CN113088846A - 一种冷轧钛材的着色工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冷轧钛材的着色工艺，属于钛材加工技术领域。一种冷轧钛材的着色工艺，包括在氮气和惰性气体的混合气氛中，将脱脂处理后的冷轧钛材进行退火处理，即得表面着色的钛材。本发明提供的着色工艺，能够在冷轧钛材退火处理的同时，对冷轧钛材进行表面着色处理，缩短了工艺流程，提升了处理效率。

Description

一种冷轧钛材的着色工艺
技术领域
本发明属于钛材加工技术领域，具体涉及一种冷轧钛材的着色工艺。
背景技术
钛材因具有优良的耐蚀性、高端的金属光泽，近年来在建筑装饰领域的应用逐渐兴起，例如杭州大剧院、西班牙里斯卡尔侯爵酒店、日本九州石油体育场等建筑，或采用了钛材的幕墙或采用了钛材的瓦片。
应用于工业的钛材通常不需经过特殊的着色处理，即直接显示钛的金属本色；而在一些个性化的设计中，则需钛材展现特殊的颜色外观，也就是需要对其进行各类着色处理，例如设置在西班牙里斯卡尔侯爵酒店的钛幕墙就采用了紫色、金色等多色的组合。
常见的钛材表面着色工艺有物理气相沉积法(Physical Vapor Deposition,PVD)和阳极氧化法。阳极氧化是将成型、表面清洁后的钛材，放入氧化着色液中，通直流电，通过电极氧化反应，使钛材着色，这种方法具有工序步骤多、所用化学药品种类多等缺点，此外，阳极氧化法着色的处理效率较低，仅适用于小批量加工。相较于阳极氧化法着色，PVD法在一定程度上提升了效率、降低了着色工艺对环境的污染，但仍需在钛材处理完毕后，单独施加PVD法，流程仍然较长，此外，PVD涂层与钛材基体的附着力也有待提高。
综上，现有的钛材表面着色工艺，均存在工艺较长、着色层与基材层结合不够紧密等问题。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种冷轧钛材着色工艺，能够在冷轧钛材退火处理的同时，对所述冷轧钛材进行表面着色处理，缩短了工艺流程，提升了处理效率。
根据本发明的一个方面，提出了一种冷轧钛材的着色工艺，包括在氮气和惰性气体的混合气氛中，将脱脂处理后的冷轧钛材进行连续退火处理，即得表面着色的钛材。
根据本发明的一种优选的实施方式，至少具有以下有益效果：
(1)本发明提供的着色工艺，将表面着色与退火同步完成，可实现连续化、规模化生产，不仅缩短了流程，还大幅提升了表面着色处理的效率。
(2)由于在冷轧过程中，会产生加工硬化，降低材料塑性，因此冷轧钛材需经过退火步骤；本发明提供的着色工艺，在退火的同时进行着色处理，不需要投入新的设备和能耗，节约了钛材表面着色的投入成本。
(3)本发明提供的着色工艺，机理是在退火处理的温度作用下，氮气与钛材基体表面发生化学反应，生成褐色至金色的氮化钛薄膜，由于着色层本是基材层的一部分，因此着色层与基材层的结合紧密，应用过程中着色层不易脱落。
(4)本发明提供的着色工艺，可通过调整参数，在保证机械性能的前提下，控制钛材的着色深度，进而产出具有特定颜色的钛材，满足特定场景中的装饰需求。
在本发明的一些实施方式中，所述冷轧钛材，包括冷轧纯钛带材和钛合金带材。
与热轧钛材(热轧温度一般高于900℃)不同，冷轧钛材表面不存在明显的吸气层(热轧过程中钛材与空气中氧气和氮气反应，产生厚达几十微米的吸气层，过厚的吸气层会影响钛材的机械性能)，因此冷轧钛材可以直接采用本发明提供的工艺进行着色，若将本发明提供的着色工艺应用于热轧钛材，还需在着色处理前，除去热轧过程中钛材表面产生的吸气层。
在本发明的一些实施方式中，所述退火处理，温度为600℃～750℃。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述退火处理，温度为610℃～700℃。
钛材在温度高于550℃时，吸氮倾向明显，低于550℃时，吸氮能力较弱。
钛材再结晶退火温度一般为600℃-750℃，在此区间退火可获得较好的综合性能。
当所述退火处理温度低于600℃时，所述冷轧钛材退火不充分，塑性差，同时着色效果不佳(吸氮能力差)；而高于750℃时，钛材晶粒异常粗大，综合性能不佳。
在本发明的一些实施方式中，所述混合气氛中，所述氮气和惰性气体的体积比为1：(9～19)。
所述氮气的作用是，与冷轧钛材的表面部分发生如式(1)所示反应，生成褐色至金色(与着色深度相关)的氮化钛，进而获得所述表面着色的冷轧钛材。
Ti(s)+N2(g)→TiN(s) (1)。
如前所述，由于所述退火处理，不仅要满足所述冷轧钛材表面着色的要求，还要满足调控钛材力学性能的要求，因此温度范围较为固定。
在相应的退火温度下，钛与氮气的反应速度与保护气氛中氮气的浓度相关，若所述氮气和惰性气体的体积比例大于1:9，即氮气比例超出本发明的范围，则会出现吸氮深度过深，进而影响所处理的钛材的机械性能；若所述氮气和惰性气体的体积比例小于1:19，则会降低反应速度，导致着色效果不佳。
在本发明的一些实施方式中，所述混合气氛，气流量为30m3/h～50m3/h。
若所述混合气氛的流量大于50m3/h，则气体带走大量的热，导致所述冷轧钛材的温度低于设计温度，不能同时达到退火和着色的作用，同时会额外增加能耗和气体消耗。
若所述混合气氛的流量小于30m3/h，则随着反应的进行，混合气氛中的氮气不能维持着色反应的进行，影响表面着色效果。
在本发明的一些实施方式中，所述退火处理，处理速度为3m/min～15m/min。
在本发明的一些优选的些实施方式中，所述退火处理，处理速度为5m/min～10m/min。
在本发明的一些实施方式中，所述表面着色的钛材，着色深度为1μm～3μm。
本发明所述脱脂处理，方法为以碱的水溶液进行清洗，所述脱脂处理，目的为清除所述冷轧钛材的表面油脂。
若不进行脱脂处理，则其表面的油脂在所述退火处理过程中，会破坏退火气氛，部分油脂还会碳化并附着于产品表面，影响着色效果。
在本发明的一些实施方式中，所述退火处理，为连续退火处理。
在空气中放置一段时间的钛材，表面会生成致密氧化膜，阻止了常温下氮气与钛材基体的反应；但是加热状态下，钛材与氮气的反应速度较快，即着色(吸氮)深度难以控制，很容易造成钛材机械性能的损失；本发明提供的冷轧钛材的着色工艺，只有退火温度、退火跑带速度、气流量、气氛比例等各因素有机结合，方能发挥最优效果，兼顾机械性能和着色美观程度。
冷轧纯钛板材和冷轧钛合金钛材也可参考本发明提供的着色工艺，进行退火和着色的一体化处理，处理设备可选用罩式炉，气氛可选用氮气和惰性气体的混合气氛。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例制备了一种表面着色的TA2钛带卷，具体过程为：
S1.将厚0.21mm、宽446mm的冷轧TA2钛带卷在连续脱脂机组上进行脱脂处理，清除表面油污，获得表面洁净的冷轧钛带卷；
S2.将步骤1所得冷轧钛带卷在保护气氛中进行连续退火处理；
其中保护气氛流量为45m3/h，氩气占比95％(体积比)，氮气占比5％(体积比)；
连续退火速度为5m/min；
退火处理温度为680℃；
冷却后即得表面着色的TA2钛带卷。
实施例2
本实施例制备了一种表面着色的TA4钛带卷，具体过程为：
S1.将厚0.1mm、宽600mm的冷轧TA4钛带卷在连续脱脂机组上进行脱脂处理，清除表面油污，获得表面洁净的冷轧钛带卷；
S2.将步骤1所得冷轧钛带卷在保护气氛中进行连续退火处理；
其中保护气氛流量为45m3/h，氩气占比90％(体积比)，氮气占比10％(体积比)；
连续退火速度为10m/min；
退火处理温度为610℃；
冷却后即得表面着色的TA4钛带卷。
对比例1
本对比例制备了一种TA2钛带卷，具体过程为：
S1.将厚0.21mm、宽446mm的冷轧TA2钛带卷在连续脱脂机组上进行脱脂处理，清除表面油污，获得表面洁净的冷轧钛带卷；
S2.将步骤1所得冷轧钛带卷在保护气氛中进行退火处理；
其中保护气氛流量为45m3/h，氩气占比100％(体积比)，氮气占比0％(体积比)；
连续退火速度为5m/min；
退火处理温度为680℃；
冷却后即得TA2钛带卷。
试验例
本试验例测试了实施例1～2制备的表面着色的钛带卷、对比例1制备的表面未着色钛带卷，以及实施例1所用原料(未经退火处理)的性能。其中：
通过肉眼观察钛带卷的表观颜色；
参照国标号为GB/T 228.1-2010的国标文件《金属材料拉伸试验室-温试验方法》提供的方法表征材料的力学性能；
着色深度的检测方法为：先量取着色后材料的厚度d0，之后以1200目砂纸打磨，直至显示出灰白色的钛本色，再次测量得厚度d1，着色深度的计算公式如式(2)所示：
着色深度d＝d0-d1 (2)；
每个样品选取10个位点进行测试，并取测试结果的平均值。
表观颜色和力学性能的表征结果如表1所示。
表1钛带卷的表征结果。
实施例1 实施例2 对比例1 实施例1所用原料
表观颜色 哑光暗金色 哑光暗金色 银灰色光亮 银灰色光亮
着色深度/μm 2.5 1.3 0 0
纵向抗拉强度/MPa 443 735 441 778
屈服强度/MPa 337 627 340 687
断后延伸率/％ 28 18 29 5
表1结果表明：(1)本发明提供冷轧钛材的着色工艺，确可同时达到着色和退火的功能(实施例1的产品、原料以及对比例1)；(2)本发明提供的冷轧钛材的着色工艺，通过各参数之间的相互配合，共同发生了协同作用，在确保着色效果的前提下，未损害钛材的机械性能(实施例1和对比例1)；(3)本发明提供的冷轧钛材的着色工艺，对多种钛材原料，具有较广的普适性(实施例1～2)。
上面对实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.一种冷轧钛材的着色工艺，其特征在于，包括在氮气和惰性气体的混合气氛中，将脱脂处理后的冷轧钛材进行退火处理，即得表面着色的钛材。
2.根据权利要求1所述的冷轧钛材的着色工艺，其特征在于，所述冷轧钛材，包括冷轧纯钛带材和钛合金带材。
3.根据权利要求1所述的冷轧钛材的着色工艺，其特征在于，所述混合气氛中，所述氮气和惰性气体的体积比为1：(9～19)。
4.根据权利要求1所述的冷轧钛材的着色工艺，其特征在于，所述混合气氛，气流量为30m3/h～50m3/h。
5.根据权利要求1所述的冷轧钛材的着色工艺，其特征在于，所述退火处理，温度为600℃～750℃。
6.根据权利要求5所述的冷轧钛材的着色工艺，其特征在于，所述退火处理，温度为610℃～700℃。
7.根据权利要求1所述的冷轧钛材的着色工艺，其特征在于，所述退火处理，处理速度为3m/min～15m/min。
8.根据权利要求7所述的冷轧钛材的着色工艺，其特征在于，所述退火处理，处理速度为5m/min～10m/min。
9.根据权利要求1所述的冷轧钛材的着色工艺，其特征在于，所述表面着色的钛材，着色深度为1μm～3μm。
10.根据权利要求1所述的冷轧钛材的着色工艺，其特征在于，所述脱脂处理，方法为以碱的水溶液进行清洗。
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