JPH01279A - チタンおよびチタン合金材の着色方法 - 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、チタンおよびチタン合金材の着色方法、特に
比較的簡単な操作で連続的に処理でき、着色後の成形加
工に耐える安定した均一な着色表面を形成することので
きるチタンおよびチタン合金材の着色方法に関する。

（従来の技術） チタンおよびチタン合金材（以下、これらを総称して単
に「チタン材」という）は、軽量で比強度が高く、しか
も耐食性が極めて優秀であることから、屋根材や建材と
して使用するのに適した材料であるが、高価格の上に板
材の簡単で堅牢な着色方法が普及していないために、こ
れら大量消費型の用途に使用されるには到っていない、
しかし、チタン材が大量に使用されるようになると、価
格低減が可能となり、屋根材や建材としても使用できる
ように吐ると考えられ、その意味でチタン材の連続操業
可能な簡単な着色方法の開発が要請されている。

−ａに、金属材の着色方法としては、陽極酸化法、大気
酸化法、および窒化法が知られている。

しかし、これらの方法をチタン材に適用すると次に述べ
るような問題点がある。

陽極酸化法は、種々の色の着色が可能であるが、電気分
解設備が必要であり、設備費が高くなる上に、帯状の板
、すなわち帯材を連続的に着色処理することが技術的に
難しい。

大気酸化法は、単に大気中で加熱して酸化させるだけで
あるので、比較的簡単に着色が可能であるが、チタン材
の場合、着色が不均一になりやすい欠点がある。

、窒化法は、非酸化性含窒素雰囲気中で加熱して表面に
ＴｉＮを生成させることにより着色する方法であるが、
酸化被膜と異なり窒化被膜では黄金色にしか着色できず
、しかも窒化層が脆いので、処理後の加工性が著しく悪
化し、加工処理が困難となる。そのため、各種用途への
使用は大幅に制限される。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明の目的は、比較的簡単に、連続的に処理できるチ
タン材、すなわちチタンおよびチタン合金材の着色方法
を開発することである。

本発明の別の目的は、各種色調の安定した均一な着色が
可能なチタン材の着色方法を開発することである。

本発明のさらに別の目的は、着色後に成形加工しても、
着色表面が損なわれることのないチタン材の着色方法を
開発することである。

（問題点を解決するための手段） 上述した従来の着色方法のうち、陽極酸化法と窒化法は
その固有の欠点から上記の目的達成には適していないと
判断されたため、本発明者は、大気酸化法に着目し、こ
の方法で均一な着色が得られにくい原因について検討し
た。その結果、後で詳しく説明するように、大気による
加熱では板材を均一に加熱できないことが色ムラの原因
ではないかと考え、チタン材を均一に加熱するために、
熱容量が大きく、熱伝導性のよい熱媒体を用いた酸化法
を求めて研究した結果、硝酸塩などの酸化性の塩を含有
する溶融物を熱媒体兼酸化剤とすることにより、チタン
材を黄金色、紫色、青色、褐色、黒色などの種々の色に
着色でき、しかもこのような過酷な腐食性条件下でも、
チタン材であれば耐食性がまったく劣化しないことを見
出し、本発明を完成させた。

ここに、本発明は、酸化性の溶融物浴中にチタンまたは
チタン合金材を浸漬することを特徴とする、チタンおよ
びチタン合金材の着色方法である。

（作用） 本発明で着色処理するのは、純チタン材もしくはＴｉ−
６χ＾！−４χＶのようなチタン合金材であり、形状は
、板材、帯材（ストリップ材）、管材、棒材なと特に制
限されない。

本発明においてチタン材の着色に使用する溶融物の組成
は、硝酸塩、重クロム酸塩、過マンガン酸塩などのよう
に、溶融状態で強い酸化力を有するものを含有するもの
であればよく、特に制限されないが、硝酸ナトリウム（
融点３０８°Ｃ）、硝酸カリウム（融点３３９°Ｃ）、
重クロム酸ナトリウム（融点３５６℃）、重クロム酸カ
リウム（融点３９８°Ｃ）、過マンガン酸カリウム、過
マンガン酸ナトリウムを主成分とするものが、融点が低
いこと、チタン材を腐食しないこと、酸化力が強いこと
、および温材コストの面で好ましい、また、融点を下げ
るために、水酸化ナトリウム（融点３１８°Ｃ）や水酸
化カリウム（融点３６０°Ｃ）を主成分とし、これに酸
化力の強い、過マンガン酸塩などを適量、混合したもの
でもよい、融点が低いと、操業に要する熱エネルギー曹
が低減し、被処理材の劣化の危険も少なくなるので有利
である。

最も単純な酸化性溶融塩浴として硝酸ナトリウムまたは
硝酸カリウムの単独浴も使用できるが、これらを混合す
ると融点が低下して、同じ温度での流動性が増し、被処
理材に付着して槽から持ち出される温材の量が少なくな
るので、混合浴の方が一般に経済的に有利である。硝酸
ナトリウムおよび／または硝酸カリウムに、他の硝酸塩
（例、硝酸アンモニウム、硝酸カルシウム、硝酸リチウ
ムなど）、重クロム酸塩（例、重クロム酸ナトリウム、
重クロム酸カリウムなど）、過マンガン酸塩（例、過マ
ンガン酸カリウムなど）などの酸化性の塩を混合するこ
とができ、また、その他のアルカリ金属もしくはアルカ
リ土類金属塩（例、硫酸塩、炭酸塩、塩化物など）、さ
らには水酸化物（例、水酸化ナトリウム、水酸化カリウ
ムなど）を混合することもできる。なお、本発明におけ
るチタン材の着色は、表面酸化により達成されるため、
溶融浴の成分として、酸化力のある物質が不可欠である
が、その含有量は酸化力によって異なり、例えば硝酸塩
であれば数１０％以上、過マンガン酸塩であれば数％以
上が必要である。

上記溶融物浴の温度は、使用する物質が適当な流動性の
溶融状態となる温度であればよく、浴組成により変動す
るが、硝酸ナトリウムおよび／または硝酸カリウムを主
成分とする浴の場合には、一般に３００〜５５０°Ｃ１
好ましくは４００〜５００°Ｃの範囲内である。処理時
間は、チタン材の種類、溶融塩の浴組成および浴温度、
および所望の色により変動するが、一般に約３０秒〜６
０分の範囲内である。たとえば、硝酸ナトリウム／６１
！Ｉ酸カリウムの混合塩浴にチタン材を浸漬すると、実
施例に示すように着色は浸漬時間が長くなるにつれて黄
金色から青を経て紫色に変化していく、シたがって、浸
漬処理時間の調整により着色の色調を変化させることが
できる。なお、硝酸塩浴によるチタン材の着色は、陽極
酸化法や大気酸化法と同様に、表面に形成されたＴｉＯ
２膜の干渉による色であるが、色調は大気酸化法で得ら
れるものとやや異なり、溶融塩浴酸化法に特有な色が得
られる。また、過マンガン酸塩を用いると、褐色ないし
は黒色の着色が得られるが、これはＴｉ酸化物自身の色
であると推測される。

本発明の方法により、酸化性溶融塩浴への浸漬処理によ
り着色すると、大気酸化法で認められるような板材の端
部と中央部での着色の不均一さ（色ムラ）はほぼ解消さ
れる。これは次の理由によるものと考えられる。

チタン材、特にチタン板を高温の大気中で加熱して着色
すると、板の端部と中央部とでは色調が異なり、色ムラ
が生ずるが、これは仮の端部が中央部より昇温速度がか
なり速く、より多く酸化されるためと考えられる。すな
わち、大気酸化による着色は、チタン材表面に生成した
Ｔｉ０ｚ膜の干渉作用に起因するが、酸化の程度が多い
ほど１１０ｇ膜が厚くなり、色調が変化してくるのであ
る。仮の端部は、中央部に比べて、接触する高温大気の
量が多い、逆に言うと、冷たいチタン板を高温大気中に
導入した場合、同じ量の高温大気が加熱するチタン板の
量は端部に比べて中央部の方がかなり多（なる、このチ
タン板の加熱により大気の熱が奪われて冷却されるため
、チタン板を高温大気で加熱する過程において、チタン
仮周囲の高温大気にはチタン板に近いほど大気の温度が
低くなる温度勾配が生じるのであるが、板の中央部では
端部に比べてこの温度勾配、すなわちチタン板近傍での
大気の温度低下が大きくなり、板の昇温が遅れるのであ
る。

つまり、板の中央部と端部とで昇温か均一でないことが
色ムラの原因と考えられるが、これは、熱媒体である大
気の熱容量が小さすぎることと熱伝導性が悪いことに本
来的に起因するので、大気を熱媒体とする限り避けるこ
とができない。

一方、既知の熱容量のデータにより体積基準で比較する
と、１気圧６０００Ｋ（３２７℃）の窒素ガス１ｄを１
°に昇温または降温させるのに必要な熱量は約０、００
０６１ジユールであり、同じ温度の溶融状態の硝酸ナト
リウム１ｍｇについてのそれは３．４７ジユールである
。すなわち、窒素ガスに比べて溶融硝酸ナトリウムは約
５ｏｏｏ〜６０００倍の熱容量を持つ、また、熱伝導性
は気体に比べて液体の方が通常はるかに良好である０本
発明では、熱媒体兼酸化剤として、空気ではなく、熱容
量と熱伝導性がはるかに大きい酸化性の溶融塩を使用す
るので、前述したようなチタン材表面近傍での温度勾配
はほぼ無くなり、被処理材の全面にわたってほぼ均一に
加熱・酸化されるため、着色が均一になると考えられる
。

加熱の均一性を一層高める意味で、溶融塩浴を撹拌する
と、着色をより均一にするのに効果があることも判明し
た。

本発明の方法は、単に被処理材を溶融塩浴に浸漬するだ
けで実施できるので、帯材を処理する場合には容易に連
続的に実施できる。また、装置も既存の帯材浸漬処理ラ
イン、たとえば、酸洗処理ラインを転用して実施できる
点も有利である。

帯材を本発明の方法により連続的に処理する場合、浴が
高温であり、その粘度がかなり高いことから、チタン材
の板が歪むことがあり、板厚が薄い場合には平坦度が悪
化しやすいことが認められた。この連続処理中の平坦度
の悪化を防止するには、帯状のチタン材の長さ方向に張
力を加えながら処理することが有効であることが判明し
た。張力を付与する方法は特に制限されないが、たとえ
ば、添付図面に示すように、被処理帯材１を送り出すブ
レーキ付きペイオフリール２と処理後の帯材を巻き取る
テンシランリール３の間に溶融塩槽４や水洗槽５を配置
し、５〜２０ｋｇ／ｓａ”程度あるいはそれ以上の張力
を帯材に加えるようにすると、平坦度の極めて優れた着
色チタン材が得られる。

図中、６はすすぎ用の水シヤワー、７は乾燥用のエアー
ブローである。

また、実施例に示すように、ステンレス鋼板は本発明の
着色処理によって、地金中のクロムが優先酸化するため
に耐食性がかなり劣化したのに対し、チタン材の場合に
は全く耐食性が劣化しなかった。したがって、本発明の
方法は、耐食性が極めて良好なチタン材の着色に特に適
した方法である。

また、本発明の方法で得られた着色材は、窒化被膜と異
なり表面が脆化していないので、着色処理後に曲げなど
の加工を受けても、着色面が損なわれることはなく、加
工性に優れている。

以下、実施例により本発明をさらに説明するが１、本発
明の方法はこれらに制限されるものではない。

裏旌透土 工業用純チタン（ＪＩＳ　２種）およびチタン合金（Ｔ
ｉ−６χＡ１−４χＶ）の薄板を、ＮａＮ０ｓ（硝酸ナ
トリウム）とＫＮＯｓ　（硝酸カリウム）の混合溶融塩
浴等各種溶融物浴中に浸漬し、浸漬時間、温度を変える
ことによって種々の色に着色した。処理条件と着色結果
を下記の第１表にまとめて示す。

阻１〜４および８〜２０ならびに２２〜２４は、０．４
Ｘ　７０　Ｘ　１５０閣の純チタンの切板もしくは０．
５Ｘ７０×１５０腫のチタン合金の切板を寞験室的に処
理した試験であり、具体的には内径１５０１、深さ３５
０■のＮｉ製ポットに試験片の浸漬に十分な量の上記混
合物を入れ、ニクロム線電熱ヒーターで所定温度に加熱
して溶融物浴を調製した。浴の撹拌を行う場合、撹拌は
電動モーターを用いた撹拌機により１１００ｒｐの回転
数で行った。

石５〜７は、帯状の長尺純チタン材を、添付図面に示す
ような小規模な連続着色装置を用いて処理した試験であ
り、Ｎ［Ｌ７はこの連続処理において溶融塩槽の代わり
に電気炉を配置して、大気酸化法により連続着色した比
較試験である。隘１０は、上と同じ寸法のチタン合金の
切板を、電気炉で大気酸化した比較試験である０階２１
．２５はチタン材そのものの対照材である。

第１表の結果から明らかなように、本発明の溶融塩浴酸
化法は、比較用の大気酸化法に比べて色ムラが少な（、
また同じ金色を得る時間で比較すると処理時間も大気酸
化法より短くなる０色調は、大気酸化法とは異なる溶融
塩浴特有の色調が得られる。たとえば、例階７の大気酸
化法で得られた金色は明るい黄色に近い金色であるが、
溶融塩浴酸化法の阻６の金色はやや黒味がかった落ち着
いた惑じの金色である。

浴の撹拌を行った魔４の試験では、色・ムラがさらに減
少し、全く色ムラが認められなかった。これに対し、°
大気酸化法の患７および１０は、中央部が金色であるに
もかかわらず、端部付近は酸化が進んで、赤〜紫色を呈
していた。

帯材を連続的に処理した場合、長さ方向に張力を加えな
い試験（ｌＩｉ［Ｌ５）では板の一平坦度がやや悪化し
たが、適度の張力を加えた試験（Ｎ１１６　）では平坦
度が非常に良好であった。

阻１１〜１４は重クロム酸塩と硝酸塩の浴による着色例
であるが、金色や紫色の干渉色が得られた。

阻１５〜１７は硝酸塩に過マンガン酸塩を添加した浴に
よる着色例であるが、硝酸塩のみの場合に比べて処理時
間が大幅に短縮されることがわかった。

これは、過マンガン酸塩の酸化力が強いためと推測され
る。阻１８〜２０は水酸化物（アルカリ）に過マンガン
酸塩を添加した浴による着色例であるが、この場合には
、灰色、褐色、黒色の着色が可能である。また、いずれ
の着色材も曲げ試験による割れは発生せず、元の素材（
無処理材）と同等の加工性を有していた。

１隻糎主 溶融塩浴酸化処理によるチタン材の劣化を調べるために
、実施例１の試験距ｌの着色試験片の耐食性をＣＡＳＳ
試験（ＪＩＳ　００２０１−１９６４）により評価し、
未処理の純チタン試験片での結果と併せて次の第２表に
示す、比較のために、ステンレス鋼の５ＵＳ３０４（１
８χＣｒ−８ＸＮｉ）　　とＳＵＳ　４３０（１６，５
χＣｒ）のＢＡ材（光輝焼鈍材、板厚０．４ａａ）を、
実施例１の試験Ｎα１の処理条件（ただし、処理時間は
１分）で着色したのち、その耐食性を未処理の試験材料
と共に同様に評価した結果も第２表に示す。

第２表 第２表に示すように、ステンレス鋼を本発明の方法で着
色処理すると、条件が過酷なために耐食性がかなり劣化
するのに対し、耐食性の極めて優秀なチタンは全く劣化
せず、未処理材と同じ耐食性を示す。

（発明の効果） ■短時間で安定して均一なチタン材の着色ができ、処理
温度や、特に処理時間の１１節により種々の色調を得る
ことができる。着色が均一であると、ロスが少なくなり
、特に帯材の連続処理においては有利である０着色均一
性の一層の向上には、溶融塩浴の撹拌が有効である。

■単に溶融塩浴に被処理材を浸漬するだけで処理できる
ので、設備や操作が簡単であり、帯材を容易に連続処理
することができる。また、既存の処理ラインを転用して
実施できる。連続処理の場合、帯材に適度の張力を加え
て処理すると、良好な平坦度を維持することができる。

■処理条件が過酷であるにもかかわらず、着色表面が脆
化していないので、成形性も良好であり、成形加工して
も着色表面が損なわれない。また、処理後の耐食性の劣
化も認められない、したがって、成形加工を施して各種
用途に使用することができる。

【図面の簡単な説明】

添付図面は、本発明の方法により帯材を着色処理する場
合に採用できる連続処理ラインの１例を模式的に示す。 １帯状チタン材　　　　２　ペイオフリール３テンシヨ
ンリール　　４　溶融塩槽 ５水洗槽 出願人　日本ステンレス株式会社 代理人　弁理士　広　瀬　章　− Δへ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）酸化性の溶融物浴中にチタンまたはチタン合金材
   を浸漬することを特徴とする、チタンおよびチタン合金
   材の着色方法。
2. （２）前記溶融物が硝酸塩、重クロム酸塩、過マンガン
   酸塩、水酸化物の一種または二種以上の混合物である、
   特許請求の範囲第１項記載の方法。
3. （３）前記溶融物浴を撹拌しながら浸漬を行う、特許請
   求の範囲第１項または第２項記載の方法。
4. （４）前記チタンまたはチタン合金材が帯材であり、こ
   の帯材を長さ方向に張力を加えながら連続的に前記溶融
   物浴に浸漬する、特許請求の範囲第１項ないし第３項の
   いずれかに記載の方法。