藤森科学技術振興財団
研究実施概要報告書（西暦） 2023 年 5 月 30 日

公益財団法人藤森科学技術振興財団
理事長 藤森 明彦 殿

藤森科学技術振興財団の助成金による研究が終了しましたので、下記のとおり報告をいたします。

所属機関 大阪大学 接合科学研究所
職名教授氏名梅田 純子【提出書類】（1）研究実施概要報告書（本紙）添付書類（A4 版 3 枚以内）：研究状況を示す写真等の資料（2）収支報告書
添付書類：助成金を充当した経費の領収書
領収書を添付しない場合：支払一覧表と支払部門担当者確認署名

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田

（1）テーマ※スペースが足りない場合は、枠を追加いただいて構いません。

スポンジチタン廃材のアップグレードリサイクル技術開発（2）本研究の期間（⻄暦）

2023 年 4 ⽉ 〜

2024 年 3 ⽉（3）本研究の目的
資源的に豊富なチタン(９番⽬に多い地殻構成元素，Ti)は，アルミニウムに次ぐコモンメタルになり得るポテンシャルを有するが，素材価格が⾼いためにその普及量はアルミニウムに⽐べて圧倒的に少ない．その理由の⼀つとして，還元⼯程において⾼温のチタンが接するステンレス製容器から最⼤約 8%の鉄成分がスポンジ表⾯に混⼊するため，鉄と酸素が濃化する底部と側⾯部(全体の約 20%)を切除する．その結果，材料歩留まりが低下し，素材価格の上昇を⽣む．このような⼯程内廃材は鉄鋼添加剤として利⽤され，その価格は約 300 円/kg と，スポンジチタン製品に対して約 1/5 と極めて安価である．⾔い換えると，⼯程内廃材をチタン原料として経済性良く再⽣（リサイクル）できれば，廉価なチタン合⾦が⽣まれ得る．そこで本研究では，⽔素といった通常の⾦属では「負の成分」とされる元素を活⽤し，上記の⼯程内廃材から直接再⽣したチタン粉末を⽤いてプレス成形を必要としない⾮真空焼結固化製法を確⽴する．そして，再⽣材の⼒学特性がバージン材を凌駕することを実証する．このように本提案では，従前の常識を覆すチタンの独創的かつ⾰新的なリサイクル技術に係る合⾦・プロセス設計の構築を⽬指しており，これを通じてチタン素材価格の低コスト化に貢献する．
（4）本研究の概要
軽⾦属であるチタンは，抜群の耐腐⾷性と⾼⽐強度，優れた⽣体親和性を有し，航空機⽤途や医療分野での需要が主であり，新規分野として燃料電池セパレータ⽤途に関して，⽇⽶中を中⼼に世界的な需要が拡⼤している．さらに，コロナ禍からの経済回復による航空機産業におけるチタン需要の急速な増加と，スポンジチタンの⽣産量で世界３位，４位のロシア，ウクライナにおける物流供給の⻑期不安定化といった要因によって，チタン原料の供給量不⾜と鉱⽯価格の急上昇といった問題が⽣じている．ゆえに，前述したチタン素材の⾼価格といった課題に加えて，世界的な外部環境変化による更なる素材価格の上昇を抑えるには，⼯程内廃材の直接再資源化技術の早期実⽤化が不可⽋である．
そこで本研究では⼯程内廃材をチタン原料としてのアップグレードリサイクル技術開発を⽬指す．具体的には，従来の溶解製法と異なり⾮溶解法である固相焼結法を基盤に，⽔素化熱処理により廃材チタン原料の粉砕加⼯を施して，粉末冶⾦⽤原料として利⽤できるチタン粉体試料の作製する．また，得られた廃材チタン粉末に含まれる⾼濃度の鉄や酸素を，チタン焼結材の⾼強度化元素として有効利⽤できること実証すべく，⼒学特性評価を⾏う．

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（5）本研究の内容及び成果
スポンジチタンは，中間原料である四塩化チタン（TiCl4）をマグネシウム還元法（クロール法）によりを製造している．その還元⼯程で不純物の酸素や鉄を除去することが極めて難しく，⾼濃度の鉄や酸素を含んだ部分は廃材となる．このチタン廃材（図 1）を原料粉末とすべく，まず⼩⽚ブロックに切断した後，⽔素化熱処理を施すことで脆
い TiH2 相が分散するチタン材を作製して粉砕加⼯を施した．図 2 に⽰すように，得られた粉末の平均粒径は 20 µm 程度で⾓張った形状を呈した．通常の⾦属では「負の成分」とされる⽔素元素を積極的に⽤いて，機械粉砕加⼯により平均粒⼦径 20µm を得られ，⽬標とする粒⼦径 200 µm 以下を達成した．この⽔素化熱処理と粉砕加⼯⼯程で得られたチタン廃材粉末と市販の純チタン粉末の混合粉末を⽤いて，1000℃の真空雰囲気中で脱⽔素・固相焼結処理を施した．この際，

図1

昇温条件を適正化することで，TiH2 相は 400−700℃の温度

チタン廃材域において TiH2 の熱分解を促すとともに熱分解時に発⽣する⽔素ガスを完全に排出し，内部⻲裂や⽋陥のない焼結体（相対密度 90%）を作製した．続いて焼結材に対して熱処理と熱間押出加⼯を施すことで，完全緻密化した押出材を得ることを実証した．なお焼結押出材の⽔素含有量は，0.005wt.%以下（熱処理前の⽔素含有量 0.008 wt.%）であることを確認した．
このようにして得られたチタン廃材粉末を利⽤した押出材の特性評価を微⼩硬度試験および常温引張試験通じて⾏った．硬度測定の結果，純チタン押出材と同等の 197.5 HV を

図2

機械粉砕加⼯後のチタン粉末 SEM 観察結果⽰した．また引張試験の結果，本チタン廃材混合粉末押出材の引張強さは，純チタン押出材の引張強さ 451MPa を⼤幅に上回る 612Mpa を呈した．破断伸び値も 30%を⼤きく超えて⼗分な延性を⽰した．この結果，鉄と酸素といった不純物成分を含むチタン廃材の引張強度特性は，純チタン材の⼒学特

図3

焼結押出材外観写真性を⼤幅に上回ることを実証した．

チタン素材の中間原料であるスポンジチタンの製造過程時に廃材となる不純物が⾼濃度に含まれる塊材を原料として利⽤すべく，粉末冶⾦法による直接再⽣プロセス開発に取り組んだ．その結果，不純物成分を含むチタン廃材の粉末化に成功し，その押出材の⼒学特性は，純チタン材の⼒学特性と⽐較して同等以上の性能を有することを実証した．

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（6）本研究の考察
上述のように，チタン廃材には⾼濃度の鉄と酸素を不純物成分が含まれている．鉄と酸素は，それぞれ β-チタン相および α-チタン相の安定化元素であることから，チタン材作製時に適正な条件で加⼯することによって，両元素が固溶原⼦として β-チタン相および α-チタン相内に存在して，チタン⺟材強化に寄与すると考える．溶解鋳造法では，凝固・冷却速度が⼩さいためにそれぞれの元素が濃化・偏析してチタン合⾦の延性低下を招く．他⽅，本研究者で⾏った粉末冶⾦法では，⾼温度域から急冷することから，図 4 に⽰すように SEM-EBSD 解析による結晶組織構造を調査した結果，鉄と酸素元素がβ/α両相に固溶する微細な等軸結晶粒組織を形成した．α-チタン相の平均結晶粒径は，純チタン焼結押出材は12.4 µm であるのに対して，チタン廃材粉末焼結押出材では1.8 µm と，が約 1/10 に減少している．これは，鉄元素よって結晶粒径が著しく減少したと考える．熱間押出加⼯直前の⾼温域では，鉄成分を含むことでβ相と共に加⼯⽅向に並⾏に配列したα＋βの２相状態を形成する．この際に，α単相状態とは異なり，α相の結晶粒成⻑を抑制するβ相の存在することによってα相の粒成⻑が抑制された状態で押出加⼯が施されたと考える．その結果，微細な等軸結晶粒組織の形成が進⾏したと考える． このような結晶粒微細化が粒界強化を発現し，チタン材の⾼強度化に⼤きく寄与した．

図 4．チタン廃材混合粉末焼結押出材の SEM-EBSD 解析結果

このように，本研究では，スポンジチタンの廃材を原料として⽔素を利⽤したチタン素材の直接再⽣プロセス開発を⾏い，鉄や酸素の不純物成分をチタン焼結押出材の固溶強化元素として活⽤することで純チタン材と同等以上の⼒学特性を実証し，塊状チタン廃材を粉末冶⾦⽤原料として利⽤できる可能性を⽰した．

（7）共同研究者（所属機関名、役職、氏名）
⼤阪⼤学接合科学研究所

特任研究員

藤井寛⼦

（8）本研究の成果の公表先
論⽂投稿準備中［注］この報告書を当財団のホームページ等に掲載します。予めご了承ください。

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