KR20240130745A - Titanium material - Google Patents
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Abstract
이 티타늄재는, 표면으로부터, 글로우 방전 분광 분석법에 의해 상기 표면으로부터 두께 방향으로 측정된 산소 농도가 최댓값의 1/3인 위치까지의 범위의 평균 질소 농도 및 평균 탄소 농도가 각각 14.0원자% 이하, 평균 수소 농도가 30.0원자% 이하이고, 상기 표면에 있어서 입사각이 0.3도인 평행 빔법에 의한 X선 회절 측정에 의해 구해지는 α상의 Ti의 c축의 격자 상수와, 판 두께 중앙에 있어서 집중법에 의한 X선 회절 측정에 의해 구해지는 α상의 Ti의 c축의 격자 상수의 차가 0.015Å 이하이다.This titanium material has an average nitrogen concentration and an average carbon concentration of 14.0 at% or less, and an average hydrogen concentration of 30.0 at% or less, in a range from the surface to a position where the oxygen concentration in the thickness direction from the surface is 1/3 of the maximum value as measured by glow discharge spectrometry, and a difference between the c-axis lattice constant of α-phase Ti obtained by X-ray diffraction measurement by a parallel beam method at an incident angle of 0.3 degrees at the surface and the c-axis lattice constant of α-phase Ti obtained by X-ray diffraction measurement by a focused method at the center of the plate thickness is 0.015 Å or less.
Description
본 발명은 티타늄재에 관한 것이다.The present invention relates to titanium material.
티타늄재는, 대기 환경에 있어서 극히 우수한 내식성을 나타낸다는 점에서, 건축물의 지붕이나, 외벽과 같은 건축재 용도에 사용되고 있다. 그러나, 장기간에 걸쳐 사용된 티타늄재는 변색되는 경우가 있다. 티타늄재의 변색은, 의장성의 관점에서 문제가 되는 경우가 있다. 그 때문에, 종래부터, 변색이 억제된, 내변색성이 우수한 티타늄재가 제안되어 있다.Titanium materials are used for construction purposes such as roofs and exterior walls of buildings because they exhibit excellent corrosion resistance in atmospheric environments. However, titanium materials used over a long period of time may discolor. Discoloration of titanium materials may be problematic from the viewpoint of aesthetics. Therefore, titanium materials with excellent discoloration resistance and suppressed discoloration have been proposed.
예를 들어, 특허문헌 1에는, 두께 100Å 이하의 산화 피막이 소지 표면에 존재함과 함께, 해당 표면 산화 피막 중의 C양이 30원자% 이하이고, 또한 상기 산화 피막 하의 소지 표층부에 있어서의 C양이 30원자% 이하인 것을 특징으로 하는 내변색성이 우수한 티타늄재 또는 티타늄 합금재가 개시되어 있다.For example,
특허문헌 2에는, 표면으로부터 100nm의 깊이의 범위에 있어서의 평균 탄소 농도가 14at% 이하이고, 또한, 최표면에 12 내지 40nm의 두께의 산화막을 갖는 것을 특징으로 하는 대기 환경 중에서 변색이 발생하기 어려운 티타늄이 개시되어 있다.
특허문헌 3에는, 표면의 산화 피막 중에 있어서의 불소량이 7at% 이하인 것을 특징으로 하는 변색이 발생하기 어려운 티타늄재가 개시되어 있다.
특허문헌 4에는, 빛이 조사되는 환경 하에서의 변색이 적은 티타늄 또는 티타늄 합금판을 효율적으로 제조하기 위해, 냉간 압연 후의 티타늄판 표층의 탄소 농화층의 탄소량이, 150mg/m2 이하가 되는 윤활제를 사용하여 티타늄판을 냉간 압연한 후, 산화성 분위기에서 어닐링하고, 이어서 용융염 침지 처리와 질불산 수용액에 의한 산세에 의해 탈스케일하는 것을 특징으로 하는 티타늄판의 제조 방법이 개시되어 있다.
특허문헌 5에는, 표면으로부터 100nm의 깊이의 범위에 있어서의 평균 탄소 농도가 14at% 이하이고, 표면에 12nm 이상 30nm 이하의 두께의 산화막을 갖고, 또한 티타늄 표면의 산술 평균 높이(Ra)가 0.035㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 대기 환경 중에서 변색이 발생하기 어려운 티타늄 또는 티타늄 합금이 개시되어 있다.
특허문헌 1 내지 5에 기재된 기술에서는, 표면의 탄소 농도의 저하에 의해, 티타늄재의 내변색성의 열화가 억제된다고 하고 있다. 또한, 종래의 티타늄재의 내변색성의 평가는, 예를 들어 특허문헌 5에 기재되어 있는 바와 같이, 온도가 60℃인 pH3의 황산 중에 14일간 침지한 후의 색차에 의해 평가되고 있다. 그러나, 근년에는, 종래의 티타늄재보다도 내변색성이 더 우수한 티타늄재가 요구되고 있다.In the technologies described in
본 발명은 상기 문제를 감안하여 이루어진 것이고, 종래의 티타늄재보다도 장기간에 걸쳐 변색을 억제하는 것이 가능한, 내변색성이 우수한 티타늄재를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다. 본 발명은, 예를 들어 특허문헌 1 내지 5에 기재된 평가보다도 장기간의 침지를 행해도 변색이 발생하지 않는 티타늄재의 제공을 목적으로 한다.The present invention has been made in consideration of the above problems, and has as its object the provision of a titanium material having excellent discoloration resistance that can suppress discoloration over a long period of time compared to conventional titanium materials. The present invention has as its object the provision of a titanium material that does not discolor even when immersed for a longer period of time than the evaluations described in, for example,
상기 지견에 기초하여 완성된 본 발명의 요지는, 이하와 같다.The gist of the present invention, which was completed based on the above knowledge, is as follows.
[1] 본 발명의 일 양태에 관한 티타늄재는, 표면으로부터, 글로우 방전 분광 분석법에 의해 상기 표면으로부터 두께 방향으로 측정된 산소 농도가 최댓값의 1/3인 위치까지의 범위의 평균 질소 농도 및 평균 탄소 농도가 각각 14.0원자% 이하, 평균 수소 농도가 30.0원자% 이하이고,[1] The titanium material according to one embodiment of the present invention has an average nitrogen concentration and an average carbon concentration of 14.0 atomic% or less and an average hydrogen concentration of 30.0 atomic% or less in a range from the surface to a position where the oxygen concentration measured in the thickness direction from the surface is 1/3 of the maximum value by glow discharge spectroscopy, respectively.
상기 표면에 있어서 입사각이 0.3도인 평행 빔법에 의한 X선 회절 측정에 의해 구해지는 α상의 Ti의 c축의 격자 상수와, 판 두께 중앙에 있어서 집중법에 의한 X선 회절 측정에 의해 구해지는 α상의 Ti의 c축의 격자 상수의 차가 0.015Å 이하이다.The difference between the c-axis lattice constant of the α-phase Ti obtained by X-ray diffraction measurement using the parallel beam method at an incident angle of 0.3 degrees on the surface and the c-axis lattice constant of the α-phase Ti obtained by X-ray diffraction measurement using the focusing method at the center of the plate thickness is 0.015 Å or less.
[2] 상기 [1]에 기재된 티타늄재는, 두께가 30.0nm 이하의 산화 피막을 구비하고 있어도 된다.[2] The titanium material described in [1] above may have an oxide film having a thickness of 30.0 nm or less.
[3] 상기 [1] 또는 [2]에 기재된 티타늄재는, 티타늄 기재와, 상기 티타늄 기재의 표면에 배치된 산화 피막을 갖고, 상기 산화 피막에 있어서의 X선 광 전자 분광법으로 분석했을 때의 질화물 유래의 질소 농도의 최댓값이 2.0 내지 10.0원자%이고, 상기 산화 피막에 있어서의 상기 질화물 유래의 질소 농도가 최댓값을 나타내는 위치가, SiO2의 스퍼터링 속도로 환산했을 때에, 상기 산화 피막의 표면으로부터 2 내지 10nm의 범위에 존재하고, 산소 농도가 최댓값의 1/2이 되는 위치로부터 티타늄 기재측까지 20nm 범위에 존재하는 상기 질화물 유래의 질소의 농도가, 상기 산화 피막에 있어서의 상기 질화물 유래의 질소 농도의 최댓값 미만 또한 7원자% 이하이고, 상기 산화 피막에 있어서의 상기 질화물 유래의 상기 질소 농도의 최댓값이, 상기 산화 피막에 있어서의 상기 질화물 유래의 상기 질소 농도가 최대가 되는 위치의 탄화물 유래의 탄소 농도 이상이어도 된다.[3] The titanium material described in [1] or [2] above has a titanium substrate and an oxide film arranged on the surface of the titanium substrate, wherein the maximum concentration of nitride-derived nitrogen in the oxide film, when analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy, is 2.0 to 10.0 at%, and the position where the nitride-derived nitrogen concentration in the oxide film shows a maximum value exists in a range of 2 to 10 nm from the surface of the oxide film, when converted to a sputtering rate of SiO 2 , and the concentration of nitride-derived nitrogen existing in a range of 20 nm from a position where the oxygen concentration is 1/2 of the maximum value to the titanium substrate side is less than the maximum value of the nitride-derived nitrogen concentration in the oxide film and is 7 at% or less, and the maximum value of the nitride-derived nitrogen concentration in the oxide film is less than the maximum value of the nitride-derived nitrogen concentration in the oxide film, and the position where the nitride-derived nitrogen concentration in the oxide film is maximum It may be greater than the carbon concentration derived from carbides.
[4] 상기 [1] 또는 [2]에 기재된 티타늄재는, 산술 평균 거칠기 Ra가 최대가 되는 방향의 거칠기 곡선에 있어서, 산술 평균 거칠기 Ra와 요소 길이 RSm의 비인 Ra/RSm이 0.006 내지 0.015이고, 또한, 제곱 평균 평방근 경사 RΔq가 0.150 내지 0.280인 티타늄 기재를 구비하고, 상기 티타늄 기재의 첨도 Rku가 3 초과이고, 상기 티타늄 기재의 왜도 Rsk가 -0.5 초과여도 된다.[4] The titanium material described in [1] or [2] above has a titanium substrate having a ratio of the arithmetic mean roughness Ra to the element length RSm, Ra/RSm, in a roughness curve in a direction where the arithmetic mean roughness Ra is maximum, of 0.006 to 0.015, and further having a root mean square inclination RΔq of 0.150 to 0.280, and the titanium substrate may have a kurtosis Rku of more than 3 and a skewness Rsk of more than -0.5.
[5] 상기 [3]에 기재된 티타늄재는, 상기 티타늄 기재의 산술 평균 거칠기 Ra가 최대가 되는 방향의 거칠기 곡선에 있어서, 산술 평균 거칠기 Ra와 요소 길이 RSm의 비인 Ra/RSm이 0.006 내지 0.015이고, 또한, 제곱 평균 평방근 경사 RΔq가 0.150 내지 0.280이고, 상기 티타늄 기재의 첨도 Rku가 3 초과이고, 상기 티타늄 기재의 왜도 Rsk가 -0.5 초과여도 된다.[5] The titanium material described in the above [3] may have a ratio of the arithmetic mean roughness Ra to the element length RSm, Ra/RSm, in a roughness curve in a direction in which the arithmetic mean roughness Ra of the titanium substrate is maximum, of 0.006 to 0.015, and further, a root mean square inclination RΔq of 0.150 to 0.280, a kurtosis Rku of the titanium substrate exceeding 3, and a skewness Rsk of the titanium substrate exceeding -0.5.
본 발명에 따르면, 종래의 티타늄재보다도 장기간에 걸쳐 변색을 억제하는 것이 가능한, 내변색성이 우수한 티타늄재를 제공하는 것이 가능해진다.According to the present invention, it is possible to provide a titanium material having excellent discoloration resistance that can suppress discoloration over a long period of time compared to conventional titanium materials.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 티타늄재의 층 구성을 도시하는 모식적인 확대 단면도이다.
도 2는 동 실시 형태에 관한 티타늄재의 X선 광 전자 분광법에 의한 스펙트럼의 깊이 방향의 변화의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 일반적인 티타늄재의 X선 광 전자 분광법에 의한 스펙트럼의 깊이 방향의 변화의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는 동 실시 형태에 관한 티타늄재 및 일반적인 티타늄재의 X선 광 전자 분광법에 의한 깊이 방향의 원소 농도 분포의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 산화 피막 내의 티타늄의 질화물 유래의 질소 농도의 최댓값과 변색 시험 전후의 색차 ΔE*ab의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 산술 평균 거칠기 Ra와 윤곽 곡선 요소의 평균 길이 RSm의 비인 Ra/RSm 및 거칠기 곡선 요소의 제곱 평균 평방근 경사 RΔq와 내변색성의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 첨도 Rku를 설명하기 위한 모식도이다.FIG. 1 is a schematic enlarged cross-sectional view showing the layer configuration of a titanium material according to one embodiment of the present invention.
Figure 2 is a drawing showing an example of a change in the depth direction of a spectrum obtained by X-ray photoelectron spectroscopy of a titanium material according to the same embodiment.
Figure 3 is a drawing showing an example of the change in the depth direction of the spectrum by X-ray photoelectron spectroscopy of a typical titanium material.
FIG. 4 is a drawing showing an example of a depth-direction element concentration distribution of a titanium material according to the same embodiment and a general titanium material by X-ray photoelectron spectroscopy.
Figure 5 is a diagram showing the relationship between the maximum concentration of nitrogen derived from titanium nitride within the oxide film and the color difference ΔE*ab before and after the discoloration test.
Figure 6 is a diagram showing the relationship between the ratio of the arithmetic mean roughness Ra and the average length RSm of the contour curve elements, Ra/RSm, and the root mean square slope RΔq of the roughness curve elements and the discoloration resistance.
Figure 7 is a schematic diagram explaining the kurtosis Rku.
이하, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 티타늄재에 대해서, 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 도면 중의 각 구성 요소의 치수, 비율은, 실제의 각 구성 요소의 치수, 비율을 나타내는 것은 아니다.Hereinafter, a titanium material according to one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the dimensions and ratios of each component in the drawings do not represent the actual dimensions and ratios of each component.
또한, 이하에 기재하는 「내지」를 사이에 두고 기재되는 수치 한정 범위에는, 하한값 및 상한값이 그 범위에 포함된다. 「미만」, 「초과」로 나타내는 수치에는, 그 값이 수치 범위에 포함되지 않는다.In addition, the numerical ranges described below, which are separated by "within", include the lower and upper limits. The values indicated as "less than" and "greater than" are not included in the numerical range.
먼저, 본 발명을 완성하기에 이른 본 발명자들의 검토에 의해, 얻어진 새로운 지견에 대하여 상세하게 설명한다.First, the new knowledge obtained through the review of the inventors who completed the present invention will be described in detail.
티타늄재는, 티타늄 기재의 표면에 산화 피막이 배치된 구성이고, 티타늄재의 변색은, 산성비 등에 의한 산화 피막의 두께의 증가에 기인한다고 생각되고 있다. 티타늄재의 표면 부근의 탄소 농도는, 산화 피막의 두께의 증가에 영향을 미친다는 점에서, 종래의 내변색성의 향상을 목적으로 하는 티타늄재에서는, 그 표면의 탄소 농도가 제한되어 있다. 본 발명자들은, 종래보다도 장기간에 걸쳐 변색이 억제되는, 내변색성이 우수한 티타늄재를 얻기 위해 검토를 행하였다.Titanium material is composed of an oxide film formed on the surface of a titanium substrate, and it is thought that discoloration of the titanium material is caused by an increase in the thickness of the oxide film due to acid rain, etc. Since the carbon concentration near the surface of the titanium material affects the increase in the thickness of the oxide film, in conventional titanium materials aimed at improving discoloration resistance, the carbon concentration on the surface is limited. The present inventors conducted studies to obtain a titanium material having excellent discoloration resistance and in which discoloration is suppressed for a longer period of time than conventional titanium materials.
먼저, 본 발명자들은, 글로우 방전 분광 분석법(Glow Discharge Spectroscopy, 이하, 「GDS」라고 함)에 의해, 티타늄재의 표면(바꾸어 말하면, 산화 피막의 표면)으로부터 두께 방향으로 산소 농도, 탄소 농도, 및 질소 농도의 측정을 행하였다. 티타늄재는 산화 피막을 갖고 있고, GDS에 의해 측정된 산소 농도가 최댓값의 1/3인 위치는, 산화 피막과 티타늄 기재의 계면의 근방의 티타늄 기재측의 부위에 위치하는 것을 알 수 있었다. 이하에는, 티타늄재의 표면으로부터, GDS에 의해 두께 방향으로 측정된 산소 농도가 최댓값의 1/3인 위치까지의 범위를 티타늄재의 표층부라고 칭한다.First, the inventors of the present invention measured the oxygen concentration, carbon concentration, and nitrogen concentration in the thickness direction from the surface of the titanium material (in other words, the surface of the oxide film) by glow discharge spectroscopy (hereinafter referred to as "GDS"). It was found that the titanium material has an oxide film, and that the position where the oxygen concentration measured by GDS is 1/3 of the maximum value is located at a portion on the titanium substrate side near the interface between the oxide film and the titanium substrate. Hereinafter, the range from the surface of the titanium material to the position where the oxygen concentration measured by GDS in the thickness direction is 1/3 of the maximum value is referred to as the surface layer of the titanium material.
이어서, 본 발명자들은, pH3, 60℃의 황산 수용액 중에 티타늄재를 4주간 침지하고, 침지 전후의 색차에 기초하여 내변색성을 평가하였다. 이 침지 전후에서, 명백하게 변색이 발생한 티타늄재와 거의 변색되지 않은 티타늄재를 비교하면, 침지 전의 티타늄재에서, GDS에 의해 측정된 탄소 농도 및 질소 농도에 차이가 있는 것을 알 수 있었다. 구체적으로는, pH3, 60℃의 황산 수용액 중에 4주간 침지했을 때에 명백하게 변색이 발생한 티타늄재의 경우, 그 침지 전의 티타늄재에서, 산화 피막의 내부 및 산화 피막과 기재의 계면으로부터 기재측의 계면 근방에는, 질소 및 탄소가 존재하고 있는 것을 알 수 있었다. 종래, 산화 피막 및 산화 피막과 기재의 계면으로부터 기재측의 계면 근방에 존재하는 질소가 티타늄재의 변색에 영향을 미친다고는 생각되고 있지 않았다. 그러나, 티타늄재가 장기간에 걸쳐 산성비 환경에 노출된 경우, 산화 피막 및 그 근방에 존재하는 질소도 탄소와 마찬가지로 기점이 되어 산화 피막의 성장이 발생하는 것으로 추정된다.Next, the inventors of the present invention immersed titanium materials in a sulfuric acid solution at
또한, 본 발명자들의 검토 결과, 산화 피막 및 그 근방의 질소 농도도 탄소 농도와 마찬가지로 티타늄재의 내변색성에 영향을 미쳐, 질소 농도의 제한에 의해 내변색성이 향상된다는 지견이 얻어졌다. 또한, 티타늄재의 표면으로부터, GDS에 의해 두께 방향으로 측정된 산소 농도가 최댓값의 1/3인 위치까지의 범위에 있어서, 평균 질소 농도 및 평균 탄소 농도가 각각 14.0원자% 이하이면, 티타늄재의 내변색성이 종래와 비교하여 향상되는 것을 알 수 있었다. 티타늄재의 표층부의 평균 탄소 농도는, 어닐링 온도를 높게 하는 것, 또는 어닐링 시간을 길게 함으로써 저하시킬 수 있다. 평균 질소 농도는, 열처리의 진공도를 높임으로써 저하시킬 수 있다.In addition, as a result of the examination by the present inventors, it was found that the nitrogen concentration in and around the oxide film, like the carbon concentration, affects the discoloration resistance of the titanium material, and that the discoloration resistance is improved by limiting the nitrogen concentration. In addition, it was found that when the average nitrogen concentration and the average carbon concentration are each 14.0 at% or less in the range from the surface of the titanium material to the position where the oxygen concentration measured in the thickness direction by GDS is 1/3 of the maximum value, the discoloration resistance of the titanium material is improved compared to the prior art. The average carbon concentration in the surface layer of the titanium material can be reduced by increasing the annealing temperature or increasing the annealing time. The average nitrogen concentration can be reduced by increasing the degree of vacuum in the heat treatment.
다음으로, 본 발명자들은, 티타늄재의 표층부의 수소 농도에 착목하여, 티타늄재의 표층부의 수소 농도에 의한 티타늄재의 내변색성에의 영향에 대하여 검토를 행하였다. 그 결과, 티타늄재의 표층부의 평균 수소 농도가 30.0원자% 이하인 경우에, 내변색성이 더욱 향상되는 것을 알아냈다. 티타늄의 수소화물은, 대기의 산성비 환경에서는 산화티타늄에 비하여 열역학적으로 불안정하다. 티타늄재 중의 수소 농도의 증가에 의해, 산화티타늄의 생성이 촉진되면 내변색성이 저하될 가능성이 있다. 그러나, 티타늄재의 표층부의 평균 수소 농도가 30.0원자% 이하이면 수소화티타늄이 산화티타늄으로 변화하지 않아, 내변색성의 저하가 억제된다고 생각된다.Next, the inventors of the present invention focused on the hydrogen concentration of the surface layer of the titanium material and examined the influence of the hydrogen concentration of the surface layer of the titanium material on the discoloration resistance of the titanium material. As a result, it was found that when the average hydrogen concentration of the surface layer of the titanium material is 30.0 at% or less, the discoloration resistance is further improved. Titanium hydride is thermodynamically unstable compared to titanium oxide in an acid rain environment of the atmosphere. If the formation of titanium oxide is promoted by an increase in the hydrogen concentration in the titanium material, the discoloration resistance may be reduced. However, it is thought that when the average hydrogen concentration of the surface layer of the titanium material is 30.0 at% or less, titanium hydride does not change into titanium oxide, and the reduction in discoloration resistance is suppressed.
다음으로, 본 발명자들은, 티타늄재의 표면의 Ti의 결정 구조의 변화에 착목하였다. 본 발명자들은, 최밀 육방정인 α상의 Ti의 c축의 변화가 티타늄재의 내변색성에 영향을 미치는 것을 알아냈다.Next, the inventors of the present invention focused on the change in the crystal structure of Ti on the surface of titanium materials. The inventors of the present invention found that the change in the c-axis of Ti in the α-phase, which is the most closely packed hexagonal crystal, affects the discoloration resistance of titanium materials.
본 발명자들의 검토에 의해, 티타늄재의 표면에 있어서 입사각이 0.3도인 평행 빔법에 의한 X선 회절 측정에 의해 구해지는 α상의 Ti의 c축의 격자 상수와, 판 두께 중앙(두께 중앙이라고도 함)에 있어서 집중법에 의한 X선 회절 측정에 의해 구해지는 α상의 Ti의 c축의 격자 상수의 차가 0.015Å 이하이면, 내변색성을 대폭으로 향상시킬 수 있는 것을 알 수 있었다. 상기한 X선 회절 측정은 X선 회절 에너지에 따라 X선의 침투 레벨이 다르지만, 티타늄재의 표면과 티타늄재의 판 두께 중앙에서 상기 X선 회절 측정을 행함으로써, 각각의 α상의 Ti의 c축의 격자 상수를 측정할 수 있다. 본원에서는, 표층부의 α상의 Ti의 c축의 격자 상수의 증가를 이하와 같이 정의한다. 즉, 티타늄재의 표면에 있어서 입사각이 0.3도인 평행 빔법에 의한 X선 회절 측정에 의해 구해지는 α상의 Ti의 c축의 격자 상수와, 판 두께 중앙에 있어서 집중법에 의한 X선 회절 측정에 의해 구해지는 α상의 Ti의 c축의 격자 상수의 차를 표층부에 있어서의 α상의 Ti의 c축의 격자 상수의 증가라고 호칭한다. 입사각이 0.3도인 평행 빔법에 의한 X선 회절 측정에서의 측정 깊이는, GDS로 측정되는 표층부의 두께 방향의 범위와 엄밀하게는 일치하지 않지만, 대략 표층부에서의 α상의 Ti의 c축의 격자 상수의 증가를 측정할 수 있다.By examination by the present inventors, it was found that if the difference between the c-axis lattice constant of α-phase Ti obtained by X-ray diffraction measurement by the parallel beam method at an incident angle of 0.3 degrees on the surface of a titanium material and the c-axis lattice constant of α-phase Ti obtained by X-ray diffraction measurement by the focused method at the center of the plate thickness (also referred to as the center of thickness) is 0.015 Å or less, the discoloration resistance can be significantly improved. Although the penetration level of X-rays in the above-mentioned X-ray diffraction measurement differs depending on the X-ray diffraction energy, the c-axis lattice constant of each α-phase Ti can be measured by performing the X-ray diffraction measurement on the surface of the titanium material and at the center of the plate thickness of the titanium material. In the present invention, the increase in the c-axis lattice constant of α-phase Ti in the surface layer is defined as follows. That is, the difference between the lattice constant of the c-axis of the α-phase Ti obtained by X-ray diffraction measurement by the parallel beam method at an incident angle of 0.3 degrees on the surface of the titanium material and the lattice constant of the c-axis of the α-phase Ti obtained by X-ray diffraction measurement by the focused method at the center of the plate thickness is referred to as the increase in the lattice constant of the c-axis of the α-phase Ti in the surface portion. The measurement depth in the X-ray diffraction measurement by the parallel beam method at an incident angle of 0.3 degrees does not strictly match the range in the thickness direction of the surface portion measured by GDS, but it can roughly measure the increase in the lattice constant of the c-axis of the α-phase Ti in the surface portion.
티타늄재의 표층부에 있어서의 α상의 Ti의 c축의 격자 상수의 증가에는, 산소가 관계되어 있다고 생각된다. 티타늄재의 표층부에 있어서의 α상의 Ti에 산소가 고용되어 있으면, 그 c축의 격자 상수가 커진다. 티타늄재의 표면에 존재하는 α상의 Ti의 c축의 격자 상수가 두께 중앙에 존재하는 α상의 Ti의 c축의 격자 상수보다도 크면, 산성비의 작용에 의해, 결함 농도가 높은 산화티타늄이 생성되고, 산화 피막이 성장하기 쉬워져, 내변색성이 열화된다고 추정된다. 티타늄재의 표층부에 있어서의 α상의 Ti의 결정 구조에는, 열처리의 온도, 시간, 진공도가 영향을 미친다. 열처리의 분위기 중의 진공도를 높임으로써, 티타늄재의 표층부에 있어서의 α상의 Ti에 고용되는 산소의 양이 감소하여, 티타늄재의 표층부에 있어서의 α상의 Ti의 c축의 격자 상수의 증가가 억제된다. 여기까지, 본 발명자들의 검토에 의해 얻어진 새로운 지견에 대하여 설명하였다.It is thought that oxygen is related to the increase in the c-axis lattice constant of the α-phase Ti in the surface layer of the titanium material. If oxygen is dissolved in the α-phase Ti in the surface layer of the titanium material, the lattice constant of its c-axis increases. If the c-axis lattice constant of the α-phase Ti existing on the surface of the titanium material is larger than the c-axis lattice constant of the α-phase Ti existing in the center of the thickness, it is presumed that titanium oxide with a high defect concentration is generated by the action of acid rain, the oxide film easily grows, and the discoloration resistance deteriorates. The crystal structure of the α-phase Ti in the surface layer of the titanium material is affected by the temperature, time, and vacuum degree of the heat treatment. By increasing the vacuum degree in the heat treatment atmosphere, the amount of oxygen dissolved in the α-phase Ti in the surface layer of the titanium material decreases, and the increase in the c-axis lattice constant of the α-phase Ti in the surface layer of the titanium material is suppressed. Up to this point, the new knowledge obtained through the investigation of the present inventors has been explained.
다음으로, 도 1을 참조하면서, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 티타늄재에 대하여 설명한다. 도 1은, 본 실시 형태에 관한 티타늄재의 층 구성을 도시하는 모식적인 확대 단면도이다. 본 실시 형태에 관한 티타늄재는, 표면으로부터, 글로우 방전 분광 분석법에 의해 상기 표면으로부터 두께 방향으로 측정된 산소 농도가 최댓값의 1/3인 위치까지의 범위의 평균 질소 농도 및 평균 탄소 농도가 각각 14.0원자% 이하, 평균 수소 농도가 30.0원자% 이하이고, 상기 표면에 있어서 입사각이 0.3도인 평행 빔법에 의한 X선 회절 측정에 의해 구해지는 α상의 Ti의 c축의 격자 상수와, 판 두께 중앙에 있어서 집중법에 의한 X선 회절 측정에 의해 구해지는 α상의 Ti의 c축의 격자 상수의 차가 0.015Å 이하이다. 이하에, 본 실시 형태에 관한 티타늄재를 상세하게 설명한다.Next, a titanium material according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1. FIG. 1 is a schematic enlarged cross-sectional view showing the layered configuration of the titanium material according to the embodiment. The titanium material according to the embodiment has an average nitrogen concentration and an average carbon concentration of 14.0 at% or less, an average hydrogen concentration of 30.0 at% or less, in a range from the surface to a position where the oxygen concentration in the thickness direction from the surface is 1/3 of the maximum value as measured by glow discharge spectrometry, and a difference between the c-axis lattice constant of α-phase Ti obtained by X-ray diffraction measurement by a parallel beam method at an incident angle of 0.3 degrees at the surface and the c-axis lattice constant of α-phase Ti obtained by X-ray diffraction measurement by a focused method at the center of the plate thickness is 0.015 Å or less. The titanium material according to the embodiment will be described in detail below.
(티타늄재(1))(Titanium material (1))
본 실시 형태에 관한 티타늄재(1)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 티타늄 기재(10)의 표면에, 산화 피막(20)이 형성되어 있는 티타늄재이다. 환언하면, 티타늄재(1)는, 티타늄 기재(10)와 당해 티타늄 기재(10)의 표면에 형성된 산화 피막(20)을 갖는다. 표층부(30)는, 티타늄재(1)의 표면(바꾸어 말하면, 산화 피막(20)의 표면)으로부터, 두께 방향으로, GDS에 의해 측정되는 산소 농도가 최댓값의 1/3인 위치까지의 영역이고, 티타늄 기재(10)의 일부를 포함한다.The titanium material (1) according to the present embodiment is a titanium material having an oxide film (20) formed on the surface of a titanium substrate (10), as illustrated in FIG. 1. In other words, the titanium material (1) has a titanium substrate (10) and an oxide film (20) formed on the surface of the titanium substrate (10). The surface layer (30) is a region from the surface of the titanium material (1) (in other words, the surface of the oxide film (20)) to a position where the oxygen concentration measured by GDS is 1/3 of the maximum value in the thickness direction, and includes a part of the titanium substrate (10).
(티타늄 기재(10))(Titanium substrate (10))
티타늄재(1)의 티타늄 기재(10)는, 순티타늄, 공업용 순티타늄 또는 티타늄 합금이다. 티타늄 기재(10)는, 예를 들어, Ti 함유량이 70질량% 이상의 순티타늄, 공업용 순티타늄 또는 티타늄 합금이다. 이하에는, 이들을 총칭하여 「티타늄」이라고 칭하는 경우가 있다. 순티타늄의 결정 구조는 최밀 육방정의 α상이고, 체심 입방 구조의 β상을 포함하지 않는다. 공업용 순티타늄은 주로 α 상으로 이루어지고, 화학 조성 등에 따라 β상을 포함하는 경우도 있다. 티타늄 합금은, α상만의 α형 합금이어도 되고, 체심 입방 구조의 β상을 포함하는 α+β형 합금이어도 된다. 또한, 티타늄 기재(10)는, 예를 들어 공업용 티타늄이어도 된다. 티타늄 기재(10)에 사용되는 공업용 티타늄에는, 예를 들어 JIS H 4600:2012에 기재된 각종 공업용 티타늄의 판 및 조나, JIS H 4650:2016에 기재되는 각종 공업용 티타늄의 막대를 들 수 있다. 가공성이 요구되는 경우에는, 불순물을 저감한 JIS1종(예를 들어, JIS H 4600:2012)의 공업용 순티타늄이 적합하다. 또한, 강도가 필요하게 되는 경우에는, 티타늄 기재(10)에 JIS2종 내지 4종의 공업용 순티타늄을 적용할 수 있다. 티타늄 합금으로서는, 예를 들어 내식성을 향상시키기 위해, 미량의 귀금속계의 원소, 예를 들어 팔라듐, 백금, 루테늄 등을 함유하는 JIS11종 내지 23종이나, 비교적 많은 원소를 포함하는 JIS60종, 예를 들어 Ti-6Al-4V계 합금, 60E종, 61종 및 61F종 등을 들 수 있다. 또한, 건축물에는, JIS1종이나 그것과 동등한 ASTM Gr.1로 규정되는 공업용 순티타늄 또는 그 동등재가 주로 사용되고 있다.The titanium substrate (10) of the titanium material (1) is pure titanium, industrial pure titanium, or a titanium alloy. The titanium substrate (10) is, for example, pure titanium, industrial pure titanium, or a titanium alloy having a Ti content of 70 mass% or more. Hereinafter, these may be collectively referred to as “titanium.” The crystal structure of pure titanium is an α phase of a closest hexagonal crystal, and does not include a β phase of a body-centered cubic structure. Industrial pure titanium mainly consists of an α phase, and may also include a β phase depending on the chemical composition, etc. The titanium alloy may be an α-type alloy of only an α phase, or an α+β-type alloy including a β phase of a body-centered cubic structure. In addition, the titanium substrate (10) may be, for example, industrial titanium. Industrial titanium used in the titanium substrate (10) may include, for example, various types of industrial titanium plates and rods described in JIS H 4600:2012, and various types of industrial titanium rods described in JIS H 4650:2016. When processability is required, industrial pure titanium of JIS Type 1 (for example, JIS H 4600:2012) with reduced impurities is suitable. In addition, when strength is required, industrial pure titanium of
α상을 주로 하는 티타늄 합금으로서는, 예를 들어 고내식성 합금(JIS 규격의 11종 내지 13종, 17종, 19종 내지 22종, 및 ASTM 규격의 Grade 7, 11, 13, 14, 17, 30, 31로 규정되는 티타늄 합금이나 또한 다양한 원소를 소량 함유시킨 티타늄 합금(Ti-Ru-Mm 등)), Ti-0.5Cu, Ti-1.0Cu, Ti-1.0Cu-0.5Nb, Ti-1.0Cu-1.0Sn-0.35Si-0.25Nb 등이 있다. Mm은, 미슈 메탈을 나타낸다.Examples of titanium alloys mainly having the α phase include high-corrosion-resistant alloys (titanium alloys specified in JIS standards Types 11 to 13, 17, 19 to 22, and
α+β형 티타늄 합금으로서는, 예를 들어, Ti-3Al-2.5V, Ti-5Al-1Fe, Ti-6Al-4V 등이 있다.Examples of α+β type titanium alloys include Ti-3Al-2.5V, Ti-5Al-1Fe, and Ti-6Al-4V.
Ti-6Al-4V계 합금과 같이, 티타늄 기재(10)가 알루미늄을 함유하는 경우, 내식성이 열화되어 내변색성에 악영향을 미치는 경우가 있다. 그 때문에, 티타늄 기재(10)로서의 티타늄 합금의 표면에 산화 피막(20)을 형성하는 경우, 미리 용도에 대한 합금 원소의 영향을 조사하고, 티타늄 기재(10)에 따라서 각 층의 조성, 두께를 적절히 조정하는 것이 권장된다.When the titanium substrate (10) contains aluminum, such as in the case of a Ti-6Al-4V alloy, corrosion resistance may deteriorate and discoloration resistance may be adversely affected. Therefore, when forming an oxide film (20) on the surface of a titanium alloy as a titanium substrate (10), it is recommended to investigate the influence of alloy elements on the intended use in advance and to appropriately adjust the composition and thickness of each layer according to the titanium substrate (10).
티타늄 기재(10)는, 예를 들어 질량%로,Titanium substrate (10) is, for example, in mass%,
Co: 0% 이상 1.0% 이하,Co: 0% or more and 1.0% or less,
Cr: 0% 이상 0.5% 이하,Cr: 0% or more and 0.5% or less,
Ni: 0% 이상 1.00% 이하,Ni: 0% or more and 1.00% or less,
Ta: 0% 이상 6.00% 이하,Ta: 0% or more and 6.00% or less,
Al: 0% 이상 7.0% 이하,Al: 0% or more and 7.0% or less,
V: 0% 이상 5.0% 이하,V: 0% or more and 5.0% or less,
S: 0% 이상 0.3% 이하,S: 0% or more and 0.3% or less,
Cu: 0% 이상 1.50% 이하,Cu: 0% or more and 1.50% or less,
Nb: 0% 이상 0.70% 이하,Nb: 0% or more and 0.70% or less,
Sn: 0% 이상 1.40% 이하,Sn: 0% or more and 1.40% or less,
Si: 0% 이상 0.55% 이하,Si: 0% or more and 0.55% or less,
Mo: 0% 이상 0.5% 이하,Mo: 0% or more and 0.5% or less,
W: 0% 이상 0.5% 이하,W: 0% or more and 0.5% or less,
Pd: 0% 이상 0.25%,Pd: 0% or more 0.25%,
Ru: 0% 이상 0.15% 이하,Ru: 0% or more and 0.15% or less,
Rh: 0% 이상 0.15% 이하,Rh: 0% or more and 0.15% or less,
Os: 0% 이상 0.15% 이하,Os: 0% or more and 0.15% or less,
Ir: 0% 이상 0.15% 이하,Ir: 0% or more and 0.15% or less,
Pt: 0% 이상 0.15% 이하,Pt: 0% or more and 0.15% or less,
REM: 0% 이상 0.10% 이하,REM: 0% or more and 0.10% or less,
C: 0% 이상 0.18%% 이하,C: 0% or more and 0.18% or less,
H: 0% 이상 0.015% 이하,H: 0% or more and 0.015% or less,
O: 0% 이상 0.40% 이하,O: 0% or more and 0.40% or less,
N: 0% 이상 0.05% 이하, 및N: 0% or more and 0.05% or less, and
Fe: 0% 이상 2.50% 이하를 포함하고,Fe: Contains 0% or more and 2.50% or less,
잔부가 Ti 및 불순물로 이루어지는, 공업용 순티타늄 또는 티타늄 합금이다.Industrial pure titanium or titanium alloy, the remainder consisting of Ti and impurities.
여기서, REM이란 희토류 원소이고, 구체적으로는, Sc, Y, 경희토류 원소(La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu) 및 중희토류 원소(Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu)로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이다.Here, REM is a rare earth element, and specifically, it is at least one element selected from the group consisting of Sc, Y, light rare earth elements (La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu), and heavy rare earth elements (Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu).
또한, 티타늄 기재(10)는, 예를 들어 질량%로,In addition, the titanium substrate (10) is, for example, in mass%,
C: 0% 이상 0.10% 이하,C: 0% or more and 0.10% or less,
H: 0% 이상 0.015% 이하,H: 0% or more and 0.015% or less,
O: 0% 이상 0.40% 이하,O: 0% or more and 0.40% or less,
N: 0% 이상 0.05% 이하 및N: 0% or more and 0.05% or less and
Fe: 0% 이상 0.50% 이하를 포함하고,Fe: Contains 0% or more and 0.50% or less,
잔부가 Ti 및 불순물로 이루어지는, 공업용 순티타늄이다.It is industrial pure titanium, the remainder being Ti and impurities.
또한, 티타늄 기재(10)는, 예를 들어 질량%로,In addition, the titanium substrate (10) is, for example, in mass%,
Co: 0% 이상 0.80% 이하,Co: 0% or more and 0.80% or less,
Pd: 0% 이상 0.25% 이하,Pd: 0% or more and 0.25% or less,
Cr: 0% 이상 0.2% 이하,Cr: 0% or more and 0.2% or less,
Ru: 0% 이상 0.06% 이하,Ru: 0% or more and 0.06% or less,
Ni: 0% 이상 0.60% 이하,Ni: 0% or more and 0.60% or less,
Ta: 0% 이상 6.0% 이하,Ta: 0% or more and 6.0% or less,
N: 0% 이상 0.05% 이하,N: 0% or more and 0.05% or less,
C: 0% 이상 0.08% 이하,C: 0% or more and 0.08% or less,
H: 0% 이상 0.015% 이하,H: 0% or more and 0.015% or less,
O: 0% 이상 0.35% 이하 및O: 0% or more and 0.35% or less and
Fe: 0% 이상 0.30% 이하를 포함하고,Fe: Contains 0% or more and 0.30% or less,
잔부가 Ti 및 불순물로 이루어지는, 티타늄 합금이다.It is a titanium alloy, the remainder being Ti and impurities.
또한, 티타늄 기재(10)는, 예를 들어 질량%로,In addition, the titanium substrate (10) is, for example, in mass%,
Al: 2.0% 이상 7.0% 이하,Al: 2.0% or more and 7.0% or less,
V: 1.0% 이상 5.0% 이하,V: 1.0% or more and 5.0% or less,
S: 0% 이상 0.3% 이하,S: 0% or more and 0.3% or less,
REM: 0% 이상 0.08% 이하,REM: 0% or more and 0.08% or less,
N: 0% 이상 0.05% 이하,N: 0% or more and 0.05% or less,
C: 0% 이상 0.10% 이하,C: 0% or more and 0.10% or less,
H: 0% 이상 0.015% 이하,H: 0% or more and 0.015% or less,
O: 0% 이상 0.35% 이하 및O: 0% or more and 0.35% or less and
Fe: 0% 이상 2.5% 이하를 포함하고,Fe: Contains 0% or more and 2.5% or less,
잔부가 Ti 및 불순물로 이루어지는, 티타늄 합금이다.It is a titanium alloy, the remainder being Ti and impurities.
또한, 티타늄 기재(10)는, 예를 들어 질량%로,In addition, the titanium substrate (10) is, for example, in mass%,
Cu: 0.3% 이상 1.50% 이하,Cu: 0.3% or more and 1.50% or less,
Nb: 0% 이상 0.70% 이하,Nb: 0% or more and 0.70% or less,
Sn: 0% 이상 1.40% 이하,Sn: 0% or more and 1.40% or less,
Si: 0% 이상 0.55% 이하,Si: 0% or more and 0.55% or less,
N: 0% 이상 0.05% 이하,N: 0% or more and 0.05% or less,
C: 0% 이상 0.10% 이하,C: 0% or more and 0.10% or less,
H: 0% 이상 0.015% 이하,H: 0% or more and 0.015% or less,
O: 0% 이상 0.15% 이하 및O: 0% or more and 0.15% or less and
Fe: 0% 이상 0.10% 이하를 포함하고,Fe: Contains 0% or more and 0.10% or less,
잔부가 Ti 및 불순물로 이루어지는, 티타늄 합금이다.It is a titanium alloy, the remainder being Ti and impurities.
또한, 티타늄 기재(10)는, 예를 들어 질량%로,In addition, the titanium substrate (10) is, for example, in mass%,
V: 0% 이상 0.5% 이하,V: 0% or more and 0.5% or less,
Ni: 0% 이상 1.00% 이하,Ni: 0% or more and 1.00% or less,
Cr: 0% 이상 0.5% 이하,Cr: 0% or more and 0.5% or less,
Co: 0% 이상 1.0% 이하,Co: 0% or more and 1.0% or less,
Mo: 0% 이상 0.5% 이하,Mo: 0% or more and 0.5% or less,
W: 0% 이상 0.5% 이하,W: 0% or more and 0.5% or less,
Pd: 0% 이상 0.15% 이하,Pd: 0% or more and 0.15% or less,
Ru: 0% 이상 0.15% 이하,Ru: 0% or more and 0.15% or less,
Rh: 0% 이상 0.15% 이하,Rh: 0% or more and 0.15% or less,
Os: 0% 이상 0.15% 이하,Os: 0% or more and 0.15% or less,
Ir: 0% 이상 0.15% 이하,Ir: 0% or more and 0.15% or less,
Pt: 0% 이상 0.15% 이하,Pt: 0% or more and 0.15% or less,
REM: 0.001% 이상 0.10% 이하,REM: 0.001% or more and 0.10% or less,
N: 0% 이상 0.03% 이하,N: 0% or more and 0.03% or less,
C: 0% 이상 0.18% 이하,C: 0% or more and 0.18% or less,
H: 0% 이상 0.015% 이하,H: 0% or more and 0.015% or less,
O: 0% 이상 0.35% 이하,O: 0% or more and 0.35% or less,
Fe: 0% 이상 0.30% 이하, 및Fe: 0% or more and 0.30% or less, and
Pd, Ru, Rh, Os, Ir 및 Pt의 합계: 0.01% 이상 0.15% 이하를 포함하고,The sum of Pd, Ru, Rh, Os, Ir and Pt: 0.01% or more and 0.15% or less,
잔부가 Ti 및 불순물로 이루어지는, 티타늄 합금이다.It is a titanium alloy, the remainder being Ti and impurities.
불순물은 첨가의 의도에 관계없이 티타늄 중에 존재하고, 얻어지는 티타늄재에 있어서 본래 존재할 필요가 없는 성분이다. 「불순물」이라는 용어는, 티타늄을 공업적으로 제조할 때에 원료 또는 제조 환경 등으로부터 혼입되는 불순물을 포함하는 개념이다. 불순물로서는, 예를 들어 Cl, Na, Mg, Ca, 및 B를 들 수 있다. 불순물의 각 원소의 함유량은, 바람직하게는 0.1질량% 이하이고, 총량은 바람직하게는 0.4질량% 이하이다.Impurities are components that exist in titanium regardless of the intention of addition, and do not need to originally exist in the titanium material obtained. The term "impurity" is a concept that includes impurities mixed in from raw materials or the manufacturing environment when manufacturing titanium industrially. Examples of impurities include Cl, Na, Mg, Ca, and B. The content of each element of the impurities is preferably 0.1 mass% or less, and the total amount is preferably 0.4 mass% or less.
티타늄 기재(10)는, 통상, 판, 조, 관, 막대선(직선)이거나, 또는 이들이 적절히 가공된 형상을 이룬다. 티타늄 기재(10)는, 임의의 형상, 예를 들어 구 형상 또는 직육면체 형상이어도 된다.The titanium substrate (10) is usually a plate, a tube, a bar (straight line), or a shape in which these are appropriately processed. The titanium substrate (10) may have any shape, for example, a sphere or a rectangular parallelepiped.
(산화 피막(20))(Oxide film (20))
티타늄 기재(10)의 표면에는 산화 피막(20)이 형성되어 있다. 산화 피막(20)의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 30.0nm를 초과하면, 광의 간섭 작용에 의해 티타늄재(1)의 발색에 영향을 미치는 경우가 있다. 그 때문에, 산화 피막(20)의 두께는, 바람직하게는 30.0nm 이하이다. 산화 피막(20)의 두께는, 광의 간섭 작용에 의한 발색의 억제 관점에서는, 보다 바람직하게는 25.0nm 이하이고, 더욱 바람직하게는 20.0nm 이하이다. 산화 피막(20)의 두께는 0nm 초과인데, 예를 들어 10.0nm 이상이어도 된다. 또한, 티타늄재의 내변색성은, 산화 피막(20)의 두께 확보에 의해 향상된다. 그 때문에, 내변색성 향상의 관점에서는, 티타늄재(1)의 표면의 산화 피막(20)의 두께는 보다 바람직하게는 12.0nm 이상이다.An oxide film (20) is formed on the surface of the titanium substrate (10). The thickness of the oxide film (20) is not particularly limited, but if it exceeds 30.0 nm, the color development of the titanium material (1) may be affected by the interference effect of light. Therefore, the thickness of the oxide film (20) is preferably 30.0 nm or less. From the viewpoint of suppressing color development by the interference effect of light, the thickness of the oxide film (20) is more preferably 25.0 nm or less, and even more preferably 20.0 nm or less. The thickness of the oxide film (20) is more than 0 nm, and may be, for example, 10.0 nm or more. In addition, the discoloration resistance of the titanium material is improved by securing the thickness of the oxide film (20). Therefore, from the viewpoint of improving the discoloration resistance, the thickness of the oxide film (20) on the surface of the titanium material (1) is more preferably 12.0 nm or more.
산화 피막(20)의 두께는, GDS에 의해 측정된다. GDS에 의한 측정은, 이하의 방법으로 행해진다. GDS에 의한 측정은, 가부시키가이샤 호리바 세이사쿠쇼제 JOBIN YVON GD-Profiler2를 사용하여, 35W의 정전력 모드에서 행하고, 아르곤 가스의 압력을 600Pa, 방전 범위를 직경 4mm로 한다. GDS에 의한 측정에 있어서의 측정 피치는 0.5nm이다. GDS에 의한 측정에서는, 티타늄재(1)의 표면으로부터, O(산소), N(질소), C(탄소), H(수소) 및 Ti의 분석이 행해진다. 상기 각 원소의 농도(원자%)는 상기 원소의 합계를 100원자%로 하여 산출된다. 산화 피막(20)의 두께는, GDS에 의해 측정되는 산소 농도로부터 구해진다. 구체적으로는, 표면으로부터, 산소 농도가 최댓값에 대하여 반감한 위치까지의 두께 방향의 거리가 산화 피막(20)의 두께이다. 평균 질소 농도, 평균 탄소 농도 및 평균 수소 농도는, 각 측정점의 질소 농도, 탄소 농도 및 수소 농도의 수치 산술 평균값이다.The thickness of the oxide film (20) is measured by GDS. The measurement by GDS is performed by the following method. The measurement by GDS is performed using JOBIN YVON GD-Profiler2 manufactured by Horiba Seisakusho Co., Ltd., in a constant power mode of 35 W, the pressure of the argon gas is 600 Pa, and the discharge range is 4 mm in diameter. The measurement pitch in the measurement by GDS is 0.5 nm. In the measurement by GDS, analysis of O (oxygen), N (nitrogen), C (carbon), H (hydrogen), and Ti is performed from the surface of the titanium material (1). The concentration (atomic%) of each of the above elements is calculated by assuming that the total of the above elements is 100 atomic%. The thickness of the oxide film (20) is obtained from the oxygen concentration measured by GDS. Specifically, the distance in the thickness direction from the surface to the position where the oxygen concentration is reduced by half from the maximum value is the thickness of the oxide film (20). The average nitrogen concentration, average carbon concentration, and average hydrogen concentration are numerical arithmetic averages of the nitrogen concentration, carbon concentration, and hydrogen concentration at each measurement point.
티타늄 기재(10)에 있어서의 산화 피막(20)과의 계면 근방의 질화물 유래의 질소 농도는, XPS로 측정한 산화 피막(20)에 있어서의 질소 농도의 최댓값 미만 또한 7원자% 이하인 것이 바람직하다. 후술하는 본 실시 형태에 관한 티타늄재(1)의 제조 방법에 의해, 산화 피막(20)에 질화물이 형성되지만, 당해 방법에 따르면 티타늄 기재(10)와 산화 피막(20)의 계면 근방에 형성되는 질화물은 존재하지 않거나 극소량이다. 티타늄 기재(10)인 모재의 질소 함유량은, 화학 분석으로 얻어지는 값에서는, 0.05 내지 0.07질량% 정도이고, 많더라도 0.20원자% 정도와, 불순물 레벨이다. 이 함유량은 티타늄 중의 질소의 고용 한도 이하이기 때문에, 질화물은 형성되지 않는다. 따라서, 티타늄 기재(10)와 산화 피막(20)과의 계면 근방에 질화물이 존재하는 경우, 그 질화물은, 본 실시 형태에 관한 티타늄재(1)의 제조 방법의 일례에 있어서의 어닐링 처리 시에 질소가 표면으로부터 내부로 확산되어 형성된 것이다. 그 때문에, 티타늄 기재(10)에 있어서의 산화 피막(20)과의 계면 근방의 질화물 유래의 질소 농도는, XPS로 측정한 산화 피막(20)에 있어서의 질소 농도의 최댓값 미만 또한 7원자% 이하인 것이 바람직하다. 티타늄 기재(10)에 있어서의 산화 피막(20)과의 계면 근방의 질화물 유래의 질소 농도가 XPS로 측정한 산화 피막(20)에 있어서의 질소 농도의 최댓값 미만 또한 7.0원자% 이하이면, 티타늄재(1)가 장기간에 걸쳐 산성비 환경에 노출된 경우의 산화 피막의 성장이 억제되어, 변색이 억제된다. 티타늄 기재(10)에 있어서의 산화 피막(20)과의 계면 근방의 질화물 유래의 질소 농도는, 보다 바람직하게는, 산화 피막(20)에 있어서의 질소 농도의 최댓값 미만 또한 3.0원자% 이하이다. 한편, 티타늄 기재(10)에 있어서의 산화 피막(20)과의 계면 근방의 질화물 유래의 질소 농도의 하한은 제한되지 않는다. 그 때문에, 본 실시 형태에 관한 티타늄재(1)의 제조 방법의 일례에 따르면, 티타늄 기재(10)에 있어서의 산화 피막(20)과의 계면 근방의 질화물 유래의 질소 농도의 하한은, 0원자%이지만, XPS의 피크 분리에 기인하는 것(제로는 되지 않는다)도 가미하면 0.5원자% 정도가 되는 경우가 있다.The nitrogen concentration derived from nitride near the interface with the oxide film (20) in the titanium substrate (10) is preferably less than the maximum nitrogen concentration in the oxide film (20) measured by XPS and 7 at% or less. By the method for manufacturing the titanium material (1) according to the present embodiment described later, nitride is formed in the oxide film (20), but according to the method, the nitride formed near the interface between the titanium substrate (10) and the oxide film (20) does not exist or is extremely small. The nitrogen content of the base material, which is the titanium substrate (10), is about 0.05 to 0.07 mass%, and at most about 0.20 at%, and is an impurity level, in the value obtained by chemical analysis. Since this content is below the solid solution limit of nitrogen in titanium, nitride is not formed. Therefore, when nitride exists near the interface between the titanium substrate (10) and the oxide film (20), the nitride is formed by nitrogen diffusing from the surface to the inside during the annealing treatment in an example of the method for manufacturing the titanium material (1) according to the present embodiment. Therefore, it is preferable that the nitrogen concentration derived from the nitride near the interface with the oxide film (20) in the titanium substrate (10) is less than the maximum value of the nitrogen concentration in the oxide film (20) measured by XPS and 7 at% or less. When the nitrogen concentration derived from the nitride near the interface with the oxide film (20) in the titanium substrate (10) is less than the maximum value of the nitrogen concentration in the oxide film (20) measured by XPS and 7.0 at% or less, the growth of the oxide film is suppressed when the titanium material (1) is exposed to an acid rain environment for a long period of time, and discoloration is suppressed. The nitrogen concentration derived from nitride near the interface with the oxide film (20) in the titanium substrate (10) is more preferably less than the maximum value of the nitrogen concentration in the oxide film (20) and 3.0 at% or less. On the other hand, the lower limit of the nitrogen concentration derived from nitride near the interface with the oxide film (20) in the titanium substrate (10) is not limited. Therefore, according to an example of the method for manufacturing a titanium material (1) according to the present embodiment, the lower limit of the nitrogen concentration derived from nitride near the interface with the oxide film (20) in the titanium substrate (10) is 0 at%, but when the concentration due to peak separation of XPS (which is not zero) is also taken into account, it may be about 0.5 at%.
또한, 티타늄 기재(10)에 있어서의 산화 피막(20)과의 계면 근방이란, XPS로 측정했을 때의 당해 계면으로부터 티타늄 기재측으로 20nm의 범위를 말한다. 후술하는 XPS로 측정한 도면(예를 들어, 도 4)에서, XPS로 측정한 산소 농도가 최댓값의 1/2이 되는 위치를 상기한 계면으로 한다. 그 때문에, XPS로 측정한 산소 농도가 최댓값의 1/2이 되는 위치로부터 티타늄 기재측까지 20nm 범위를, 티타늄 기재(10)에 있어서의 산화 피막(21)과의 계면 근방으로 한다. 티타늄 기재(10)에 있어서의 산화 피막(20)과의 계면 근방은, 표층부(30)와는 다른 영역이다.In addition, the vicinity of the interface with the oxide film (20) on the titanium substrate (10) refers to a range of 20 nm from the interface measured by XPS toward the titanium substrate side. In the drawing measured by XPS described below (for example, FIG. 4), the position where the oxygen concentration measured by XPS becomes 1/2 of the maximum is set as the interface. Therefore, the range of 20 nm from the position where the oxygen concentration measured by XPS becomes 1/2 of the maximum to the titanium substrate side is set as the vicinity of the interface with the oxide film (21) on the titanium substrate (10). The vicinity of the interface with the oxide film (20) on the titanium substrate (10) is a different region from the surface layer (30).
산화 피막(20)은, GDS 또는 XPS로 동정할 수 있지만, 각 측정 방법으로 얻어지는 산화 피막의 두께는, 측정 방법이 다르기 때문에 엄밀하게 일치하지 않는 경우가 많다. 그러나, 각 측정 방법에서, 산소 농도가 최댓값의 1/2이 되는 위치를 산화 피막으로 하는 점에서, 산화 피막의 정의는 일치한다. 본원에서는, 티타늄 기재(10)에 있어서의 산화 피막(20)과의 계면 근방의 질화물 유래의 질소 농도를 측정할 때의 산화 피막은 XPS로 측정한다.The oxide film (20) can be identified by GDS or XPS, but the thickness of the oxide film obtained by each measurement method is often not strictly consistent because the measurement methods are different. However, the definition of the oxide film is consistent in that the position where the oxygen concentration becomes 1/2 of the maximum value is considered as the oxide film in each measurement method. In this application, when measuring the nitrogen concentration derived from nitride near the interface with the oxide film (20) on the titanium substrate (10), the oxide film is measured by XPS.
산화 피막(20)은, 질화물 유래의 질소를 함유하는 것이 바람직하다. 산화 피막(20)에 있어서의 질화물 유래의 질소는, X선 광 전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy; XPS)에 의해 측정된다. 도 2는, 본 실시 형태에 관한 티타늄재(1)의 X선 광 전자 분광법에 의한 스펙트럼의 깊이 방향의 변화의 일례를 나타내는 도면이다. 도 3은, 일반적인 티타늄재의 X선 광 전자 분광법에 의한 스펙트럼의 깊이 방향의 변화 일례를 나타내는 도면이다. 도 2의 (A) 및 도 3의 (A)는 N1s 스펙트럼의 깊이 방향의 변화, 도 2의 (B) 및 도 3의 (B)는 C1s 스펙트럼의 깊이 방향의 변화, 도 2의 (C) 및 도 3의 (C)는 O1s 스펙트럼의 깊이 방향의 변화, 도 2의 (D) 및 도 3의 (D)는 Ti2p 스펙트럼의 깊이 방향의 변화를 나타내고 있다. 도 2의 (C)에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 티타늄재(1)에서는, 산화 피막(20)에 상당하는 깊이에서 질화물 유래가 명료한 피크가 확인되는 경우가 있다. 한편, 도 3의 (C)에 나타내는 바와 같이, 일반적인 티타늄재에서는, 질화물 유래의 피크가 극히 작다. 이와 같이, 본 실시 형태에 관한 티타늄재(1)는, 산화 피막(20)에 소정량의 질화물 유래의 질소를 함유하는 것이 바람직하다. 이하에, 산화 피막(20)에 있어서의 질화물 유래의 질소의 함유량에 대해서, 상세하게 설명한다. 또한, 본 실시 형태에 관한 티타늄재(1)에서는, 도 2의 (C)의 질화물(Nitride)의 피크 강도가 증가하는 것에 수반하여, 도 2의 (A)의 TiN이 관여하는 피크의 강도도 증가하고 있다는 점에서, 도 2의 (C)의 질화물은, 티타늄의 질화물에서 유래한다고 생각된다.The oxide film (20) preferably contains nitrogen derived from nitride. Nitrogen derived from nitride in the oxide film (20) is measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Fig. 2 is a drawing showing an example of a change in the depth direction of a spectrum by X-ray photoelectron spectroscopy of a titanium material (1) according to the present embodiment. Fig. 3 is a drawing showing an example of a change in the depth direction of a spectrum by X-ray photoelectron spectroscopy of a general titanium material. Figs. 2(A) and 3(A) show a change in the depth direction of an N1s spectrum, Figs. 2(B) and 3(B) show a change in the depth direction of a C1s spectrum, Figs. 2(C) and 3(C) show a change in the depth direction of an O1s spectrum, and Figs. 2(D) and 3(D) show a change in the depth direction of a Ti2p spectrum. As shown in (C) of Fig. 2, in the titanium material (1) according to the present embodiment, there are cases where a clear peak derived from nitride is confirmed at a depth corresponding to the oxide film (20). On the other hand, as shown in (C) of Fig. 3, in general titanium materials, the peak derived from nitride is extremely small. Thus, it is preferable that the titanium material (1) according to the present embodiment contains a predetermined amount of nitrogen derived from nitride in the oxide film (20). The content of nitrogen derived from nitride in the oxide film (20) will be described in detail below. In addition, in the titanium material (1) according to the present embodiment, as the peak intensity of the nitride of Fig. 2 (C) increases, the intensity of the peak involving TiN of Fig. 2 (A) also increases, so it is thought that the nitride of Fig. 2 (C) is derived from the nitride of titanium.
산화 피막(20)에 있어서의 질화물 유래의 질소 함유량(질소 농도의 최댓값)은 2.0 내지 10.0원자%인 것이 바람직하다. 산화 피막(20)에 있어서의 질화물 유래의 질소 함유량이란, XPS에 의해 측정한 산화 피막(20) 중의 질화물 유래의 질소 농도의 최댓값을 말한다. 미발색재에서, 산화 피막(20)이 질화물 유래의 질소를 2.0원자% 이상 함유하면, 내변색성이 한층 향상된다. 이 이유는 반드시 명백하지는 않으나, 산화 피막(20) 내에 질화물이 존재하면, 원자 배열이 흐트러져, 산화 피막(20) 내에 변형 분포가 변화하는 것, 또는, 도전성이 변화하여 나노미터 레벨의 전위 분포가 변화하는 것 등에 의해, 산화 피막(20)에 있어서의 이온의 투과를 차폐하는 기능(차폐 기능)이 변화했기 때문이라고 생각된다.The nitrogen content derived from nitride in the oxide film (20) (maximum nitrogen concentration) is preferably 2.0 to 10.0 at%. The nitrogen content derived from nitride in the oxide film (20) refers to the maximum nitrogen concentration derived from nitride in the oxide film (20) as measured by XPS. In a non-colorizing material, if the oxide film (20) contains 2.0 at% or more of nitrogen derived from nitride, the discoloration resistance is further improved. The reason for this is not necessarily clear, but it is thought that when nitride is present in the oxide film (20), the atomic arrangement is disturbed, the strain distribution in the oxide film (20) changes, or the conductivity changes, causing a change in the potential distribution at the nanometer level, thereby changing the function (shielding function) of the oxide film (20) for shielding the penetration of ions.
산화 피막(20)에 있어서의 질화물 유래의 질소 함유량이 2.0원자% 이상이면 보다 확실하게 차폐 기능을 향상시켜, 내변색성 향상의 효과를 보다 확실하게 얻을 수 있다. 산화 피막(20)에 있어서의 질화물 유래의 질소 함유량은, 제조상의 안정성을 고려하면, 보다 바람직하게는, 4.0원자% 이상이다. 한편, 산화 피막(20)에 있어서의 질화물 유래의 질소 함유량이 10.0원자% 초과이면, 차폐 기능이 저하되어, 내변색성 향상의 효과를 얻지 못하는 경우가 있지만, 산화 피막(20)에 있어서의 질화물 유래의 질소 함유량이 10.0원자% 이하이면, 차폐 기능이 유지되어, 더 높은 내변색성 향상의 효과가 얻어진다. 산화 피막(20)에 있어서의 질화물 유래의 질소 함유량은, 제조상의 안정성을 고려하면, 보다 바람직하게는, 8.0원자% 이하이다.When the nitrogen content derived from nitride in the oxide film (20) is 2.0 at% or more, the shielding function is improved more reliably, and the effect of improving discoloration resistance can be obtained more reliably. The nitrogen content derived from nitride in the oxide film (20) is more preferably 4.0 at% or more, considering stability in manufacturing. On the other hand, when the nitrogen content derived from nitride in the oxide film (20) exceeds 10.0 at%, the shielding function is reduced, and in some cases the effect of improving discoloration resistance cannot be obtained, but when the nitrogen content derived from nitride in the oxide film (20) is 10.0 at% or less, the shielding function is maintained, and a higher effect of improving discoloration resistance is obtained. The nitrogen content derived from nitride in the oxide film (20) is more preferably 8.0 at% or less, considering stability in manufacturing.
또한, 본 발명자들은, 산화 피막(20)에 있어서의 질화물 유래의 질소 분포를 제어함으로써 내변색성을 향상시키는 것에 상도하였다. 도 4는, 본 실시 형태에 관한 티타늄재(1)(본 발명예) 및 일반적인 티타늄재(종래예)의 X선 광 전자 분광법에 의한 깊이 방향의 원소 농도 분포의 일례를 나타내는 도면이다. 도 4에 있어서의 횡축의 스퍼터 깊이는, SiO2의 스퍼터링 속도로 환산한 깊이이다. 도 4의 본 발명예는, 도 2에 나타낸 본 실시 형태에 관한 티타늄재에 대한 원소 농도 분포이다. 도 4의 종래예는, 도 3에 나타낸 일반적인 티타늄재(공업용 순티타늄 1종)에 대한 원소 농도 분포이다.In addition, the inventors of the present invention have contemplated improving the discoloration resistance by controlling the nitrogen distribution derived from nitride in the oxide film (20). Fig. 4 is a diagram showing an example of the element concentration distribution in the depth direction by X-ray photoelectron spectroscopy of a titanium material (1) according to the present embodiment (an example of the present invention) and a general titanium material (a conventional example). The sputtering depth of the horizontal axis in Fig. 4 is the depth converted into the sputtering rate of SiO 2 . The example of the present invention of Fig. 4 is the element concentration distribution for the titanium material according to the present embodiment shown in Fig. 2. The conventional example of Fig. 4 is the element concentration distribution for the general titanium material (industrial pure titanium type 1) shown in Fig. 3.
도 4에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 티타늄재(1)는, SiO2의 스퍼터링 속도로 환산했을 때의 스퍼터 깊이가 2 내지 10nm의 위치에서, 질화물 유래의 질소 농도가 최대가 되어 있다. 한편, 일반적인 티타늄재에서는, 질소 농도는 극히 작다. 따라서, 산화 피막(20)에 있어서의 질화물 유래의 질소 농도가 최대가 되는 깊이는, SiO2의 스퍼터링 속도로 환산했을 때에 2 내지 10nm인 것이 바람직하다. 또한, 당해 스퍼터 깊이의 상한은, 상술한 산화 피막(20)과의 계면 근방의 범위를 포함하는 30nm 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 산화 피막(20)의 두께에 따라서 변경되어도 되고, 산화 피막(20)의 두께의 3배 정도 이상으로 하는 것이 바람직하다.As shown in Fig. 4, in the titanium material (1) according to the present embodiment, the nitrogen concentration derived from nitride is maximum at a position where the sputtering depth is 2 to 10 nm when converted to the sputtering rate of SiO 2 . On the other hand, in general titanium materials, the nitrogen concentration is extremely small. Therefore, the depth at which the nitrogen concentration derived from nitride in the oxide film (20) is maximum is preferably 2 to 10 nm when converted to the sputtering rate of SiO 2 . In addition, the upper limit of the sputtering depth is preferably 30 nm or more including the range near the interface with the oxide film (20) described above. In addition, it may be changed depending on the thickness of the oxide film (20), and is preferably about three times or more the thickness of the oxide film (20).
또한, 본 발명자들은, 상기의 산화 피막(20)에 있어서의 질화물 유래의 질소 농도가 최대가 되는 깊이에서의 질소 농도가 내변색성에 미치는 영향을 조사하였다. 도 5는, 산화 피막(20) 내의 질화물 유래의 질소의 농도의 최댓값과 변색 시험 전후의 색차 ΔE*ab의 관계를 나타내는 도면이다.In addition, the inventors of the present invention investigated the effect of the nitrogen concentration at the depth where the nitrogen concentration derived from nitride in the oxide film (20) becomes maximum on the discoloration resistance. Fig. 5 is a diagram showing the relationship between the maximum value of the nitrogen concentration derived from nitride in the oxide film (20) and the color difference ΔE*ab before and after the discoloration test.
색차 ΔE*ab는, 이하의 방법으로 구하였다. pH3 황산 수용액에 60℃에서 4주간 침지하고, 침지 전후의 티타늄재 표면의 L*a*b*를 측정하고, JIS Z 8730:2009에 준거하여 구해지는 명도 L* 및 색도 a*, b* 각각의 침지 전후의 차 ΔL*, Δa*, Δb*로부터,The color difference ΔE*ab was obtained by the following method. The titanium material surface was immersed in a
ΔE*ab=[(ΔL*)2+(Δa*)2+(Δb*)2]1/2 ΔE*ab=[(ΔL*) 2 +(Δa*) 2 +(Δb*) 2 ] 1/2
에 따라 산출하였다. 색차 ΔE*ab가 작을수록 시험 전후에서의 변색의 정도가 작아, 내변색성이 우수한 것을 의미한다.It was calculated according to the following. The smaller the color difference ΔE*ab, the smaller the degree of discoloration before and after the test, indicating excellent discoloration resistance.
도 5에 나타내는 바와 같이, 산화 피막(20)에 있어서의 질화물 유래의 질소 농도가 최대가 되는 깊이에서의 질소 농도가 2.0원자% 미만인 경우, 차폐성이 충분히 높아지지 않아, 색차가 8을 초과하는 경우가 있었다. 한편, 질화물 유래의 질소 농도가 10.0원자%를 초과하면 차폐성이 저하되어, 색차가 8을 초과하는 경우가 있었다. 또한, 산화 피막(20)에 있어서의 질화물 유래의 질소 농도가 최대가 되는 깊이에서의 질소 농도가 10.0원자%를 초과하는 경우, 금색이나 황색 색감을 띠는 색조가 되는 경우가 있었다. 금색이나 황색 색감을 띠는 색조가 되는 경우, 색조가 변화하기 때문에, 티타늄 그 자체의 은색이 요구되는 용도에는 적합하지 않은 경우가 있다. 이 색감의 변화는, 티타늄의 질화물의 물질 색이 현재화했기 때문으로 추측된다. 따라서, 산화 피막(20)에 있어서의 질화물 유래의 질소 농도가 최대가 되는 깊이에서의 질소 농도는, 2.0 내지 10.0원자%이다.As shown in Fig. 5, when the nitrogen concentration at the depth where the nitrogen concentration derived from nitride in the oxide film (20) becomes maximum is less than 2.0 at%, the shielding property is not sufficiently high, and the color difference sometimes exceeds 8. On the other hand, when the nitrogen concentration derived from nitride exceeds 10.0 at%, the shielding property deteriorates, and the color difference sometimes exceeds 8. In addition, when the nitrogen concentration at the depth where the nitrogen concentration derived from nitride in the oxide film (20) becomes maximum exceeds 10.0 at%, the color tone sometimes becomes gold or yellow. When the color tone becomes gold or yellow, the color tone changes, and therefore sometimes it is not suitable for applications where the silver color of titanium itself is required. It is presumed that this change in color tone is due to the material color of the titanium nitride becoming apparent. Therefore, the nitrogen concentration at the depth where the nitride-derived nitrogen concentration in the oxide film (20) becomes maximum is 2.0 to 10.0 atomic%.
또한, 도 5에 나타내는 바와 같이, 산화 피막(20)에 있어서의 질화물 유래의 질소 농도가 최대가 되는 깊이에서의 질소 농도가, 동일한 깊이에 있어서의 탄화물 유래의 탄소 농도 미만이 되면 색차가 8을 초과하는 경우가 있었다. 이것도 전술한 바와 같이, 산화 피막(20) 내의 변형 분포에 영향을 미치는 것, 도전성이 변화하여 나노미터 레벨의 전위 분포에 영향을 미치는 것 등에 기인한다고 생각된다. 따라서, 산화 피막(20)에 있어서의 질화물 유래의 질소 농도가 최대가 되는 깊이에서의 질소 농도가, 산화 피막(20)에 있어서의 질화물 유래의 질소 농도가 최대가 되는 위치의 탄화물 유래의 탄소 농도 이상인 것이 바람직하다.In addition, as shown in Fig. 5, there were cases where the color difference exceeded 8 when the nitrogen concentration at the depth where the nitride-derived nitrogen concentration in the oxide film (20) becomes maximum was less than the carbide-derived carbon concentration at the same depth. This is also thought to be due to, as described above, affecting the strain distribution within the oxide film (20), changing the conductivity and affecting the nanometer-level potential distribution, etc. Therefore, it is preferable that the nitrogen concentration at the depth where the nitride-derived nitrogen concentration in the oxide film (20) becomes maximum is equal to or greater than the carbide-derived carbon concentration at the position where the nitride-derived nitrogen concentration in the oxide film (20) becomes maximum.
티타늄 기재(10) 및 산화 피막(20)에 있어서의, 질화물, 탄화물, 산화물에서 유래되는 N, C, O 및 Ti의 농도의 산출은, X선 광 전자 분광 분석법을 사용하고, 티타늄재의 표면을 Ar 이온 스퍼터링하여 행할 수 있다. 상세하게는, 분석 조건을, X선원: mono-AlKα(hν: 1486.6eV), 빔 직경: 200㎛Φ(≒분석 영역), 검출 깊이: 수nm, 도입 각도: 45°, 스퍼터 조건: Ar+, 스퍼터 레이트 4.3nm/min.(SiO2 환산값)으로 한다. SiO2 환산값이란, 미리 엘립소미터를 사용하여 두께를 측정한 SiO2막을 사용하여, 동일 측정 조건에서 구했을 때의 스퍼터링 속도이다.The calculation of the concentrations of N, C, O, and Ti derived from nitrides, carbides, and oxides in the titanium substrate (10) and oxide film (20) can be performed by using X-ray photoelectron spectroscopy and sputtering the surface of the titanium material with Ar ions. Specifically, the analysis conditions are X-ray source: mono-AlKα (hν: 1486.6 eV), beam diameter: 200 ㎛Φ (≒ analysis area), detection depth: several nm, introduction angle: 45°, sputtering conditions: Ar + , sputtering rate 4.3 nm/min. (SiO 2 equivalent value). The SiO 2 equivalent value is a sputtering rate obtained under the same measurement conditions using a SiO 2 film whose thickness has been measured in advance using an ellipsometer.
결합 에너지가 약 393 내지 408eV의 위치에 나타나는 피크를 N1s의 피크로서 측정하고, 유기물 유래의 N을 약 399 내지 401eV, 질화물 유래의 N을 약 397±1eV로 하여 분리한다. 결합 에너지가 약 280 내지 395eV의 위치에 나타나는 피크를 C1s의 피크로 하여 측정하고, 유기물 유래의 C를 약 284 내지 289eV, 탄화물 유래의 C를 약 281.5±1eV로서 분리한다. 결합 에너지가 약 525 내지 540eV의 위치에 나타나는 피크를 O1s의 피크로서 측정하고, 유기물 유래의 O를 약 399 내지 401eV, 금속 산화물 유래의 O를 약 529.5 내지 530.5eV로 한다. 결합 에너지가 450 내지 470eV의 위치에 나타나는 피크를 Ti2p의 피크로서 측정한다. 상기의 물질의 결합 에너지는 일반적인 값이고, 측정 시료의 대전 등에 따라 변화할 수 있다. 그 대전 보정법 중 하나로서, 유기물 유래의 C에 있어서의 C-C결합의 피크 위치를 바탕으로 보정하는 방법을 적용할 수 있다.The peak appearing at a binding energy position of about 393 to 408 eV is measured as the N1s peak, and N derived from organic matter is separated at about 399 to 401 eV and N derived from nitride is separated at about 397±1 eV. The peak appearing at a binding energy position of about 280 to 395 eV is measured as the C1s peak, and C derived from organic matter is separated at about 284 to 289 eV and C derived from carbide is separated at about 281.5±1 eV. The peak appearing at a binding energy position of about 525 to 540 eV is measured as the O1s peak, O derived from organic matter is separated at about 399 to 401 eV and O derived from metal oxide is separated at about 529.5 to 530.5 eV. The peak appearing at a binding energy position of 450 to 470 eV is measured as the Ti2p peak. The binding energy of the above substances is a general value and may vary depending on the charging of the measurement sample, etc. As one of the charging correction methods, a method of correction based on the peak position of the C-C bond in C derived from organic matter can be applied.
이들 피크를 사용한 일반적인 해석 방법으로서, 해석 소프트웨어인 MultiPak을 사용하여, 원소 농도, 화학 상태별의 농도를 해석할 수 있다. 일반적인 수순을 이하에 기재한다. Shirley법에 기초하여 백그라운드를 보정한다. 이어서, 화합물에 대해서는 Gauss-Lorents 함수를 사용하고, 금속의 경우에는 Asymmetric 함수를 사용하여 각 원소에서 화학 상태별로 피크를 피팅한다. 그리고, 각 화학 상태 유래의 피크의 면적 비율을 원소의 농도(원자%)에 곱하고, 화학 상태별의 농도(원자%)를 산출한다. 이러한 수순으로 질화물 유래의 질소 함유량, 탄화물 유래의 탄소 함유량을 구한다. 또한, 상기한 원소의 농도는, XPS로 검출된 각 원소에서, 그 원소에 관한 모든 피크를 포함한(분리하지 않고) 피크 면적을 산출하고, 이것에 원소마다의 감도 계수로 나누고, 백분율로 한 것이다.As a general interpretation method using these peaks, the element concentration and the concentration by chemical state can be interpreted using the interpretation software MultiPak. The general procedure is described below. The background is corrected based on the Shirley method. Next, the Gauss-Lorents function is used for compounds, and the asymmetric function is used for metals to fit the peaks by chemical state for each element. Then, the area ratio of the peak derived from each chemical state is multiplied by the concentration of the element (at.%), and the concentration (at.%) by chemical state is calculated. The nitrogen content derived from nitrides and the carbon content derived from carbides are obtained through this procedure. In addition, the concentration of the above-mentioned element is obtained by calculating the peak area including (without separation) all peaks related to the element for each element detected by XPS, dividing this by the sensitivity coefficient for each element, and converting it into a percentage.
여기까지, 산화 피막(20)에 있어서의 질화물 유래의 질소 함유량에 대해서, 상세하게 설명하였다. Up to this point, the nitrogen content derived from nitride in the oxide film (20) has been described in detail.
(표층부(30))(Surface layer (30))
티타늄재(1)의 내변색성은, 표층부(30)의 평균 질소 농도 및 평균 탄소 농도의 감소에 의해 향상된다. 티타늄재(1)의 표면으로부터 상기 방법의 GDS에 의해 두께 방향으로 측정된, 표층부(30)의 평균 질소 농도 및 평균 탄소 농도는, 내변색성의 관점에서, 각각, 14.0원자% 이하이다. 티타늄재(1)의 표층부(30)의 평균 질소 농도는, 바람직하게는 12.0원자% 이하이고, 보다 바람직하게는 10.0원자% 이하이다. 티타늄재(1)의 표층부(30)의 평균 탄소 농도는, 바람직하게는 13.0원자% 이하이고, 보다 바람직하게는 12.0원자% 이하, 더욱 바람직하게는 10.0원자% 이하이다. 티타늄재(1)의 표층부(30)의 평균 질소 농도는, 0원자%여도 되고, 1.0원자% 이상이어도 된다. 티타늄재(1)의 표층부(30)의 평균 탄소 농도는, 0원자%여도 되고, 1.0원자% 이상이어도 된다. The discoloration resistance of the titanium material (1) is improved by a decrease in the average nitrogen concentration and the average carbon concentration of the surface layer (30). The average nitrogen concentration and the average carbon concentration of the surface layer (30), which are measured in the thickness direction from the surface of the titanium material (1) by the GDS of the above method, are, from the viewpoint of discoloration resistance, 14.0 at% or less, respectively. The average nitrogen concentration of the surface layer (30) of the titanium material (1) is preferably 12.0 at% or less, more preferably 10.0 at% or less. The average carbon concentration of the surface layer (30) of the titanium material (1) is preferably 13.0 at% or less, more preferably 12.0 at% or less, and even more preferably 10.0 at% or less. The average nitrogen concentration of the surface layer (30) of the titanium material (1) may be 0 at% or 1.0 at% or more. The average carbon concentration of the surface layer (30) of the titanium material (1) may be 0 atomic% or 1.0 atomic% or more.
티타늄재(1)의 내변색성은, 표층부(30)의 평균 수소 농도의 감소에 의해 더욱 향상된다. 티타늄재(1)의 표층부(30)의 수소 농도는, 30.0원자% 이하이고, 바람직하게는 25.0원자% 이하, 보다 바람직하게는 20.0원자% 이하이다. 티타늄은, 수소와 친화성이 높은 금속으로, 표층부(30)의 수소 농도는 10.0원자% 이상이어도 된다.The discoloration resistance of the titanium material (1) is further improved by a decrease in the average hydrogen concentration of the surface layer (30). The hydrogen concentration of the surface layer (30) of the titanium material (1) is 30.0 at% or less, preferably 25.0 at% or less, more preferably 20.0 at% or less. Titanium is a metal having a high affinity for hydrogen, and the hydrogen concentration of the surface layer (30) may be 10.0 at% or more.
(표층부(30)에 있어서의 α상의 Ti의 c축의 격자 상수의 차)(Difference in c-axis lattice constant of α-phase Ti in the surface layer (30))
티타늄재(1)의 표층부(30)에 있어서의 α상의 Ti의 결정 구조는, 내변색성에 영향을 미친다. 구체적으로는, 티타늄재(1)의 표층부(30)에 있어서의 α상의 Ti의 c축의 격자 상수가 증가하면, 내변색성이 열화된다. 티타늄재(1)의 표층부(30)에 있어서의 α상의 Ti의 c축의 격자 상수의 증가분은, 티타늄재(1)의 표면에 있어서 입사각이 0.3도인 평행 빔법에 의한 X선 회절 측정에 의해 구해지는 α상의 Ti의 c축의 격자 상수와, 판 두께 중앙에 있어서 집중법에 의한 X선 회절 측정에 의해 구해지는 α상의 Ti의 c축의 격자 상수의 차로 평가된다. 티타늄재(1)의 표층부(30)에 있어서의 α상의 Ti의 c축의 격자 상수의 증가분은, 내변색성의 관점에서, 0.015Å 이하이고, 바람직하게는 0.010Å 이하이다. 티타늄재(1)의 표면의 α상의 Ti의 c축의 격자 상수의 증가분은, 작을수록 바람직하여, 0Å이어도 된다. 이 증가분이 음의 값이 된 경우, 원인은 측정 오차이고, 증가분은 0Å로 간주된다.The crystal structure of the α-phase Ti in the surface layer (30) of the titanium material (1) affects the discoloration resistance. Specifically, when the lattice constant of the c-axis of the α-phase Ti in the surface layer (30) of the titanium material (1) increases, the discoloration resistance deteriorates. The increase in the lattice constant of the c-axis of the α-phase Ti in the surface layer (30) of the titanium material (1) is evaluated as the difference between the lattice constant of the c-axis of the α-phase Ti obtained by X-ray diffraction measurement by the parallel beam method at an incident angle of 0.3 degrees on the surface of the titanium material (1) and the lattice constant of the c-axis of the α-phase Ti obtained by X-ray diffraction measurement by the focused method at the center of the plate thickness. The increase in the lattice constant of the c-axis of the α-phase Ti in the surface layer (30) of the titanium material (1) is 0.015 Å or less, and preferably 0.010 Å or less, from the viewpoint of discoloration resistance. The increment of the c-axis lattice constant of the α phase of the titanium material (1) on the surface is preferably smaller, and may even be 0 Å. If this increment is a negative value, the cause is a measurement error, and the increment is considered to be 0 Å.
티타늄재(1)의 표층부(30)에 있어서의 α상의 Ti의 c축의 격자 상수는, 티타늄재 표면에 있어서의 평행 빔법을 사용한 X선 회절 측정에 의해 구해진다. 평행 빔법을 사용한 X선 회절 측정에는, 가부시키가이샤 리가쿠제 X선 회절 장치 SmartLab이 사용되고, X선원은 Co-Kα(파장 λ=1.7902Å)이다. Kβ선의 제거에는 X선의 입사측에 W/Si 다층막 미러를 사용하였다. X선원 부하 전력(관 전압/관 전류)은 각각 5.4kW(40kV/135mA)이다. X선의 시료에의 입사각은 0.3도이고, 회절각 2θ가 주사된다. 측정에는, 기계 가공에 의해, 티타늄재로부터 25mm(세로)×50mm(가로)의 치수로 잘라내진 시료를 사용한다. 시료에 12.5mm(세로)×25mm(가로)를 중심으로 하여 빔을 조사하여, 시료의 표면에서 측정을 실시한다. 또한, 잘라내진 시료는, 측정하는 표면에 오염이 부착되어 있을 가능성이 있기 때문에, 아세톤이나 에탄올로 세정한다.The c-axis lattice constant of α-phase Ti in the surface layer (30) of the titanium material (1) is obtained by X-ray diffraction measurement using the parallel beam method on the surface of the titanium material. For the X-ray diffraction measurement using the parallel beam method, an X-ray diffraction apparatus SmartLab manufactured by Rigaku Corporation is used, and the X-ray source is Co-Kα (wavelength λ = 1.7902 Å). For removing Kβ rays, a W/Si multilayer mirror is used on the X-ray incident side. The X-ray source load power (tube voltage/tube current) is 5.4 kW (40 kV/135 mA) each. The incident angle of the X-rays to the sample is 0.3 degree, and the diffraction angle 2θ is scanned. For the measurement, a sample cut out from the titanium material by mechanical processing to a dimension of 25 mm (length) × 50 mm (width) is used. The beam is irradiated to the sample centered on a 12.5 mm (height) x 25 mm (width) area, and measurements are taken on the surface of the sample. In addition, the cut sample is cleaned with acetone or ethanol because there is a possibility that contamination may be attached to the surface to be measured.
티타늄재의 판 두께 중앙에 있어서의 α상의 Ti의 결정 구조는, 집중법을 사용한 X선 회절에 의해 측정된다. 티타늄재의 판 두께 중앙에 있어서의 α상의 Ti의 결정 구조의 해석에 사용되는 시료는, 티타늄재의 판 두께 중앙이 X선 회절 측정을 행하는 측정 면이 되도록, 기계 연마 및 전해 연마에 의해 마무리한다. 집중법을 사용한 X선 회절 측정에는, 평행 빔법을 사용한 X선 회절 측정에 사용되는 X선 회절 장치를 사용하면 되고, X선원, Kβ선의 제거 필터, 및 X선원 부하 전력도 상기 평행 빔법의 조건과 동일하면 된다. Ti의 결정 구조는 판 두께 중앙이면 균일하기 때문에, 판 폭, 압연 방향 어느 개소로부터 시료를 제작해도 된다. 여기에서는, 판 폭의 대략 4분의 1로부터 중앙부로 시료를 제작하고, 시험을 실시하였다.The crystal structure of α-phase Ti in the center of the plate thickness of a titanium material is measured by X-ray diffraction using a focusing method. The sample used for the analysis of the crystal structure of α-phase Ti in the center of the plate thickness of a titanium material is finished by mechanical polishing and electrolytic polishing so that the center of the plate thickness of the titanium material becomes the measurement surface for performing X-ray diffraction measurement. For the X-ray diffraction measurement using the focusing method, an X-ray diffraction apparatus used for the X-ray diffraction measurement using the parallel beam method can be used, and the X-ray source, Kβ ray removal filter, and X-ray source load power can be the same as those of the parallel beam method. Since the crystal structure of Ti is uniform in the center of the plate thickness, a sample can be prepared from any location in the plate width or rolling direction. Here, a sample was prepared from approximately one-quarter of the plate width to the center, and a test was performed.
티타늄재의 표면 및 판 두께 중앙에 있어서의 α상의 Ti의 c축의 격자 상수는, (0002)면의 회절 피크로부터, 스펙트리스 가부시키가이샤제의 소프트웨어(엑스퍼트·하이스코어·플러스)를 사용하여 산출된다. 티타늄 기재가 α+β형인 경우에도, α상의 Ti의 회절 피크로부터 α상의 Ti의 c축의 격자 상수가 산출된다.The c-axis lattice constant of the α-phase Ti at the surface and the center of the plate thickness of the titanium material is calculated from the diffraction peak of the (0002) plane using software (Expert High Score Plus) manufactured by Spectris Co., Ltd. Even when the titanium substrate is of the α+β type, the c-axis lattice constant of the α-phase Ti is calculated from the diffraction peak of the α-phase Ti.
(Ra/RSm: 0.006 내지 0.015)(Ra/RSm: 0.006 to 0.015)
(RΔq: 0.150 내지 0.280)(RΔq: 0.150 to 0.280)
또한, 본 발명자들은, 티타늄재의 표면 성상과, 내변색성의 관계를 상세하게 검토하여, 티타늄재의 내변색성은, 티타늄 기재의 표면의 산술 평균 거칠기 Ra와 윤곽 곡선 요소의 평균 길이 RSm의 비인 Ra/RSm, 및 거칠기 곡선 요소의 제곱 평균 평방근 경사 RΔq가 내변색성에 영향을 미치는 것을 알아냈다.In addition, the inventors of the present invention have examined in detail the relationship between the surface properties of titanium materials and discoloration resistance, and have found that the discoloration resistance of titanium materials is affected by the ratio of the arithmetic mean roughness Ra of the surface of the titanium substrate to the average length RSm of the profile curve elements, Ra/RSm, and the root mean square slope RΔq of the roughness curve elements.
산술 평균 거칠기 Ra, 윤곽 곡선 요소의 평균 길이 RSm, 및 거칠기 곡선 요소의 제곱 평균 평방근 경사 RΔq는, JIS B 0601:2013에 준거한 방법으로 측정할 수 있다. 또한, 후술하는 첨도 Rku 및 왜도 Rsk도, JIS B 0601:2013에 준거한 방법으로 측정할 수 있다.The arithmetic mean roughness Ra, the mean length RSm of the profile curve elements, and the root mean square slope RΔq of the roughness curve elements can be measured by a method conforming to JIS B 0601:2013. In addition, the kurtosis Rku and the skewness Rsk described below can also be measured by a method conforming to JIS B 0601:2013.
본 실시 형태의 산술 평균 거칠기 Ra는, JIS B 0601:2013에 규정되는 산술 평균 거칠기 Ra이며, 기준 길이에 있어서의 총 좌푯값 Zj의 절댓값의 평균이다. 산술 평균 거칠기 Ra는, 하기 식 (1)로 산출된다.The arithmetic mean roughness Ra of the present embodiment is the arithmetic mean roughness Ra specified in JIS B 0601:2013, and is the average of the absolute values of the total coordinate values Zj in the reference length. The arithmetic mean roughness Ra is calculated by the following equation (1).
또한, 산술 평균 거칠기 Ra의 산출의 기초가 되는 거칠기 곡선은, 산화 피막의 측정 단면 곡선에 컷오프 파장 λc=0.8mm의 저역 필터를 적용하여 단면 곡선을 취득하고, 또한 이 단면 곡선에, 컷오프 파장 λs=2.667㎛의 고역 필터를 적용함으로써 얻어진 거칠기 곡선으로 한다. 또한, 거칠기 곡선의 기준 길이는, 컷오프 파장 λc와 동등한 길이, 즉, 0.8mm로 한다. λc는, 거칠기 성분과 파상 성분의 경계를 정의하는 필터이다. λs는, 거칠기 성분과 그것보다 짧은 파장 성분의 경계를 정의하는 필터이다.In addition, the roughness curve which is the basis for calculating the arithmetic mean roughness Ra is a roughness curve obtained by applying a low-pass filter with a cutoff wavelength λc = 0.8 mm to the measured cross-sectional curve of the oxide film to obtain a cross-sectional curve, and further applying a high-pass filter with a cutoff wavelength λs = 2.667 ㎛ to this cross-sectional curve. In addition, the reference length of the roughness curve is set to a length equivalent to the cutoff wavelength λc, that is, 0.8 mm. λc is a filter which defines the boundary between the roughness component and the waviness component. λs is a filter which defines the boundary between the roughness component and a wavelength component shorter than it.
상기 식 (1) 중, n은, 측정 점수이고, Zj는 거칠기 곡선에 있어서 j번째 측정점의 높이이다.In the above equation (1), n is a measurement score, and Zj is the height of the jth measurement point on the roughness curve.
윤곽 곡선 요소의 평균 길이 RSm은, 하기 식 (2)로 산출된다.The average length RSm of the contour curve elements is calculated using the following equation (2).
상기 식 (2) 중, m은, 측정 점수이고, Xsi는, 기준 길이에 있어서의 윤곽 곡선 요소의 길이이다.In the above equation (2), m is a measurement score, and Xsi is the length of the contour curve element in the reference length.
거칠기 곡선 요소의 제곱 평균 평방근 경사 RΔq는, 하기 식 (3)으로 산출된다.The root mean square slope RΔq of the roughness curve element is calculated by the following equation (3).
상기 식 (3) 중, N은 측정 점수이다. (dZj/dXj)는 거칠기 곡선에 있어서 j번째의 측정점에 있어서의 국부 경사이고, 하기 식 (4)에 의해 정의되어 있다.In the above equation (3), N is a measurement score. (dZj/dXj) is a local slope at the jth measurement point in the roughness curve, and is defined by the following equation (4).
상기 식 (4) 중, ΔX는 측정 간격이다. 본 실시 형태에 있어서, 측정 간격 ΔX는, 이하와 같이 하여 정하면 된다. 즉, 측정 간격 ΔX는, 표면 거칠기 형상 측정기에 의해 설정되는 값이고, 그 측정 길이 L을 측정했을 때 수치 데이터가 N점 취득된 경우, 측정 간격에서 ΔX는 평균으로 L/(N-1)이 된다. 예를 들어, 도쿄 세이미츠제 SURFCOM 1900DX, 소프트 TIMS Ver.9.0.3을 사용하여, 측정 길이 5mm를 측정했을 때, 디지털 숫자 데이터가 25601점 취득된 경우, ΔX는 5mm/25600점이 되고 평균으로 약 0.195㎛가 된다.In the above equation (4), ΔX is a measurement interval. In the present embodiment, the measurement interval ΔX may be determined as follows. That is, the measurement interval ΔX is a value set by a surface roughness shape measuring instrument, and when the measurement length L is measured and N points of numerical data are acquired, ΔX at the measurement interval becomes L/(N-1) on average. For example, when a measurement length of 5 mm is measured using SURFCOM 1900DX made by Tokyo Seimitsu, software TIMS Ver. 9.0.3, and 25601 points of digital numerical data are acquired, ΔX becomes 5 mm/25600 points and becomes approximately 0.195 ㎛ on average.
거칠기 곡선 요소의 제곱 평균 평방근 경사 RΔq는, 거칠기 곡선의 기준 길이 X에 대하여 표면 요철이 형성하는 미소 범위의 경사각(국부 경사 dZ/dX)을 규정한 파라미터이다.The root mean square slope RΔq of a roughness curve element is a parameter that defines the inclination angle (local inclination dZ/dX) of the microscopic range formed by surface roughness with respect to the reference length X of the roughness curve.
본 발명자들은, Ra/RSm 및 RΔq를 변경한 티타늄재를 제작하고, 티타늄 기재의 Ra/RSm 및 RΔq가 내변색성에 미치는 영향을 검토하였다. 도 6은, 티타늄 기재의 산술 평균 거칠기 Ra와 윤곽 곡선 요소의 평균 길이 RSm의 비인 Ra/RSm 및 거칠기 곡선 요소의 제곱 평균 평방근 경사 RΔq와 내변색성의 관계를 나타내는 도면이다.The present inventors produced titanium materials with changed Ra/RSm and RΔq, and examined the effects of Ra/RSm and RΔq of the titanium substrate on discoloration resistance. Fig. 6 is a diagram showing the relationship between Ra/RSm, which is a ratio of the arithmetic mean roughness Ra of the titanium substrate to the average length RSm of the profile curve elements, and the root mean square slope RΔq of the roughness curve elements, and discoloration resistance.
내변색성은, 상술한 바와 같이, 색차 ΔE*ab 및 외관 관찰에 의해 평가할 수 있다. 단, 색차 ΔE*ab를 평가하기 위한 색조 L*a*b*의 측정에서는, 티타늄판의 바로 위에 마련된 주광 광원으로부터 광을 조사한다. 그 때문에, 실제의 외견과는 다른 경우가 있다. 특히, RΔq가 큰 티타늄판에서는, 색차 ΔE*ab가 작아도 태양광 하에서의 목시 관찰에서는 변색되어 보이는 경우가 있다. 따라서, 내변색성의 평가에는, 태양광 하에서의 목시 관찰도 중요하다.Discoloration resistance can be evaluated by color difference ΔE*ab and visual observation as described above. However, in the measurement of color tone L*a*b* for evaluating color difference ΔE*ab, light is irradiated from a daylight light source provided directly above the titanium plate. Therefore, there are cases where it is different from the actual appearance. In particular, in the case of a titanium plate having a large RΔq, even if the color difference ΔE*ab is small, it may appear discolored when visually observed under sunlight. Therefore, visual observation under sunlight is also important for evaluating discoloration resistance.
도 6에 있어서의 「○」는, 색차 ΔE*ab가 5 이하이고 또한 눈으로 본 관능 평가에서 변색이 두드러지지 않는다고 한 사람의 비율이 80% 이상이었던 조건을, 「×」는 색차 ΔE*ab가 5 이하이지만 눈으로 본 관능 평가에서 변색이 눈에 띄지 않는다고 한 사람의 비율이 80% 미만이었던 조건을 나타내고 있다. 여기서, 이 눈으로 보는 관찰에 의한 관능 평가는, 앞의 본 변색 촉진 시험에 제공하고 있지 않은 티타늄재와 본 변색 촉진 시험 후의 티타늄재를 평판 위에 배열해 두고, 10명의 평가인이 태양광 하에서 다양한 각도에서 비교해 보고, 변색이 두드러지게 시인되는 각도가 있었는지 여부를 판단하였다. 변색이 두드러지지 않는다고 한 사람의 비율을 비교하였다. 또한, 이 눈으로 본 관찰은, 실제의 건축물의 지붕이나 벽을 상정한 조건으로, 보는 각도에 따라 색조가 변하는 것도 상정한 평가이다.In Fig. 6, "○" represents the condition where the color difference ΔE*ab was 5 or less and the proportion of people who said that discoloration was not noticeable in the sensory evaluation observed by the eye was 80% or more, and "×" represents the condition where the color difference ΔE*ab was 5 or less but the proportion of people who said that discoloration was not noticeable in the sensory evaluation observed by the eye was less than 80%. Here, in this sensory evaluation by visual observation, titanium material that was not subjected to the previous discoloration acceleration test and titanium material after this discoloration acceleration test were arranged on a flat plate, and 10 evaluators compared them from various angles under sunlight to determine whether or not there was an angle at which discoloration was noticeable. The proportion of people who said that discoloration was not noticeable was compared. In addition, this visual observation is an evaluation that assumes a condition assuming the roof or wall of an actual building, and also assumes that the color tone changes depending on the viewing angle.
도 6에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 티타늄재는, 그 표면에 대해서, 산술 평균 거칠기 Ra와 윤곽 곡선 요소의 평균 길이 RSm의 비인 Ra/RSm이 0.006 내지 0.015이고, 또한, 거칠기 곡선 요소의 제곱 평균 평방근 경사 RΔq가 0.150 내지 0.280인 경우에, 보다 고온 또한 산성 환경 하에 있어서도 내변색성이 우수한 것이 판명되었다. 이러한 티타늄재는, 고온 또한 산성 환경 하에 있어서도 내변색성이 우수한 티타늄재는, 장기간에 걸치는 변색을 보다 한층 억제하는 것이 가능하다.As shown in Fig. 6, it was found that the titanium material according to the present embodiment has excellent discoloration resistance even at higher temperatures and in an acidic environment when the ratio of the arithmetic mean roughness Ra to the average length RSm of the contour curve elements, Ra/RSm, for the surface thereof is 0.006 to 0.015, and further, the root mean square inclination RΔq of the roughness curve elements is 0.150 to 0.280. Such a titanium material having excellent discoloration resistance even at high temperatures and in an acidic environment can further suppress discoloration over a long period of time.
Ra/RSm이 0.006 미만이면, 티타늄 기재 표면의 요철이 작고, 그 요철의 간격이 넓다. Ra/RSm이 0.006 미만이면, 티타늄재의 표면이 비교적 평활하여, 산화 피막의 표면에서 반사된 광과 티타늄 기재 표면에서 반사된 광의 광로차에 의해, 그 광로차에 따라서 강화된 광의 색이 인식되는 경우가 있다. 즉, 티타늄재가 변색되는 경우가 있다. Ra/RSm이 0.006 내지 0.015이면, 티타늄재 표면의 비교적 큰 경사에 의해, 산화 피막의 표면에서 반사된 광과 티타늄 기재 표면에서 반사된 광의 광로차가 작아져, 가시광의 범위에서 강화되는 광이 없기 때문에, 변색이 억제된다고 생각된다. 이 변색이 억제되는 기구로부터 생각하면, Ra/RSm의 상한을 0.015로 한정하는 이유는 없지만, 0.015 초과와 같은 깊고 좁은 골 형상의 요철을 공업적으로 제작하는 것이 곤란하다. 그 때문에, Ra/RSm의 상한은, 본 발명의 효과가 명확하게 얻어지는 0.015인 것이 바람직하다.When Ra/RSm is less than 0.006, the unevenness of the titanium substrate surface is small and the intervals between the unevennesses are wide. When Ra/RSm is less than 0.006, the surface of the titanium material is relatively smooth, and the color of the light that is strengthened according to the optical path difference between the light reflected from the surface of the oxide film and the light reflected from the surface of the titanium substrate may be recognized. In other words, the titanium material may discolor. When Ra/RSm is 0.006 to 0.015, the optical path difference between the light reflected from the surface of the oxide film and the light reflected from the surface of the titanium substrate is small due to the relatively large inclination of the titanium material surface, and since no light is strengthened in the visible light range, it is thought that discoloration is suppressed. Considering the mechanism by which this discoloration is suppressed, there is no reason to limit the upper limit of Ra/RSm to 0.015, but it is difficult to industrially produce unevenness having a deep and narrow valley shape such as exceeding 0.015. Therefore, it is preferable that the upper limit of Ra/RSm be 0.015, at which the effect of the present invention is clearly obtained.
RΔq가 0.150 이상이면, 산화 피막에 있어서의 보다 미세한 요철의 경사가 크고, 이 국부적인 경사에 의해 티타늄 기재 표면에 조사하는 광의 정반사가 억제되어, 확산 반사된다. 그 때문에, 산화 피막의 표면에서 반사되는 광의 방향으로 반사되는 티타늄 기재 표면에서의 반사광의 강도가 작아진다. 그 결과, 강화된 광의 색은 인식되기 어렵다. RΔq가 0.150 미만이면, 상기 작용이 발생하지 않기 때문에, 티타늄재가 변색되어 보이는 경우가 있다. 한편, RΔq가 0.280 초과이면, 색차는 5 이하로 작지만 태양광 하에서는 변색이 두드러지게 보이는 각도가 있는 경우가 있다. 이것은, RΔq가 0.280 초과이면, 비스듬하게 티타늄재를 본 경우, 정반사 방향이 되어버리는 경사가 존재해버려, 산화 피막의 두께가 증가한 것에 의한 간섭색이 강화되어, 눈으로 보아 인식되게 되기 때문이라고 생각된다.When RΔq is 0.150 or more, the inclination of the finer irregularities in the oxide film is large, and the regular reflection of light irradiated on the titanium substrate surface is suppressed by this local inclination, and diffuse reflection occurs. Therefore, the intensity of the reflected light on the titanium substrate surface reflected in the direction of the light reflected from the surface of the oxide film is small. As a result, the color of the enhanced light is difficult to recognize. When RΔq is less than 0.150, the above effect does not occur, so the titanium material may appear to discolor. On the other hand, when RΔq exceeds 0.280, the color difference is small at 5 or less, but there may be an angle at which the discoloration is noticeable under sunlight. It is thought that this is because when RΔq exceeds 0.280, when the titanium material is viewed obliquely, there is an inclination that becomes the direction of regular reflection, so that the interference color due to the increase in the thickness of the oxide film is enhanced and recognized by the naked eye.
Ra/RSm이 0.006 내지 0.015이고, 또한, 거칠기 곡선 요소의 제곱 평균 평방근 경사 RΔq가 0.150 내지 0.280이면, 상기 작용이 중첩되어 얻어지기 때문에, 티타늄재의 변색이 보다 한층 억제된다. 또한, 상기의 표면 상태를 갖는 티타늄재는, 그 표면에 산화 피막이 수십nm 정도로 성장했다고 해도, 색조의 변화 즉 변색이 억제된다. 따라서, 티타늄 기재는, 산술 평균 거칠기 Ra가 최대가 되는 방향의 거칠기 곡선에 있어서, 산술 평균 거칠기 Ra와 요소 길이 RSm의 비인 Ra/RSm이 0.006 내지 0.015이고, 또한, 제곱 평균 평방근 경사 RΔq가 0.150 내지 0.280인 것이 바람직하다. Ra/RSm의 하한은, 보다 바람직하게는, 0.007이다. 또한, RΔq는, 보다 바람직하게는, 0.190 이상이다. RΔq가 0.190 내지 0.0280이 되면, 변색 촉진 시험의 색차가 6 이하가 되고, 더욱 높은 효과가 얻어진다.When Ra/RSm is 0.006 to 0.015 and further, the root mean square inclination RΔq of the roughness curve element is 0.150 to 0.280, since the above actions are superimposed and obtained, discoloration of the titanium material is further suppressed. Furthermore, the titanium material having the above surface state has the change in color tone, that is, discoloration, suppressed even if an oxide film has grown to several tens of nm on its surface. Therefore, it is preferable that the titanium substrate has Ra/RSm, which is the ratio of the arithmetic mean roughness Ra to the element length RSm, in the roughness curve in the direction where the arithmetic mean roughness Ra is maximum, of 0.006 to 0.015 and further, the root mean square inclination RΔq is 0.150 to 0.280. The lower limit of Ra/RSm is more preferably 0.007. Furthermore, RΔq is more preferably 0.190 or more. When RΔq is 0.190 to 0.0280, the color difference of the discoloration acceleration test becomes 6 or less, and a higher effect is obtained.
산술 평균 거칠기 Ra 및 윤곽 곡선 요소의 평균 길이 RSm은, 상기한 바와 같이 Ra/RSm이 0.006 내지 0.015인 것이 바람직한데, 산술 평균 거칠기 Ra는 0.700 내지 3.0㎛, 윤곽 곡선 요소의 평균 길이 RSm은, 60 내지 300㎛인 것이 보다 바람직하다. 산술 평균 거칠기 Ra를 0.700 내지 3.0㎛로 하는 것, 및 윤곽 곡선 요소의 평균 길이 RSm을 60 내지 300㎛로 하는 것은, 후술하는 제조 방법으로 공업적으로 비교적 용이하게 실현할 수 있다.The arithmetic mean roughness Ra and the average length RSm of the profile curve elements are preferably Ra/RSm of 0.006 to 0.015 as described above, and it is more preferable that the arithmetic mean roughness Ra is 0.700 to 3.0 µm and the average length RSm of the profile curve elements is 60 to 300 µm. Setting the arithmetic mean roughness Ra to 0.700 to 3.0 µm and setting the average length RSm of the profile curve elements to 60 to 300 µm can be relatively easily realized industrially by the manufacturing method described below.
[첨도 Rku: 3 초과][Kurtosis Rku: over 3]
첨도 Rku는, 진폭 분포 곡선의 예리함을 나타내는 지표이다. 도 7은, 첨도 Rku를 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 7은, 미야시타 쓰토무, 「다시 한번 복습하고 싶은 표면 거칠기」, 정밀 공학회지, 공익 사단 법인 정밀 공학회, Vol.73, No.2, 2007년, p.205에 게재된 도면이다. 첨도 Rku는, 제곱 평균 평방근 높이 Rq의 4승에 의해 무차원화한 기준 길이에 있어서, Zj의 4승 평균을 나타낸다.Kurtosis Rku is an index indicating the sharpness of the amplitude distribution curve. Fig. 7 is a diagram for explaining kurtosis Rku. Also, Fig. 7 is a diagram published in Tsutomu Miyashita, "Surface Roughness I Want to Review Again," Journal of the Precision Engineering Society, Public Interest Incorporated Association Precision Engineering Society, Vol. 73, No. 2, 2007, p. 205. Kurtosis Rku represents the fourth power average of Zj in a reference length that is dimensionless by the fourth power of the root mean square height Rq.
Zj는 거칠기 곡선에 있어서 j번째 측정점의 높이이다. Rq는, 제곱 평균 평방근 높이이고, 하기 식 (6)으로 표현된다.Zj is the height of the jth measurement point on the roughness curve. Rq is the root mean square height, and is expressed by the following equation (6).
첨도 Rku는, 높이 분포의 예리함을 나타내는 지표이고, 첨도 Rku가 3인 경우, 도 7에 나타내지는 바와 같이, 높이 분포가 정규 분포이고, 첨도 Rku가 3 미만으로 값이 작아짐에 따라서, 표면이 평탄해지고, 첨도 Sku가 3을 초과하여 값이 커짐에 따라서, 티타늄재의 표면에 예리한 산이나 골이 많아진다.Kurtosis Rku is an index representing the sharpness of the height distribution. When the kurtosis Rku is 3, as shown in Fig. 7, the height distribution is a normal distribution, and as the kurtosis Rku value decreases to less than 3, the surface becomes flatter, and as the kurtosis Sku value increases to exceed 3, the surface of the titanium material has many sharp mountains and valleys.
산술 평균 거칠기 Ra가 최대가 되는 방향의 거칠기 곡선에 있어서, 티타늄 기재의 첨도 Rku가 3 초과인 것이 바람직하다. 첨도 Rku가 3 초과이면, 티타늄 기재의 표면의 요철이 예리하고, 요철이 예리한 표면에서는, 티타늄 기재의 표면에서 반사되는 광에 있어서, 간섭색이 현재화하는 정반사의 성분이 보다 한층 억제되게 된다. 그 결과, 산화 피막 두께가 증가하더라도, 간섭색이, 보다 한층 두드러지기 어려워지기 때문에, 티타늄재의 변색이 보다 한층 억제된다.In the roughness curve in the direction where the arithmetic mean roughness Ra becomes maximum, it is preferable that the kurtosis Rku of the titanium substrate exceeds 3. When the kurtosis Rku exceeds 3, the unevenness of the surface of the titanium substrate is sharp, and on a surface with sharp unevenness, the component of regular reflection that makes interference color apparent in light reflected from the surface of the titanium substrate is further suppressed. As a result, even if the oxide film thickness increases, the interference color becomes even more difficult to stand out, so that discoloration of the titanium material is further suppressed.
[왜도 Rsk: -0.5 초과][Why Rsk: -0.5 exceeded]
왜도 Rsk는, 변형도라고도 불리고, 표면의 요철의 예리함을 나타내는 지표이다. 왜도 Rsk는, 제곱 평균 평방근 높이 Rq의 삼승에 의해 무차원화한 기준 길이에 있어서의 Z(x) 삼승 평균을 나타낸 것이고, 하기 식 (7)로 표현된다.The skewness Rsk, also called the strain, is an index indicating the sharpness of the surface irregularities. The skewness Rsk is the cubed average of Z(x) in a reference length that is dimensionless by the cube of the root mean square height Rq, and is expressed by the following equation (7).
상기 식 (7) 중, N은, 측정점수이고, Zj는 거칠기 곡선에 있어서 j번째 측정점의 높이이다.In the above equation (7), N is the number of measurement points, and Zj is the height of the jth measurement point on the roughness curve.
거칠기 곡선에 있어서, 골 길이가 산 길이 보다도 큰 경우, 왜도 Rsk는 0보다 커진다. 바꿔 말하면, 왜도 Rsk가 0보다 크면 거칠기 곡선의 평균선에 있어서 오목부의 비율이 높다. 즉, 거칠기 곡선에 있어서의 산(볼록부)의 선단이 예리하게 뾰족해지고, 또한 골(오목부) 말단이 광폭으로 된다. 거칠기 곡선의 평균 선이란, 컷오프 파장 λc에 의해 차단되는 장파장 성분을 나타내는 곡선을 말한다.In the roughness curve, when the valley length is greater than the mountain length, the skewness Rsk becomes greater than 0. In other words, when the skewness Rsk is greater than 0, the ratio of the concave part in the mean line of the roughness curve is high. That is, the tips of the mountains (convex parts) in the roughness curve become sharp and pointed, and the tips of the valleys (concave parts) become wide. The mean line of the roughness curve refers to a curve representing the long-wavelength component blocked by the cutoff wavelength λc.
한편, 골 길이가 산 길이 보다도 작은 경우, 왜도 Rsk는 0보다 작아진다. 바꿔 말하면, 왜도 Rsk는 0보다 작으면 거칠기 곡선의 평균 선에 있어서 오목부의 비율이 높다. 즉, 거칠기 곡선을 있어서의 산(볼록부)의 선단이 광폭으로 되고, 또한 골(오목부) 말단이 예리하게 뾰족해진다.On the other hand, when the valley length is smaller than the mountain length, the skewness Rsk becomes smaller than 0. In other words, when the skewness Rsk is smaller than 0, the ratio of the concave part in the mean line of the roughness curve is large. That is, the tips of the mountains (convex parts) in the roughness curve become wide, and the tips of the valleys (concave parts) become sharply pointed.
왜도 Rsk가 0이면, 거칠기 곡선에 있어서의 요철의 형상이 평균면에 대하여 대칭이다.If Rsk is 0, the shape of the irregularities in the roughness curve is symmetrical with respect to the mean plane.
산술 평균 거칠기 Ra가 최대가 되는 방향의 거칠기 곡선에 있어서, 티타늄 기재의 왜도 Rsk가 -0.5 초과인 것이 바람직하다. 왜도 Rsk가 -0.5 초과이면, 거칠기 곡선에 있어서의 산(볼록부)의 선단이 뾰족해지고, 광원에 가까운 쪽, 즉 산(볼록부)에서, 티타늄 기재 표면에서 반사되는 광이 보다 한층 산란되기 쉬워져, 변색이 보다 한층 억제된다. 광원으로부터 먼 쪽, 즉 골(오목부)은 산(볼록부)에 의한 섀도우 효과가 있기 때문에 변색의 원인인 간섭색이 보이기 어려워지기 때문에, 산(볼록부)보다도 영향을 미치기 어렵다고 추정된다.In the roughness curve in the direction where the arithmetic mean roughness Ra is maximum, it is preferable that the skewness Rsk of the titanium substrate exceeds -0.5. When the skewness Rsk exceeds -0.5, the tip of the mountain (convex part) in the roughness curve becomes sharp, and the light reflected from the surface of the titanium substrate on the side closer to the light source, that is, on the mountain (convex part), is more likely to be scattered, so that discoloration is further suppressed. On the side far from the light source, that is, the valley (concave part), there is a shadow effect by the mountain (convex part), so it is difficult to see the interference color which is the cause of discoloration, and therefore it is estimated that it is less likely to be affected than the mountain (convex part).
여기까지, 본 실시 형태에 관한 티타늄재에 대하여 설명하였다. 본 실시 형태에 관한 티타늄재의 두께는, 예를 들어 0.2mm 이상이어도 되고, 0.3mm 이상이어도 된다. 또한, 본 실시 형태에 관한 티타늄재의 두께는, 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 5.0mm 이하여도 되고, 3.0mm 이하 또는 2.0mm 이하여도 된다.Up to this point, the titanium material according to the present embodiment has been described. The thickness of the titanium material according to the present embodiment may be, for example, 0.2 mm or more, or 0.3 mm or more. In addition, the thickness of the titanium material according to the present embodiment is not particularly limited, and may be, for example, 5.0 mm or less, 3.0 mm or less, or 2.0 mm or less.
본 실시 형태에 관한 티타늄재에서는, 표면으로부터, 글로우 방전 분광 분석법에 의해 상기 표면으로부터 두께 방향으로 측정된 산소 농도가 최댓값의 1/3인 위치까지의 범위의 평균 질소 농도 및 평균 탄소 농도가 각각 14.0원자% 이하, 평균 수소 농도가 30.0원자% 이하이고, 상기 표면에 있어서 입사각이 0.3도인 평행 빔법에 의한 X선 회절 측정에 의해 구해지는 α상의 Ti의 c축의 격자 상수와, 판 두께 중앙에 있어서 집중법에 의한 X선 회절 측정에 의해 구해지는 α상의 Ti의 c축의 격자 상수의 차가 0.015Å 이하이다. 이에 의해, 본 실시 형태에 관한 티타늄재는, 종래의 티타늄재보다도 장기간에 걸쳐 변색이 억제되어, 내변색성이 우수한 것이 된다.In the titanium material according to the present embodiment, the average nitrogen concentration and the average carbon concentration in a range from the surface to a position where the oxygen concentration in the thickness direction from the surface is 1/3 of the maximum value as measured by glow discharge spectroscopy are 14.0 at% or less, and the average hydrogen concentration is 30.0 at% or less, and the difference between the c-axis lattice constant of α-phase Ti obtained by X-ray diffraction measurement by a parallel beam method at an incident angle of 0.3 degrees at the surface and the c-axis lattice constant of α-phase Ti obtained by X-ray diffraction measurement by a focused method at the center of the plate thickness is 0.015 Å or less. As a result, the titanium material according to the present embodiment has superior discoloration resistance and suppresses discoloration over a long period of time compared to conventional titanium materials.
또한, 산화 피막에 있어서의 X선 광 전자 분광법으로 분석했을 때의 질화물 유래의 질소 농도의 최댓값이 2.0 내지 10.0원자%이고, 상기 산화 피막에 있어서의 상기 질화물 유래의 질소 농도가 최댓값을 나타내는 위치가, SiO2의 스퍼터링 속도로 환산했을 때에, 상기 산화 피막의 표면으로부터 2 내지 10nm의 범위에 존재하고, 상기 티타늄 기재에 있어서의 상기 산화 피막과의 계면 근방에 존재하는 상기 질화물 유래의 질소 농도가, 상기 산화 피막에 있어서의 상기 질화물 유래의 질소 농도의 최댓값 미만 또한 7.0원자% 이하이고, 상기 산화 피막에 있어서의 상기 질화물 유래의 상기 질소 농도의 최댓값이, 상기 산화 피막에 있어서의 상기 질화물 유래의 상기 질소 농도가 최대가 되는 위치의 탄화물 유래의 탄소 농도 이상이면, 고온 또한 산성 환경 하에서도 내변색성이 우수하다. 그리고, 고온 또한 산성 환경 하에서도 내변색성이 우수한 티타늄재는, 장기간에 걸친 변색을 보다 한층 억제하는 것이 가능하다.In addition, when the maximum value of the nitrogen concentration derived from nitride when analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy in the oxide film is 2.0 to 10.0 at%, and the position where the nitrogen concentration derived from nitride in the oxide film shows a maximum value exists in a range of 2 to 10 nm from the surface of the oxide film when converted to a sputtering rate of SiO 2 , and the nitrogen concentration derived from nitride present near the interface with the oxide film in the titanium substrate is less than the maximum value of the nitrogen concentration derived from nitride in the oxide film and 7.0 at% or less, and the maximum value of the nitrogen concentration derived from nitride in the oxide film is equal to or greater than the carbon concentration derived from carbide at the position where the nitrogen concentration derived from nitride in the oxide film becomes maximum, the discoloration resistance is excellent even at high temperatures and in an acidic environment. In addition, titanium material, which has excellent discoloration resistance even in high temperature and acidic environments, can further suppress discoloration over a long period of time.
(티타늄재의 제조 방법)(Method for manufacturing titanium material)
본 실시 형태에 관한 티타늄재의 제조 방법의 일례에 대하여 설명한다. 단, 본 실시 형태에 관한 티타늄재는, 이하에 설명하는 제조 방법에 의해 제조된 것에 한정되는 것은 아니다. 또한, 외장재 등의 건축재에 사용되는 순티타늄 및 티타늄 합금은, 판 형상인 경우가 많기 때문에, 이하에서는, 판 형상의 티타늄재의 제조 방법의 일례를 설명한다.An example of a method for manufacturing a titanium material according to this embodiment will be described. However, the titanium material according to this embodiment is not limited to one manufactured by the manufacturing method described below. In addition, pure titanium and titanium alloys used for building materials such as exterior materials are often in a plate shape, so an example of a method for manufacturing a plate-shaped titanium material will be described below.
티타늄재는, 소재인 순티타늄 또는 티타늄 합금이 냉간 압연에 의해 압연된 후, 어닐링 처리, 및 냉각 처리가 실시되어 제조된다.Titanium materials are manufactured by cold rolling pure titanium or a titanium alloy, and then annealing and cooling treatments are performed.
냉간 압연에 제공하는 티타늄 소재에는, 공지된 방법으로 제조된 것을 사용해도 된다. 예를 들어, 스폰지 티타늄이나 합금 원소를 첨가하기 위한 모합금 등을 원료로 하여, 진공 아크 용해법이나 전자 빔 용해법 또는 플라스마 용해법 등의 하스 용해법 등의 각종 용해법에 의해, 상기의 성분을 갖는 순티타늄 또는 티타늄 합금의 잉곳을 제작한다. 다음으로, 얻어진 잉곳을 필요에 따라서 분괴, 열간 단조하여 슬래브로 한다. 그 후, 슬래브를 열간 압연하여 상기의 조성을 갖는 순티타늄 또는 티타늄 합금의 열연 코일로 한다.As the titanium material to be used for cold rolling, a material manufactured by a known method may be used. For example, using a sponge titanium or a master alloy for adding alloy elements as a raw material, an ingot of pure titanium or a titanium alloy having the above composition is manufactured by various melting methods such as a Haas melting method such as a vacuum arc melting method, an electron beam melting method, or a plasma melting method. Next, the obtained ingot is crushed or hot forged as necessary to form a slab. Thereafter, the slab is hot rolled to form a hot-rolled coil of pure titanium or a titanium alloy having the above composition.
또한, 슬래브에는, 필요에 따라 세정 처리, 절삭 등의 전처리가 실시되어 있어도 된다. 또한, 하스 용해법으로 열연 가능한 직사각형상으로 한 경우에는, 열간 단조 등을 행하지 않고 열간 압연에 제공해도 된다.In addition, the slab may be subjected to pretreatment such as cleaning or cutting as needed. In addition, in the case where it is made into a rectangular shape that can be hot rolled by the Has melting method, it may be provided for hot rolling without hot forging, etc.
이어서, 열연 코일을 냉간 압연에 제공한다. 냉간 압연에는 윤활유가 사용되지만, 사용되는 윤활유는, 어닐링 처리 시에 티타늄재의 표면 탄소 농도를 높이는 원인이 되는 경우가 있다. 그 때문에, 바람직하게는 어닐링 처리를 실시하기 전에 알칼리 탈지, 덜롤을 사용한 압연인 덜 압연, 코일 그라인더, 또는 연마 등에 의해 티타늄 소재의 표면에 존재하는 유분이 제거된다. 또한, 티타늄 소재 표면에 윤활유가 도포되고 냉간 압연하면, 메카노케미컬 반응에 의해, 티타늄 소재의 표면에 탄소가 포함되게 된다. 최종 어닐링 처리에 제공하는 냉 티타늄 소재는, 적절히, 산세나 어닐링이 되어 있어도 된다.Next, the hot-rolled coil is subjected to cold rolling. A lubricant is used in cold rolling, but the lubricant used may sometimes cause the surface carbon concentration of the titanium material to increase during annealing. Therefore, preferably, before performing the annealing treatment, the oil present on the surface of the titanium material is removed by alkaline degreasing, rolling using a lesser roll, coil grinding, or polishing. In addition, when a lubricant is applied to the surface of the titanium material and cold rolled, carbon is included on the surface of the titanium material due to a mechanochemical reaction. The cold titanium material subjected to the final annealing treatment may be appropriately pickled or annealed.
냉간 압연 후의 티타늄 소재 또는 유분 제거 처리 후의 티타늄 소재에 대하여 최종 어닐링 처리를 실시한다. 최종 어닐링 처리는, 일반적으로는, 냉간 압연에 의해 티타늄 소재인 순티타늄 또는 티타늄 합금에 도입된 변형을 저감하고, 당해 티타늄 소재를 연화시키는 공정이다. 본 실시 형태에 관한 티타늄재의 제조에 있어서는, 최종 어닐링 처리 및 그것에 계속되는 냉각 처리는, 티타늄재의 표층부의 평균 질소 농도 및 평균 탄소 농도, 평균 수소 농도, 티타늄재의 표층부에 있어서의 α상의 Ti의 c축의 격자 상수, 그리고 산화 피막의 두께를 제어하는 것을 목적으로 한 공정이다. 최종 어닐링 처리의 온도를 높임으로써, 불순물에 기인한, 티타늄재의 표층부의 질소 및 탄소가 두께 방향으로 확산되어, 티타늄재의 표층부의 평균 질소 농도 및 평균 탄소 농도가 저하된다고 생각된다. 티타늄재의 표층부의 평균 수소 농도, 및 티타늄재의 표층부에 있어서의 α상의 Ti의 c축의 격자 상수는, 최종 어닐링 처리의 진공도를 높임으로써, 저하된다고 생각된다. 그 때문에, 최종 어닐링 처리는, 진공 분위기로 한 후의 불활성 가스(질소 가스를 제외함) 분위기 중 혹은 그대로 진공 중에서 실시된다. 이하에 최종 어닐링 처리의 가열 온도 및 최종 어닐링 처리의 분위기에 대하여 설명한다. 여기서 불활성 가스란, 티타늄에 대해 불활성인 가스를 가리키고, 아르곤, 헬륨, 네온을 말한다.A final annealing treatment is performed on a titanium material after cold rolling or a titanium material after oil removal treatment. The final annealing treatment is generally a process for reducing the strain introduced into pure titanium or a titanium alloy, which is a titanium material, by cold rolling, and for softening the titanium material. In the production of the titanium material according to the present embodiment, the final annealing treatment and the subsequent cooling treatment are processes for controlling the average nitrogen concentration and average carbon concentration of the surface layer of the titanium material, the average hydrogen concentration, the lattice constant of the c-axis of the α-phase Ti of the surface layer of the titanium material, and the thickness of the oxide film. It is thought that by increasing the temperature of the final annealing treatment, nitrogen and carbon in the surface layer of the titanium material caused by impurities diffuse in the thickness direction, thereby reducing the average nitrogen concentration and average carbon concentration in the surface layer of the titanium material. It is thought that the average hydrogen concentration in the surface layer of the titanium material and the lattice constant of the c-axis of the α-phase Ti in the surface layer of the titanium material are reduced by increasing the vacuum degree of the final annealing treatment. Therefore, the final annealing treatment is performed in an inert gas (excluding nitrogen gas) atmosphere after a vacuum atmosphere has been created or in a vacuum as is. The heating temperature and atmosphere of the final annealing treatment are described below. Herein, the inert gas refers to a gas that is inert to titanium, and includes argon, helium, and neon.
최종 어닐링 처리의 가열 온도(어닐링 온도)는 티타늄재의 표층부의 평균 질소 농도 및 평균 탄소 농도의 저감이라는 관점에서, 630℃ 이상이다. 어닐링 온도는, 티타늄재의 표층부의 평균 탄소 농도의 저감이라는 관점에서, 바람직하게는 650℃ 이상이다. 어닐링 온도의 상한은 특별히 마련하지 않지만, 제조 비용의 관점에서 750℃ 이하가 바람직하다. 여기에서 말하는 어닐링 온도는, 어닐링 처리에 사용되는 가열로 내의 온도이고, 가열로에 설치된 열전대를 사용하여 측정된다. 어닐링 시간은, 티타늄재의 표층부의 평균 질소 농도 및 평균 탄소 농도의 저감이라는 관점에서, 5시간 이상이 바람직하다. 어닐링 시간은, 보다 바람직하게는, 10시간 이상이다. 어닐링 시간은, 냉연 그대로의 티타늄재는 어닐링할 수 있다는 점에서 3시간 이상이어도 된다. 한편, 어닐링 시간은, 생산성의 관점에서는, 바람직하게는 어닐링 시간은 48시간 이하이다. 또한, 어닐링 시간이 10시간 초과이면, 결정 입경이 너무 조대해져 인장 강도의 저하나 가공에 의한 주름 등의 문제를 초래하는 경우가 있다. 따라서, 어닐링 시간은, 인장 강도의 유지 등의 관점에서는, 10시간 이하인 것이 바람직하다. 또한, 여기서 말하는 어닐링 시간은, 티타늄재를 내부에 갖는 가열로 내의 온도가 어닐링 온도로 유지되고 있는 시간이다.The heating temperature (annealing temperature) of the final annealing treatment is 630°C or higher from the viewpoint of reducing the average nitrogen concentration and average carbon concentration of the surface layer of the titanium material. The annealing temperature is preferably 650°C or higher from the viewpoint of reducing the average carbon concentration of the surface layer of the titanium material. Although the upper limit of the annealing temperature is not specifically set, it is preferably 750°C or lower from the viewpoint of manufacturing cost. The annealing temperature referred to here is the temperature inside the heating furnace used for the annealing treatment, and is measured using a thermocouple installed in the heating furnace. The annealing time is preferably 5 hours or higher from the viewpoint of reducing the average nitrogen concentration and average carbon concentration of the surface layer of the titanium material. The annealing time is more preferably 10 hours or higher. The annealing time may be 3 hours or higher since the cold-rolled titanium material can be annealed. On the other hand, from the viewpoint of productivity, the annealing time is preferably 48 hours or lower. In addition, if the annealing time exceeds 10 hours, the crystal grain size may become too coarse, which may cause problems such as a decrease in tensile strength or wrinkles due to processing. Therefore, from the viewpoint of maintaining tensile strength, etc., the annealing time is preferably 10 hours or less. In addition, the annealing time referred to here is the time during which the temperature inside the heating furnace having the titanium material inside is maintained at the annealing temperature.
최종 어닐링 처리는, 진공 분위기, 불활성 가스 분위기(질소 가스를 제외함), 또는 진공 분위기로 한 후에 질소를 제외하는 불활성 가스를 도입한 불활성 가스 분위기에서 행해진다. 진공 분위기의 진공도는, 예를 들어 1.0×10-2Pa 이하이다. 불활성 가스 분위기는, 바람직하게는 희가스 분위기이고, 보다 바람직하게는 Ar 분위기이다. 최종 어닐링 처리에 있어서의 불활성 가스 분위기로 하기 전의 진공도는, 티타늄재의 표층부에 있어서의 α상의 Ti의 c축의 격자 상수의 증대의 억제, 티타늄재의 표층부의 평균 수소 농도 및 평균 질소 농도의 저감이라는 관점에서, 1.0×10-2Pa 이하인 것이 바람직하다. 최종 어닐링 처리에 있어서의 불활성 가스 분위기로 하기 전의 진공도는, 티타늄재의 표층부의 평균 수소 농도의 저감이라는 관점에서, 보다 바람직하게는, 5.0×10-3Pa 이하이다. 또한, 불활성 가스 분위기는, 가열로 내를, 예를 들어 99.99체적% 이상의 Ar을 함유하는 분위기로 하면 된다. 불활성 분위기는, 99.99체적% 이상의 He(헬륨)을 함유하는 분위기여도 된다. 최종 어닐링 처리의 가열의 개시 전까지 가열로 내를 진공 분위기로 한 후에 불활성 가스 분위기로 해도 되고, 가열의 개시 전에 가열로 내를 진공 분위기로 하고, 가열의 개시로부터 냉각의 개시까지의 동안에 가열로 내를 진공 분위기로부터 불활성 가스 분위기로 변경해도 된다.The final annealing treatment is performed in a vacuum atmosphere, an inert gas atmosphere (excluding nitrogen gas), or an inert gas atmosphere in which an inert gas excluding nitrogen is introduced after the vacuum atmosphere. The degree of vacuum of the vacuum atmosphere is, for example, 1.0× 10-2 Pa or less. The inert gas atmosphere is preferably a noble gas atmosphere, and more preferably an Ar atmosphere. The degree of vacuum before the final annealing treatment is performed in an inert gas atmosphere is preferably 1.0×10-2 Pa or less from the viewpoints of suppressing an increase in the lattice constant of the c-axis of the α-phase Ti in the surface layer of the titanium material and reducing the average hydrogen concentration and average nitrogen concentration in the surface layer of the titanium material. The degree of vacuum before the final annealing treatment is performed in an inert gas atmosphere is more preferably 5.0 × 10-3 Pa or less from the viewpoint of reducing the average hydrogen concentration in the surface layer of the titanium material. In addition, the inert gas atmosphere may be an atmosphere containing, for example, 99.99 vol% or more of Ar inside the furnace. The inert atmosphere may also be an atmosphere containing 99.99 vol% or more of He (helium). The inside of the furnace may be made into a vacuum atmosphere before the start of heating of the final annealing treatment, and then the inert gas atmosphere may be changed, or the inside of the furnace may be made into a vacuum atmosphere before the start of heating, and then the inside of the furnace may be changed from a vacuum atmosphere to an inert gas atmosphere during the period from the start of heating to the start of cooling.
최종 어닐링 처리를, 진공 분위기, 또는 진공 분위기로 한 후에 질소를 제외하는 불활성 가스를 도입한 불활성 가스 분위기(질소를 제외함)에서, 상술한 어닐링 온도와 어닐링 시간으로 행함으로써, 티타늄재의 표면에서는 산소, 질소, 탄소, 수소가 낮은 상태가 형성된다. 최종 어닐링 처리에 있어서, 이러한 티타늄재의 표면을 청정도가 높은 표면 상태로 함으로써, 그 후의 냉각 처리 시에 대기, 질소 가스 분위기, 질소 가스를 10% 이상 포함하는 불활성 가스 분위기에 개방하여, 이들 분위기에 포함되는 질소에 의해 산화 피막 내에 소정의 양의 질화물을 생성할 수 있다. 최종 어닐링 처리에서 냉각한 후에 대기에 개방한 티타늄재에서는, 재차 질소를 포함하는 분위기에서 가열해도, 산화 피막 내에 소정의 질화물을 생성할 수는 없다.By performing the final annealing treatment in a vacuum atmosphere, or in an inert gas atmosphere (excluding nitrogen) into which an inert gas excluding nitrogen is introduced after the vacuum atmosphere, at the annealing temperature and annealing time described above, a state in which oxygen, nitrogen, carbon, and hydrogen are low is formed on the surface of the titanium material. In the final annealing treatment, by making the surface of the titanium material a surface state with a high degree of cleanliness, when cooling thereafter, by opening it to the air, a nitrogen gas atmosphere, or an inert gas atmosphere containing 10% or more of nitrogen gas, it is possible to generate a predetermined amount of nitride in the oxide film by the nitrogen contained in these atmospheres. In a titanium material that has been cooled in the final annealing treatment and then opened to the air, even if it is heated again in an atmosphere containing nitrogen, it is impossible to generate a predetermined nitride in the oxide film.
어닐링 분위기의 질소 농도는 0.005체적% 이하의 불활성 가스이다. 또한, 일반 공업용의 순가스에서는, 불순물 중 질소는 절반 이하라는 점에서, 상술한 불활성 가스를 사용한 본 실시 형태에 있어서의 어닐링 처리의 분위기로서 충분한 순도이다.The nitrogen concentration of the annealing atmosphere is an inert gas of 0.005 volume% or less. In addition, in general industrial pure gases, nitrogen is less than half of the impurities, so the atmosphere of the annealing treatment in the present embodiment using the above-described inert gas is of sufficient purity.
최종 어닐링 처리의 분위기는, 어닐링 처리 후의 티타늄재에 템퍼 컬러가 발생하지 않는 온도 이하, 예를 들어 300℃ 이하의 온도까지 유지된다. 어닐링 분위기는, 실온으로 냉각될 때까지 유지되어도 되고, 300℃ 이하의 온도에서 가열로 내를 대기 등에 개방해도 된다.The atmosphere of the final annealing treatment is maintained at a temperature below which temper color does not occur in the titanium material after the annealing treatment, for example, below 300°C. The annealing atmosphere may be maintained until cooling to room temperature, or the inside of the furnace may be opened to the atmosphere, etc. at a temperature below 300°C.
최종 어닐링 처리 후, 티타늄 소재를 냉각한다. 냉각 분위기는, 예를 들어 냉각 개시 당초에는 어닐링 분위기와 마찬가지의 분위기이고, 가열로 내의 온도가 300℃ 이하에서는 질소 가스로 구성되는 분위기, 질소를 10체적% 이상 포함하는 아르곤 혹은 헬륨의 혼합 분위기, 또는 대기이면 된다.After the final annealing treatment, the titanium material is cooled. The cooling atmosphere may be, for example, the same atmosphere as the annealing atmosphere at the start of cooling, or, when the temperature inside the furnace is 300°C or lower, an atmosphere composed of nitrogen gas, a mixed atmosphere of argon or helium containing 10% or more of nitrogen by volume, or the atmosphere.
최종 어닐링 처리 후의 냉각 속도는, 특별히 제한되지 않는다. 단, 개방되는 300℃ 이하에서는, 산화 피막에 존재하는 질화물 유래의 질소량을 소정 범위로 하기 위해, 이후에 설명하는 조건으로 하는 편이 바람직하다. 또한, 냉각 시의 티타늄재의 열수축에 의한 형상의 흐트러짐을 억제하는 의미에서, 개방까지(300℃ 이하까지)의 냉각 속도는, 바람직하게는 50℃/분 이하, 보다 바람직하게는 30℃/분 이하이고, 나아가 1톤 이상의 대형의 티타늄재를 냉각하는 경우에는, 1℃/분이 바람직하다.The cooling rate after the final annealing treatment is not particularly limited. However, in order to keep the amount of nitrogen derived from nitride existing in the oxide film within a predetermined range at 300°C or lower when opening, it is preferable to set it under the conditions described later. In addition, in order to suppress shape distortion due to thermal shrinkage of the titanium material during cooling, the cooling rate until opening (up to 300°C or lower) is preferably 50°C/min or lower, more preferably 30°C/min or lower, and furthermore, when cooling a large titanium material weighing 1 ton or more, it is preferable to set it to 1°C/min.
최종 어닐링 처리 후의 냉각에서는, 가열로 내의 온도가 300℃ 이하의 온도가 된 시점에서, 가열로 내에 질소 가스를 도입 또는 가열로 내를 대기에 개방하여, 가열로 내를 10체적% 이상의 질소를 함유하는 질소 분위기로 하는 것이 바람직하다. 산화 피막에 존재하는 질화물 유래의 질소량은, 온도와 분위기에 더하여 티타늄재 표면의 청정도에 의해 변화한다. 이것은, 티타늄 소재의 표면에 존재하는 미량의 탄소, 산소, 수소, 질소가 경합하여 티타늄재 표면에서 반응하는데, 어떤 반응이 우선적으로 일어나는지에 따라 질소와 티타늄의 반응량이 변화하고, 그에 수반하여 질화물의 생성량도 변화하기 때문이라고 생각된다. 그러나, 분위기를 변경할 때(개방할 때)의 온도가 300℃ 이하이면 티타늄과 질소의 반응이 충분히 일어나고, 또한, 생성되는 질화물이 과잉이 되는 경우도 없다. 그 때문에, 어닐링 처리에 이어지는 냉각 처리에 의해, 산화 피막에 존재하는 질화물 유래의 질소 농도의 최댓값을 2.0 내지 10.0원자%로 할 수 있다. 한편, 분위기를 변경할 때의 온도가 200℃ 미만이면, 산화 피막의 질화물 유래의 질소 함유량이 2.0원자% 미만이 된다. 이것은, 온도가 낮으면, 질소와 티타늄의 반응이 완만해지기 때문이다. 상기 온도는, 바람직하게는 250℃ 이상이고, 보다 바람직하게는, 280℃ 이상이다.In the cooling after the final annealing treatment, when the temperature inside the furnace becomes 300°C or lower, it is preferable to introduce nitrogen gas into the furnace or open the furnace to the atmosphere to make the furnace a nitrogen atmosphere containing 10% by volume or more of nitrogen. The amount of nitrogen derived from nitrides present in the oxide film varies depending on the temperature, atmosphere, and the cleanliness of the titanium material surface. This is because trace amounts of carbon, oxygen, hydrogen, and nitrogen present on the surface of the titanium material compete and react on the titanium material surface, and the amount of nitrogen and titanium reacts depending on which reaction occurs preferentially, and the amount of nitrides produced also varies accordingly. However, when the temperature at the time of changing the atmosphere (when opening) is 300°C or lower, the reaction between titanium and nitrogen occurs sufficiently, and the amount of nitrides produced does not become excessive. Therefore, the maximum concentration of nitrogen derived from nitrides present in the oxide film can be set to 2.0 to 10.0 at% by the cooling treatment following the annealing treatment. On the other hand, when the temperature when changing the atmosphere is less than 200°C, the nitrogen content derived from nitride of the oxide film becomes less than 2.0 atomic%. This is because the reaction between nitrogen and titanium becomes gradual when the temperature is low. The temperature is preferably 250°C or higher, and more preferably 280°C or higher.
가열로 내를 질소 분위기로 한 후, 200℃에 도달할 때까지의 냉각 시간을 1.5시간 이상으로 하는 것이 바람직하고, 2.0시간 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 가열로 내를 질소 분위기로 한 후, 200℃에 도달할 때까지의 냉각 시간을 1.5시간 이상으로 함으로써 산화 피막에 있어서의 X선 광 전자 분광법으로 분석했을 때의 질화물 유래의 질소 농도의 최댓값이 2.0 내지 10.0원자%가 되고, 또한, 상기 산화 피막에 있어서의 상기 질화물 유래의 질소 농도가 최댓값을 나타내는 위치가, SiO2의 스퍼터링 속도로 환산했을 때에, 상기 산화 피막의 표면으로부터 2 내지 10nm의 범위에 존재하게 된다.After the inside of the furnace is made into a nitrogen atmosphere, it is preferable that the cooling time until the temperature reaches 200°C be 1.5 hours or longer, and more preferably 2.0 hours or longer. By setting the inside of the furnace into a nitrogen atmosphere and setting the cooling time until the temperature reaches 200°C to 1.5 hours or longer, the maximum value of the nitrogen concentration derived from nitride in the oxide film when analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy becomes 2.0 to 10.0 at%, and further, the position at which the nitrogen concentration derived from nitride in the oxide film shows the maximum value exists in a range of 2 to 10 nm from the surface of the oxide film when converted to a sputtering rate of SiO 2 .
또한, 냉각 처리 후의 티타늄재에 대하여 압하율 5% 이하로 덜롤을 사용한 압연을 포함하는 냉간 압연을 실시해도, 본 실시 형태에 관한 티타늄재의 특징은 유지된다.In addition, even if cold rolling including rolling using a dull roll at a reduction ratio of 5% or less is performed on the titanium material after cooling treatment, the characteristics of the titanium material according to the present embodiment are maintained.
본 실시 형태에 관한 티타늄재의 제조 방법에서는, 티타늄 소재의 표면을 JIS R 6001-2:2017에 준거한 #320 이하의 번수의 입도 분포를 갖는 연마 미분을 사용하여 연마하는 연마 공정과, 표면 거칠기 Ra가 0.5㎛ 이상의 압연롤을 사용하여, 총 압하율이 0.10% 이상이 되도록 티타늄 소재를 압하하는 덜 압연 공정을 갖는 것이 바람직하다. 상기 연마 공정은 상기 최종 어닐링 처리 전에 실시되고, 상기 덜 압연 공정은, 상기 최종 어닐링 처리 후에 행해진다. 상기의 연마 공정 및 덜 압연 공정에 의해, 티타늄 기재 표면의 Ra/RSm이 0.006 내지 0.015가 되고, 또한, 거칠기 곡선 요소의 제곱 평균 평방근 경사 RΔq가 0.150 내지 0.280이 된다. 이하에, 상기 연마 공정 및 덜 압연 공정을 설명한다.In the method for manufacturing a titanium material according to the present embodiment, it is preferable to have a polishing step for polishing the surface of a titanium material using a polishing powder having a particle size distribution of #320 or less according to JIS R 6001-2:2017, and a under-rolling step for reducing the titanium material using a rolling roll having a surface roughness Ra of 0.5 µm or more so that the total reduction ratio is 0.10% or more. The polishing step is performed before the final annealing treatment, and the under-rolling step is performed after the final annealing treatment. By the polishing step and the under-rolling step, the Ra/RSm of the titanium substrate surface becomes 0.006 to 0.015, and further, the root mean square inclination RΔq of the roughness curve element becomes 0.150 to 0.280. Hereinafter, the polishing step and the under-rolling step will be described.
[연마 공정][Polishing process]
본 공정에서는, 티타늄 소재의 표면을 JIS R 6001-2:2017에 준거한 #320 이하의 번수의 입도 분포를 갖는 연마 미분을 사용하여 연마한다. 티타늄 소재의 표면을 연마하는 수단은 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 브러시 롤이나 코일 그라인더 등, 공지된 수단을 사용할 수 있다.In this process, the surface of the titanium material is polished using abrasive powder having a particle size distribution of #320 or less in accordance with JIS R 6001-2:2017. The means for polishing the surface of the titanium material is not particularly limited, and for example, known means such as a brush roll or coil grinder can be used.
예를 들어, 코일 그라인더를 사용하는 경우, 이하의 방법으로 판 코일 상의 티타늄 소재의 표면을 연마한다. 코일 라인 연마기로, #320 이하, 예를 들어 #320, #240, #100, #80 등의 번수의 연마 벨트를 사용하여 티타늄재를 연마한다. 연마 벨트에 사용되는 연마 미분은, 바람직하게는 #100 이하의 번수의 것이다. 보다 균일한 연마 표면을 얻기 위해, 동일한 번수, 혹은 번수를 바꿔, 복수회의 연마를 실시하는 경우가 있다.For example, when using a coil grinder, the surface of the titanium material on the plate coil is polished by the following method. With a coil line polisher, the titanium material is polished using an abrasive belt having a count of #320 or lower, such as #320, #240, #100, or #80. The abrasive powder used in the abrasive belt is preferably a count of #100 or lower. In order to obtain a more uniform polished surface, there are cases where polishing is performed multiple times with the same count or with the counts changed.
연마 공정에 제공하는 티타늄 소재로는, 공지된 방법으로 제조된 것을 사용해도 된다. 예를 들어, 스폰지 티타늄이나 합금 원소를 첨가하기 위한 모합금 등을 원료로 하고, 진공 아크 용해법이나 전자 빔 용해법 또는 플라스마 용해법 등의 하스 용해법 등의 각종 용해법에 의해, 상기의 성분을 갖는 순티타늄 또는 티타늄 합금의 잉곳을 제작한다. 다음으로, 얻어진 잉곳을 필요에 따라서 분괴, 열간 단조하여 슬래브로 한다. 그 후, 슬래브를 열간 압연하여 상기의 조성을 갖는 순티타늄 또는 티타늄 합금의 열연 코일로 한다. 이 열연 코일을 냉간 압연하고, 냉간 압연 후의 티타늄 소재에 대하여 연마 공정을 실시하면 된다. 연마 공정에 제공하는 냉간 압연 후의 티타늄 소재는, 적절히 어닐링되어 있어도 된다.As the titanium material to be used in the polishing process, a material manufactured by a known method may be used. For example, a raw material such as sponge titanium or a master alloy for adding alloy elements is used, and by various melting methods such as a Haas melting method such as a vacuum arc melting method, an electron beam melting method, or a plasma melting method, an ingot of pure titanium or a titanium alloy having the above composition is produced. Next, the obtained ingot is pulverized or hot forged as necessary to form a slab. Thereafter, the slab is hot rolled to form a hot-rolled coil of pure titanium or a titanium alloy having the above composition. This hot-rolled coil is cold rolled, and a polishing process is performed on the titanium material after the cold rolling. The titanium material after the cold rolling to be used in the polishing process may be appropriately annealed.
또한, 슬래브에는, 필요에 따라서 연마, 절삭 등의 전처리가 실시되어 있어도 된다. 또한, 하스 용해법으로 열연 가능한 직사각형상으로 한 경우에는, 분괴나 열간 단조 등을 행하지 않고 열간 압연에 제공해도 된다.In addition, the slab may be subjected to pretreatment such as polishing or cutting as needed. In addition, in the case where it is made into a rectangular shape that can be hot rolled by the Has melting method, it may be provided for hot rolling without performing smelting or hot forging.
냉간 압연 조건도 특별히 제한되지 않고, 적절히 원하는 두께, 특성 등이 얻어지는 조건에서 행하면 된다.Cold rolling conditions are not particularly limited, and can be performed under conditions that obtain the desired thickness, characteristics, etc.
[덜 압연 공정][Less rolling process]
본 공정에서는, 표면의 산술 평균 거칠기 Ra가 0.5㎛ 이상의 압연 워크롤(이후, 압연 롤이라고 함)을 사용하여 티타늄 소재를 압하한다. 상기 압연롤을 사용하여, 총 압하율이 0.10% 이상이 되도록 티타늄 소재를 압하함으로써, 티타늄 소재의 표면에, 보다 국소적인 경사를 이루는 요철이 부여된다. 압연롤의 표면의 산술 평균 거칠기 Ra가 너무 크면, 연마 공정에 의해 사전에 부여한 요철 형상이 크게 변화하는 경우가 있기 때문에, 압연롤의 표면의 산술 평균 거칠기 Ra는, 바람직하게는 2.0㎛ 이하이다.In this process, a titanium material is pressed using a rolling work roll (hereinafter referred to as a rolling roll) having an arithmetic mean roughness Ra of a surface of 0.5 µm or more. By pressing the titanium material using the rolling roll so that the total reduction ratio is 0.10% or more, a more locally inclined unevenness is provided on the surface of the titanium material. If the arithmetic mean roughness Ra of the surface of the rolling roll is too large, the uneven shape provided in advance by the polishing process may change significantly in some cases, and therefore the arithmetic mean roughness Ra of the surface of the rolling roll is preferably 2.0 µm or less.
압연롤의 표면 거칠기는, 연마나 쇼트 블라스트로 조정할 수 있다.The surface roughness of the rolling roll can be adjusted by polishing or shot blasting.
총 압하율은, 국소적인 경사를 이루는 요철을 부여하기 위해 0.10% 이상, 바람직하게는 코일 전체 길이에서의 표면 만들어 넣기의 안정성으로부터 0.2% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 앞 공정의 연마에서 형성한 표면 거칠기를 냉연으로 찌부러뜨려 필요한 요철 형상을 소멸시켜버리지 않도록, 1.5% 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 표면 특징을 얻기 위해서는 이 냉연은 1패스여도 충분하지만, 긴 형상의 코일에서 전체 길이를 가능한 한 균일한 표면으로 처리하는 점을 가미하여, 냉연을 2패스 이상의 복수회로 실시해도 된다. 그 점을 고려하여 총 압하율을 규정하고, 복수 패스의 경우에는, 총 압하율은, 초기와 마무리의 판 두께의 차로부터 구한 압하율로 한다.The total reduction ratio is preferably 0.10% or more in order to provide a locally inclined roughness, and preferably 0.2% or more in view of the stability of surface formation over the entire length of the coil. On the other hand, it is preferably 1.5% or less in order not to destroy the surface roughness formed by the polishing in the previous process by cold rolling and thereby eliminate the necessary roughness shape. Furthermore, in order to obtain the surface characteristics of the present invention, one pass of this cold rolling is sufficient, but in consideration of the point that the entire length of a long coil is processed into a surface as uniform as possible, the cold rolling may be performed in two or more passes. Taking that into consideration, the total reduction ratio is stipulated, and in the case of multiple passes, the total reduction ratio is set as the reduction ratio obtained from the difference in the initial and finished plate thicknesses.
실시예Example
(실시예 1)(Example 1)
표 1에 나타낸 티타늄 소재를 0.4mm의 두께로 냉간 압연한 후, 알칼리 또는 유기 용매 등을 사용하여 탈지하고, 티타늄 소재의 표면의 유분을 제거하였다. 본 실시예에서는, JIS H 4600:2012에 준거한 JIS1종 순티타늄(ASTM Gr.1 상당), JIS2종 순티타늄(ASTM Gr.2 상당), JIS3종 순티타늄(ASTM Gr.3 상당), JIS4종 순티타늄(ASTM Gr.4 상당), JIS11종 티타늄 합금(ASTM Gr.11 상당, Ti-0.15Pd), JIS21종 티타늄 합금(ASTM Gr.13 상당, Ti-0.5Ni-0.05Ru), JIS17종 티타늄 합금(ASTM Gr.7 상당, Ti-0.05Pd), Ti-Ru-Mm, Ti-3Al-2.5V, Ti-5Al-1Fe, 및 JIS60종 티타늄 합금(ASTM Gr.5 상당, Ti-6Al-4V)을 사용하였다. Ti-Ru-Mm에 있어서의 Mm은, 미슈 메탈을 나타낸다.The titanium material shown in Table 1 was cold rolled to a thickness of 0.4 mm, and then degreased using an alkaline or organic solvent, etc., to remove oil from the surface of the titanium material. In this embodiment,
그 후, 본 발명예 1 내지 23에서는, 각 티타늄 소재에 대하여 표 1에 나타내는 조건에서 어닐링 처리를 행하였다. 표 1에 나타내는 개방 온도는, 각 어닐링 온도에서 각 어닐링 시간의 유지가 행해진 후, 냉각 과정에 있어서 노 내를 개방했을 때의 온도이다. 이때의 온도는, 열전대를 사용하여 측정한 노 내의 온도이다.Thereafter, in Examples 1 to 23 of the present invention, annealing treatment was performed on each titanium material under the conditions shown in Table 1. The opening temperatures shown in Table 1 are the temperatures when the inside of the furnace was opened during the cooling process after each annealing time was maintained at each annealing temperature. The temperature at this time is the temperature inside the furnace measured using a thermocouple.
본 발명예 1 내지 13, 19 내지 23 및 비교예 1 내지 3에서는, 표 1의 「진공도」에 나타내는 진공 분위기 하에서 가열이 개시되고, 냉각의 개시까지의 동안에, 어닐링 노 내에 99.99체적% 이상의 Ar 가스가 도입되었다. 각 티타늄 소재가 각 어닐링 온도의 노 내에서 각 어닐링 시간만큼 유지된 후의 냉각 과정에서는, 표 1에 나타내는 개방 온도까지 각 어닐링 분위기가 유지되고, 개방 온도까지 노 내의 온도가 저하된 시점에서 노 내가 개방되었다.In Inventive Examples 1 to 13, 19 to 23 and Comparative Examples 1 to 3, heating was initiated under a vacuum atmosphere shown in the “Vacuum Degree” of Table 1, and 99.99 vol% or more of Ar gas was introduced into the annealing furnace until the start of cooling. In the cooling process after each titanium material was maintained in the furnace at each annealing temperature for each annealing time, each annealing atmosphere was maintained up to the opening temperature shown in Table 1, and the furnace was opened when the temperature inside the furnace dropped to the opening temperature.
본 발명예 14, 15에서는, Ar 분위기에서 가열이 개시되고, 노 내가 개방될 때까지 당해Ar 분위기가 유지되었다.In Invention Examples 14 and 15, heating was initiated in an Ar atmosphere, and the Ar atmosphere was maintained until the furnace was opened.
본 발명예 16 내지 18에서는, 표 1의 「진공도」에 나타내는 진공 분위기 하에서 가열이 개시되고, 노 내가 개방될 때까지 당해 진공도가 유지되었다.In Examples 16 to 18 of the present invention, heating was initiated under a vacuum atmosphere as shown in the “vacuum degree” in Table 1, and the vacuum degree was maintained until the furnace was opened.
비교예 4 및 비교예 5에서는, 표 1에 나타낸 티타늄 소재를 0.4mm의 두께로 냉간 압연한 후, 알칼리 또는 유기 용매 등을 사용하여 탈지한 후, 최종 어닐링 처리를 실시하지 않고, 질불산 산세 마무리가 행해졌다.In Comparative Examples 4 and 5, the titanium material shown in Table 1 was cold rolled to a thickness of 0.4 mm, degreased using an alkali or organic solvent, etc., and then finished with nitric acid pickling without performing a final annealing treatment.
표층부의 평균 질소 농도, 평균 탄소 농도 및 평균 수소 농도는 이하의 방법으로 구해졌다. O, N, C, H 및 Ti에 대해서, GDS로 분석이 행해졌다. 측정에는, 가부시키가이샤 호리바 세이사쿠쇼제 JOBIN YVON GD-Profiler2를 사용하였다. 측정의 조건은 35W의 정전력 모드, 아르곤 가스의 압력은 600Pa, 방전 범위는 직경 4mm로 하였다. GDS에 의한 측정에 있어서, 측정 피치는 0.5nm였다.The average nitrogen concentration, average carbon concentration, and average hydrogen concentration in the surface layer were obtained by the following methods. Analysis was performed with GDS for O, N, C, H, and Ti. For the measurement, JOBIN YVON GD-Profiler2 manufactured by Horiba Seisakusho Co., Ltd. was used. The conditions of the measurement were a constant power mode of 35 W, an argon gas pressure of 600 Pa, and a discharge range of 4 mm in diameter. In the measurement by GDS, the measurement pitch was 0.5 nm.
상기 각 원소의 농도(원자%)는 상기 원소의 합계를 100원자%로 하여 산출되었다. 티타늄재의 표면으로부터, GDS에 의해 두께 방향으로 측정된 산소 농도가 최댓값의 1/3인 위치까지의 범위를 티타늄재의 표층부로 하였다. 평균 질소 농도, 평균 탄소 농도 및 평균 수소 농도는, 각 측정점의 질소 농도, 탄소 농도 및 수소 농도의 수치 산술 평균값으로 하였다.The concentration (at.%) of each element above was calculated by setting the total of the elements above to 100 at. The range from the surface of the titanium material to the position where the oxygen concentration measured in the thickness direction by GDS was 1/3 of the maximum value was defined as the surface layer of the titanium material. The average nitrogen concentration, average carbon concentration, and average hydrogen concentration were defined as the numerical arithmetic mean values of the nitrogen concentration, carbon concentration, and hydrogen concentration at each measurement point.
티타늄재의 표면에 있어서의 α상의 Ti의 c축의 격자 상수는, 평행 빔법을 사용한 X선 회절 측정에 의해 구해졌다. 평행 빔법을 사용한 X선 회절 측정에는, 가부시키가이샤 리가쿠제 X선 회절 장치 SmartLab이 사용되고, X선원은 Co-Kα(파장 λ=1.7902Å)였다. Kβ선의 제거에는 X선의 입사측에 W/Si 다층막 미러를 사용하였다. X선원 부하 전력(관 전압/관 전류)은 각각, 5.4kW(40kV/135mA)였다. X선의 시료에의 입사각은 0.3도이고, 회절각 2θ가 주사되었다. 측정 시료에는, 판 두께 0.4mm의 티타늄재를 기계 가공에 의해, 25mm(세로)×50mm(가로)의 치수로 잘라내고, 티타늄재 표면의 중앙 위치, 바꿔 말하면 측정 시료의 표면 12.5mm(세로)×25mm(가로)의 위치를 중심으로 하여, 빔을 조사하여, 측정을 실시하였다. 또한, 잘라내진 시료는, 측정하는 표면에 오염이 부착되어 있을 가능성이 있기 때문에, 아세톤을 사용하여 세정하였다.The c-axis lattice constant of the α phase Ti on the surface of the titanium material was obtained by X-ray diffraction measurement using the parallel beam method. For the X-ray diffraction measurement using the parallel beam method, an X-ray diffraction apparatus SmartLab manufactured by Rigaku Corporation was used, and the X-ray source was Co-Kα (wavelength λ = 1.7902 Å). To remove Kβ rays, a W/Si multilayer mirror was used on the X-ray incident side. The X-ray source load power (tube voltage/tube current) was 5.4 kW (40 kV/135 mA), respectively. The incident angle of the X-rays to the sample was 0.3 degrees, and the diffraction angle 2θ was scanned. For the measurement sample, a titanium material with a thickness of 0.4 mm was cut into dimensions of 25 mm (length) x 50 mm (width) by machining, and the beam was irradiated with the center position of the titanium material surface, in other words, a position of 12.5 mm (length) x 25 mm (width) on the surface of the measurement sample, to conduct the measurement. In addition, since the cut sample may have contamination attached to the surface to be measured, it was cleaned using acetone.
티타늄재의 판 두께 중앙에 있어서의 α상의 Ti의 c축의 격자 상수는, 집중법을 사용한 X선 회절에 의해 측정되었다. 티타늄재의 판 두께 중앙에 있어서의 α상의 Ti의 결정 구조의 해석에 사용되는 시료는, 티타늄재의 판 두께 중앙이 X선 회절 측정을 행하는 측정 면이 되도록, 기계 연마 및 전해 연마에 의해 마무리했다. 집중법을 사용한 X선 회절 측정에는, 평행 빔법을 사용한 X선 회절 측정에 사용된 X선 회절 장치를 사용하고, X선원, Kβ선의 제거 필터, 및 X선원 부하 전력도 상기 평행 빔법의 조건과 동일하게 하였다.The c-axis lattice constant of α-phase Ti in the center of the plate thickness of a titanium material was measured by X-ray diffraction using the focused method. The sample used for the analysis of the crystal structure of α-phase Ti in the center of the plate thickness of a titanium material was finished by mechanical polishing and electrolytic polishing so that the center of the plate thickness of the titanium material became the measurement plane for performing X-ray diffraction measurement. For the X-ray diffraction measurement using the focused method, the X-ray diffraction apparatus used for the X-ray diffraction measurement using the parallel beam method was used, and the X-ray source, Kβ ray removal filter, and X-ray source load power were the same as those of the parallel beam method.
티타늄재의 표면 및 판 두께 중앙에 있어서의 α상의 Ti의 c축의 격자 상수는, (0002)면의 회절 피크로부터 산출되었다.The c-axis lattice constant of the α-phase Ti at the surface and center of the plate thickness of the titanium material was calculated from the diffraction peak of the (0002) plane.
티타늄재의 표면에 있어서의 α상의 Ti의 c축의 격자 상수의 차는, 티타늄재 표면에서 산출된 격자 상수와 판 두께 중앙에 있어서 산출된 격자 상수의 차로부터 구하였다.The difference in the c-axis lattice constant of the α phase Ti on the surface of the titanium material was obtained from the difference between the lattice constant calculated on the surface of the titanium material and the lattice constant calculated at the center of the plate thickness.
산화 피막의 두께는, GDS에 의해 상기 방법으로 측정된 산소 농도에 의해 구해졌다. 구체적으로는, 표면으로부터 산소 농도가 최댓값에 대하여 반감한 위치까지의 두께 방향의 거리를 산화 피막의 두께로 하였다.The thickness of the oxide film was obtained by the oxygen concentration measured by the above method using GDS. Specifically, the distance in the thickness direction from the surface to the position where the oxygen concentration is reduced by half of the maximum value was taken as the thickness of the oxide film.
산화 피막에 함유되는 질화물 유래의 질소 함유량은, 다음 방법으로 측정하였다. 즉, 이하의 방법으로 측정한 깊이 방향의 질화물 유래의 질소 농도의 분포에서, 산화 피막 내의 최댓값을 산화 피막에 함유되는 질화물 유래의 질소 함유량으로 하였다.The nitrogen content derived from nitride contained in the oxide film was measured by the following method. That is, in the distribution of the nitride-derived nitrogen concentration in the depth direction measured by the following method, the maximum value within the oxide film was taken as the nitrogen content derived from nitride contained in the oxide film.
산화 피막 내의 질화물 유래의 질소 농도 및 탄화물 유래의 탄소 농도의 깊이 방향(막 두께 방향)의 분포, 그리고 티타늄 기재에 있어서의 산화 피막과의 계면 근방(당해 계면으로부터 티타늄 기재측으로 20nm)의 질화물 유래의 질소 농도는, 이하의 방법으로 측정하였다. 즉, XPS를 사용하여, 티타늄재의 표면을 Ar 이온 스퍼터링하여 깊이 방향의 농도 분포를 측정하고, N1s, C1s, O1s 및 Ti2p의 각 피크 위치 각각의 원소의 상태를 분석하고, 질화물, 탄화물, 산화물에서 유래되는 N, C, O 및 Ti의 농도를 산출하였다. 상세는 상술한 수순으로 산출하였다. XPS의 분석 조건은, 이하와 같이 하였다.The depth-direction (film thickness direction) distributions of the nitrogen concentration derived from nitride and the carbon concentration derived from carbide within the oxide film, and the nitride-derived nitrogen concentration near the interface with the oxide film on the titanium substrate (20 nm from the interface toward the titanium substrate) were measured by the following methods. That is, using XPS, the surface of the titanium material was sputtered with Ar ions to measure the depth-direction concentration distribution, and the state of each element at each peak position of N1s, C1s, O1s, and Ti2p was analyzed, and the concentrations of N, C, O, and Ti derived from nitride, carbide, and oxide were calculated. The details were calculated in the above-described procedure. The analysis conditions for XPS were as follows.
장치: 알박·파이제 Quantera SXMDevice: Albak·Pije Quantera SXM
X선원: mono-AlKα(hν: 1486.6eV)X-ray source: mono-AlKα(hν: 1486.6 eV)
빔 직경: 200㎛Φ(≒분석 영역)Beam diameter: 200㎛Φ (≒ analysis area)
검출 깊이: 수nmDetection depth: several nm
도입 각도: 45°Introduction angle: 45°
스퍼터 조건: Ar+, 스퍼터 레이트 4.3nm/min.(SiO2 환산값)Sputtering conditions: Ar + , sputtering rate 4.3 nm/min. (SiO 2 equivalent)
SiO2 환산값이란, 미리 엘립소미터를 사용하여 두께를 측정한 SiO2막을 사용하여, 동일 측정 조건에서 구했을 때의 스퍼터링 속도이다.The SiO 2 conversion value is the sputtering rate obtained under the same measurement conditions using a SiO 2 film whose thickness was previously measured using an ellipsometer.
제조한 티타늄재의 표면 거칠기의 각 파라미터(산술 평균 거칠기 Ra, 윤곽 곡선 요소의 평균 길이 RSm, 거칠기 곡선 요소의 제곱 평균 평방근 경사 RΔq, 첨도 Rku, 왜도 Rsk)를 JIS B 0601:2013에 준거하여, 이하의 조건에서 측정하였다.Each parameter of the surface roughness of the manufactured titanium material (arithmetic mean roughness Ra, mean length RSm of profile curve elements, root mean square slope RΔq of roughness curve elements, kurtosis Rku, skewness Rsk) was measured under the following conditions in accordance with JIS B 0601:2013.
장치 기기: 표면 거칠기 형상 측정기((주)도쿄 세이미츠제 SURFCOM 1900DX, 해석 소프트웨어: TiMS Ver.9.0.3)Device: Surface roughness profile measuring instrument (SURFCOM 1900DX manufactured by Tokyo Seimitsu Co., Ltd., Analysis software: TiMS Ver.9.0.3)
측정자: (주)도쿄 세이미츠제 형상 측정자(형식: DT43801)Measuring instrument: Tokyo Seimitsu Corporation Shape measuring instrument (Type: DT43801)
파라미터 산출 규격: JIS-01 규격Parameter calculation standard: JIS-01 standard
측정 종별: 거칠기 측정Measurement type: Roughness measurement
컷오프 종별: 가우시안Cutoff type: Gaussian
경사 보정: 최소 제곱 직선 보정Slope correction: Least squares straight line correction
측정 거리: 5.0mmMeasuring distance: 5.0mm
컷오프 파장 λc: 0.8mmCutoff wavelength λc: 0.8mm
측정 레인지: ±64.0㎛Measurement range: ±64.0㎛
측정 속도: 0.3mm/secMeasurement speed: 0.3mm/sec
이동·복귀 속도: 0.6mm/secMovement/return speed: 0.6mm/sec
복귀 설정: 통상 측정Reset settings: Normal measurements
예비 구동 길이: (컷오프 파장/3)×2Preliminary drive length: (cutoff wavelength/3)×2
측정 간격 Δx: 0.195㎛Measurement interval Δx: 0.195㎛
λs 컷오프비: 300λs cutoff ratio: 300
λs 컷오프 파장: 2.667㎛λs cutoff wavelength: 2.667㎛
픽업 종별: 표준 픽업Pickup Type: Standard Pickup
극성: 정회전Polarity: Positive rotation
측정 위치는, Ra가 최대가 되는 방향에서 3점 측정하여 그 평균값을 구하였다. 여기서, Ra가 최대가 되는 방향은, 티타늄재가 판인 경우에는 압연 방향과 평행한 방향을 0°로 하여, 22.5°, 45°, 90°(압연 방향에 수직인 방향)의 4 방향에서 거칠기를 측정하고, Ra가 최대가 되는 방향을 결정하였다. 압연롤을 사용하여 티타늄 소재를 압연하여 티타늄재를 경우나, 지립이 매립된 롤을 압연 방향으로 회전시켜 판 표면을 연마한 경우에는, 압연 방향에 수직인 방향인 90° 방향에서, Ra가 최대가 되었다.The measurement location was measured at three points in the direction where Ra was maximum, and the average value was obtained. Here, the direction where Ra was maximum was determined by measuring the roughness in four directions of 22.5°, 45°, and 90° (direction perpendicular to the rolling direction) with the direction parallel to the rolling direction being set to 0° in the case of the titanium material as a plate. In the case of titanium material rolled using a rolling roll, or when the plate surface was ground by rotating a roll embedded with abrasive grains in the rolling direction, Ra was maximum in the 90° direction perpendicular to the rolling direction.
제조된 티타늄재의 각각을, pH3, 60℃의 황산 수용액 중에 4주간 침지하고, 침지 전후의 색차를 산출하고, 색차의 값에 기초하여, 내변색성의 평가를 실시하였다. 색차 ΔE가, 0 이상 5 이하의 경우를 내변색성이 극히 양호(A)로 하고, 5 초과 10 이하의 경우를 내변색성이 양호(B)로 하고, 10 초과의 경우를 불량(C)으로 판단하였다. 또한, 시험 전후의 색차 ΔE는Each of the manufactured titanium materials was immersed in a sulfuric acid solution at
ΔE=((L*2-L*1)2+(a*2-a*1)2+(b*2-b*1)2)1/2에 의해 산출하였다.ΔE = ((L*2-L*1) 2 + (a*2-a*1) 2 + (b*2-b*1) 2 )1/2.
여기서, L*1, a*1, b*1은 변색 시험 전의 색채의 측정 결과이고, L*2, a*2, b*2는, 변색 시험 후의 색채 측정 결과이고, JIS Z 8729에 규정되어 있는 L*a*b* 표색법에 기초하는 것이다.Here, L*1, a*1, b*1 are the color measurement results before the discoloration test, and L*2, a*2, b*2 are the color measurement results after the discoloration test, and are based on the L*a*b* colorimetric method specified in JIS Z 8729.
또한, 색차의 측정은, 가부시키가이샤 코니카 미놀타사제 CR400을 사용하여 측정 면적의 직경 8mm로 D65의 광원을 사용한 조건에서 실시하였다.In addition, the color difference was measured using CR400 manufactured by Konica Minolta Co., Ltd., under conditions of a measurement area with a diameter of 8 mm and a light source of D65.
또한, 제조된 각 티타늄재에 대하여 눈으로 본 관능 평가를 행하였다. 눈으로 보는 관찰에 의한 평가는, 본 변색 촉진 시험에 제공하지 않은 티타늄재와 본 변색 촉진 시험 후의 티타늄재를 평판 위에 배열해 두고, 10명의 평가인이 태양광 하에서 다양한 각도에서 보고 비교하여, 변색이 두드러지게 시인되는 각도가 있었는지 여부를 판단하였다. 변색이 두드러지지 않는다고 10명의 평가인의 90% 이상이 판정한 경우를 A+++라고 하고, 변색이 두드러지지 않는다고 10명의 평가인의 80% 이상 90% 미만이 판정한 경우를 A++라고 하고, 변색이 두드러지지 않는다고 10명의 평가인의 70% 이상 80% 미만이 판정한 경우를 A+라고 하고, 변색이 두드러지지 않는다고 10명의 평가인의 50% 이상 70% 미만이 판정한 경우를 A0라고 하고, 변색이 두드러지지 않는다고 10명의 평가인의 30% 이상 50% 미만이 판정한 경우를 B라고 하고, 변색이 두드러지지 않는다고 10명의 평가인의 30% 미만이 판정한 경우를 C라고 하고, 평가가 C인 경우를 불합격으로 하였다. 또한, 이 눈으로 보는 관찰은, 실제의 건축물 지붕이나 벽을 상정한 조건이고, 보는 각도에 따라 색조가 바뀌는 것도 상정한 평가이다.In addition, a visual sensory evaluation was conducted on each titanium material manufactured. For the evaluation by visual observation, titanium materials that were not subjected to this discoloration acceleration test and titanium materials after this discoloration acceleration test were arranged on a flat plate, and 10 evaluators compared them from various angles under sunlight to determine whether there was an angle at which discoloration was noticeable. If 90% or more of the 10 evaluators judged that the discoloration was not noticeable, it was considered A++. If 80% or more but less than 90% of the 10 evaluators judged that the discoloration was not noticeable, it was considered A+. If 70% or more but less than 80% of the 10 evaluators judged that the discoloration was not noticeable, it was considered A+. If 50% or more but less than 70% of the 10 evaluators judged that the discoloration was not noticeable, it was considered A0. If 30% or more but less than 50% of the 10 evaluators judged that the discoloration was not noticeable, it was considered B. If less than 30% of the 10 evaluators judged that the discoloration was not noticeable, it was considered C. If the evaluation was C, it was considered a failure. In addition, this visual observation is a condition assuming an actual building roof or wall, and is an evaluation that assumes that the color tone changes depending on the viewing angle.
결과를 표 2, 3에 나타낸다. 표 2, 3 중의 밑줄은, 본 발명의 범위 외인 것을 나타낸다.The results are shown in Tables 2 and 3. The underlines in Tables 2 and 3 indicate that they are outside the scope of the present invention.
본 발명예 1 내지 23은, 표층부의 평균 질소 농도 및 평균 탄소 농도의 어느것도 14.0원자% 이하이고, 평균 수소 농도가 30.0원자% 이하이고, 티타늄재의 표면 및 판 두께 중앙의 α상의 Ti의 c축의 격자 상수의 차는 0.015Å 이하이고, 이것들의 색차 평가 결과는 B 이상이고, 눈으로 본 관능 평가 결과는 B 이상이었다.Inventive examples 1 to 23 had an average nitrogen concentration and an average carbon concentration of a surface layer of 14.0 at% or less, an average hydrogen concentration of 30.0 at% or less, a difference in the lattice constant of the c-axis of the α-phase Ti at the surface of the titanium material and the center of the plate thickness of 0.015 Å or less, and the color difference evaluation result of these was B or higher, and the visual sensory evaluation result was B or higher.
비교예 1은, 어닐링 처리 시의 진공도가 1.0×10-1Pa로 낮았기 때문에, 표층부의 평균 질소 농도가 높았다. 그 결과, 비교예 1의 티타늄재의 색차 평가 결과 및 눈으로 본 관능 평가 결과는 모두 불합격이었다.In Comparative Example 1, since the vacuum level during the annealing treatment was low at 1.0× 10-1 Pa, the average nitrogen concentration in the surface layer was high. As a result, the color difference evaluation results and the visual sensory evaluation results of the titanium material of Comparative Example 1 were both failed.
비교예 2는, 어닐링 온도가 낮아, 표층부의 평균 탄소 농도가 높았다. 그 결과, 비교예 2의 티타늄재의 색차 평가 결과 및 눈으로 본 관능 평가 결과는 모두 불합격이었다.In Comparative Example 2, the annealing temperature was low, so the average carbon concentration in the surface layer was high. As a result, the color difference evaluation results and the visual sensory evaluation results of the titanium material of Comparative Example 2 were both failed.
비교예 3은, 어닐링 처리 시의 진공도가 8.0×10-2Pa로 낮았기 때문에, 티타늄재의 표층부의 산소 농도가 높아져, 표층부에 있어서의 α상의 Ti의 c축의 격자 상수가 커져, 격자 상수의 차가 커졌다고 추정된다. 그 결과, 비교예 3의 티타늄재의 색차 평가 결과 및 눈으로 본 관능 평가 결과는 모두 불합격이었다.In Comparative Example 3, since the vacuum degree during the annealing treatment was low at 8.0× 10-2 Pa, the oxygen concentration in the surface layer of the titanium material increased, and the lattice constant of the c-axis of the α-phase Ti in the surface layer increased, so it is presumed that the difference in lattice constants increased. As a result, the color difference evaluation results and the visual sensory evaluation results of the titanium material of Comparative Example 3 were both failed.
비교예 4, 5에서는, 표층부의 평균 수소 농도가 높아, 비교예 3의 티타늄재의 색차 평가 결과 및 눈으로 본 관능 평가 결과는 모두 불합격이었다.In Comparative Examples 4 and 5, the average hydrogen concentration in the surface layer was high, and the color difference evaluation results and visual sensory evaluation results of the titanium material of Comparative Example 3 were both failed.
이상 나타낸 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 티타늄재는, 엄격한 산성비를 모의한 pH3의 황산 수용액 중에 있어서도 장기간, 우수한 내변색성을 갖고 있었다. 본 발명은 지붕 혹은 벽 패널과 같은 옥외 환경에서의 용도에 특히 유효하여, 그 산업상의 가치는 매우 높다고 할 수 있다.As described above, the titanium material according to the present embodiment has excellent discoloration resistance for a long period of time even in a sulfuric acid solution of
(실시예 2)(Example 2)
표 4에 나타낸 티타늄 소재를 0.4mm의 두께로 냉간 압연한 후, 알칼리 또는 유기 용매 등을 사용하여 탈지하고, 티타늄 소재의 표면의 유분을 제거하였다. 그 후, 각 티타늄 소재에 대하여 표 4에 나타내는 조건에서 어닐링 처리를 행하였다. 표 4에 나타내는 개방 온도는, 각 어닐링 온도에서 각 어닐링 시간의 유지가 행해진 후, 냉각 과정에 있어서 노 내를 개방했을 때의 온도이다. 이때의 온도는, 열전대를 사용하여 측정한 노 내의 온도이다.The titanium material shown in Table 4 was cold rolled to a thickness of 0.4 mm, degreased using an alkali or organic solvent, etc., and the oil on the surface of the titanium material was removed. Thereafter, annealing treatment was performed on each titanium material under the conditions shown in Table 4. The opening temperatures shown in Table 4 are the temperatures when the inside of the furnace was opened during the cooling process after each annealing time was maintained at each annealing temperature. The temperature at this time is the temperature inside the furnace measured using a thermocouple.
제조된 각티타늄재에 대하여 실시예 1과 마찬가지의 평가를 행하였다. 표 5, 6에 결과를 나타낸다.The same evaluation as in Example 1 was performed on each manufactured titanium material. The results are shown in Tables 5 and 6.
표 5, 6에 나타내는 바와 같이 본 발명예 24 내지 39는, 산화 피막에 있어서의 X선 광 전자 분광법으로 분석했을 때의 질화물 유래의 질소 농도의 최댓값이 2.0 내지 10.0원자%이고, 산화 피막에 있어서의 질화물 유래의 질소 농도가 최댓값을 나타내는 위치가, SiO2의 스퍼터링 속도로 환산했을 때에, 상기 산화 피막의 표면으로부터 2 내지 10nm의 범위에 존재하고, 티타늄 기재에 있어서의 산화 피막과의 계면 근방에 존재하는 질화물 유래의 질소 농도가, 산화 피막에 있어서의 질화물 유래의 질소 농도의 최댓값 미만 또한 7원자% 이하이고, 산화 피막에 있어서의 질화물 유래의 질소 농도의 최댓값이, 산화 피막에 있어서의 질화물 유래의 질소 농도가 최대가 되는 위치의 탄화물 유래의 탄소 농도 이상이었다. 이것들의 색차 평가 결과는 A이고, 또한 눈으로 본 관능 평가 결과는 모두 A++로, 내변색성이 우수하였다.As shown in Tables 5 and 6, Examples 24 to 39 of the present invention, when analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy in the oxide film, had a maximum value of nitride-derived nitrogen concentration of 2.0 to 10.0 at%, and the position where the nitride-derived nitrogen concentration in the oxide film shows a maximum value exists in a range of 2 to 10 nm from the surface of the oxide film when converted to a sputtering rate of SiO 2 , and the nitride-derived nitrogen concentration present near the interface with the oxide film on the titanium substrate was less than the maximum value of the nitride-derived nitrogen concentration in the oxide film and 7 at% or less, and the maximum value of the nitride-derived nitrogen concentration in the oxide film was equal to or greater than the carbide-derived carbon concentration at the position where the nitride-derived nitrogen concentration in the oxide film becomes maximum. The color difference evaluation results for these were A, and the sensory evaluation results seen with the naked eye were all A++, indicating excellent discoloration resistance.
(실시예 3)(Example 3)
표 7에 나타낸 티타늄 소재를 0.4mm의 두께로 냉간 압연한 후, 표 7 및 표 8에 나타내는 조건에서, 연마 공정, 세정, 어닐링 처리, 및 덜 압연 공정을 이 순서로 행하였다. 표 7에 나타낸 「연마 패스수」란, 연마 벨트를 배치한 3대의 연마 스탠드로 이루어지는 코일 그라인더의 라인에의 티타늄 소재의 통판 횟수를 나타내고 있다.The titanium material shown in Table 7 was cold rolled to a thickness of 0.4 mm, and then the polishing process, cleaning, annealing treatment, and under-rolling process were performed in this order under the conditions shown in Tables 7 and 8. The "number of polishing passes" shown in Table 7 indicates the number of times the titanium material was passed through the line of a coil grinder consisting of three polishing stands having polishing belts arranged thereon.
본 발명예 40 내지 72에서는, 각 티타늄 소재에 대하여 표 8에 나타내는 조건에서 최종 어닐링 처리를 행하였다. 표 8에 나타내는 개방 온도는, 각 어닐링 온도에서 각 어닐링 시간의 유지가 행해진 후, 냉각 과정에 있어서 노 내를 개방했을 때의 온도이다. 이때의 온도는, 열전대를 사용하여 측정한 노 내의 온도이다.In Examples 40 to 72 of the present invention, the final annealing treatment was performed on each titanium material under the conditions shown in Table 8. The opening temperatures shown in Table 8 are the temperatures when the inside of the furnace was opened during the cooling process after each annealing time was maintained at each annealing temperature. The temperature at this time is the temperature inside the furnace measured using a thermocouple.
본 발명예 40 내지 61, 63 내지 72에서는, 표 8의 「진공도」에 나타내는 진공 분위기 하에서 가열이 개시되고, 냉각의 개시까지의 동안에, 어닐링 노 내에 99.99 체적% 이상의 Ar 가스가 도입되었다. 각 티타늄 소재가 각 어닐링 온도의 노 내에서 각 어닐링 시간만큼 유지된 후의 냉각 과정에서는, 표 8에 나타내는 개방 온도까지 각 어닐링 분위기가 유지되고, 개방 온도까지 노 내의 온도가 저하된 시점에서 노 내가 개방되었다.In Inventive Examples 40 to 61 and 63 to 72, heating was initiated under a vacuum atmosphere shown in the “Vacuum Degree” of Table 8, and 99.99 vol% or more of Ar gas was introduced into the annealing furnace until the start of cooling. In the cooling process after each titanium material was maintained in the furnace at each annealing temperature for each annealing time, each annealing atmosphere was maintained up to the opening temperature shown in Table 8, and the furnace was opened when the temperature inside the furnace dropped to the opening temperature.
본 발명예 62에서는, 표 8의 「진공도」에 나타내는 진공 분위기 하에서 가열이 개시되고, 노 내가 개방될 때까지 당해 진공도가 유지되었다.In Invention Example 62, heating was initiated under a vacuum atmosphere as shown in “Vacuum Degree” in Table 8, and the vacuum degree was maintained until the furnace was opened.
비교예 6에서는, 티타늄 소재를 0.4mm의 두께로 냉간 압연한 후, 알칼리 또는 유기 용매 등을 사용하여 탈지한 후, 최종 어닐링 처리를 실시하지 않고, 질불산 산세 마무리가 행해졌다.In Comparative Example 6, a titanium material was cold rolled to a thickness of 0.4 mm, degreased using an alkali or organic solvent, etc., and then a nitric acid pickling finish was performed without performing a final annealing treatment.
제조된 각 티타늄재에 대하여 실시예 1과 마찬가지의 평가를 행하였다. 표 9, 10에 결과를 나타낸다. 표 9 중의 밑줄은, 본 발명의 범위 외인 것을 나타낸다.For each titanium material manufactured, the same evaluation as in Example 1 was performed. The results are shown in Tables 9 and 10. The underline in Table 9 indicates something outside the scope of the present invention.
표 7 내지 10에 나타내는 바와 같이, 열처리 온도, 시간 및 열처리 분위기, 그리고 냉각 분위기를 제어하면, 산술 평균 거칠기 Ra가 최대가 되는 방향의 거칠기 곡선에 있어서, 산술 평균 거칠기 Ra와 요소 길이 RSm의 비인 Ra/RSm이 0.006 내지 0.015이고, 또한 제곱 평균 평방근 경사 RΔq가 0.150 내지 0.280이고, 티타늄 기재의 첨도 Rku가 3 초과이고, 티타늄 기재의 왜도 Rsk가 -0.5 초과로 할 수 있고, 평가 결과가 보다 한층 우수한 것을 알 수 있었다. 특히, 본 발명예 59 내지 61은, 표층부의 평균 질소 농도 및 평균 탄소 농도 중 어느 것도 14.0원자% 이하이고, 평균 수소 농도가 30.0원자% 이하이고, 티타늄재의 표면 및 판 두께 중앙의 α상의 Ti의 c축의 격자 상수의 차는 0.015Å 이하이고, 산화 피막에 있어서의 X선 광 전자 분광법으로 분석했을 때의 질화물 유래의 질소 농도의 최댓값이 2.0 내지 10.0원자%이고, 산화 피막에 있어서의 질화물 유래의 질소 농도가 최댓값을 나타내는 위치가, SiO2의 스퍼터링 속도로 환산했을 때에, 상기 산화 피막의 표면으로부터 2 내지 10nm의 범위에 존재하고, 티타늄 기재에 있어서의 산화 피막과의 계면 근방에 존재하는 질화물 유래의 질소 농도가, 산화 피막에 있어서의 질화물 유래의 질소 농도의 최댓값 미만 또한 7원자% 이하이고, 산화 피막에 있어서의 질화물 유래의 질소 농도의 최댓값이, 산화 피막에 있어서의 질화물 유래의 질소 농도가 최대가 되는 위치의 탄화물 유래의 탄소 농도 이상이었다. 그 결과, 이것들의 색차 평가 결과는 A이고, 눈으로 본 관능 평가 결과는 A+++로, 내변색성이 매우 우수한 것이었다.As shown in Tables 7 to 10, by controlling the heat treatment temperature, time, heat treatment atmosphere, and cooling atmosphere, it was found that the ratio of the arithmetic mean roughness Ra to the element length RSm, Ra/RSm, in the roughness curve in the direction where the arithmetic mean roughness Ra is maximum was 0.006 to 0.015, and further, the root mean square inclination RΔq was 0.150 to 0.280, the kurtosis Rku of the titanium substrate exceeded 3, and the skewness Rsk of the titanium substrate exceeded -0.5, and the evaluation results were even more excellent. In particular, in Examples 59 to 61 of the present invention, both the average nitrogen concentration and the average carbon concentration of the surface layer are 14.0 at% or less, the average hydrogen concentration is 30.0 at% or less, the difference in the lattice constant of the c-axis of the Ti of the α phase at the surface and the center of the plate thickness of the titanium material is 0.015 Å or less, the maximum value of the nitrogen concentration derived from nitride when analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy in the oxide film is 2.0 to 10.0 at%, the position where the nitrogen concentration derived from nitride in the oxide film shows a maximum value exists in a range of 2 to 10 nm from the surface of the oxide film when converted to a sputtering rate of SiO 2 , and the nitrogen concentration derived from nitride present near the interface with the oxide film in the titanium substrate is less than the maximum value of the nitrogen concentration derived from nitride in the oxide film and 7 at% or less, and the nitride in the oxide film The maximum value of the nitrogen concentration derived from the oxide film was higher than the carbon concentration derived from the carbide at the position where the nitrogen concentration derived from the nitride in the oxide film was maximum. As a result, the color difference evaluation result of these was A, and the sensory evaluation result seen with the eyes was A+++, indicating excellent discoloration resistance.
1: 티타늄재
10: 티타늄 기재
20: 산화 피막
30: 표층부1: Titanium material
10: Titanium substrate
20: Oxide film
30: Surface
Claims (5)
상기 표면에 있어서 입사각이 0.3도인 평행 빔법에 의한 X선 회절 측정에 의해 구해지는 α상의 Ti의 c축의 격자 상수와, 판 두께 중앙에 있어서 집중법에 의한 X선 회절 측정에 의해 구해지는 α상의 Ti의 c축의 격자 상수의 차가 0.015Å 이하인,
티타늄재.From the surface, the average nitrogen concentration and the average carbon concentration in the range from the surface to the position where the oxygen concentration in the thickness direction is 1/3 of the maximum value as measured by glow discharge spectroscopy are 14.0 at% or less, and the average hydrogen concentration is 30.0 at% or less,
The difference between the c-axis lattice constant of the α-phase Ti obtained by X-ray diffraction measurement using the parallel beam method at an incident angle of 0.3 degrees on the surface and the c-axis lattice constant of the α-phase Ti obtained by X-ray diffraction measurement using the concentration method at the center of the plate thickness is 0.015 Å or less.
Titanium material.
두께가 30.0nm 이하의 산화 피막을 구비하는,
티타늄재.In the first paragraph,
Having an oxide film with a thickness of 30.0 nm or less,
Titanium material.
티타늄 기재와,
상기 티타늄 기재의 표면에 배치된 산화 피막을 갖고,
X선 광 전자 분광법으로 분석했을 때,
상기 산화 피막에 있어서의 질화물 유래의 질소 농도의 최댓값이 2.0 내지 10.0원자%이고,
상기 산화 피막에 있어서의 상기 질화물 유래의 질소 농도가 최댓값을 나타내는 위치가, SiO2의 스퍼터링 속도로 환산했을 때에, 상기 산화 피막의 표면으로부터 2 내지 10nm의 범위에 존재하고,
산소 농도가 최댓값의 1/2이 되는 위치로부터 티타늄 기재측까지 20nm 범위에 존재하는 상기 질화물 유래의 질소의 농도가, 상기 산화 피막에 있어서의 상기 질화물 유래의 질소 농도의 최댓값 미만 또한 7 원자% 이하이고,
상기 산화 피막에 있어서의 상기 질화물 유래의 상기 질소 농도의 최댓값이, 상기 산화 피막에 있어서의 상기 질화물 유래의 상기 질소 농도가 최대가 되는 위치의 탄화물 유래의 탄소 농도 이상인,
티타늄재.In paragraph 1 or 2,
Titanium substrate,
Having an oxide film disposed on the surface of the titanium substrate,
When analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy,
The maximum concentration of nitrogen derived from nitride in the above oxide film is 2.0 to 10.0 atomic%,
The position at which the nitrogen concentration derived from the nitride in the oxide film reaches a maximum value, when converted to the sputtering rate of SiO 2 , exists in a range of 2 to 10 nm from the surface of the oxide film,
The concentration of nitrogen derived from the nitride existing in a range of 20 nm from the position where the oxygen concentration is half of the maximum value to the titanium substrate side is less than the maximum value of the nitrogen concentration derived from the nitride in the oxide film and is 7 at% or less,
The maximum value of the nitrogen concentration derived from the nitride in the oxide film is greater than or equal to the carbon concentration derived from the carbide at the position where the nitrogen concentration derived from the nitride in the oxide film becomes maximum.
Titanium material.
산술 평균 거칠기 Ra가 최대가 되는 방향의 거칠기 곡선에 있어서, 산술 평균 거칠기 Ra와 요소 길이 RSm의 비인 Ra/RSm이 0.006 내지 0.015이고, 또한, 제곱 평균 평방근 경사 RΔq가 0.150 내지 0.280인 티타늄 기재를 구비하고,
상기 티타늄 기재의 첨도 Rku가 3 초과이고,
상기 티타늄 기재의 왜도 Rsk가 -0.5 초과인,
티타늄재.In paragraph 1 or 2,
A titanium substrate is provided, wherein, in a roughness curve in a direction in which the arithmetic mean roughness Ra is maximum, the ratio of the arithmetic mean roughness Ra to the element length RSm, Ra/RSm, is 0.006 to 0.015, and further, the root mean square inclination RΔq is 0.150 to 0.280.
The kurtosis Rku of the above titanium substrate is greater than 3,
The skewness Rsk of the above titanium substrate is greater than -0.5,
Titanium material.
상기 티타늄 기재는, 산술 평균 거칠기 Ra가 최대가 되는 방향의 거칠기 곡선에 있어서, 산술 평균 거칠기 Ra와 요소 길이 RSm의 비인 Ra/RSm이 0.006 내지 0.015이고, 또한, 제곱 평균 평방근 경사 RΔq가 0.150 내지 0.280이며,
상기 티타늄 기재의 첨도 Rku가 3 초과이고,
상기 티타늄 기재의 왜도 Rsk가 -0.5 초과인,
티타늄재.
In the third paragraph,
The titanium substrate has a ratio of the arithmetic mean roughness Ra to the element length RSm, Ra/RSm, in a roughness curve in the direction where the arithmetic mean roughness Ra is maximum, of 0.006 to 0.015, and further has a root mean square inclination RΔq of 0.150 to 0.280.
The kurtosis Rku of the above titanium substrate is greater than 3,
The skewness Rsk of the above titanium substrate is greater than -0.5,
Titanium material.
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