漏れなど当時としても劣悪な労働環境でもあった。流動塩化法ではチタン鉱石を粉末状にし、コーク
スも粉状にして密閉構造の塩化炉は装入する方式にかわったのである。表 4.4 に団鉱塩化法と流動塩化法の比較を示すが、流動塩化法初期の低圧法（1977 年）
でも団鉱法に比較して原料系の損出、カーボン（C）
原単位が大幅に減り、生産性の事項も大きく改善されていることが判る。さらに塩化反応圧を中圧式（1994年）に上げてこれらの損失因子、生産性が改善され
図 4.5

 ࿑ 4.5

クロール法 2 段操業方式（木村啓造：日本鉄鋼協会 第 11 回白石記念講座
資料（1986）P11）

た。団鉱当時の１／６の人員で 10 倍量産できるようになった。流動塩化法は開放バッチ式であった団鉱塩化法を密閉連続化かつ大型化した典型的な事例で、チ㧟㧕ᣣᧄߦ߅ߌࠆࠢࡠ࡯࡞ᴺߩૐࠦࠬ࠻ൻ

タン鉱石、塩素ガスなどの原料系の歩留まりアップ、 ࠢࡠ࡯࡞ᴺ߇ᣣᧄߦ߅޿ߡᛛⴚ⊛ߦ߽ቯ⌕ߒߡ‫ޔ‬ታ㓙ߦᠲᬺߔࠆ࿖ౝ 2 ␠ߪ߅੕޿ಾ⏢℉⏴ߔࠆߎߣߦࠃߞߡ೨㗄ߢㅀߴߚࠃ߁ߦᛛⴚᡷༀࠍട߃ߡ޿ߞߚ‫ߩߘޕ‬ਥߥᛛⴚᡷ⦟ߪ

労働生産性の向上が大幅な製造コスト低減へと結びつࠬࡐࡦࠫ࠴࠲ࡦࠍ⵾ㅧߔࠆ♖㍰ࡃ࠶࠴ߩᄢဳൻߣ‫⚿ߩߘޔ‬ᨐ೽↢ᚑߔࠆ MgCl ߩ㔚⸃ᮏߩ
2ᄢဳൻߢ޽ࠆ‫ޕ‬いた。また、このことは労働環境の劇的改善にもつな♖㍰ߪ㋶⍹ࠍႮ⚛ࠟࠬߣ෻ᔕߐߖࠆႮൻἹߩᎿ⒟ߣߘߩᓟߢ߈ߚႮൻ‛㧔ᶧ૕㧕ࠍ⫳⇐
ߔࠆᎿ⒟߇޽ࠆ߇‫ߕ߹ޔ‬೨Ბ㓏ߩႮൻἹ߇ 1960 ᐕઍᓟඨߦ࿅㋶Ⴎൻᴺ߆ࠄᵹേႮൻᴺ߳឵
がったことも加えておく必要がある。
߃ࠄࠇߚ‫ޕ‬ᓥ᧪ߩ࿅㋶Ⴎൻᴺߪ⋥ᓘᢙ cm ߩ࿅㋶ࠍ૞ࠆᤨߦࡃࠗࡦ࠳࡯ߣߒߡࡇ࠶࠴(࠲࡯࡞ߥߤ߆ࠄ૞ࠄࠇࠆ὇⚛☳)ࠍ↪޿ߡ޿ߚߩߢ☳Ⴒ߇߭ߤߊ‫ߦߊߣޔ‬ᄐ႐ߩ૞ᬺⅣႺࠍᖡൻ ࿑ 4.5ߐߖߚ‫ޕ‬ᰴߦᚑᒻ࿅㋶ߪࡃ࠶࠴ᑼ὾⚿Ἱߢ὾߈࿕߼ࠄࠇႮൻἹ߳ⵝ౉ߐࠇߚ߇‫ޔ‬὾⚿Ἱ߆

表Ⴎൻᴺߢߪ࠴࠲ࡦ㋶⍹ࠍ☳ᧃ⁁ߦߒ‫ߡߒߦ⁁☳߽ࠬࠢ࡯ࠦޔ‬ኒ㐽᭴ㅧߩႮൻἹߪⵝ౉ߔࠆ
4.4 団鉱塩化法と流動塩化法の比較（大阪チタニウム）（草道英武、井関順吉：日本のチタン産業とその技術       ⴫ 4.4 ࿅㋶ႮൻᴺߣᵹേႮൻᴺߩᲧセ㧔ᄢ㒋࠴࠲࠾࠙ࡓ㧕（1996）P57）(⨲㆏⧷ᱞ‫ޔ‬੗㑐㗅ศ㧦ᣣᧄߩ࠴࠲ࡦ↥ᬺߣߘߩᛛⴚ㧔1996㧕P57)
ࠄߩ⊒↢ࠟࠬ‫ޔ‬ႮൻἹ߆ࠄߩႮ⚛ṳࠇߥߤᒰᤨߣߒߡ߽ഠᖡߥഭ௛ⅣႺߢ߽޽ߞߚ‫ޕ‬ᵹേ



TiO2

Cl2

៊ ᄬ ៊

࿑ 4.6

図 4.6

反応分離一体化操業方式（野田敏男：日本金属学会会報 , Vol.30 No.2
（1991）P153）

಴

C ේන૏

TiCl4

࿅㋶ጀ

Ⴎൻጀ

ഭ௛

(kg

↢↥㊂

ᵹേጀ

↢↥ᕈ

↢↥ᕈ
(t/᦬㨯ੱ)(%)(%)/t-TiCl4)

(t/ᣣ)

(m3)

(t/ᣣ㨯m3)

࿅㋶ᴺ㧔1964 ᐕ㧕

5.0

17.5

180

20

19

1

15

ᵹേᴺ

ૐ࿶ᑼ(1977 ᐕ)

4.0

7.8

125

55

8

7

50

ਛ࿶ᑼ(1994 ᐕ)

1.5

4.1

85

200

15

13

200

ᣇᑼߦ߆ࠊߞߚߩߢ޽ࠆ‫ ⴫ޕ‬4.4 ߦ࿅㋶ႮൻᴺߣᵹേႮൻᴺߩᲧセࠍ␜ߔ߇‫ޔ‬ᵹേႮൻᴺೋ
ᦼߩૐ࿶ᴺ(1977 ᐕ)ߢ߽࿅㋶ᴺߦᲧセߒߡේᢱ♽ߩ៊಴‫ࡦࡏ࡯ࠞޔ‬㧔C㧕ේන૏߇ᄢ᏷ߦᷫ
ࠅ‫↥↢ޔ‬ᕈߩ੐㗄߽ᄢ߈ߊᡷༀߐࠇߡ޿ࠆߎߣ߇್ࠆ‫ߦࠄߐޕ‬Ⴎൻ෻ᔕ࿶ࠍਛ࿶ᑼ(1994 ᐕ)ߦ਄ߍߡߎࠇࠄߩ៊ᄬ࿃ሶ‫↥↢ޔ‬ᕈ߇ᡷༀߐࠇߚ‫ޕ‬࿅㋶ᒰᤨߩ㧝㧛㧢ߩੱຬߢ 10 ୚㊂↥ߢ߈ࠆࠃ߁ߦߥߞߚ‫ޕ‬ᵹേႮൻᴺߪ㐿᡼ࡃ࠶࠴ᑼߢ޽ߞߚ࿅㋶Ⴎൻᴺࠍኒ㐽ㅪ⛯ൻ߆ߟᄢဳ
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チタン製造技術の系統化調査 ⫳⇐ߪ೨Ꮏ⒟ߢߢ߈ߚ࠴࠲ࡦࠍ฽߻㋶⍹⚵ᚑ↱᧪㊄ዻߩᷙวႮൻ‛߆ࠄ⍹ᴤ♖⵾ߣห᭽ߩ⫳⊒᷷ᐲᏅࠍ೑↪ߒߚ઀⚵ߺߢ TiCl4 ߩߺࠍ᛽಴ߔࠆᎿ⒟ߢ޽ࠆ‫ޕ‬࿅㋶ႮൻᴺߩᤨߪႮൻ
Ꮏ⒟ߣ⫳⇐Ꮏ⒟ߪ೎୘ߦㆇォߐࠇߡ޿ߚ߇‫ޔ‬ᵹേႮൻᴺߦߥߞߡ߆ࠄߪႮ⚛ൻߣ⫳⇐ࠍㅪ

229

࿑ 4.6

蒸留は前工程でできたチタンを含む鉱石組成由来金属の混合塩化物から石油精製と同様の蒸発温度差を利用した仕組みで TiCl4 のみを抽出する工程である。団鉱塩化法の時は塩化工程と蒸留工程は別個に運転されていたが、流動塩化法になってからは塩素化と蒸留を連結し、連続運転となった。TiCl4 凝縮熱を利用して原液を予熱する改善で重油の使用連単位を１／３に減
少でき、連続化は床面積当たりの生産性も５倍に、労働生産性は約２倍に上がった。さらに蒸留プロセスは処理能力の大型化とコンピュータ化によって省エネ連
続運転になっている。環境面でも残渣出しのための解

࿑ 4.7

図 4.7

金属チタン精錬バッチサイズと消費電力の変遷（野田敏男：日本金属学会会報 , Vol.30 No.2
（1991）P154）

体組立の作業が不要になったり、労働環境、公害防止るのでコストダウン効果が大きい。MgCl2 電解槽の大等の面でも大きな改善となった。
表 4.5 は昭和 39 年（1964 年）からの技術改善によ

型 化 は 30kA 単 極 セ ル か ら 110kA の 多 極 セ ル 化と 反る平成元年（1989 年）におけるコストダウン効果で

応分離の一体化によって達成された。

ある。

４）スポンジチタンの材質Ⴚ‫౏ޔ‬ኂ㒐ᱛ╬ߩ㕙ߢ߽ᄢ߈ߥᡷༀߣߥߞߚ‫ޕ‬

基本設備の大型化は低コスト化を可能にしたのみな⴫ 4.5 ߪᤘ๺ 39 ᐕ㧔1964 ᐕ㧕߆ࠄߩᛛⴚᡷༀߦࠃࠆᐔᚑరᐕ㧔1989 ᐕ㧕ߦ߅ߌࠆࠦࠬ

࠻࠳࠙ࡦലᨐߢ޽ࠆ‫ޕ‬表 4.5

スポンジチタン製造における改良（野田敏男：日本金属学会会報, Vol.30 No.2
        ⴫ 4.5 ࠬࡐࡦࠫ࠴࠲ࡦ⵾ㅧߦ߅ߌࠆᡷ⦟
（1991）
P153）
㧔㊁↰ᢅ↵㧦ᣣᧄ㊄ዻቇળળႎ, Vol.30 No.2(1991) P153㧕

らず、生産されるスポンジチタンの材質向上にも結び付いた。精錬反応はステンレス鋼製の容器の中で900℃という高温下で行われるため、容器壁に近い部

1964 ᐕ

1989 ᐕ

分のスポンジチタンは鉄汚染が生じやすい。鉄汚染深さは温度によって一定なので、バッチ容器が大きいほ

Ti ᱠ⇐

(%)

91.3

97.7

Mg ᱠ⇐

(%)

92

98.7

Cl2 ᱠ⇐

(%)

75

93.2

㔚ജᶖ⾌   㧔MJ/kg-Ti㧕

133.2

60.8

るため、大型バッチほど等級の高いスポンジチタンの[MWh/t-Ti][37][16.9]

割合が高くなる。図 4.7 ～図 4.9 は２トンバッチから(MJ/kg-Mg)

63.7㨪65.5

34.2㨪36.0

10 トンバッチまでのバッチ内における鉄並びに酸素[MWh/t-Mg][17.7㨪18.2][9.5㨪10.0]

量とバッチ内硬さ分布である。

(cm3/kg-Ti)

1500

150

[L/t-Ti][1500][150]

ᶖ⾌ࠛࡀ࡞ࠡ࡯

⋥ᵹ㔚ജᶖ⾌㊀ᴤ     

どその割合は小さくなる。またスポンジチタンの等級を決める含有酸素量もバッチ容器の中心部ほど低くな

鉄の分布は図 4.8 に示さるように、統計解析結果の平均値は２トンバッチの約 500ppm から 10 トンバッ
チでは約半分の 274ppm まで低減されている。図 4.9

 ᦨ⚳⊛ߦߢ߈ࠆ㊄ዻ࠴࠲ࡦߩᱠ⇐ࠅߪ 91.3㧑߆ࠄ 97.7㧑߹ߢჇᄢߒ‫ޔ‬ㆶరߦ૶߁㊄ዻࡑ

の酸素の分布でも２トンバッチの 550ppm オーダー
最終的にできる金属チタンの歩留りは
91.3％からࠣࡀࠪ࠙ࡓ߽ᱠ⇐ࠅߪ
92㧑߆ࠄ 98.7㧑߹ߢ਄߇ߞߚ‫ޕ‬Ⴎൻ߅ࠃ߮
MgCl2 ߩㆶరᎿ⒟ߢᶖ⠻から 10 トンバッチの 320ppm オーダーまで改善され97.7％まで増大し、還元に使う金属マグネシウムもߐࠇࠆႮ⚛߽ᱠ⇐ࠅߪ
75㧑߆ࠄ 93.2㧑߹ߢᄢ߈ߊᡷༀߐࠇߚ‫⚿ߩߘޕ‬ᨐߣߒߡߩࠛࡀ࡞ࠡ
歩留りは 92％から 98.7％まで上がった。塩化およびている。これらの不純物組成と関連する硬度は図 4.10

MgCl2 の還元工程で消耗される塩素も歩留りは 75％に示すように大バッチほど軟質の良好な数値となってから 93.2％まで大きく改善された。その結果としてのいる。

エネルギー消費も電力消費で 46％に、MgCl2 の電解このように不純物組成が少なく、軟質なスポンジチで消費される直流電力消費も約半分となった。さらに

タンは航空機用ジェットエンジンの高速回転部品用指重油消費は全体で 1 ／ 10 以下に低下した。

定材質となり、日本がほとんどのシェアを有すること

スポンジチタンバッチの大型化による電力消費の変
遷を図 4.7 に示すが、1.7 トンバッチから始まって５

５）ハンター（Hunter）法

トンバッチに進み、7 トンバッチ、10 トンバッチで大ハンター法はクロール法に先だってアメリカ GE 社

きく消費電力を低減した。世界的に見ても高い電力をにいた Matthew Albert Hunter によって 1910 年に開使用する日本で、世界市場金属のチタン製造で生き残発された。クロール法はマグネシウムによって TiCl4

ることができた理由がここにあった。マグネシウムのを還元して金属チタンを得るのに対して、ハンター法

70 ～ 80％を占め      電解はクロール法の全電力消費量の࿑ 4.7 ㊄ዻ࠴࠲ࡦ♖㍰ࡃ࠶࠴ࠨࠗ࠭ߣᶖ⾌㔚ജߩᄌㆫ㧔㊁↰ᢅ↵㧦ᣣᧄ㊄ዻቇળળႎ, Vol.30 No.2(1991) P154㧕

230

となった。

国立科学博物館技術の系統化調査報告
32

Vol.13 2009.Mayは金属ナトリウムで還元する方法である。

࿑ 4.8図 4.8

スポンジチタン精製 2 トンバッチから 10 バッチへのバッチ内 Fe 量分布（草道英武、井関順吉：日本のチタン産業とその新技術（1996）P66）

࿑ 4.8
࿑ 4.8


࿑ 4.9
 
࿑ 4.9
࿑ 4.9
 
 

図 4.9

スポンジチタン精製 2 トンバッチから 10 バッチへのバッチ内 O 量分布（草道英武、井関順吉：日本のチタン産業とその新技術（1996）P66）

࿑ 4.10࿑ 4.10࿑ 4.10

図 4.10

スポンジチタン精製 2 トンバッチから 10 バッチへのバッチ内硬さ分布（草道英武、井関順吉：日本のチタン産業とその新技術（1996）P66）

チタン製造技術の系統化調査

231

金属ナトリウムは非常に活性なため、密閉鋼製容器

うにバッチ式となる。Na 還元法の反応はいずれも発中アルゴンガス雰囲気で 600 ～ 950℃に溶解し、TiCl4

熱反応で、逆反応は起きないが、総発熱量は Mg 還元を上部から滴下して金属チタンとする。反応は TiCl4の場合の 2 倍と大きいので、還元速度を遅くして製品と Na を一気に反応させる一段法と中間に低級塩化物

スポンジチタンの品質や性状のコントロールを行う必（スパルツ）の段階を経る二段法がある。一段法はク要がある。還元反応を通して全体の容積増加はクロー

ロール法とほぼ同様の形状の反応釜になっているが、ル法の場合より小さいことと反応生成物の NaCl 中

二段法は図 4.11 に示すような２個の反応釜を用いる。

に Na やチタンの低級塩化物が溶解するので、途中でNaCl を抽出することはない。
反応の終了後は室温まで冷却し、分離は鋼製容器内の反応物の混合体を機械的に破砕した後、水または希塩酸を用いてリーチング処理を行う。NaCl は蒸気圧が低いので、クロール法のような真空蒸留分離はできない。NaCl を抽出除去した後、チタンスポンジは真空乾燥される。
Na 還元法によるスポンジチタンは Mg 還元法にようものと比較すると、（１）不純物の Fe 含有量が少ない

࿑ 4.11

図 4.11 ハンター法（木村啓造：日本鉄鋼協会 第 11 回白石記念講座 資料（1986）P15）（２）硬さの低いものが得られる（３）粒度の細かいものや純良な粉末が得られる（４）粉末冶金に要求される圧縮成型性が良いの利点が挙げられる。Fe 量は JIS 規格に規定して化 学 反 応 は 以 下 の よ う に な る。
（Na の 融 点 は

 ⴫ 4.6

いる組成量を表 4.6 に示すが、Na 法の Fe 量は Mg 法

97.9℃、沸点は 877.5℃）
一段法

TiCl4

＋

４Na

→

二段法

TiCl4

＋

２Na

→

Ti

＋

の１／３になっているが判る。一方、Na 法スポンジ

４NaCl

チタンの欠点はアーク溶解に際してはスモークやス
TiCl2 ＋

パッターの発生が多く、溶解性に問題があることも挙

２NaCl

げられている。

（230℃）TiCl2＋࿑ 4.11
２Na

→

Ti

＋

ハンター法は国内、海外ともに 1990 年代までは金２NaCl

属チタンを製造する会社があったが、国内では 1994

（約 1000℃）

年に昭和タイタニウムが製造中止し、海外でも 1993
二段法において初めの 230℃の反応は連続化が容易

年イギリス IMI が、同じくアメリカ RMI も製造中止

であるが、二段目の 1000℃の反応は一段法と同じよした。最大の理由は溶解時の欠点にあるが、精錬の点

 ⴫ 4.6

232

国立科学博物館技術の系統化調査報告

表 4.6 JIS によるスポンジチタンの品質（日本工業規格Vol.13 2009.May

JIS

H

2151 スポンジチタン）

でも Na 還元は高温反応の性格上、日本が可能にした①

高温における腐食性物質に耐える電解槽の材質

クロール法のような大型化が不可能でコストダウンに②

陰極に析出するチタン結晶の電極交換限界あったことであろう。

③

陰極で析出チタンと共に取り出されるソルトとその回収 ･ 再生

4.5 その他の製錬法④

陰極室と陽極室を区切る隔膜の問題

隔膜の問題が最も難題で、同様の問題によってアメチタンの酸化物から塩化を経てマグネシウムまたはリカ Bureau of Mine（鉱山局）の方法も断念していナトリウムで還元する方法は前述のように大型化、エる。図 4.13 の Sony 法は石原産業でチタン種板に金属

ネルギー原単位の改善など進展してきたが、基本的にチタンを析出する電解方法を研究していた徳本愼一

は 1950 年代の方法と変化していない。マグネシウム

が 1970 年代に Sony 中央研究所に移って実用化をめ

還元、ナトリウム還元はいずれも他の金属の精錬に比ざしたもので、板状の金属チタンは得られたがそのま較するとエネルギー消費量が大きく、バッチ式でもあま圧延できず溶解が必要だった。徳本氏の逝去によりるため高コストを要因を根本的に取除くには限界があSony 法の開発は中止された。Ginatta 法はイタリアる。近年の化学平衡論が明らかになって TiCl4 の電解の Electrochemica Marco Ginatta 社が開発した技術（電気分解）法と酸化物の直接電解法の可能性が出てで溶解槽と抽出槽に分け、前出の D-H Titanium 法のきた。

ように問題の隔膜を必要としない新電解法であった。

１）TiCl4 の電解法
電解法は早いものは 1960 年代後半から発表されてきた。その原理としては LiCl、KCl や BaCl2 などの電解浴塩を使用し、精製された TiCl4 を電解して陰極にTi を析出させる方法である。図 4.12 ～ 4.14 は公表されたアメリカ D-H Titanium 法、日本の Sony 法ならびにイタリアで開発された EMG 法（Ginatta 法）のプ
ロセス概略図である。図 4.12 の D-H Titanium 法はDow Chemical の研究成果を工業化するために設立された会社 D-H Titanium 社が実用化を進めたが、1982
年に解散した。この電解法の解決すべき問題点は次の4 点であった。

図 4.12

࿑ 4.12

D-H Titanium 法（アメリカ）（草道英武、井関順吉：日本のチタン産業とその新技術、
࿑ 4.12
アグネ技術センター（1996）P79）࿑ 4.13

࿑ 4.13

図 4.13

Sony 法（日本）（草道英武、井関順吉：日本のチタン産業とその新技術、アグネ技術センター（1996）P80）

チタン製造技術の系統化調査233

࿑ 4.14 ࿑ 4.15

図 4.15

FFC 法（Z.Chen, D.J.Fray and T.W.Farthing：nature Vol.407（2000）
P361）

参考文献
１）草道、村上、木村、泉：金属チタンとその応用 ,࿑ 4.14

図 4.14

Ginatta 法（イタリア）（草道英武、井関順吉：日本のチタン産業とその新技術、アグネ技術センター（1996）P81）

日刊工業新聞社（1983）
２）木村啓造：日本鉄鋼協会

第 11 回白石記念講座

資料（1986）３）井関順吉：日本のチタン産業とその新技術、アグ

アメリカの RMI 社が技術導入し、140 トン／年のパ

ネ技術センター（1996）

イロットプラント運転までこぎつけたが経済性に問題

４）野田敏男：日本金属学会会報があり、生産プラントに至らなかった。Ginatta 社も1990 年代までの TiCl4 の電解法はすべて工業生産
までには到達できなかったが、これらの経験を生かした新たな試みは現在も続いている。
２）酸化物の電解法
T.W.Fathing、Z.Chen は TiO2 を溶融 CaCl2 中で直接電解して金属チタンを得ることに成功した。開発者の頭文字から FFC 法と呼ばれている。図 4.15 にプロセス
TiO2 の粉末をバイ ࿑ の概要を示すが、不純物を除去した
4.15
ンダーなどで陰電極を形成し、溶融 CaCl2 中で炭素陽極とで電解するのである。電解後、陰極には粉末状の金属チタンが残り、そのまま粉末冶金の原料に使用できる。陰極内にある酸化物はすべて還元されて金属になるので原料の酸化物の段階でチタンにとって有害な元素の酸化物を除去する必要がある。すでに数 kg ／バッチを成功させ、ノルウェーとアメリカで実用化に向けた開発が進められている。

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.30 No.2（1991）

P150-160
６）第 8 回チタン講習会テキスト、日本チタン協会（2001）
７）Ti-2007 Science and Technology（ 第 11 回チタ

2000 年に入り、イギリス Cambridge 大学の D.J.Fray、

234

P794-803
５）野田敏男：日本金属学会会報

1992 年に解散した。

Vol.10 No.12（1971）

Vol.13 2009.Mayン国際会議論文集）JIM（2007）P59-154
８）日本工業規格

JIS H 2151（スポンジチタン）

5 溶解技術
チタンは最も活性な金属の一つで酸素との化学的親和力が大きく、融点も約 1700℃と高いため以下の技
術的障壁を超える必要があった。
１）活性金属である
溶解するにあたっては酸素の存在を完全に絶ち、真空または不活性ガスの下でなければ健全な鋳塊（インゴット）は得られない。
↓
高真空を可能とするシステム技術が必要である
高純度アルゴンガスが安価に手に入る必要がある
２）酸化物系鋳型と溶融チタンが反応する
溶解中の鋳塊を保持する鋳型（インゴットケース）
も多くの金属溶解で使用されているアルミナ（Al2O3）やシリカ（SiO2）などの酸化物系耐火物では酸化物を構成する酸素と反応して、鋳塊そのものが酸素に汚染
図 5.1

されるため使用できない。

アーク溶解炉の断面࿑ 5.1（日本チタン協会編：現場で生かす金属材料↓
密閉型水冷銅るつぼ方式のみが溶解を可能とする

チタン、工業調査会（2007）P169）３）融点が高い
溶解熱源もチタンの溶融温度が約 1700℃と高いこ

消耗電極はスポンジチタンを主体にプレス成型してとと他の元素に汚染されやすい活属金属である点を考

ブリケットを作り、これらを溶接して所定の長さ、重慮すると、鉄鋼のようなコークス燃焼や銅、アルミニ

量とする。この時の溶接も他の物質、組成が混入しな

ウムなどの重油加熱も空気中酸素による燃焼なのでもいようにアルゴンガスを入れた密閉チャンバー内でプちろん使用できない。

ラズマ溶接法にてブリケット間を接合する。インゴッ↓

トケースは二重構造となっており、溶けたチタンが高真空下でも可能な高熱源：アーク放電熱、
電子ビーム熱希薄ガスでも可能な高熱源：プラズマ熱

接する内側は銅製で外側はステンレス鋼製となっている。二重構造の空間部にはチタン溶解中の冷却のために冷却水が循環する。実際の工程を図 .

に示すが、一回のみの溶解では真密度にならないため、一次溶解
チタンの溶解には以上の各技術が揃っていなけれの後このインゴットの上下を反転してさらに直径の大ば健全な鋳塊が得られないが、第二次世界大戦後の

きいインゴットケースで二次溶解をする。できたイン1950 年前後に多少の遅れはあるもの、すべての技術

ゴットには溶解中のスプラッシュがトップ部に付着しが採用可能となった。

たり、凝固収縮による空孔がインゴット上部近傍に内在するため、仕上げ切削が行われて製品インゴットと5.1 アーク溶解法

なる。

࿑ 5.2
アーク溶解は最も広く世界中で採用されているチタ

アーク溶解は図 5.1 に示すように電極と溶融金属とンの溶解法で、日本国内では最大 15 トン、海外ではの間を大電流低電圧の状態にしてアークを発生させ、23 トンまで可能である。この大型の過程で、一次溶

これを熱源とする溶解法で、電極に溶解する目的の金解の増量を図る目的で神戸製鋼は図 5.2 に示すように、属を消耗電極とする。

溶解中に上部ホッパーからさらにチャージできるサイドチャージ式真空アーク溶解炉を昭和 34 年（1959 年）に開発した。

チタン製造技術の系統化調査

235

スポンジチタン

チタンスクラップ


࿑ 5.3

添加材

原料配合
ブリケット成型
一次電極溶接
一次溶解
二次溶解
仕上げ切削
検査・分析
製品インゴット
図 5.2

図 5.4 プラズマ溶解法（草道英武、井関順吉：日本のチタン産業とその新技術、アグネ技術センター（1996）P110）

 ࿑ 5.4

チタンアーク溶解工程

5.3 電子ビーム溶解法
電子ビーム（EB）溶解法は 0.001 ～ 0.1Mpa の高真空下で陰極を加熱して熱電子を発生させ、高電圧下で

࿑ 5.5

図 5.5

電子ビーム溶解法（草道英武、井関順吉：日本のチタン産業とその新技術、アグネ技術センター（1996）P110）

対象金属（チタン）に衝突させることによってこれを溶解する。最近は電子ビーム発生装置（ガン）と溶解
炉内との排気系を分離することにより、ガンの寿命がながくなりまたガンは工業的に利用可能なまでに大型


図 5.3 サイドチャージ式真空アーク溶解法（神戸法）
࿑ 5.3（草道英武、井関順吉：日本のチタン産業とその新技術、アグネ技術センター（1996）P106）化された。実際には溶解素材の溶解用、溶湯保持用、インゴット溶湯湯面保持用と溶解炉内に複数のガンが装備されている。溶解されるインゴットは電子ビームの走査を制御すれば円形にも正方形、長方形にもでき

236

5.2 プラズマ溶解法

るので丸型、ビレット型、スラブ型にすることができスポンジチタンやスクラップを一次溶解に利用する

よってスラブ型にした後圧延する必要があるのに対しもので、プラズマトーチが熱源となる非消耗電極式溶て、そのまま圧延工程に入れる利便性がある。最近の解法である。低真空（0.1 ～ 10MPa）から大気圧まで

スラブ型インゴットは数トンのものも可能となってお ࿑
5.6

幅広い条件でプラズマを発生できる、複数ガンを装備

 り、製造工程の短縮化、コストダウンにも寄与していして大型インゴットの製造も可能である。

 る。

国立科学博物館技術の系統化調査報告

る。スラブ型インゴットでは丸方インゴットが鍛造にVol.13 2009.May࿑ 5.5

5.4 その他の溶解法
アーク溶解では水冷銅製の回転電極を陽極に用いた非消耗電極式のものもあり、プレス成形電極の必要がなく、スクラップの溶解にも使用できる。ただし、一次溶解にしか使用できず、消耗電極式に比較して消費電力が大きく、また回転電極先端の銅チップの消耗が大きいなどの欠点がある。
一般の高周波溶解は酸化物系のるつぼを用いるためチタンの溶解には使用できないが、るつぼを銅製水冷式とし、数分割以上のスリット式にすることによって高周波溶解が可能な溶解炉が 1990 年代後半に開発された。当初は数 kg 程度の小規模溶解であったが、最近は数百 kg も溶解可能な大型炉も開発され、棒材用ビレット製造、鋳造用溶湯源として工業化された。

 ࿑ 5.6 図 5.6 チタン用高周波溶解炉（CCIM）（蜷川、
長尾、草道ら：R&D 神戸製鋼技報 Vol.49 No.3（1999）

P15）


5.5 主な溶解法の比較
5.5 ਥߥṁ⸃ᴺߩᲧセ
これら各種チタン溶解法にはそれぞれ特長と欠点が ߎࠇࠄฦ⒳࠴࠲ࡦṁ⸃ᴺߦߪߘࠇߙࠇ․㐳ߣᰳὐ߇޽
ࠆ‫⃻ޕ‬࿷‫߽ᦨޔ‬೑↪ߐࠇߡ޿ࠆߩ
ある。現在、最も利用されているのは消耗電極式アーߪᶖ⠻㔚ᭂᑼࠕ࡯ࠢṁ⸃ᴺߢ޽ࠆ‫ ⴫ޕ‬5.1 ߦਥⷐߥᎿᬺ⊛ṁ⸃ᴺߩ․ᕈࠍ߹ߣ߼ߡ␜ߒߚ‫ޕ‬         

ク溶解法である。表 5.1 に主要な工業的溶解法の特性

⴫ 5.1 ਥߥ࠴࠲ࡦṁ⸃ᴺߩᛛⴚᲧセ

表 5.1 主なチタン溶解法の技術比較（草道英武：日本鉄鋼協会 第 11 回白石記念講座 資料（1986）P30）(⨲㆏⧷ᱞ㧦ᣣᧄ㋕㍑දળ ╙ 11 ࿁⊕⍹⸥ᔨ⻠ᐳ ⾗ᢱ(1986) P30)

㔚ജේන૏ߪᶖ⠻㔚ᭂᑼࠕ࡯ࠢṁ⸃ᴺ߇ᦨ߽ૐߊ‫ޔ‬એਅ㔚ሶࡆ࡯ࡓṁ⸃ᴺ‫ޔ‬㕖ᶖ⠻㔚ᭂᑼࠕ࡯ࠢṁ⸃ᴺ‫ࠢ࡯ࠕ࡮ࡑ࠭࡜ࡊޔ‬ṁ⸃ᴺߩ㗅ߦߥߞߡ޿ࠆ‫ޕ‬

チタン製造技術の系統化調査

237

をまとめて示した。
電力原単位は消耗電極式アーク溶解法が最も低く、以下電子ビーム溶解法、非消耗電極式アーク溶解法、
プラズマ・アーク溶解法の順になっている。
参考文献
１）草道英武、井関順吉：日本のチタン産業とその新技術、アグネ技術センター（1996）
２）日本鉄鋼協会

第 11 回白石記念講座 資料

軽金属の製造 ･ 利用技術の最近の動向 （1986）３）
日本チタン協会編：現場で生かす金属材料 チタン、工業調査会（2007）４）蜷川、長尾、草道ら：R&D 神戸製鋼技報 Vol.49
No.3（1999）P15-18

238

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.13 2009.May6 素形材製造技術
流れるインゴットを実際に実験材として使用するに6.1 鍛造至った。溶解後のインゴット断面を見ると図 6.2 に示鍛造は図 6.1 に示すように溶解後のインゴットの粗

ンゴット直径の約 1.5 倍の溶湯プールが形成されて、鍛造から始まって、圧延の元素材となるスラブ（直方インゴット下部、高さ方向炉壁部並びインゴット中心

体の厚板）鍛造、型鍛造や丸棒や角棒にするためのビ部ではマクロ粒が大きく異なっていることも判った。

レット鍛造などが行われる。鍛造そのものは金属材料

これをソーキング条件を変化させて組成的にも組織的共通の熱間加工技術であり、チタン材料も第二次世界にも最適化するには 1200℃から 1300℃の高温加熱が大戦後に誕生して従来の鍛造機器、加熱炉並びに鍛造必要であることがわかった。

すように定常溶解状態に入ったインゴット上部ではイ

࿑ 6.1

技術をそのまま利用してきた。



しかし 1960 年代に入り、チタン材料の生産量が増加するに従ってチタンがゆえに生じる加熱雰囲気での水素吸収の問題点が出てきて、対策としての技術開発がされた。さらに、インゴット重量が１トンレベルか
ら５トン、10 トンへと大型化するにしたがって小型
インゴットでは予想できなかった加熱時の不均一温度分布（片焼け）現象も起こるようになり、問題解決にあたった。1970 年代には航空機用鍛造材の国産化も始まり、精密鍛造のための技術開発も進められた。
6.1.1.

チタン独特の鍛造加熱条件

１）ソーキング条件の検討
インゴットを最初に加熱するのをソーキングと言うが、インゴット内部の組成を均質にし、溶解後の凝固組織を高温に加熱して再結晶化させ内部組織的にも均6.2
図 6.2 ࿑チタンインゴットの断面マクロ組織（草道英武、井関順吉：日本のチタン産業とその新技術、

アグネ技術センター（1996）P108）

質化させる工程である。1950 年代後半に入ってチタンの工業生産が軌道に乗り、1960 年代は通常工程に

࿑ 6.1

図 6.1

インゴットから鍛造によって各種素材へ（日本チタン協会：第 8 回チタン講習会

テキスト（2001）P30）


チタン製造技術の系統化調査239

次に加熱時間については鋼の実施条件を踏襲してら始まり、この合金がアメリカ特許の有効期限で使用いたが、昭和 45 年頃（1970 年に入って）コンピューが制限されるため、同等の強度を有する Ti-5Al-2Cr-

ターによる入熱計算が可能となり、理論計算と実体イ

1Fe 合金、Ti-2Cu-1Zr 合金などが神戸製鋼で発明されンゴットへの熱電対測定を対応させながらシミュレーるに至った。

ションを試みた。その結果、インゴット中心部の目標

１）工業用鍛造品の精密化

温度到達はインゴット外周部の目標温度到達と一致す

一方、航空機用チタン合金鍛造品は高価なことから、ることが確認され、インゴットを加熱する場合の雰囲

1970 年代に入って投入材料を減らすべく鍛造の精密

気温度測定のみならずインゴットへの熱電対接触測定

形状化が世界的な検討課題となってきた。国内でも型の重要性が明らかとなった。

鍛造の精密化が進められ、航空機部品への参入は壁これらのソーキング条件はすぐ現場製造条件へと反が高いことから火力発電低圧タービン（長翼）に Ti-

映され、安定品質の基礎となった。

6Al-4V 合金を適用させた。当初は神戸製鋼が先進的

２）加熱雰囲気の検討に自家発電用 30 インチブレードで実績を積み、次い

チタンは酸素との化学的親和力が大きく酸化に対しで神戸製鋼、三菱重工、日立金属は海外でも実用化例て注意が必要であるが、水素の吸収も起こりやすく水
素を吸収した場合は水素化物 TiH2 を形成し、脆化の原因となる。水素吸収が起こる水素源はインゴットを加熱する燃料中の水素である。アーク溶解後のインゴットでは溶解そのものが真空中で行われることもあり、原料中に含まれていた水素も溶解中に系外へ排出されるため、インゴット中の水素量は多くても通常数
10ppm レベルである。
昭和 45 年頃（1970 年）まではインゴットの加熱に
重油バーナーが使用されていたが、その後公害問題を回避するため天然ガス（LNG）加熱が使われるに至ってインゴット中の水素量が増加する傾向が認められた。
この現象は最終製品形状の板材で始めて発見され、全ての工程が見直されて天然ガスの未燃焼分からくる
ことが突き止められた。同じように加熱する鋼では水素そのものが金属中に入ったとしても自然に抜け出していく性質があるため問題は生じないが、チタンでは金属格子内に水素を取り込んで脆化相 TiH2 を形成す

図 6.3࿑ チタン合金製蒸気タービンブレード（40
インチ）
6.3

るためである。

（第 8 回チタン講習会テキスト、日本チタン協会（2001）P47）



対策として過剰の空気を送り込んで天然ガスを完全がない事業用発電の 40 インチまで拡大させ（図 6.3）

燃焼する方法が取られ、以後インゴット加熱時の水素成功した。この事業用タービンブレードでは蒸気が水吸収の問題は起きなくなった。この問題の発生は日本

滴化して翼端に衝突するドロップレットエロージョンがいち早く天然ガス加熱を大型鉄鋼製造設備に導入しがあり、鋼翼ではステライト板をろう付けして防止したことが発端で、日本のチタンミルメーカーがその素ているが、チタン合金翼では困難なため神戸製鋼が開材製造にこれらの進んだ製造設備に組み込んだ結果起発した Ti-15Mo-5Zr ならびに Ti-15Mo-5Zr-3Al 合金をこった事象と言える。これ以後は十分な燃焼条件の管硬化して付加された。日立、東芝、三菱重工の重電機理がされるようになった。

三社はいずれもこの技術をそれぞれの方法で採用した

6.1.2.

が、世界でも始めての事業用発電の実用化例として電精密鍛造の検討

日本のチタン素材は現在でも純チタンが 80％近い

240

力業界で注目された。

純チタン中心の産業であるが、1960 年代初頭からア

さらに 1980 年代は日本のチタンメーカーも本格的メリカでの航空機産業に向けたチタン合金の採用にに航空機用チタン合金の鍛造品を製造開始した記念す

よって、日本国内でもチタン合金の研究開発が活発べき時代となった。航空自衛隊の主力戦闘機 F-15 イーとなった。最も使用量の多い Ti-6Al-4V 合金の検討かグルが部品をアメリカから輸入して組立てるノックダ

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.13 2009.May

ウン生産から国内部品メーカーによるライセンス生産度）の大きい機械では力量の大きいものが必要となる。

が許可されるにいたり、機体部品並びに F100 ジェッ

40M-Ton のハンマー鍛造機の力量はひずみ速度の遅トエンジン部品が国産化された。これらのチタン合金

いプレス鍛造機に換算すると２万 Ton の力量に相当

鍛造品はコンプレッサーブレードに代表されるようにする。超塑性はこのひずみ速度を低くコントロールし

精密鍛造品が多く、国内のチタン鍛造メーカーの技術て小さな力量でより大きな断面形状の製品を製造する

レベルも向上した。これらを担当したチタン合金鍛造方法である。同じ形状の製品を成形するのに超塑性成メーカーは神戸製鋼、住友金属、日立金属、大同特殊

形では従来のプレス鍛造力量の１／３以下に下げるこ鋼などである。このライセンス生産により、その後のとができる。住友金属は超塑性鍛造用の 8000 トンプ

国産航空機ならびに国産ジェットエンジンの製造を可レス鍛造機を新たに導入した。上下の金型は 1000℃能とした。

近くまで耐える特殊耐熱材料を使用し、金型の全周に２）超塑性鍛造

800℃前後の温度を保持する加熱装置が組込まれていもうひとつの動きは超塑性特性を利用した型鍛造でる。超低速でかつ最適鍛造温度が保持された場合、鍛ある。超塑性には極めて細かい（数μレベル）金属組

造変形抵抗は通常のプレス鍛造の１／４以下まで下げ織を利用する微細粒超塑性と加工中に温度変化を与えられるため、公称プレス容量の４～ 5 倍の力量を有す

る変態超塑性の二つの機構があるが、型鍛造ではボることと同じ意味をもつ。

リュームがあるため温度変化を与えるのは容易ではな

超塑性は最終形状を出すまで予備成形、中間成形、

く微細粒超塑性が選択される。1980 年代にアメリカ

最終成形と少なくとも３段階の金型が必要となる高コを中心に研究が進められたが、日本国内でも遅れるこ

スト因子を含むため、製造数が少ない場合は採用できとなく検討が進められた。神戸製鋼は図 6.4 に示すよないケースも多い。そこで最適鍛造温度を維持しなが

うに 3.3 μ m から成る Ti-6Al-4V 合金で 1000％を越ら超塑性よりも早いひずみ速度で成形して、より最終

す大きな伸び変形（超塑性）を与えることに成功し、製品に近い形状を出す恒温鍛造も現実的な手法として日本鋼管（現在の JFE）は超塑性用チタン合金 SP700

実施されるようになってきた。

（Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe）を新たに開発した。SP700 は
アメリカ航空宇宙材料規格（AMS）にも規定され、ボーイングの機体部品として検討されている。神戸製鋼も

࿑ 6.3


超塑性用チタン合金 Ti-9（Ti-4.5Al-2Mo-1.6V-0.5Fe-



図 6.5 超塑性鍛造装置（第 8 回チタン講習会テキスト、日本チタン協会（2001）P48）

࿑ 6.5

࿑ 6.4

図 6.4

Ti-6Al-4V 合金の超塑性条件３）リングロール精密成形
鍛造と圧延の中間に位置する成形法にリングロール（森口、長谷川、伊藤：R&D 神戸製鋼技報 Vol.32, No.1（1982）
P41）

成形法がある。鍛造によって作られた大径ビレットに

0.3Si-0.03C）を新開発し、アメリカ材料規格（ASTM）

機械加工または鍛造穿孔によって中心孔を明ける。こに入れられた。

の穴明きビレットを再加熱して中心孔にマンドレルを鍛造や圧延のような高温での変形では変形速度が速通し、鍛造法で中心孔を広げるように大径化する。次

いほど変形抵抗が大きくなり、鍛造の場合では同じ成に図 6.6 に示されるような圧延機を垂直にした構造を形でもハンマー鍛造のようなひずみ速度（＝変形速持つリングロール成形機を用い、加熱された孔明きビ ࿑ 6.6
チタン製造技術の系統化調査

241

レットを圧延の要領でさらに大径化し表面形状も精密成形する加工法である。マンドレルロールで加工材料
内径側を押さえ、外面形状を有するキングロールで外6.2 圧延技術

側から圧下するのである。径方向に大きくなるように

インゴットを鍛造してできたスラブまたは電子ビー

加工材の幅（リング材の高さ）方向にアキシャルロー

ム溶解、プラズマアーク溶解などで直接作られたスラ

ルで上下を抑えこんでいる。この加工法は大径のリンブ型インゴットを素材として板製造のために圧延が開グ状の部品を溶接のような内部材質が変化することな始される。図 6.8 に示すようにスラブ形状の素材（通く、均質にかつ歩留り良く最終部品形状に近い精密成

常 350mm 前 後 の 厚 さ が あ る ） か ら 4mm 前 後 の 厚 さ形が可能である。図6.7 はリングロール精密成形法に
に落とすには高温加熱の熱間圧延が行われる。熱間圧



࿑ 6.5

 ࿑ 6.6

࿑ 6.5

図 6.6

リングロール圧延機（谷、石外ら：R&D 神戸製鋼技報、Vol.49

 ࿑ 6.6

No.3（1999）P19-22）


࿑ 6.7

a） 外

観

b）プロファイル



࿑ 6.7 図 6.7 リングロール成形されたジェットエンジンファンケース部品（谷、石外ら：R&D 神戸製鋼技報、Vol.49

No.3（1999）P19-22）

よって製造された Airbus A320 シリーズなどに使用さ延によって各種板厚の厚板製品（極厚板から厚板製れているジェットエンジン V2500 のファンケーシング品）ならびに冷間圧延素材となる熱延コイルが製造さ素材である。直径 1700mm φ、高さ 820mm のチタン合れる。4mm 厚から下の厚さには図 6.9 のような工程

金（Ti-6Al-4V）リング材で、断面プロファイルで示

で室温での圧延（冷間圧延）がされ、冷間圧延コイル

される複雑形状が可能となっている。製造当初の素材

さらにはこれをカットした各種サイズの薄板製品が製投入量（ビレット重量）はこの外側キングロールの形造される。

状改善と温度低下防止の工夫により半分近くまでコスチタンの圧延技術も鍛造技術同様第二次世界大戦後に誕生した新金属ゆえ当初は戦前からある圧延機、加トダウンができた。

熱炉ならびに既存の圧延技術を借用して板製造が開始

242

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.13 2009.May࿑ 6.8
࿑ 6.8

図 6.8

チタン熱間圧延プロセス（日本チタン協会編：現場で生かす金属材料 チタン、工業調査会（2007）P184）

うに、チタン製品の主たるものであったがチタン生産のための占有設備を持つには至ってない。
１）大型熱間圧延設備へ
チタンの圧延変形抵抗は図 6.10 に示すように温度域は異なるものの鋼並みに高いため、1960 年に入って生産量が増加しても銅合金の圧延設備を借りて製造していた。銅圧延に使用する圧延機では圧延機（スタンド）が一つのみで、熱間圧延では圧延可能な温度の範囲において、何度も圧延機のゲージ厚さを下げながら繰返すという方法であった。１ヒートの圧延が終了
すると長くなった熱間板を最終製品寸法に合わせた長さに切断し、曲がりや表面傷などの手入れをして再び加熱炉に入れて加熱し熱間圧延を行ったのである。

࿑ 6.9

図 6.9 チタン冷間圧延プロセス࿑ 6.9（日本チタン協会編：現場で生かす金属材料 チタン、工業調査会（2007）P197）

された。その後、チタンの板材開発には二つの方向があった。第一には生産量の拡大ならびに利用技術の拡大に沿った大型鉄鋼圧延機適用への検討、第二にチタンが稠密六方の結晶構造を持つが故の圧延方法の検討
である。
6.2.1

大型鉄鋼圧延機の検討

日本で製造されるチタン素材は初めて工業化に成功

図 6.10 チタンの圧延加工における変形抵抗（草道英武、井関順吉：日本のチタン産業とその新技術、
࿑ 6.10
アグネ技術センター（1996）P129）

した 1950 年代から現在まで板材が約 80％を占めるよチタン製造技術の系統化調査

243

1960 年後半から 1970 年代にかけて純チタンのニー

圧延するには各種温度でのひずみ速度も含めた変形抵ズも拡大し、インゴットの大型化もあって圧延単位の抗データー不足、圧延スタンド間の微調整、巻取り機大量化に対応すべくチタンメーカー各社は大型鉄鋼圧のコントロールなど多くの失敗を克服する必要があっ

延設備を利用することを考え始めた。熱間圧延は圧延た。

変形抵抗が鋼に近いこともあり比較的スムースに進ん

圧延素材（スラブ）では 2000 年代に入り、従来のだ。
鉄鋼大型圧延設備では銅の圧延機と異なり、
図 6.11

丸型インゴットを直方体に鍛造してスラブにする方法のようにタンデム（多段＝７～８機の圧延機が連続しから、電子ビーム溶解炉で製造した直方体インゴットている）になっていて一度の加熱で最終厚さまで圧延を直接圧延する方法も選択肢の一つとして選べるようできてかつコイルに巻き取れるという大きな変化をもになり、さらに生産コストの低下に寄与した。このス

たらしてくれた。当然生産コストは大幅に下げられる

ラブ型インゴットは溶解原料にスクラップも選択できこととなった。このような大型鉄鋼圧延設備を採用でることから、スクラップの有効利用とコスト低減に有きたのは日本メーカーだけであり、純チタン圧延材で効な方法となった。

現在も世界的に優位に立てているのはここに起源があ

２）大型冷間圧延設備へると言っても過言ではない。なぜ日本だけがこのような技術展開ができたかと言うと、多くの日本のチタンメーカーが鉄鋼メーカーの中の１セクションとして存在していたからである。1970 年代の主たるチタン板メーカーの神戸製鋼、住友金属はいずれも鉄鋼メーカーである。その他の三菱金属（現在の三菱マテリア
ル）、日本鉱業（現在の日鉱金属）は銅や耐熱合金の
非鉄金属メーカーとして強力な熱間圧延設備を自前で持っていた。新日本製鉄は全くチタン材の生産はしていなかったが、1980 年代に入って最初から大型鉄鋼
࿑ 6.10圧延設備を工程に組入れて純チタン圧延材の市場に参入した。
࿑ 6. 12 図 6.12

耐食性金属材料の使用可能範囲比較

（神戸製鋼

神戸チタン

カタログより）

熱間圧延に引続く冷間圧延も熱間圧延設備の大型化への移行に伴って鉄鋼用の大型冷間圧延設備へと移っていった。チタン圧延材のニーズが高まってきた
1960 年代後半はすでに耐食鉄鋼材料のステンレス鋼の生産が年間数十万トンと本格的化しており、チタン
板材の冷間圧延はこのステンレス鋼の製造設備で委託

࿑ 6.13圧延する形を取った。ステンレス鋼業界は 1970 年代に入ると年間生産量 100 万トンからさらに 1980 年へ

図 6. 11 タンデム圧延機（神戸製鋼所 加古川製鉄所 製造工程 説明資料

࿑ 6.11

向けて 200 万トン生産時代に進んでいった。この広く
P6）

工業界に普及し始めたステンレス鋼時代に、チタン材
は耐食性に極めて優れた材料として、ステンレス鋼でこの大型鉄鋼圧延設備による熱間圧延はすべて順調に進んだわけではない。鍛造でも問題になったような
インゴットの片焼け（不均一加熱）、加熱炉からの抽244も耐えられない化学工業環境が出現し始めたところで登場したことに大きい意味を持った。図 6.12 は耐食

࿑ 6.14性金属材料の使用可能な環境を示すスターンの図であ出（取出し）失敗、圧延中の大曲り（反り返る又はそるが、ステンレス鋼は塩素イオンのない硝酸に代表さの逆）、初期の圧延プログラムとの乖離などを克服しれる酸化性酸に使用可能な材料であるのに対して、チてきた。特に圧延プログラムはすでに鋼では 1990 年

タンはさらに過酷な塩素イオンのある環境でも使用で代コンピューター制御が定常化していたが、チタンをき、同じく酸化性酸での使用可能範囲を示す矢印の領

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.13 2009.May࿑ 6.13域も広くなっている。さらにタンタル（Ta）や白金（Pt）の少量合金化によって塩酸や硫酸に代表される還元性酸の領域での耐食性も付与されている。このような特性から、チタン材の生産量はステンレス鋼の生産量増加に呼応する形で順調に推移していった。
冷間圧延は熱間圧延で製造された 4mm 前後の厚さを有するコイルから始められる。1960 年代後半のス
テンレス鋼の圧延機はすでに基本的に現在稼動している形式になっており、真ん中に正及び逆回転が可能な圧延機が１基（スタンド）とその両側にコイル巻取り

図 6.14 ６段コンビネーションミルのワークロール
࿑ 6.14（福田、井端、樽本、澤田：R&D 神戸製鋼技報 Vol.49 No.3
（1999）P33）

装置が付いていて左右の巻取りを交互にしながら板圧を減じていくのである。1970 年代入ると中近東の大型海水淡水化プラントなどのチタン材を大量使用する
プロジェクトが出現し、チタン板材の生産量拡大が急務となり、チタン板材を生産する鉄鋼他各社はステン
レス鋼メーカーへの委託圧延から自社製造への転換が迫られてきた。冷間圧延機にはロール（ワークロール）
径が小さいものと大径の２タイプがあるが、ステンレ
ス鋼では圧延時に変形抵抗が大きいため、従来から幅࿑ 6.15は狭いが圧下力が大きくできる小径ロールの圧延機が使用されてきた。これに対して、大径ロールの圧延機

図 6.15 ６段コンビネーションミルの概観（神戸製鋼 神戸チタン カタログより）

では板圧のコントロールが小径ロール圧延機に劣るも一方、すでにステンレス鋼を生産開始していた住友のの、幅広の板が製造し易いという利点がある。チタ

金属や 1980 年代に新規参入した新日本製鉄は自前のン板も圧延時の変形抵抗が大きいことから、小径ロー

ゼンジミア圧延機をさらにチタン圧延ができるように

ルか大径ロールか選択が分かれるところである。ステ改良した。図 6.15 は６段コンビネーションミルと巻

ンレス鋼を製造している鉄鋼メーカーは圧延ワーク取り装置である。

ロールが 50 ～ 80mm と小径の多段（20 段前後）クラ6.2.2

スターミル（ゼンジアミル

࿑ 6.16

圧延技術の検討

図 6.13）を採用していた。

チタンを圧延して所定の幅、厚さならびに長さに仕

神戸製鋼は圧延速度も速くでき、チタン以外の特殊材

上げるのはステンレス鋼を圧延する圧延機を用いればの圧延も可能なワークロールが 150 ～ 400mm と大き容易である。チタン材に対して単なる耐食金属材料とい６段コンビネーションミル（図 6.14）を選択した。

して 1960 年代の化学機器の反応容器や配管などに使用されるのであれば寸法・形状が出てさえいれば良かった。しかし、チタン材に対して単なる耐食性金属
材料の範疇から 1970 年に入り、成形 ･ 曲げ変形を行って高効率の熱交換性や複雑形状の要求が出てくるのにしたがって、チタン材そのものの内部特性の解明と改善が必要となった。
１）結晶粒の調整
金属材料の機械的性質を決める一つに結晶粒があり、どの金属でも製造工程の基本として粒度調整を行っている。チタン板材も同様で熱間圧延と冷間圧延及びその後の熱処理の組み合わせを調整して製品とし

図 6.13 ゼンジミア圧延機のワークロール（日本チタン協会編：現場で生かす金属材料チタン（2007）
P198）てのマクロ組織、ミクロ組織をコントロールしている。
一般的には結晶粒が細かくなるほど機械的強度、延性ともに良くなっていくが、チタン材の場合は変態点（純チタンでは 885℃）があり、この温度を超えるとミク

チタン製造技術の系統化調査245

࿑ 6.15る。粒結晶粒が大きいほどこの張出し成形性が良くなることが判明し、以後は冷間圧延後の焼鈍温度を高くして結晶粒を 80 μ m 前後に調整することになった。
一方建材への適用も日本独自の用途開拓であったが、この長尺のロール曲げ成形では大きな結晶粒（39 μ m）
では図 6.17（a）にあるように板幅中央にうねりのよ
うな大きな凹凸（ポケットウエーブ）が発生した。10μ m の微細粒に変えた結果、図 6.17（b）のようにポケッ
トウェーブ問題はなくなった。
同じ成形性でも三次元形状の張出し成形では結晶粒
純チタン板材の張出し成形性と結晶粒の関係が大きいほうが良く、二次元形状の折り曲げ加工では（日本チタン協会編：チタンの加工技術、日刊工業新聞社
࿑ 6.16（1992）P85）

ポケットウェーブを防止するために結晶粒が小さいほ

図 6.16

うが良いことが明らかにされた。これにより、日本が先行して適用に成功した図 6,18 に示すような博物館

ロ組織が粗大粒に変わり鋼のようなその後の熱処理でなどの公共建築物の建材、特に長尺での屋根材並びには変えることはできない。このため、高温と室温の圧外壁材への利用となった。

延量の調整は多様性を呈する。1960 年代後半に入っ

２）結晶方位の調整て国内チタンメーカー各社はチタン材の消費量を拡大

チタン材は室温では図 6.19 に示される稠密六方とすべく社団法人日本チタン協会が中心となって用途開いう六角柱の結晶構造を持つため、この六角柱の傾き拓に注力した。その一つにカメラケースなど一般消費分布によって曲げ加工、凹凸成形などの特性に影響を財への適用があった。当初、細粒材が常識であったのあたえる。この結晶学の起源は 1912 年にＸ線によるで、冷間圧延量が多くなるように工程設計して 20 μラウエ斑点で有名なフォン・ラウエ（von Laue）が「結m 前後に調整した結果、成形コーナー部の凸部で割れ晶はＸ線を回折し、その仕方によって結晶構図がわかが発生してしまった。成形油も含めて成形条件を変化る」と発表してからである。1924 年になるとドイツさせても解決できなかった。海外でも検討データーが人ウェーバー（Wever）が結晶の分布図である極図形

なく、結晶粒の影響について張出し成形性を表すエリを著わし、目に見える形にした。この成果は欧米の結クセン値で調べた結果が図 6.16 である。試験板を平晶学研究者に広く伝わることなり、アメリカ、ドイツ

坦に押さえ、その下部から所定の径を有するポンチをを中心に金属の結晶学的研究に反映された。各種金属

押し上げて図中のような凸形状に膨らませ、凸のトッの結晶構造の決定そのものの構造研究からそれぞれのプ部にクラックが生ずる限界高さ（エリクセン値）を金属に要求される特性との関係も調べられ、化学分析試験するものである。成形性の良い材料ほどクラックや金属内の応力測定、結晶配向など多数の研究成果がが生ずることなくポンチ当り先端の高さが大きくな報告されるに至った。その後の学問的発展についてカ

図 6.17

࿑ 6.17246

純チタン板におけるポケットウェーブ発生と結晶粒の影響（屋敷，宮本、岡本：R&D 神戸製鋼技報 Vol.49 No.3（1999）
P36）

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.13 2009.May࿑ 6.17

࿑ 6,18a）神戸市立須磨水族園／
チタン屋根b）東京ビックサイト／
チタン外壁

図 6.18 チタン板を採用した建築物（日本チタン協会 建材カタログより）

リティ（B.D.Cullity）が 1956 年に名著”Element of

図 6.19 に示したチタンの結晶構造で六角の側面（柱X-Ray Diffraction”を著わし、世界中に X 線を用い面）が結晶学的に力を受けた時すべりやすく変形に寄た結晶学の研究が広まるきっかけとなった。この本は与する。一方、六角の面（底面）は変形しにくい結晶

昭和 36 年（1961 年）にカリティの弟子である松村源面のため、この底面の向きの集積度を測ると材料の変太郎によって翻訳され、 ”Ｘ線回折 要論”として日形の度合いを評価でき、コントロールすると複雑形状本で出版された。さらに昭和 41 年（1966 年）には日も可能な成形性の良い材料となる。図 6.20 に純チタ

本金属学会の啓蒙事業の一つとして金属のＸ線回折をンの熱間圧延時における集合組織変化の一例を示す。

長島晋一が”集合組織”を著書で出版し、日本国内の集合組織は天文学で用いられている天球儀と同じ方法

金属研究者の結晶組織学の教科書となった。

でステレオ投影方式によって表されている。表示されチタン材のＸ線回折による研究は 1950 年クラーる円の上下が圧延板の圧延方向（上に向かって圧延しク（H.T.Clark）に始まり、1953 年にはマックハーグている）で、左右は圧延板の幅方向を表している。円

（C.J.McHargue）、 ハ モ ン ド（J.P.Hammond） が 純 チの中心は圧延板の長さ方向および幅方向方向の垂直方

タン焼鈍材の（0002）結晶面分布図である極点図を向になり、圧延板から見ると圧延板に平行な面位置を示している。1960 年に入るとアメリカでのチタン合

見ていることとなる。円の最上部（時計 12 時の位置）

金の航空機材料適用が本格化したことから、チタン合および最下部（同６時の位置）は円の中心からは直角

金の結晶方位集積による材料強化の方法がボッコフェの面位置すなわち圧延板の長さ方向直角断面の面位置

ン（W.A.Bockofen）らにより 1962 年に報告され、実となる。同じように円の左右端（３時および９時の位際に利用が始まった。日本においてもこの年に住友金属の鋼の研究が学会で発表され、チタン材の分野についても神戸製鋼をはじめ住友金属でも研究が開始された。稠密六方の結晶構造を持つ金属にはチタンの他に亜鉛（Zn）、マグネシウム（Mg）、ベリリウム（Be）、
ジルコニウム（Zr）があるが、この時期に日本国内
で結晶方位の集合組織で研究が進んでいた金属は、原
子力発電用燃料被覆管として丁度国産化の検討に入っていたジルコニウムであった。神戸製鋼も住友金属
もこのジルコニウム原子力燃料被覆管の製造の準備に入っていたこともあり、ジルコニウムと同類の稠密六方であるチタンについてより早く研究に着手でき、製造条件に対応した成果を出しやすい環境であった。

図 6.19 チタンの稠密六方晶構造
࿑ 6.19（草道、村上、木村、泉：金属チタンとその応用、
日刊工業新聞社（1983）P43）

チタン製造技術の系統化調査

247

置）
は圧延板の長さ方向に平行な断面の面位置となる。

カーだけが行き着いた高純度の軟質の素材に依存する

図中では底面の集積度をステレオ投影方式の等高線で材料自体の軟質も寄与した。図 6.21 で示されるよう示していることになる。等高線の中の数字が大きいほに横軸の酸素含有量が少ない軟質材ほど張出し成形性

ど、等高線の数が少ないほど底面の集積度が高く、結であるエリクセン値が大きくなっており、成形性が改晶異方性を呈する圧延板となる。

善されていることが判る。海外では航空機用のチタン

ランダムな方位を示すＡ材は圧延によって板幅上に合金 70％以上であるのに対して、日本では純チタン

集積してくるが、圧延温度が低いとより垂直方向に集が 90％と純チタン製造に設備、技術の両方に注力で積が立ってきている様子が判る。また、最初から板幅きたことから、日本独自の製造技術となった。1970

上に集積しているＢ材では集積度がより上がってい年代後半には日本の純チタン板製造技術が不可欠となる。結晶構造の方位コントロールは高温での厚板圧延るプレート式熱交換器用の板材（図 6.21）の需要が増ならびに室温での冷間圧延の両方を組み合わせて工程

えはじめ、ここ数年は化学、食品のみならず船舶用にを組む必要あった。
これには自社で持ち始めた圧延機、も適用が拡大して需要が急増している。この成形性に

特に冷間圧延機特性と関連するため、研究での結晶構優れたチタン板材を製造できるのは日本メーカーのみ

造解析と製造現場の圧延条件コントロールが一体とで、基礎研究から製造まで一貫して成し遂げた神戸製

なって 1970 年代に取り組み、神戸製鋼、住友金属と鋼、住友金属、新日本製鐵のチタン板製造メーカーはもに完成をみた。これには日本のスポンジチタンメー

メーカー主導が可能な市場を形成した。

࿑ 6.19

࿑ 6.20

図 6.20純チタンの熱間圧延による集合組織変化（八木、福田、田部、西村：R&D 神戸製鋼技報 Vol.32 No.1
（1982）P49）

248

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.13 2009.May（1940 年）、フランスでセジュルネ（J. Sejournet）
がガラス粉末を潤滑剤にする熱間押出し法を開発した。この技術は昭和 31 年（1956 年）神戸製鋼がフランス CEFILAC 社から技術導入し、昭和 33 年（1958 年）
からユジーヌ・セジュルネ式熱間押出法として炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼の押出し管の製造が開始された。
ガラス粉末剤による潤滑はモリブデン入り油潤滑などの方法に比較して押出し加工中にガラス粉末が溶けた潤滑膜が保温も兼ね、内外表面で途切れることなく肌荒れを起こすこともなく平滑な押出し製品を可能とした。図 6.23 はこの押出し法の原理図である。円盤状のガラス粉末潤滑剤が加熱されたビレットと一緒に押出し機のコンテナーに入れられ、押出しが開始される
時点ではガラス粉末潤滑剤はビレットの熱で融けてビ
図 6.21 純チタン板の張出し成形性に及ぼす酸素量の影響
࿑ 6.21（森口、長谷川、西村、谷口：R&D
神戸製鋼技報 Vol.32
࿑ 6.21

レット全面を覆う。

No.1（1982）P25 ）࿑ 6.23

図 6.23

ユジーヌ・セジュルネ式熱間押出法の原理（筆者：新規作図）⴫ 6.1

チタンの押出し管はこの押出し機を使い 1960 年代から製造が開始された。チタンビレットの加熱温度は鋼やステンレス鋼と異なるため、ガラス粉末潤滑剤の
࿑
図6.22
6.22

日本のチタン板材が不可欠なプレート式熱交換器

࿑ 6.22

6.3（日本チタン協会

カタログより）

融ける温度を適正にする必要があり、ガラス組成が調整された。押出し機を出た管は素管と呼ばれ、内外表面に残っているガラス成分を砂ショットブラストなど
で除去した後圧延で製品外径と肉厚に仕上げられ、こ造管技術の後焼鈍、酸洗して試験、検査され製品となる。
押出し管と次節で述べる溶接管の使い分けは管の肉管を製造する方法としてはビレット（円柱状の素材

厚と径の大きさである。チタン押出し管はこの押出しに中心穴を開けたもの）を熱間押し出しで製造する方機を使い 1960 年代から製造が開始された。チタンビ法と冷間圧延で製造した板材を長さ方向に溶接によっ

レット限られたコンテナー径からそれよりも小さい径て接合して管とする方法の二方法がある。前者は押出から押出される原理から製品としての直径に限界が生し管またはシームレス管（溶接による継ぎ目＝シーム

じる。肉厚も押出しで素材ビレット中央穴に挿入され＜ seam ＞がない管の意味）と呼び、後者は溶接管とるマンドレルとコンテナーダイスの製品外径のクリア言っている。いずれの製造法も第二次世界大戦前後をランスが製品押出し管の肉厚になるので厚い側でも薄はさんで鋼、ステンレス鋼や銅で盛んに適用された方

い側でもやはり限界がある。現在の押出し管の標準的法であり、チタン材はこれらの実績のある技術を背景

寸法を表 6.1 に示すが、最大外径は 110mm 前後、肉に 1960 年代から製造が開始された。

厚は１～９mm である。この寸法限界から、押出し管

6.3.1

は肉厚を必要とする腐食環境の厳しい高圧配管等に限押出し管（シームレス管）

チタン材に適用された押出し技術の日本における起定されていった。

源は昭和 31 年（1956 年）にさかのぼる。昭和 15 年

チタン製造技術の系統化調査249

࿑ 6.23

表 6.1

チタンシムレス管の外径と肉厚（日本チタン協会
⴫ 6.1

昭和 45 年（1970 年）神戸製鋼尼崎製鉄所自家発４

チタンの市場開発スタッフ養成講座

号 機（5MW） に 全 チ タ ン 管入門コース（2008）P20）

復水器を採用昭和 49 年（1974 年）神戸製鋼加古川製鉄所５号機（50MW） に 全 チ タ ン 復 水 器（三菱重工㈱）を採用
昭和 52 年（1977 年）事業用として東京電力㈱広野
火力１号機に初めて全チタン
管腹水器が採用された
以後、薄肉溶接チタン管は多くのに新規沿岸発電所へ適用された。住友金属、古河金属、日本鉱業など他のチタンメーカーも薄肉溶接チタン管の製造を始めた。これらの使用実績が認められ、昭和 54 年（1979年）には東京電力㈱福島原子力発電所Ⅱ－ 1（BWR
型 1,100MW）への初採用を契機に同じく福島原子力発電所Ⅱ－２、３、４号機、九州電力㈱川内原子力発
電 所 １、2 号 機（PWR 型 890MW） へ も 採 用 と な っ た。

6.3.2

溶接管（シーム管）

この間の発展には技術的に製造設備として生産速度の溶接管は薄板圧延で製造された幅広コイルから製品寸法に必要な板幅に切ったフープを素材に多段のロー成形技術、最新の非破壊検査導入があった。

ル成形機で順次円形に丸めて、円形状態で板幅両端の１）溶接技術

接合部を溶接して管とする。造管設備はすでにステン

フープ（狭幅薄板コイル）は図 6.24 に示すようにレス鋼管が先行して製造を開始していた。同様の設備

7 ～ 8 段あるロール成形（ブレークダウンロール及びをチタン管用として昭和 40 年頃より設備化していき、

フィンロール）機で管形状として接合部を TIG（タンチタン管製造独自の開発も行われた。神戸製鋼は薄肉

グステンインナートガス）溶接した後４段のスクイズ

チタン管の用途を拡大すべく火力発電所復水器への検ロールで形状を安定化させる。ステンレス鋼溶接管の討を開始した。この時期は国内の電力需要の急激な増製造技術を受け継いだ 1960 年代は溶接トーチも一つ加があり、量拡大の期待ができた。

で溶接速度も２m ／分前後と遅かった。また、溶接アー

昭和 44 年（1969 年）東北電力㈱秋田火力１号機

クも不安定で（350MW） の 復 水 器（ ㈱ 日 立

・溶接ビーﾄﾞの蛇行が起こる製作所）のエアクーリング・突合せ部に半溶融部分が生じる

ゾーンにチタン管を採用

・シールドガスが乱れてシールが不十分となり、

࿑ 6.24250

増加と製品形状改善のための溶接技術と素材フープの

国立科学博物館技術の系統化調査報告

図 6.24（神戸製鋼

Vol.13 2009.May

薄肉溶接チタン管の製造工程
大河内賞受賞論文（1982 ）P32 ）溶融部で酸化・脆化が生じるなどの現象となってあらわれた。そこでアークの安定化で検討がされていた高周波溶接電源を採用することになった。高周波溶接電源の採用により図 6,25 に示すように溶接速度が早くなった場合でも、アークが安定していることが確認され、3.5m ／分以上の溶接速度の高速化が可能となった。
図 6.24溶接速度

２ ｍ／min

6.5 ｍ／min

９ ｍ／min

図 6.25 図 6.25 高周波溶接電源によるアークの安定化
溶接条件：溶接電流 100A ／アーク長 7mm ／周波数 15KHz（神戸製鋼 大河内賞受賞論文（1982）P34）

さらに 1970 年代後半から 1980 年代に入って全チタ࿑ 6.26

ン薄肉溶接管による復水器の時代をむかえ、生産量の図 6.26

新旧ロール成形の断面形状の違い（神戸製鋼

大河内賞受賞論文（1982）P36）

拡大が急務となってさらに造管スピードを上げるべくたは空圧による漏れ試験法しかなく、溶接管納入後に技術的検討に入った。一つは神戸製鋼独自技術とな漏れが発見されることもあった。昭和 45 年頃（1970

る２トーチ（ダブル TIG）溶接と次に述べる成形技

年代）に入り電気的な渦電流や超音波を使用する非術である。２トーチは従来の１つのタングステンアー

破壊検査法が実用化の時代をむかえ、管類への適用も

ク溶解（１-TIG 法、１-Tungsten Inert Gas Welding

可能な検査機器が手に入るようになった。1970 年代

Method） か ら 直 線 方 向 に 近 接 し て ２ つ TIG ト ー チ

後半からチタン薄肉溶接管の世界規格でもある ASTMを置き、溶接時の入熱を大きくした方法である。２（American Standard for Testing and Materials）にトーチ溶接法は造管速度を従来の２倍近くまで可能とも検査規定が入ってきて、国内チタンメーカー各社はなり、入熱量が上がることで厚肉溶接も可能とした。

薄肉溶接管にも国内での適用を開始した。図 6.27 は1.0mm 以上の厚肉溶接管ほどその効果は顕著であっ

製造ラインに組み入れられた非破壊検査（渦流探傷おた。設備増強をすることもなく生産量を上げることができた。平成８年頃（1990 年後半）には新規造管ラインも設備化され、デジタルインバーター化による造管の速度制御精度も向上された。
２）成形技術昭和 35 年頃（1960 年代）はフープコイルを巻きほどきながら平坦なままで図 6.24 に示した７～８段の成形スタンドで順次真円になるように曲げていった。
しかし、真円度計で測ると溶接後は溶接部が凸になる形状をていしていた。これはフープ幅端がどうしても真円の形状になっていなかったためで、昭和 45 年頃（1970 年代に入って）初期成形ロール（F1）形状を図
6.26 に示すように幅端を最初から内側にアールを持たせることによって真円度の改善が図られた。この形
状改善は溶接直前の成形ロール非対称にすることによってさらに真円に近づけることを可能にした。
３）非破壊検査技術

࿑ 6.27

1960 年代は溶接管用の非破壊検査としては水圧ま

図 6.27（神戸製鋼

薄肉溶接チタン管の非破壊装置
大河内賞受賞論文（1982）P50-51）

チタン製造技術の系統化調査

251

よび超音波探傷）装置である。

6.4.1

大型化への道

神戸製鋼はチタン溶解から始まり、溶接管までの一

すでに各種チタンミル製品を製造していた神戸製鋼

貫したチタン製造技術開発に対して、「火力および原は 1960 年頃チタンの鋳造品を製造すべく研究開発に

子力発電所復水器用チタンの製造加工技術の開発」と入っていた。製造法はアメリカで製造していた方法として昭和 57 年（1982 年）大河内記念生産賞をチタン

同じで、図 6.28 に示すように、消耗電極式アーク溶解

業界で初めて受賞した。

でチタン素材（ビレット形状）を溶かし、水冷銅坩堝
に最初に溶かしたチタンを固めてスカル（殻の意味）

6.4 鋳造技術としてこれに鋳造のための溶湯をためた。溶解の最終段階でアーク溶解の投入電力を高めてスーパーヒート

鋳造は溶けた金属を製品形状の型に流し込んで製品の状態にしてルツボを傾けて鋳型に注ぐ方式である。

を製造する方法である。チタンは化学的に活性な金属

昭和 27 年（1952 年）に真空装置の輸入販売を目的にであり、大気中では酸化してしまうため溶解から鋳型創業された真空冶金㈱（現アルバックマテリアル㈱）まで真空中または不活性ガス雰囲気でのプロセスが必も昭和 41 年（1966 年）に真空冶金事業を分離独立し要である。チタン産業が最も進んでいたアメリカでは
1950 年に開発されたスカル溶解法を 1950 年代にチタてチタンの鋳造を開始した。神戸製鋼における試験鋳࿑ 6.27造炉とその内部スカルを図 6.29 に示す。

ンの鋳造に適用し、化学工業向けを中心として生産が開始されていた。日本では昭和 32 年（1957 年）には工業技術院名古屋工業試験所で我が国初めてのチタン鋳物が研究所規模で製造された。昭和 35 年頃（1960年代）に入り、日本でも化学工業用途の拡大に伴ってチタン製のポンプ、バルブなどのニーズが高まり、企業化への動きとなった。
チタンの鋳造技術は製造条件の制約から、技術的には大型化と精密化の方向で進展した。

図 6.28消耗電極式アークスカル炉の構造

࿑ 6.28（大谷、越智ら：R&D
神戸製鋼技報 Vol.21 No.2（1971）P24）a) ࠴࠲ࡦ㍌ㅧἹᄖⷰ

a）チタン鋳造炉外観a) ࠴࠲ࡦ㍌ㅧἹᄖⷰ

b）スカルの断面形状

         

図 6.29 消耗電極式アークスカル炉と内部スカルb) ࠬࠞ࡞ߩᢿ㕙ᒻ⁁   （大谷、越智ら：R&D 神戸製鋼技報 Vol.21
No.2（1971）P24）

࿑ 6.29252

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.13 2009.Maya) ⚐࠴࠲ࡦ㍌‛ࠗࡦࡍ࡜࡯a) ⚐࠴࠲ࡦ㍌‛ࠗࡦࡍ࡜࡯
a）純チタン鋳物インペラーb）純チタン鋳物ゲートバルブb) ⚐࠴࠲ࡦ㍌‛ࠥ࡯࠻ࡃ࡞ࡉ
図 6.30 チタン鋳造製品
࿑ 6.30（大谷、越智ら：R&D 神戸製鋼技報 Vol.21 No.2（1971）P27）

この溶解炉では最大 80kg のチタン溶湯を出湯できた。昭和 50 年（1975 年）で神戸製鋼はチタン鋳造から撤退し、その後昭和 64 年頃（1980 年代後半）まで
は真空冶金㈱が国内唯一の会社となった。この過程で出湯量は 170kg ／バッチへと拡大していたが、海外の１トン／バッチにするとまだ小規模であった。
1980 年代に入り化学工業の更なる拡大により、製造装置の大型化、複雑形状化からチタン鋳造製品の大型化への要望が大きくなってきた。日本国内でもチタン鋳造製品で数百 kg 近いインペラーなどのニーズが出てきて、真空冶金㈱はチタン出湯量をb) ⚐࠴࠲ࡦ㍌‛ࠥ࡯࠻ࡃ࡞ࡉ 170kg レベ

࿑ 6.31 図 6.31 黒鉛粉末成形鋳型
中子：カーボンブロックを機械加工

ルに加えて小回りの利く
120kg 出湯量炉を新設した。
࿑ 6.30500kg レベルの製品も可能となった。図 6.30 に消耗電

全体鋳型：カーボン粉末の突き固め（大谷、越智ら：R&D 神戸製鋼技報 Vol.21 No.2
（1971）
P25）

極式アークスカル炉で製造されたチタン鋳造製品のイ期となった。昭和 55 年（1980 年代）に入り日本経済

ンペラー並びにゲートバルブを示す。

の拡大に伴って一般消費財へのチタン材適用が急速に大型製品に対しては溶接で組上げる手法も用いられ、チタン鋳造技術で鋳造法同様重要な技術が鋳型であ広がり、精密鋳造品への要望も急速に高まった。よりる。鋳型は従来の砂型（酸化ケイ素が主体）では溶湯

精密化、より簡便化された鋳造法が日本独自の技術とチタンと反応するため、反応が起こりにくいカーボン

して開発された。

が使用された。製品の大小、複雑形状の程度からカー
ボンブロックを機械加工で削って組上たり、カーボン

6.4.2

精密化への道粉末に糖蜜などを加えて砂型と同じ要領で突き固めた

一般消費財のさきがけとなったのはスポーツ用具でものも使用された。バルブのような中空構造の製品であった。昭和 64 年（1980 年代後半）に入り 、ゴルフは図 6.31 に示すように中空部分に相当するにカーボンのドライバーヘッドにチタン精密鋳造法が適用され初ブロックを機械加工して中子として、カーボン粉末をめて世に出された。これを機に銅合金や他の金属の精突き固めた外側用型にセットする方法が取られた。こ密鋳造を行っていた企業や新たに参入する企業も相次の鋳型製造手法は昭和 36 年頃（1960 年代の当初）かいだ。全面曲面からなるヘッド形状は鋳造でしか製造
࿑ 6.32

ら行われ、現在も複雑度は変化したものの基本的にはできない製品として他の金属で多用されていたロスト同一手法である。

ワックス法がチタンでも採用された。ロストワックス

昭和 55 年頃（1980 年代）はチタン鋳造のための溶法は製品形状のワックスモデル表面に耐火泥を塗り、解技術並びに鋳型製造技術にとっても大きな転機の時

さらに補強泥を塗り重ねた後乾燥→焼成して中のワッ

チタン製造技術の系統化調査

253

クスを除去、鋳型が完成する。最初のチタンドライバー

度で TiO2 のデーター線より下にあるものを選択する

は製造にもコストがかかったが、チタンの原子番号が必要がある。MgO は TiO2 線より下にあるが、チタン

22 番なので２２万円と高い値が付けられたとも言われが溶かされる 2000℃以上ではこの線より上に出てしまた。しかし、ここで鋳型材と鋳込むチタン溶解の両方うことが予想されるデーターとなっている。TiO2 線よに技術的問題点が発生した。

り 下 に あ る 酸 化 物 は Al2O3、ZrO2、BaO、CaO で あ る。

１）鋳型材の開発

これらの酸化物を耐火材として鋳型を成形することに鋳型材は通常酸化物であるため酸素との親和力が強より、チタン鋳造材の表面酸化を減らすことができた。

いチタンは溶解状態のような高温状態ではこれら酸化しかし、酸化物を泥化→塗布→乾燥する過程で CaO の物と接触して酸化物の酸素を奪い取り自らは酸化する

ように水を使用できないものもあり、米田鋳造（現在のである。開発当初は従来金属のロストワックス法ではヨネダアドキャウト㈱）、三井造船㈱、IHI キャス

採用されていた SiO2 や MgO などの耐火材が安易に適用

イングス㈱などの鋳造メーカー各社は組成で工夫してされて、精密鋳造後の形状は問題なくともこの酸化のる。ロストワックス法の標準的なプロセスを図 6.33 に影響がボールの当たるフェース部分にでた。肉厚の薄示す。鋳造後は耐火鋳型を破砕し鋳込み口やバリなどい部分では表裏両面からチタン表面で酸化が起こり、機械的ならびにショットブラストで取り除いた後、表酸化硬化してゴルフボールの強い衝撃力には耐えられ面を硝弗酸にて酸洗清浄化を行う。このようなプロセ

ず割れた現象であった。

スで図 6.34 にあるようなオートバイマフラー部品、自鋳型材の基本に立ち返り、図 6.32 に示す酸化物の標

転車ペダル、工具類、アクセサリーペンダントなどの一般民生品が製造されている。

準生成自由エネルギーから検討された。
࿑ この図で、チタンと酸化を起こさない酸化物は各温
6.31

ワックス模 型 型 取り
耐 火 物コーティング
脱ろう及び 型 検 査
鋳造

離 型 及びショットブラスト
ケミカルミル
HIP
検

査
溶接補修

仕 上 げ
熱 処 理
寸法検査

図 6.32 各種酸化物の標準生成自由エネルギー࿑（草道英武：日本鉄鋼協会
6.32
第 11 回白石記念講座 資料

࿑ 6.33（1986）P23）

࿑ 6.34254

国立科学博物館技術の系統化調査報告

図 6.34

非破壊検査

図 6.33

ロストワックス法のプロセス（伊藤喜昌：金属 アグネ、VOL.58 No.2（1988）P25）

精密鋳造によって製造された一般民生品（日本チタン協会

Vol.13 2009.May

カタログより）

２）溶解法の開発
一般消費財は産業用品とは異なり製品単体が kg オー
ダーを越すことはなく、溶解装置も大量生産向きにのるつぼからの汚染を無くすことができ、工業製品としての組成安定性が保たれ、バラツキの心配もなくなった。

回転率の良いものとする必要がでてきた。新規参入した三菱マテリアル㈱は真空冶金㈱と同規模の 100 から

6.4.3

その他の分野への適用

120kg の出湯量が可能なスカルアーク炉を有していた。

1977 年、 ア メ リ カ の 歯 科 シ ン ポ ジ ウ ム に お い て

川崎製鉄㈱は新たに電子ビーム溶解炉を導入し、チタ

R.M.Waterstrat が初めて「歯科用合金に代わるべき合ンの精密鋳造を開始すべく、研究を開始していた。米金」としてチタン合金（Ti-13Cu-4.5Ni）の歯科鋳造物

田鋳造㈱（現在 ヨネダアドキャスト㈱）は銅合金鋳を紹介した。これを契機に世界でチタン歯科鋳造の研造から同じ高周波溶解炉を使用してカルシア坩堝を使究が開始された。日本においては昭和 53 年（1978 年）

用しての新しい試みであった。カルシア坩堝方式ではの京都大学医用高分子研究センター井田教授、都賀谷

三井造船㈱も新規参入であった。この他にも関東特殊らにより初めてチタン歯科鋳造の報告がされた。

鋼㈱、日立金属㈱、石川島播磨重工業㈱もチタン精密
鋳造品を新たなメニューとして加えた。

歯科鋳造は従来より Co-Cr 合金、金合金などで金属
床（入れ歯）金属冠などの歯科補綴物が歯科技工士に

大同特殊鋼㈱は図 6.35 に示すように高周波溶解炉をより作られている。チタンの生体内安定性（適合性）

使用するが内側に特殊な銅製水冷坩堝を置き、底部でが基礎研究され、整形外科、歯科分野への適用が研究はチタンのスカルが形成され上部ではチタン溶湯が側されるに至り、鋳造用材料としても検討されるように壁に接触することなく保持される特殊な炉（レビキャなった。歯科分野で鋳造する場合は工業材料に比べてストシステム）を開発した。これにより、溶湯準備中

さらにサイズが小さく、寸法精度も工業製品より一桁高い。さらに Co-Cr 合金や金合金で使用されている鋳造機は大気でかつガス加熱で溶解する仕組みのためチタンの鋳造には使用できない。鋳型材もリン酸塩やマ
グネシア系でチタンと高温で反応するためそのままでは使用できないものであった。工業用鋳造機も一般民生品用に小型機が開発されていたが、kg 単位の溶解で歯科鋳造の数十ｇ単位の鋳造とは大きな隔たりがあり使用できなかった。昭和 53 年（1978 年）の京都都大学からの発表を契機に、チタン歯科鋳造機とそれに付随する鋳造システム（鋳型→焼成→鋳造）が開発されている。

図 6.35大同特殊鋼㈱のレビキャスシステム

࿑ 6.35（鈴木、山本ら：日本鉄鋼協会 チタンフォーラム第 1 回研究発表会 概要集（2008）P56）
࿑ 6.35１）鋳型材
歯科鋳造鋳型には工業鋳型にはない鋳型寸法調整の特殊性がある。患者から型取りした寸法は実寸であり、これを原型に鋳造すると溶湯金属の凝固収縮で小さくなり、口腔内の形状にフィットしない。そのため、従来歯科鋳造ではリン酸系耐火物に膨張剤を加え、加熱焼成して鋳造金属の凝固収縮分を膨張させておいて、鋳造材が室温まで下がった時は型取りと同一寸法になるように調整されている。工業材料の鋳造では最初から凝固収縮分を計算で鋳型模型に反映させ大き目に作ってあるのと異なっている。
チタンの鋳造では溶湯チタンとリン酸系鋳型が反応するため鋳型材として使えない。そこで京都大学では以下の改良を加えながらチタンと反応しにくい金属ジ

࿑ 6.36

図 6.36

工業製品としてのチタン精密鋳造品

ルコニウムを使用する方法に行き着いた。

（小野寺幹男：チタン21世紀、日本チタン協会（1992）
P175）
࿑ 6.36
チタン製造技術の系統化調査

255

鋳

型主骨材＋二次添加剤

マグネシア

＋
↓

重炭酸ソーダ<寸法適合性不良>（硬化促進剤）

マグネシア＋

重炭酸ソーダ＋金属アルミニウム↓<寸法適合性改善>（硬化時膨張剤）

マグネシア＋

重炭酸ソーダ＋金属ジルコニウム

↓
マグネシア

寸法適合性

<寸法適合性改善中>（加熱時酸化膨張剤）＋

エチルシリケート、シリカゲル、ジルコニウム（結合剤）<寸法適合性改善大>࿑ 6.37

その他、昭和大学歯科理工、東京医科歯科大学など
も各種歯科鋳造機に対応した鋳型材システムを開発し
ている。
２）鋳造機
最初にチタン鋳造機を開発したのは㈱オハラであった。開発当初はアーク溶解部分のみアルゴン雰囲気にして、20 ～ 30g のチタン円柱体を全体溶解した瞬間を見計らって遠心鋳造装置を急速回転し、遠心鋳造するものであった。遠心鋳造中は大気中のためチタン鋳造
材に酸化がおこり、不良品も発生しやすかった。次に遠心鋳造装置を含むチャンバー全体をアルゴンガス雰
囲気にすることで改善が図られた。図 6.37 は㈱オハラのチタン鋳造機外観とその構造である。岩谷産業㈱も

࿑ 6.38

図 6.38

岩谷産業㈱の歯科用チタン鋳造機と構造（三浦、井田編：チタンの歯科利用、クインテッセンス（1988）P76）

ほぼ同じ時期にチタン用の歯科用鋳造機を開発した。
鋳造装置は図 6.38 に示すように上下２室の構造にチュア化した。溶解部分はチタンが溶解状態になったなっている。上室が溶解、下室が鋳型を置く場所で、時になるべく反応が起きにくくするためにカーボンる

20g 前後のチタンビレットをアルゴン雰囲気でアーク

つぼとし、システム全体をアルゴンガス雰囲気が可能

溶解し、チタンビレット全体が溶けて下に落ちる瞬間

な密閉チャンバー内に構成した。数十ｇと大きめのチを見計らって溶解室側をアルゴンガスでさらに加圧、タンビレットをアーク溶解し、ビレット全体が溶解し鋳造室側は真空に吸引してチタン溶湯が鋳型の隅々また状態でスーパーヒート状態まで温度を上げ、下部にで入るようにした。さらにその後は鋳造タイミングの位置する遠心鋳造装置を回して溶湯を落として鋳造す

自動化や加圧圧力の増加などの改善が行われた。

る方法である。工業用精密鋳造装置の数倍の遠心力をコベルコ科研は工業用精密鋳造機を歯科用にミニ発生させるこができるため、金属床のような大きめの鋳造も欠陥を少なくできた。
これら歯科用精密鋳造機は従来の Co-Cr 合金や金合金の鋳造機に比較して数倍も大きく、高価で鋳造シス
テムとしての習熟が要求されるため、大手歯科技工所（会社）が全国ネットで各歯科医院へ供給するシステム
を取るようになっている。

࿑ 6.37 図 6.37

㈱オハラの歯科用チタン鋳造機の外観と構造（三浦、井田編：チタンの歯科利用、クインテッセンス（1988）P78）

256

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.13 2009.May

参考文献

18） 日 本 鉄 鋼 協 会 第 11 回 白 石 記 念 講 座

１）日本チタン協会編

現場に生かすチタン（2007）

２）チタニウム協会創立 30 周年記念 国際シンポジウ
３）チタン 21 世紀へ チタンニウム協会 40 周年記念
４）日本チタン協会

創立 50 周年記念 論文集（2002）

５）日本チタン協会

カタログ（2006 年）

神戸チタン10）R&D 神戸製鋼技報 Vol.32 No.1（1982）
11）R&D 神戸製鋼技報 Vol.49 No.3（1999）
大河内賞受賞論文「火力および原子力発電所復水器用チタンの製造技術の開発」（1982）
13）カリティ（松村源太郎約）X 線回折要論、アグネ（2002）
講座

資料（2008）（1971）P24-27
24）小野寺幹男：チタン 21 世紀、日本チタン協会（1992）
P174-17825）真空冶金㈱ 50 年史（2007）27）飯久保知人：日本チタン協会 50 周年記念、日本チタン協会（2002）P68-72
28）鈴木、山本ら：日本鉄鋼協会 チタンフォーラム（1961）
14） 長島晋一：金属学新書 集合組織、日本金属学会

第 1 回研究発表会 概要集（2008）P56-63
29）伊藤喜昌：チタンの鋳造、金属（1966）
15）日本チタン協会編

21）日本チタン協会 第 9 回チタン講習会テキスト

23） 大 谷、 越 智 ら：R&D 神 戸 製 鋼 技 報 Vol.21 No.2

社史 1956-1985（1985）

９）R&D 神戸製鋼技報 Vol.21 No.2（1971）12）神戸製鋼20）日本鉄鋼協会 基礎研究部「日本でチタンの研究

22）日本チタン協会 チタンの市場開発スタッフ養成

カタログ

日本ステンレス 50 年史（1984）

８）日鉱鉱業19）日本鉄鋼協会 第 161･162 回西山記念講座（1996）

開発はどこまで進んでいるか」（1993）

論文集（1992）

７）白い鋼（1986）
P119-214

ム論文集（1982）６）神戸製鋼資料集

チタンの加工技術（1992）

16）金属チタンとその応用、日刊工業新聞社（1983）
17） 国 立 科 学 博 物 館： 産 業 技 術 の 歴 史 資 料 番 号
100410081042

アグネ Vol.58

No.2（1988）P23-29
30）三浦維四、井田一夫編：チタンの歯科利用、クインテッセンス出版（1988 年）

ユジーヌ・セジュルネ式熱間押出法

チタン製造技術の系統化調査257

7 まとめと考察
7.1 まとめ

7.2 今後への考察

日本のチタン産業は第二次世界大戦後の混乱期に誕

今後の日本のチタン産業を考える場合、他の産業の生したにも関わらず欧米列強の中で順調に発展を遂場合同様すでに肩を並べて安定した競合状態にあるアげ、チタン展伸材供給においてはアメリカ、ソ連（後メリカ、ヨーロッパ、CIS 以外の発展途上国との関係

CIS）に次ぐ世界第三位を占める主要国となった。

を考える必要がある。特に近年の発展が著しい中国や日本のチタン産業の現在の発展には以下の要因があ

インド、ベトナムなどである。

げられる。

中国は数年前まではスポンジチタンを製造するメー

１）第二次世界大戦後の混乱期にもかかわらず、世界カーは２社しかなかったが、2003 年前後を境に急激で初めてチタン製造を工業化したアメリカに遅れるに増加して 2007 年末で 20 社以上になっている。スポことなく数年でスポンジチタンの製造に追いつい

ンジチタンを原料とする展伸材メーカーも 2000 年以た。そして最大市場であるアメリカ航空機産業へス

前に比較して数倍に増加している。そして 2007 年末

ポンジチタンを供給するチャンス（冷戦の始まり）

時点でスポンジチタン、展伸材ともに中国国内需要量に巡り合えた。

を超す生産量となり、生産量も日本を抜いた。さらに↓

数％の伸びで生産量が伸びることが確実となってお

日本製スポンジチタンの品質は年々向上し、最高品

り、中国国内需要をオーバーする分は当然中国から輸質のランクを付けられて欧米の航空機産業には不可欠出され、日本へも輸出攻勢をかけてくるものと推定さの素材となった。

れる。日本としては中国の予想される輸出攻勢に対し

２）日本国内でのチタン展伸材製造は戦後の航空機・て今後どうすべきか考える必要がある。

兵器関係製造の制限により、平和目的（石油精製、

１）スポンジチタンにおける技術的対策

化学工業など）が明確な純チタン材製造に絞り込まれ、結果的にこれに特化された。
↓

日本のスポンジチタンは工業的に生産されている中で最も不純物が少なく、大規模生産によって製造コス
トも下げられていることはすでに述べた。これに対し

純チタン材の製造技術、品質向上に注力でき、原料て中国の製造するスポンジチタンはジェットエンジンである高品質（高純度）の国内スポンジの存在にも恵

回転部品をはじめとする航空機重要部品への使用はままれて、最高品質の純チタン材を製造可能とした。

だ不可能なレベルで、高い成形性を要求される純チ３）チタン材の需要が伸びてきた時期と日本の鉄鋼業

タン板用の極低酸素量のグレードは精錬法の問題からが大きく拡大した時期が一致しており、多くは鉄鋼まだ製造できないでいる。この技術的格差はしばらくメーカーが自身でチタン材を製造していたため世界維持できると推定されるが、上記以外の日本市場ので最も進んだ大型鉄鋼製造設備でチタン材を製造す

50％以上を占める化学工業、自動車・民生品などの一ることとなった。

般用途材は労働コストの安い中国材に席巻される恐れ↓が出てくる。

欧米のチタンメーカーは純チタン製造設備をチタン対策としてはスポンジチタン製造コストを今以上に専用設備化としたが、かえってその後の大型化、ハイ下げる必要がある。そのためには現状プロセスの低コテク化ができなくなった。これに対し、日本では大型スト化見直しと新精錬技術の早期実用化が考えられ

鉄鋼製造設備により広幅で均質・高品質大型コイル（巻る。

板）
を低コストで供給することができるようになった。

①

現状プロセスの低コスト化
世界のスポンジチタンメーカーが未だできていない

258

原料素材である世界最高品質の国内スポンジチタン

が、還元プロセスの完全連続化である。TiCl4 の Mgと国内大型鉄鋼製造設備による高品質、低コスト製造

還 元（TiCl4 ＋ 2Mg → Ti ＋ 2MgCl2） に お い て い かが日本のチタン産業を世界のトップレベルに押し上げに Ti 金属（スポンジ状）部分を抜取りさらにスポンたと言える。

ジ状 Ti に含まれる余剰未反応 Mg と生成 MgCl2 を分

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.13 2009.May

離するかである。これには前段の液体プロセスから後い技量が必要となる。この分野では日本の技術は世界

段の混合プロセスへの変化という困難さのトップクラスにあり、数年は技術的優位を保てると前段：

液体（TiCl4 および溶融 Mg）プロセス

考える。しかし、数年後にも技術優位を保つためには

後段：

固体（スポンジ Ti ＋液体（溶融 Mg）

更なる工程の連続化、より低コストで可能な圧延ロー＋気体（ガス状 MgCl2）混合

ルの広幅化、エネルギー原単位に立返った省エネル

はあるが、密閉内でのパイプ内プロセスから落下また

ギー化、製品仕上がり精度の向上など積重ねる必要がは機械的横移動を含めたプロセスを入れることで可能ある。

となるのではないだろうか。完全連続化は熱的エネル

一方、中国がすでに技術的に追いついて輸出を開始

ギーの低減に最も効果が出てくるであろう。

している数 mm 以上の厚板、鍛造素材となるビレッ②

トや鍛造丸棒、線材などは国際分業化の流れとして致新精錬法の実用化による低コスト化

現在イギリス、アメリカがそれぞれ中心となって新し方ないかもしれないが、神戸製鋼、住友金属、新日

チタン精錬法が研究されている。日本では大阪チタニ

本製鐵グループがそれぞれ開発している低コスト耐食

ウムテクノロジーズ、東邦チタニウムのスポンジチタ

チタン合金や低コスト高強度チタン合金などのチタンンメーカー２社、神戸製鋼、新日本製鉄のチタン展伸材質で差別化して日本産のチタン材料を世界チタン市材メーカー２社が経済産業省の補助金を得て日本チ場に広め、新規需要拡大に寄与できると思う。

タン協会のもとで日本独自の JTS（Japan Titanium
Society）法を技術開発中である。プロセスの概念を

参考文献

図 7.1 に示すが、精製された TiO2 を CaO によって直１）中国チタン協会

接還元して金属 Ti とし、連続して溶解を行いインゴッ

２）兵頭剛二：日本チタン協会西日本支部

トとする方法である。工程の詳細は開示されていないため不明であるが、このプロセスによってスポンジチ
タン製造に相当するコストが 30％低減されると推定

2008 年統計データー
平成１8

年度報告（2006）３）Ti-2007 Science and Technology（第 11 回チタン国際会議論文集）JIM（2007）

されている。

࿑ 7.1

図 7.1 日本独自技術による新チタン精錬法（JTS 法）（M.Yamaguchi et al :Ti-2007 Science and Technology（2007）P143）

これらの新技術は実用化に至れば日本の独自技術として、中国対策のみならず世界のスポンジチタン製造をリードするものとなりえる。
２）チタン展伸材における技術対策
中国のチタン展伸材で日本の技術に追いついていな
いのは 1000mm 以上の幅広で 1mm 以下の薄板コイルと、
この薄板から製造される薄肉溶接管である。いずれも新規設備投資と製造技術ならびに製造現場作業者の高チタン製造技術の系統化調査259

8 チタン製造技術の系統化

260

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.13 2009.May

チタン製造技術の系統化調査

261

9 あとがき・謝辞
今回の「チタン製造技術の系統化」では日本チタ顧問からヒアリングさせていただきました。チタン溶ン協会筒井政博専務理事、伊藤均部長に協会が保有す

解技術、展伸材製造技術では㈱神戸製鋼所元理事草道

る多くの歴史的資料、チタン製造会社社史、カタログ

英武博士、西村孝博士にたくさんのご助言を賜り、鋳類ならびに技術資料を活用させて頂いたことことを感造技術におきましてはアルバック㈱小野寺幹男取締役

謝いたします。所属するコンサルタント諸氏からも貴に多くの技術変遷を聞かせていただきました。

重な技術上の史実、アドバイスをもらいました。
スポンジチタン製造技術では大阪チタニウムテクノ
ロジーズ㈱市橋弘行顧問、東邦チタニウム㈱小泉昌明

262

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.13 2009.May

大学では東北大学金属材料研究所花田修二名誉教授
並びに鐙屋匡研究生、関西大学工学部小松伸也教授、
杉本隆史教授に学会関係のお話を伺いました。

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チタン製造技術の系統化調査263

国立科学博物館
技術の系統化調査報告 第 13 集
平成21（2009）年5月29日■編集

独立行政法人

国立科学博物館

産業技術史資料情報センター（担当：コーディネイト・エディット 永田 宇征、エディット 大倉敏彦・久保田稔男）■発行

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