チタンの生産技術に革命をもたらす
新製錬・凝固・鋳造技術の開発

研究テーマの概要と意義

高度循環社会の確立を
目指した材料工学

→長期的な視点に立った基盤研究

チタンの革新的な
リサイクル技術の開発

→新規なリサイクル技術に必要な
要素技術の開発に関する基礎的研究

資源を持たない我が国は、高い付加価値の工業製品を全世界に輸出することによって世界に貢献する必要がある。そのためには、高品質のレアメタルを多量に生産できる社会基盤を構築することが不可欠である。

チタンスクラップ（都市鉱山）からレアメタルを効率よく回収・再利用する新技術の開発は、資源セキュリティーという観点からも非常に重要かつ緊急の課題である。世界に先駆けてチタンのアップグレードリサイクルに関する学術分野を切り拓き、今後も日本が当該学術分野を世界の中でリードし続けることの社会的意義は大きい。

チタンとは何か：歴史と現在

チタン発見から工業化まで

クロール法（Kroll Process）：現在の量産法とその限界

現在のチタン量産法であるクロール法は以下の工程からなる。

クロール法は比較的高純度のチタンを製造できる反面、バッチ式で複雑なプロセスのため生産速度が低く、膨大な電力を消費し大量のCO₂を発生させるという根本的な課題を抱えている。

チタンの需要動向：航空機産業を中心に

世界の生産シェア

近年、中国のチタン生産が大幅に増大しており、中国・ロシア・カザフスタンの３か国で世界生産シェアの約80%を占める。日本は世界第二位の生産シェア（約20%）を維持し、欧米の航空機産業に高品質のチタンを供給し続けている。

航空機産業とチタン需要の拡大

航空機の軽量化・高性能化が進むに伴い、機体に占めるチタン合金の割合は一貫して増加している。1960年代の機体では数%程度だったが、ボーイング787型機では機体重量の約14%（約12トン）がチタン合金となっている。この傾向は今後も続くと予測される。

チタンスクラップ問題と脱酸技術の必要性

チタンスクラップの大量発生

チタン合金部品の製造工程では、素材の80〜90%がスクラップ（削り粉など）として発生する。ボーイング787型機1機の製造に際して約12トンのチタン合金部品が使用されるが、その製造過程で約90トンものチタンスクラップが生じる計算になる。

チタンスクラップのマテリアルフロー

現状では、高酸素濃度スクラップ（2,000〜4,000 ppmO）は一次原料のスポンジチタン（〜500 ppmO）で「希釈」することによってのみ循環利用されている。チタンの生産量が増加するにつれて、このカスケードリサイクル（低品位利用）には限界が生じる。

最近の大きなブレークスルー

脱酸反応の原理

希土類金属イットリウム（Y）とフッ化イットリウム（YF₃）の混合フラックスを溶融チタンに添加することで、チタン中の溶存酸素をオキシフルオライド（YOF）として固定・除去する反応を利用する。

実験装置：コールド・クルーシブル炉（水冷銅坩堝）

Ti 融体の直接脱酸にインダクション・スカル炉（コールド・クルーシブル炉）を採用。高周波誘導加熱によってTi融体が撹拌されることで、脱酸反応が均一かつ高速に進行する。フラックスはピンチ力が作用しないためインゴット外部に自然排出される。

T. H. Okabe, G. Kamimura, T. Ikeda, and T. Ouchi: 'Direct Production of Low-Oxygen-Concentration Titanium from Molten Titanium', Nature Communications, 15 (2024) 5015. https://doi.org/10.1038/s41467-024-49085-4

本研究の概念と学術的独自性

研究の概念図

２ステップからなる革新プロセス

Step 1：Ti の溶解と脱酸（不純物酸素の直接除去）

Ti 原料（スポンジ Ti、Ti スクラップなど）を加熱し、脱酸剤（Y, La, Ce など）とフラックス（YF₃, CaF₂ など）をオキシハライド溶融塩系で反応させることで低酸素濃度のTi融体を得る。

Step 2：低酸素濃度 Ti の直接連続鋳造

オキシハライドを主成分とする耐火材とモールドフラックスを使ってチタンを連続鋳造する革新的な手法。水冷Cu るつぼを用いる従来法に比べ、Ti の溶解・鋳造プロセスの大幅な省エネルギー化が可能となる。また、鉄鋼やAl合金のようにプロセスを高速化できるため、これまで技術的に不可能とされてきた低コストのTi合金の大量・高速生産の実現を目指す。

基礎研究との両立

Ti-RE（希土類）系の高温における材料物性データは乏しく、学術的にも不明な点が多い。本研究では凝固・鋳造法の高度化と並行して、希土類を含む反応系の熱力学的解析・基礎研究も精力的に展開する。長期的には酸化チタン（TiO₂）から直接、低酸素濃度の高純度チタンを製造する新精錬法の開発を目指す。

予備実験の成果と研究の進展

オキシハライドるつぼを用いたチタン溶解実験

Y₂O₃-YF₃ 系擬二元系状態図（図11左）によると、チタンが溶融する温度域（約2,000 K）ではオキシハライド塩は固体として、YF₃は液体として存在する。これを利用してYOF るつぼを独自に設計・作製した。

最近の研究進展（Mo サセプターを用いる脱酸テスト）

• るつぼ：YOF ルツボ（φ27 × φ21 × h30 mm）
• 仕込み：Ti 8.227 g、Y 0.435 g、YF₃ 2.544 g（Y 5.0 mass%）
• 条件：出力 7-2.2（9A）で15分保持、常圧Ar雰囲気
• 結果：メタル表面が露出。るつぼへのしみ込みあり。各種分析・評価・解析を継続中。

独自に考案・開発・作製した"オキシハライドるつぼ"を用いたチタンの溶解実験は順調に進展しており、熱力学的な解析研究（基礎研究）も並行して展開している。

私たちの夢

• アップグレードリサイクルという新概念をチタン精錬に導入し、チタンスクラップを脱酸処理によって高品位化する。
• 高品位の極低酸素チタンをスクラップから直接製造する技術を確立し、世界中からチタンスクラップが日本に集まる時代を先導する。
• さらには酸化チタン（TiO₂）から直接、低酸素濃度の高純度チタンを製造する新精錬法を開発する。
• 革新的なチタンの製錬・リサイクル技術の開発と社会実装を通じて、今後も日本が世界のチタン産業と学術領域をリードし続けることを目指す。

まとめ（評価項目）

関連論文・知的財産（特許）戦略

主要論文（本研究に強く関連するもの）

[文献6] T. H. Okabe, L. Kong, and T. Ouchi: 'Thermodynamic Consideration of Direct Oxygen Removal from Titanium by Utilizing Vapor of Rare Earth Metals', Metallurgical and Materials Transactions B, vol.53, no.2 (2022) pp.1269–1282. DOI

[文献7] T. H. Okabe, G. Kamimura, and T. Ouchi: 'Thermodynamic Consideration of the Direct Removal of Oxygen from Titanium by Utilizing Metallothermic Reduction of Rare Earth Metal Halides', Metallurgical and Materials Transactions B, vol.55, no.5 (2024) pp.4015–4026. DOI

[文献8（実証論文）] T. H. Okabe, G. Kamimura, T. Ikeda, and T. Ouchi: 'Direct Production of Low-Oxygen-Concentration Titanium from Molten Titanium', Nature Communications, 15 (2024) 5015. DOI　→ チタンの業界では大きな反響を呼んでいる

G. Kamimura, T. Ouchi, and T. H. Okabe: 'Thermodynamic Consideration on the Deoxidation of Liquid Titanium Using a Rare-earth Element and Fluoride Flux', JOM, vol.77, no.9 (2025) pp.6887–6902. DOI

T. H. Okabe, T. Kaneko, G. Kamimura, and T. Ouchi: 'Feasibility Study of Rapid Solid-State Deoxidation of Titanium Utilizing Rare-Earth Oxyfluoride Formation at Temperatures Approaching 1900 K', Metallurgical and Materials Transactions B, (2026) (in print)

知的財産（特許）戦略

本研究に関係する発明は産業上の利用価値も高いため、知的財産（特許）戦略に重点を置いている。PCT国際出願も行っており、チタン生産国（中国・ロシア・カザフスタン）および需要国（米国・フランス）への移行を予定している。