JPH03177557A - 疵が付き難く密着性の良好な着色チタン材とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は密着性の良好な着色チタン材とその製造方法に
係わり、特に疵の付き難さおよび着色皮膜の密着性を大
幅に改良したチタン材と製造方法に関する。

［従来の技術］ 近年、チタンは耐食性および比強度が優れること等の特
性が評価されるようになり、海洋および航空・宇宙構造
物はもとより、着色処理を施して屋根・壁材等の建築部
材、あるいは家具等の各挿パネル部材、更にはイヤリン
グ、タイピン等の装身具などとしての用途が開かれつつ
ある。こうした用途に対するチタンの着色方法としては
主として、高温酸化法と陽挿酸化法の２つが古くから知
られている。

なお、本発明に関わる高温酸化法とは大気中や酸素を含
有する雰囲気ガス中において被処理チタン材を４５０〜
７５０℃程度に高７品加熱して表面に酸化皮膜を形成さ
せて、その皮膜層に相当する各種色相の干渉色を生じさ
せる方法であり、他方、陽極酸化法はリン酸等の水溶液
中で、被処理チタン材を陽挿として電圧を印加すること
によって表面に干渉色を有する酸化皮膜を形成する方法
である。

従来より、陽極酸化法を中心にこれらの方法に関しては
神々の改良および応用技術が検討されてきた。例えば応
用技術としては美麗な干渉色を発する方法として特開昭
５２−２２５３４号公報あるいは特開昭６２−２２４６
９８号公報等による提案がある。前者の提案は陽極酸化
処理前のチタン材を不活性ガス雰囲気で加熱保持して結
晶粒を粗大化した後、結晶模様を現出して美麗な干渉色
を得る方法であって、後者は表層結晶粒径調整あるいは
ダルロール仕上げ等の前処理を施して予め色感調整を行
なった後、陽極酸化又は高温酸化法によって発色する方
法である。

［発明が解決しようとする課題］ 上述の如く、チタンの着色法に関する応用・利用技術は
種々提案されているが、実は上述の応用・利用技術等を
含めて従来のチタンの着色方法にはほぼ共通する難点、
即ち疵が付き易く耐摩耗性が劣ること、また酸化皮膜の
密着性が劣ること等がある。この問題に対する従来の対
策としては、着色処理後に有機皮膜もしくは無機皮膜を
コーティングする方法あるいは陽極酸化処理後に加熱処
理（空焼き）を施す方法等、それぞれ特開昭５６−６０
４１４号公報、特開昭６３−４０９５号公報および特開
昭５２−８６１９７号公報等による提案がなされている
。

しかしながら、これらの提案による方法は、コーティン
グ皮膜あるいは空焼き時に生成する酸化度１摸等の存在
によって着色皮膜の色調が損われ易く、また耐摩耗等の
改善効果も小さいため、本質的な改善策とは云い難い。

更に、高温酸化法の場合においては提案も皆無で、前述
の特開昭６２−２２４６９８号公報によって提案されて
いる如き方法（例えば結晶粒径調整）によって着色した
場合、疵か付き易くまた皮膜の密着性も悪く、用途面・
での制約を免れ得ない。

［課題を解決するための手段コ 本発明者らは上述のような問題点に鑑み、高温酸化法に
よる干渉色を有する酸化皮膜の密着性および耐摩耗性等
の改善方法について種々検討し、干渉色を有する酸化皮
膜を形成する素地チタン材の表面層の酸素固溶量か酸化
皮膜の密着性に大きく影響し、密着性の向上に適した酸
素固溶量範囲が存在することを知見し、更に耐摩耗性等
の特性を同時に満足すべき製造方法について合理的な解
決策を見出すことによって本発明を構成するに至ったも
のである。

即ち、本発明の一つは表面層の酸素固溶量が、１．０〜
ｌ０１０重量％であるチタン材の表面に高温酸化法によ
って着色処理した着色チタン材を提供するものである。

また、本発明の他の一つはチタン材を大気中もしくは酸
化雰囲気中において８００〜１２００℃で２〜１００分
間加熱処理した後、該チタン材の表面に生成した主とし
てＴｉＯ□およびＴｉＯから成るチタンの酸化物皮膜を
除去して酸素固溶量が１．０〜ｌ０００瓜量％である酸
素拡散層を表面層として現出し、次いで大気中もしくは
酸化性雰囲気中において２０℃／ｍｉｎ以上の加熱速度
で４５０℃〜７５０℃に加熱して１〜１００分間保持し
冷却することを特徴とする疵が付き難く密着性の良好な
着色チタン材の製造方法である。

［作用］ ここで、本発明に供するチタン材としては、純チタン材
および合金チタン材のいずれであっても良く、材料の前
履歴（インゴット、熱延板、焼鈍板等）あるいは形状等
においても特に制約を受けるものでない。

本発明は表面清浄にしたかかるチタン材に前処理として
酸素拡散層（酸素富化層）の生成処理を施す。即ち、大
気中もしくは酸化性雰囲気中において８００〜１２００
℃で２〜１００分間の加熱処理を施す。なお、かかる条
件での加熱処理によってチタン材の表面近傍の組織は、
最表面から内部に向けて大まかにＴｉＯ２、ＴｉＯ、酸
素拡散層、母相となる。酸素拡散層の酸素固溶量はチタ
ンの酸化皮膜（Ｔｉｎ　）側で高く約１０数％、一方母
相側では母相の酸素固溶量に漸近する。

この場合、酸素拡散層を母材の成分（平均）酸素量の２
倍以上となる母相側の領域とすれば、その厚さは本発明
条件内においては約５〜２００μｍとなる。

なお、このような酸素拡散層が生成する理由はチタンの
酸素固溶限が極めて高く（１０数％〉、酸素がチタン材
の内部に拡散する傾向が強いことによる。

本発明においてはこの酸素拡散層内の特定の酸素固溶量
の居を表面層として現出して（つまりＴｉＯ２、ＴｉＯ
等のチタンの酸化物層等を除去して）高温酸化による着
色処理を施すことを重要な特徴とするもので、これによ
り着色皮膜の密着性および下地チタン材の硬質化による
耐摩耗性等の特性の改善を、意図している。

酸化性カス雰囲気もしくは大気中での前処理の加熱温度
が８００℃未満あるいは加熱時間が２分未満では、酸素
拡散層の生成が不十分で厚さが薄すぎ、一方、加熱温度
が１２００℃あるいは加熱時間が１００分を超えると、
材料損失が大きくなる他酸化膜あるいは酸素拡散層の発
達が著しくなり、チタン材の表面性状が悪化したりある
いは母相の酸素濃度が高くなり過ぎ、加工特性が劣化す
る等の問題が生じる。

かかる前処理後に本発明においてはＴｉＯ□、ＴｉＯ等
のチタンの酸化物皮膜を除去し、酸素固溶量が１．０〜
１０．０重量％である酸素拡散層を機械研摩、化学研摩
あるいは酸洗等によって現出する。なお、ＴｉＯ２等の
酸化膜を酸洗等で除去する場合には、圧延等の加工歪を
予め付加することが効率的である。

酸素固溶量を１．０〜１０．０重量％に特定した理由は
、酸素固溶量が１．０重量％未満では次工程で形成する
着色皮膜の密着性の向上効果が小さく、また下地チタン
材の表面硬化の程度も僅かなため耐摩耗性の改善が不十
分なことにあり、一方、酸素固溶量が１０．０重量％を
超えると部位による酸素量のバラツキが大きくなり着色
むらを生じ易く、甚だしい場合にはＴｉＯ等の酸化物が
混在し表面層の脆化か著しくなり、ヘアークラック等が
発生する恐れかあることによる。

なお、このようにチタン材の表面層の酸素固溶量を高く
することによって、その後に形成する着色酸化度１１ｑ
の密着性および耐摩耗性が向上する理由は、着色酸化皮
膜と素地チタン材との整合性が向上（酸化皮膜と素地チ
タン材との原子配列の連続性が高い）することによる。

このことかまた本発明においては色の濁りの少ない深い
色観を有する美麗な着色皮膜を得ることができる理由で
ある。

特定の酸素固溶量を有する酸素拡散層をチタン材の表面
に現出した後、高温酸化処理を施す。本発明においては
、高温酸化処理は大気中もしくは酸化雰囲気中において
２０℃／ｍｉｎ以上の加熱速度で４５０〜７５０℃に加
熱し１〜１００分間保持した後冷却することによって行
なう。

加熱速度が２０℃／ｍｉｎ未満では、酸化雰囲気ガスの
酸素分圧が高い場合（例えば大気中）に加熱途中での酸
化の影響によって着色皮膜の色の鮮明度か低下するので
、本発明においてはこの加熱速度を２０℃／ｍｉｎ以上
とした。なお、加熱速度のヒ限は特に限定されるもので
なく、加熱途中での酸化膜の生成を抑制するとの上述の
観点がらして早いほど望ましい。

加熱保持温度および保持時間は酸化皮膜の膜厚の主要な
支配因子であるため、着色皮膜の色合いつまり色相に直
接的な影響を与える。なお、酸化皮膜の膜厚に影響する
他の因子としては雰囲気ガス中の酸素分圧および被処理
チタン材の結晶粒径等がある。とくに後者の結晶粒径に
関しては、結晶粒径が大きいほど結晶粒界での不均質な
酸化の影響が小さくなる等のため、種々の色相の発色が
容易になる。また同一の加熱条件でも結晶方位によって
酸化皮膜の厚さが異なるため色どり豊かな色調が現れる
。

加熱温度が４５０℃未満もしくは加熱保持時間が１分間
未満では、酸化皮膜の生成が不十分なため殆ど発色でき
ず、一方、加熱温度が７５０”Ｃを超えたり、もしくは
加熱保持時間が１００分間を超えると、酸化皮膜が厚く
生成し密着性が不十分となったり、濁りのある色調にな
り易い。なお適正な加熱温度および保持時間は、雰囲気
ガスの酸素分圧を勘案しながら所望の色調あるいは色観
になる様に適′ＪＴ選定すれば良い。例えば、６００℃
での大気中加熱においては５分から１００分の加熱保持
によって青色から紫色を経て緑色の干渉色が現れるか、
加熱時間が長くなると色調に濁りを生しるので、奸みに
よって鮮明な緑色を発色したい場合には、加熱温度を高
くして短時間保定（例えば６５０℃で５分間）とするこ
とが好ましい。

なお、加熱条件としては単に被処理チタン材を均一温度
に加熱する方法たけでなく、部分的に冷却ガスを吹き付
けるかあるいは冷却板を押し当てる等の方法によって、
被処理面に任意の形態で７品度変化を生じさせて多様な
着色模様を現出することもできる。

以下、実施例によって本発明を詳述する。

［実施例コ 酸素含有遺か０．２０重量％および０．１８重量％であ
るそれぞれ純チタンおよび合金チタンく６％Ａｕ−４％
■〉インゴツト材から板厚が３ｍｍの表面が平滑な板を
切り出し、第１表に示す前処理条件および着色条件によ
って着色チタン板を製作した。着色処理を施す面（弗硝
酸酸洗仕上で現出）の酸素量等の状態はＥＰＭＡ　（電
子線走査型微小解析器）およびＸ線解析によって調査し
た。

このようにして作製した着色チタン材の着色皮膜の密着
性、被処理面の表面硬度、耐摩耗性および色調等の外観
を評価し、結果を総合評価（５段階（良好は５））も含
めて第１表に併記した。

なお、着色皮膜の密着性は板面に２ｍｍ角の基盤目模様
を刻んだ後、エポキシ系の接着剤で治具に貼り合わせて
から引き剥し、剥離した着色皮膜の貼り合わせ面積に対
する面積率で評価した。

方、耐摩耗性は砂落し摩耗試験機を用い、ＪＩＳＨ８６
８２に準拠した方法で着色皮膜が９５％以上削除される
までの時間を測定して評価した。

第１表の評価結果から明らかなように、本発明によれば
比較例に比べて密着性および耐摩耗性等の特性が格段に
優れた着色チタン材が製造および提供できる。

［発明の効果コ 以上の説明で明らかな様に、本発明によれば従来技術で
は困難であった、疵が付き難く密着性の良好な着色チタ
ン材の製造および提供が可能となり、美麗な色調・外観
を併わせ活かして、装身具、壷、置き物等の美術工芸品
としての用途はもとより、各種オフィス家具、更には建
材特に砂塵等のため耐摩耗特性が必要とされる建材パネ
ル等へのチタンの用途を大きく拡大するものであって１
本発明がこれらの関連産業分野に与える影響は極めて大
きい。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．表面層の酸素固溶量が１．０〜１０．０重量％であ
   り、表面に高温酸化法によって生成した着色皮膜を有す
   ることを特徴とする疵が付き難く密着性の良好な着色チ
   タン材。
2. ２．チタン材を大気中もしくは酸化雰囲気中において８
   ００〜１２００℃で２〜１００分間加熱前処理した後、
   該チタン材の表面に生成した主としてＴｉＯ＿２、Ｔｉ
   Ｏから成るチタンの酸化物皮膜を除去して酸素固溶量が
   １．０〜１０．０重量％である酸素拡散層を表面層とし
   て現出し、次いで大気中もしくは酸化雰囲気中において
   ２０℃／ｍｉｎ以上の加熱速度で４５０℃〜７５０℃に
   加熱し１〜１００分間保持した後冷却することを特徴と
   する疵が付き難く密着性の良好な着色チタン材の製造方
   法。