JP2022120642A - チタン材およびチタン材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】酸化皮膜が厚い場合であっても、発色性に優れたチタン材及びチタン材の製造方法を提供すること。【解決手段】本発明に係るチタン材は、チタン基材の表面に酸化皮膜を備え、チタン基材は、チタンナイトライドを有し、チタン基材の酸化皮膜が配された側の表面をＸ線光電子分光法で分析したとき、チタンナイトライドを形成した窒素の最大濃度が２～１０原子％であり、Ｌ＊ａ＊ｂ＊表色系における彩度Ｃ＊ａｂが２０以上である。【選択図】図１

Description

本発明は、チタン材およびチタン材の製造方法に関する。

近年、チタンは特有の落ち着いた質感や、表面に形成された薄い酸化皮膜の干渉作用による発色特性が評価され、意匠性材料としての認知度が高まってきている。

特許文献１には、カラーバリエーションの豊富な着色チタンを能率よく製造するために、チタンまたはチタン合金を窒化処理して表面に窒化チタン膜を形成した後、そのチタンまたはチタン合金を酸化処理することを特徴とする金属チタンの着色方法が開示されている。

酸化皮膜の形成方法としては、例えば、陽極酸化による酸化皮膜の形成方法がある。陽極酸化皮膜の形成方法は、電解質溶液中でチタンを陽極として電流を流すことによりチタンの表面に酸化皮膜を形成させる方法である。陽極酸化は、印加電圧により、酸化皮膜の厚さ、すなわち色調を制御できるため、容易な発色手法として重宝されている。

陽極酸化を用いてチタン材に酸化皮膜を形成する方法として、例えば、特許文献２には、以下の工程（ａ－１）及び（ｂ）を含む、結晶性酸化チタン皮膜の製造方法が開示されている。
（ａ－１）チタン又はチタン合金の加熱処理を、以下（１）乃至（３）のいずれかに記載の条件下で実施することにより、該チタン又はチタン合金の表面にチタン窒化物を形成する工程
（１）窒素及び／又はアンモニアガス雰囲気中、酸素トラップ剤の存在下、
（２）減圧して雰囲気ガスを排出した後に、窒素及び／又はアンモニアガスを充填した雰囲気中、及び
（３）減圧して雰囲気ガスを排出した後に、窒素及び／又はアンモニアガスを充填した雰囲気中で、酸素トラップ剤の存在下；並びに
（ｂ）無機酸及び／又は有機酸を含有する電解液中に、上記工程（ａ－１）で得られたチタン又はチタン合金を浸漬し、電圧を印加することにより陽極酸化を行う工程。

特許文献３には、（１）加熱温度が７５０℃以上である、アンモニアガス雰囲気下での加熱処理及び窒素ガス雰囲気下での加熱処理よりなる群から選択される１種の処理方法により、金属チタン材料又はチタン合金材料の表面にチタン窒化物を形成する工程、（２）工程（１）で得られた、表面にチタン窒化物が形成された金属チタン材料又はチタン合金材料を、チタンに対してエッチング作用を有しない電解液中で、１０Ｖ以上の電圧を印加することにより陽極酸化を行い、チタンの酸化皮膜を形成する工程、及び、（３）工程（２）で得られた、表面にチタンの酸化皮膜が形成された金属チタン材料又はチタン合金材料を、大気酸化雰囲気、酸素ガスと窒素ガスを混合させた雰囲気又は酸素ガス雰囲気から選択される雰囲気中で、４００℃以上の温度で加熱処理を行う工程を含むことを特徴とする、表面処理された金属チタン材料又はチタン合金材料の製造方法が開示されている。

特許文献４には、チタン又はチタン合金にガス窒化処理を施した後、アノード酸化処理により干渉色を発色させることを特徴とする高耐摩耗性干渉色皮膜を有するチタン材量の製造方法が開示されている。

特許文献５には、電解液中で電圧を印加して表面を電解酸化することによりチタンを発色させる方法において、所望の色に対応した主電圧の印加を保持する途中に主電圧より低い低電圧の印加を挿入し、挿入した低電圧の印加を挟んで主電圧の印加を複数段に分けることを特徴とするチタン発色方法が開示されている。

特許文献６には、陽極酸化により、バルブ金属を主成分とする被処理材の表面に酸化物皮膜を形成する方法において、低電流密度で陽極酸化を行う第１陽極酸化工程と、高電流密度で陽極酸化を行う第２陽極酸化工程とを備えていることを特徴とする酸化物皮膜の形成方法が開示されている。

特開平９－２６３９２９号公報 国際公開第２００７／２３５４３号 国際公開第２０１４／１３２８７４号 特開２００６－６３４０６号公報 特開２００６－２１９７３５号公報 特開２００５－３２０６２３号公報

しかしながら、特許文献１～４に開示された技術では、陽極酸化における印加電圧を５０Ｖ以上にした場合、チタン材表面の彩度が低く、くすんだ色として認識される場合があった。印加電圧が５０Ｖ以上である場合、酸化皮膜の厚さは８０ｎｍ以上とすることができるが、特許文献１～４に開示された技術では、酸化皮膜の厚さが８０ｎｍ以上の場合に、チタン材の色がくすんだ色として認識される場合があった。

また、特許文献５に開示された技術は、主電圧の印加を保持する途中に主電圧より低い低電圧の印加を挿入し、挿入した低電圧の印加を挟んで主電圧の印加を複数段に分ける方法であるため、大型の設備投資が必要になる。

また、特許文献６に開示された技術は、低電流密度で陽極酸化を行う第１陽極酸化工程と、高電流密度で陽極酸化を行う第２陽極酸化工程とを備える方法であり、電流密度を緻密に制御する方法であるが、大型の設備投資が必要になる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、酸化皮膜が厚い場合であっても、発色性に優れたチタン材及びチタン材の製造方法を提供することにある。

彩度が低いチタン材は、結晶粒がそれぞれ異なる色に発色しており、肉眼ではでそれらが混ざった色として認識されるため（並置混合）くすんだ色に認識される。彩度が低いチタン材では、酸化皮膜の厚さにばらつきが生じていると考えられる。本発明者らが陽極酸化の条件とチタン材の発色性について詳細に検討したところ、陽極酸化で形成する酸化皮膜の厚さは、印加電圧の大きさ、及び、形成する非晶質酸化チタン、アナターゼ型酸化チタン又はルチル型酸化チタンの電気抵抗率によって定まるという知見を得た。

印加電圧が５０Ｖ未満の陽極酸化では高彩度な発色が可能である。印加電圧が５０Ｖ未満の陽極酸化では主に非晶質の酸化チタンが形成する。非晶質の酸化チタンは、電気抵抗率に異方性がないため、形成する酸化皮膜の厚さが一定になり易いと考えられる。一方、印加電圧が５０Ｖ以上の陽極酸化では、チタン基材の結晶単位で酸化皮膜の厚さが異なり彩度が低下することが分かった。この原因は、陽極酸化で形成する、アナターゼ型の酸化チタン又はルチル型の酸化チタンの結晶方位がチタン基材の結晶方位毎に異なったり導入されたひずみによって変化したりすることに加え、アナターゼ型の酸化チタン及びルチル型の酸化チタンの結晶が異方性を有し、電気抵抗率に異方性を有するためであると考えられる。

本発明者らは、発色性に優れたチタン材を得るために、アナターゼ型の酸化チタン及びルチル型の酸化チタンの結晶をできるだけ一方向に揃えて、異方性の小さい電気抵抗率とすることに想到した。本発明者らは、更に検討を進め、本発明をするに至った。

上記知見に基づき完成された本発明の要旨は、以下の通りである。
［１］
チタン基材の表面に酸化皮膜を備え、
前記チタン基材は、チタンナイトライドを有し、
前記チタン基材の前記酸化皮膜が配された側の表面をＸ線光電子分光法で分析したとき、前記チタンナイトライドを形成した窒素の最大濃度が２～１０原子％であり、
Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊表色系における彩度Ｃ^＊ａｂが２０以上である、チタン材。
［２］
前記チタンナイトライドを形成した窒素が最大濃度となる位置が、前記チタン基材と前記酸化皮膜との界面から、前記チタン基材方向に３００ｎｍまでの範囲に位置している、［１］に記載のチタン材。
［３］
前記酸化皮膜の厚さが８０ｎｍ以上である、［１］又は［２］に記載のチタン材。
［４］
チタン素材を以下の条件（ｉ）～（ｉｉｉ）のいずれかの条件で窒化処理する窒化処理工程の後、陽極酸化工程を行う、チタン材の製造方法。
条件（ｉ）窒素分圧１Ｐａ以上１０Ｐａ未満の雰囲気において、前記チタン素材を１分以上５時間以下の間、６００℃以上８００℃以下の温度に保持し、その後、窒素分圧１Ｐａ以上１０Ｐａ未満の雰囲気下で冷却する。
条件（ｉｉ）大気雰囲気において、前記チタン素材を４０秒以上５分以下の間、２５０℃以上６００℃以下の温度に保持し、その後、大気雰囲気で冷却する。
条件（ｉｉｉ）真空雰囲気において、前記チタン素材を２００℃以上の温度に保持し、前記保持後、前記チタン素材の温度が２００℃以上、５００℃以下の間のいずれかの温度になった時点から純窒素ガスを前記チタン素材に吹き付けて冷却する、又は、真空雰囲気において、前記チタン素材を３００℃以上の温度に保持し、前記保持後、前記チタン素材の温度が３００℃以上、８００℃未満のいずれかの温度になった時点から大気を前記チタン素材に吹き付けて冷却する。

以上説明したように、本発明によれば、酸化皮膜が厚い場合であっても、発色性に優れたチタン材及びチタン材の製造方法を提供することが可能となる。

陽極酸化後のチタン材のＸ線光電子分析法による分析結果の一例を示す図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。

＜チタン材の製造方法＞
本実施形態に係るチタン材は、チタン基材の表面に酸化皮膜を備え、チタン基材は、チタンナイトライドを有し、チタン基材の酸化皮膜が配された側の表面をＸ線光電子分光法で分析したとき、チタンナイトライドを形成した窒素の最大濃度が２～１０原子％であり、Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊表色系における彩度Ｃ^＊ａｂが２０以上である。以下に、詳細に説明する。

（チタン基材）
本実施形態に係るチタン材の基材となるチタン基材は、特段制限されず、純チタン又はチタン合金のいずれかであってよい。チタン基材は、例えば、Ｔｉ含有量が７０質量％以上の純チタンまたはチタン合金である。

純チタンには、例えば、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｈ ４６００：２０１２）の１種～４種、及びこれらに対応するＡＳＴＭ規格のＧｒａｄｅ１～４で規定される工業用純チタンを含む。すなわち、本発明で対象とする工業用純チタンは、質量％で、Ｃ：０．１％以下、Ｈ：０．０１５％以下、Ｏ：０．４％以下、Ｎ：０．０７％以下、Ｆｅ：０．５％以下、残部がＴｉ及び不純物からなる。

チタン合金としては、α型チタン合金、α＋β型チタン合金又はβ型チタン合金が挙げられる。

α型チタン合金としては、例えば高耐食性合金（上記ＪＩＳ規格の１１種～１３種、１７種、１９種～２２種、及びＡＳＴＭ規格のＧｒａｄｅ７、１１、１３、１４、１７、３０、３１で規定されるチタン合金やさらに種々の元素を少量含有させたチタン合金）、Ｔｉ－０．５Ｃｕ、Ｔｉ－１．０Ｃｕ、Ｔｉ－１．０Ｃｕ－０．５Ｎｂ、Ｔｉ－１．０Ｃｕ－１．０Ｓｎ－０．３Ｓｉ－０．２５Ｎｂ、Ｔｉ－０．５Ａｌ－０．４５Ｓｉ、Ｔｉ－０．９Ａｌ－０．３５Ｓｉ、Ｔｉ－３Ａｌ－２．５Ｖ、Ｔｉ－５Ａｌ－２．５Ｓｎ、Ｔｉ－６Ａｌ－２Ｓｎ－４Ｚｒ－２Ｍｏ、Ｔｉ－６Ａｌ－２．７５Ｓｎ－４Ｚｒ－０．４Ｍｏ－０．４５Ｓｉなどがある。

α＋β型チタン合金としては、例えば、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ、Ｔｉ－６Ａｌ－６Ｖ－２Ｓｎ、Ｔｉ－６Ａｌ－７Ｖ、Ｔｉ－３Ａｌ－５Ｖ、Ｔｉ－５Ａｌ－２Ｓｎ－２Ｚｒ－４Ｍｏ－４Ｃｒ、Ｔｉ－６Ａｌ－２Ｓｎ－４Ｚｒ－６Ｍｏ、Ｔｉ－１Ｆｅ－０．３５Ｏ、Ｔｉ－１．５Ｆｅ－０．５Ｏ、Ｔｉ－５Ａｌ－１Ｆｅ、Ｔｉ－５Ａｌ－１Ｆｅ－０．３Ｓｉ、Ｔｉ－５Ａｌ－２Ｆｅ、Ｔｉ－５Ａｌ－２Ｆｅ－０．３Ｓｉ、Ｔｉ－５Ａｌ－２Ｆｅ－３Ｍｏ、Ｔｉ－４．５Ａｌ－２Ｆｅ－２Ｖ－３Ｍｏなどがある。

さらに、β型チタン合金としては、例えば、Ｔｉ－１１．５Ｍｏ－６Ｚｒ－４．５Ｓｎ、Ｔｉ－８Ｖ－３Ａｌ－６Ｃｒ－４Ｍｏ－４Ｚｒ、Ｔｉ－１０Ｖ－２Ｆｅ－３Ｍｏ、Ｔｉ－１３Ｖ－１１Ｃｒ－３Ａｌ、Ｔｉ－１５Ｖ－３Ａｌ－３Ｃｒ－３Ｓｎ、Ｔｉ－６．８Ｍｏ－４．５Ｆｅ－１．５Ａｌ、Ｔｉ－２０Ｖ－４Ａｌ－１Ｓｎ、Ｔｉ－２２Ｖ－４Ａｌなどがある。

チタン基材は、酸化皮膜との界面付近に微細分散したチタンナイトライドを有している。少なくとも表層にチタンナイトライドが微細分散したチタン基材に陽極酸化を施すと、陽極酸化により形成される酸化皮膜の厚さが均一になり、彩度が高い発色が得られる。この理由は必ずしも明らかではないが、本発明者らは以下のように推察している。すなわち、微細分散したチタンナイトライドが陽極酸化で形成する酸化チタンの結晶の核となり、当該チタンナイトライドを起点にして結晶化した酸化チタンの結晶方位が同一方向に集積する。その結果、チタン基材の結晶方位が酸化チタンの結晶方位に影響を及ぼしにくくなり、酸化皮膜の膜厚が均一になるためであると本発明者らは推察している。

本実施形態に係るチタン材では、チタン基材の酸化皮膜が配された側の表面をＸ線光電子分光法（ＸＰＳ；Ｘ－ｒａｙ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）で分析したとき、チタンナイトライドを形成した窒素の最大濃度が２～１０原子％である。

チタンナイトライドを形成した窒素や酸素等の濃度は、日本電子製、ＪＰＳ-９２００を用いて以下の方法で測定される。分析条件を、Ｘ線源：ＭｇＫα（ｈν:１２００.０ｅＶ）、ビーム径：１ｍｍΦ（≒分析領域）、取込角度：５６°、スパッタ条件：Ａｒ^＋、スパッタレート２.９ｎｍ/ｍｉｎ.（ＳｉＯ_２換算値）とする。ＳｉＯ_２換算値とは、あらかじめエリプソメーターを用いて厚さを測定したＳｉＯ_２膜を用いて、同一測定条件で求めたときのスパッタリング速度である。結合エネルギーが約３９３～４０２ｅＶの位置に表れるスペクトルのピークをＮ１ｓのピークとし、有機物由来のＮを約３９９～４０１ｅＶ、チタンナイトライド由来のＮを約３９７±１ｅＶとして分離する。結合エネルギーが約２８０～２９５ｅＶの位置に表れるスペクトルのピークをＣ１ｓのピークとし測定し、有機物由来のＣを約２８４～２８９ｅＶ、チタン炭化物由来のＣを約２８１．５±１ｅＶとして分離する。結合エネルギーが約５２５～５４０ｅＶの位置に表れるスペクトルのピークをＯ１ｓのピークとして測定し、チタン酸化物由来のＯを４５５．１～４５９．１ｅＶとする。なお有機物由来のＯは約３９９～４０１ｅＶであるため、測定領域には含まれない。結合エネルギーが４５０～４７０ｅＶの位置に表れるスペクトルのピークをＴｉ２ｐのピークとして測定する。チタン単体は４５４．０ｅＶ、Ｔｉ酸化物は４５５．０～４５９．１ｅＶ、Ｔｉナイトライドは４５５．７ｅＶに検出される。結合エネルギーが７００～７２０ｅＶの位置に表れるスペクトルのピークをＦｅ２ｐのピークとして測定する。Ｆｅ単体は、７０６．９ｅＶ、Ｆｅ炭化物は７０８．１ｅＶ、Ｆｅ酸化物は７０９．６～７１０．９ｅＶに検出される。
上記の物質の結合エネルギーは一般的な値であり、測定試料の帯電等によって変化し得る。結合エネルギーを補正する場合、有機物由来のＣにおけるＣ－Ｃ結合のピーク位置２８４ｅＶをもとに補正する。

これらのピークを用い、付属の解析ソフトウェアであるＳｐｅｃＳｕｒｆ（Ａｎａｌｙｓｉｓ）を使用して、元素濃度、化学状態別の濃度を解析する。ＸＰＳにより求められた質量％での濃度は、ＳｐｅｃＳｕｒｆ（Ａｎａｌｙｓｉｓ）により、原子％での濃度に変換される。具体的には、Ｓｈｉｒｌｅｙ法に基づいてバックグラウンドを補正する。次いで、化合物に関してはＧａｕｓｓ－Ｌｏｒｅｎｔｓ関数により、金属の場合はＡｓｙｍｍｅｔｒｉｃ関数により、各元素で化学状態別にピークをフィッティングする。そして、各化学状態由来のピークの面積比率を元素の濃度（原子％）に乗じて、化学状態別の濃度（原子％）を算出する。上記の元素の濃度は、ＸＰＳで検出された各元素にて、その元素に係るすべてのピークを含めての（分離せずに）ピーク面積を算出し、これに元素毎の感度係数で除して、百分率としたものである。分析深さ毎の各元素の濃度（原子％）は、例えば、図１に示したようなグラフとして示される。なお、図１では、Ｎ、Ｏ、及びＴｉについての分析深さ毎の濃度を示しており、これら以外の元素の分析深さ毎の濃度は省略している。

本実施形態では、酸化皮膜の厚さは、チタン材の表面から、ＸＰＳに基づいて算出された酸素濃度が最高濃度とベース濃度との中間濃度となる位置までを言う。そのため、チタン基材と酸化皮膜との界面は、ＸＰＳにより測定された酸素濃度が最高濃度とベース濃度との中間濃度となる位置である。チタンナイトライドを形成した窒素の最大濃度は、当該位置よりチタン基材側における窒素の最大濃度とする。

チタンナイトライドを形成した窒素の最大濃度が２～１０原子％であれば、チタンナイトライドを起点にして結晶化した酸化チタンの結晶方位が同一方向に集積し易くなるため、酸化皮膜の厚さが均一になる。その結果、高い彩度のチタン材が得られる。チタンナイトライドを形成した窒素の最大濃度が２原子％未満であると、酸化チタンの結晶方位が同一方向に集積が十分でなく、高い彩度のチタン材を得ることが困難である。また、チタンナイトライドの量が多すぎる場合、チタン基材の結晶方位がチタンナイトライドの結晶方位に影響し、このチタンナイトライドの結晶方位が陽極酸化で形成する酸化チタンの結晶方位に影響する。チタンナイトライドを形成した窒素の最大濃度が１０原子％超であると、チタン基材の結晶方位の影響を受けるチタンナイトライドの量が多いため、間接的にチタン基材の結晶方位が陽極酸化で形成する酸化チタンの結晶方位に影響を及ぼすことになる。その結果、酸化皮膜の厚さがチタン基材の結晶毎にばらつきが生じ、チタン材の彩度が低下する。よって、チタンナイトライドを形成した窒素の最大濃度が１０原子％以下である。

チタンナイトライドを形成した窒素の濃度が最大となる位置は、チタン基材と酸化皮膜との界面から、チタン基材方向に３００ｎｍまでの範囲に位置していることが好ましい。チタンナイトライドを形成した窒素の最大濃度が最大となる位置が、チタン基材と酸化皮膜との界面から、チタン基材方向に３００ｎｍまでの範囲に位置していれば、当該チタンナイトライドを起点にして結晶化した酸化チタンの結晶方位が同一方向に集積し易い。その結果、チタン材の彩度をより一層確保し易くなる。

本実施形態に係るチタン材のＸＰＳ測定においてチタンナイトライドのピークが検出されることや窒素濃度がチタン内の窒素原子の固溶限を超えていることから、本実施形態に係るチタン材には、Ｔｉ_２Ｎ、ＴｉＮといったチタンナイトライドが存在していると推定される。加えて、皮膜を形成する濃度以下であることから、チタンナイトライドは微細に分散していると推定される。

（酸化皮膜）
本実施形態に係るチタン材は、チタン基材の表面に配された厚さ８０ｎｍ以上の酸化皮膜を備えることが好ましい。酸化皮膜の厚さは、チタン材の表面から、上述した方法により測定された酸素濃度が最高濃度とベース濃度との中間濃度となる位置までを言う。詳細には、酸化皮膜の厚さは、酸化皮膜表面での酸素濃度の測定値に対して、酸素濃度が最高濃度とベース濃度との中間濃度となる位置でのスパッタリング時間を求め、ＳｉＯ_２換算のスパッタリング速度と上記素スパッタリング時間を掛けた値を酸化皮膜厚さとする。

従来の発色材であっても酸化皮膜の厚さが８０ｎｍ未満である場合は、比較的高い彩度が得られることが多い。一方で、上述したとおり、従来の発色材で酸化皮膜の厚さが８０ｎｍ以上である場合、彩度が低くくすんだ色となることが多い。本実施形態では、チタン基材の酸化皮膜が配された側の表面をＸ線光電子分光法で分析したとき、チタンナイトライドを形成した窒素の最大濃度が２～１０原子％であれば、Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊表色系における彩度Ｃ^＊ａｂが２０以上であり、発色性に優れたチタン材となる。そのため、本実施形態では、酸化皮膜の厚さが８０ｎｍ未満であっても優れた発色性が得られるが、酸化皮膜の厚さが８０ｎｍ以上であっても優れた発色性を実現することができる。

（チタン材の彩度Ｃ^＊ａｂが２０以上）
本実施形態に係るチタン材では、彩度Ｃ^＊ａｂが２０以上である。彩度Ｃ^＊ａｂは、Ｌ^＊Ｃ^＊ｈ表色系の彩度であり、Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊表色系の色度ａ^＊及び色度ｂ^＊によって、Ｃ^＊＝（（ａ^＊）２＋（ｂ^＊）２）^１／２で表わされる値である。Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊表色系は、ＣＩＥ（国際照明委員会）で規定され、ＪＩＳ ８７８１－４：２０１３でも規格されている。Ｌ^＊Ｃ^＊ｈ表色系は、Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊表色系を基に考案された表色系である。彩度Ｃ^＊ａｂを測定可能な測色計であれば、当該測色計を用いてＣ^＊ａｂを直接測定すれば良いし、色度ａ^＊及びｂ^＊を測定可能な測色計であれば、当該測色計を用いて色度ａ^＊及びｂ^＊を直接測定し、彩度Ｃ^＊ａｂを計算によって算出すれば良い。また、例えば、ＣＩＥで規定されているＸＹＺ表色系の三刺激値を測定又は算出し、これを用いてＬ^＊Ｃ^＊ｈ表色系の彩度Ｃ^＊ａｂを算出する等、Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊表色系やＬ^＊Ｃ^＊ｈ表色系以外の公知の表色系で表わされる値を測定又は算出し、これを変換することでＬ^＊Ｃ^＊ｈ表色系の彩度Ｃ^＊を算出しても良い。

彩度Ｃ^＊ａｂが２０以上であれば、最終製品として高い彩度の発色材とすることが可能である。彩度Ｃ^＊ａｂは、好ましくは２５以上であり、より好ましくは３０以上である。

本実施形態に係るチタン材の形状は、特段制限されず、板、コイル、または条などである。ここまで、本実施形態に係るチタン材を説明した。

＜チタン材の製造方法＞
続いて、本実施形態に係るチタン材の製造方法の一例を説明する。本実施形態に係るチタン材の製造方法は特段制限されないが、本実施形態に係るチタン材の製造方法は例えば以下の方法で製造することができる。よって、以下に説明するチタン材の製造方法は、本発明の一実施形態である。

本実施形態に係るチタン材は、チタン素材を以下の条件（ｉ）～（ｉｉｉ）のいずれかの条件で窒化処理する窒化処理工程の後、陽極酸化処理を行うことで製造される。
条件（ｉ） 窒素分圧１Ｐａ以上１００Ｐａ未満の雰囲気において、チタン素材を１分以上５時間以下の間、６００℃以上８００℃以下の温度に保持し、その後、窒素分圧１Ｐａ以上１００Ｐａ未満の雰囲気下で冷却する。
条件（ｉｉ） 大気雰囲気において、チタン素材を４０秒以上５分以下の間、２５０℃以上６００℃以下の温度に保持し、その後、大気の雰囲気下で冷却する。
条件（ｉｉｉ） 真空雰囲気において、チタン素材を２００℃以上の温度に保持し、当該保持後、チタン素材の温度が２００℃以上、５００℃以下の間のいずれかの温度になった時点から純窒素ガスを上記チタン素材に吹き付けて冷却する、又は、真空雰囲気において、チタン素材を３００℃以上の温度に保持し、当該保持後、チタン素材の温度が３００℃以上、８００℃未満のいずれかの温度になった時点から大気を上記チタン素材に吹き付けて冷却する。

（窒化処理工程）
まず窒化処理工程を説明する。本工程では、上記条件（ｉ）～（ｉｉｉ）のいずれかの条件でチタン素材を処理することで、チタン素材の表層に雰囲気中の窒素が拡散し、チタン素材の表面付近にチタンナイトライドが形成する。以下に、条件（ｉ）～（ｉｉｉ）のそれぞれについて説明する。

［条件（ｉ）］
条件（ｉ）では、窒素分圧１Ｐａ以上１００Ｐａ未満の雰囲気において、チタン素材を１分以上５時間以下の間、６００℃以上８００℃以下の温度に保持し、その後、窒素分圧１Ｐａ以上１００Ｐａ未満の雰囲気下で冷却する。尚、窒化処理の雰囲気における窒素分圧は１Ｐａ以上１００Ｐａ未満で全圧は大気圧以下であってもよいが、雰囲気を構成するガスが窒素ガスと窒素以外のガスとの混合ガスである場合は、窒素以外のガスは純度９９．９９体積％以上のアルゴン、ヘリウム等の不活性ガスである。

チタン素材が保持温度に保持されている間の窒素分圧及び冷却時の窒素分圧が１Ｐａ未満では、チタン素材への雰囲気中の窒素の拡散が不十分であり、チタンナイトライドを形成した窒素の最大濃度を２～１０原子％とすることができない。一方、チタン素材が保持温度に保持されている間の窒素分圧及び冷却時の窒素分圧が１００Ｐａ以上では、チタン素材への雰囲気中の窒素の拡散が過剰となり、チタンナイトライドを形成した窒素の最大濃度が１０原子％超となる。よって、チタン素材が保持温度に保持されている間の窒素分圧及び冷却時の窒素分圧は、それぞれ１Ｐａ以上１００Ｐａ未満とする。

保持温度が６００℃未満である場合、雰囲気中に微量存在する不可避の酸素の反応が優勢になり雰囲気中の窒素の拡散が不十分となり、チタンナイトライドを形成した窒素の最大濃度を２～１０原子％とすることができない。一方、保持温度が８００℃超である場合、雰囲気中の窒素のチタン素材への拡散が過剰となり、チタンナイトライドを形成した窒素の最大濃度が１０原子％超となる。よって、保持温度は、６００℃以上８００℃以下とする。

チタン素材が保持温度に保持されている時間である保持時間が１分未満である場合、チタン素材への雰囲気中の窒素の拡散が不十分であり、チタンナイトライドを形成した窒素の最大濃度を２～１０原子％とすることができない。一方、保持時間が５時間超である場合、雰囲気中の窒素のチタン素材への拡散が過剰となり、チタンナイトライドを形成した窒素の最大濃度が１０原子％超となる。よって、保持時間は、１分以上５時間以下とする。

保持温度まで加熱している間の雰囲気は、窒素分圧１Ｐａ以上１００Ｐａ未満である。保持温度まで加熱している間の雰囲気は、雰囲気制御が容易になることから、保持温度にチタン素材を保持している間の雰囲気と同じであることが好ましい。

冷却速度は、特段制限されないが、例えば、１～５０℃／分とすることができる。冷却速度は、雰囲気中の窒素のチタン素材への拡散が過剰にならないよう１０℃／分以上とすることが好ましく、２０℃／分以上とすることがより好ましい。冷却速度は、雰囲気の導入により制御可能である。

また、雰囲気を窒素分圧１Ｐａ以上１００Ｐａ未満とした冷却は、例えば、チタン素材が室温になるまで行われてもよいし、１００℃まで上記雰囲気で冷却し、それ以降は大気としてもよい。

［条件（ｉｉ）］
条件（ｉｉ）では、大気雰囲気において、前記チタン素材を４０秒以上５分以下の間、２５０℃以上６００℃以下の温度に保持し、その後、大気雰囲気下で冷却する。

大気には多くの酸素と窒素が含まれている。チタンは窒素と比べ酸素との結びつきが強く、低温であるほどその傾向は顕著である。そのため大気中の窒素を拡散させ、窒素の最大濃度を２～１０原子％とするために保持温度を２５０℃以上とする。一方、保持温度が高くなりすぎると、窒素の拡散が過剰になる上、厚い酸化スケールが形成し、美観を損ねる。そのため、保持温度は６００℃以下とする。

チタン素材が保持温度に保持されている時間である保持時間が４０秒未満である場合、チタン素材への雰囲気中の窒素の拡散が不十分であり、チタンナイトライドを形成した窒素の最大濃度を２～１０原子％とすることができない。一方、保持時間が５分超である場合、雰囲気中の窒素のチタン素材への拡散が過剰となり、チタンナイトライドを形成した窒素の最大濃度が１０原子％超となる。よって、保持時間は、４０秒以上５分以下とする。

チタン素材が保持温度に保持されている間の雰囲気は、大気雰囲気である。チタン素材が保持温度に保持されている間の雰囲気が大気雰囲気であれば、陽極酸化後のチタン材の彩度をより一層高めることができる。この理由は、必ずしも明らかではないが、本発明者らは、大気酸化によって侵入した窒素及び表面に形成した薄い酸化皮膜が、陽極酸化中に酸素原子がチタン素材に侵入する速度を低下させ、チタンナイトライドを起点とした酸化チタンの結晶化を促進することで、酸化チタンの方位の集積度が向上するためであると推察している。また、大気雰囲気であれば、雰囲気制御を行わなくてもよいため、製造設備が簡便なものとなり、製造コストを低減することが可能となる。

保持温度まで加熱している間の雰囲気は、大気圧であることが好ましい。

冷却時の雰囲気は、大気雰囲気である。大気雰囲気でチタン素材を冷却するため、雰囲気制御を行わなくてもよく、製造設備が簡便なものとなり、製造コストを低減することが可能となる。

［条件（ｉｉｉ）］
条件（ｉｉｉ）では、真空雰囲気において、チタン素材を２００℃以上の温度に保持し、当該保持後、チタン素材の温度が２００℃以上、５００℃以下の間のいずれかの温度になった時点から純窒素ガスを上記チタン素材に吹き付けて冷却する、又は、真空雰囲気において、チタン素材を３００℃以上の温度に保持し、当該保持後、チタン素材の温度が保持温度から３００℃から８００℃未満のいずれかの温度になった時点から大気を上記チタン素材に吹き付けて冷却する。

条件（ｉｉｉ）では、保持後の冷却処理においてチタン素材に純窒素ガスを吹き付けて冷却する場合、真空雰囲気において、チタン素材を２００℃以上の温度に保持する。真空雰囲気での保持温度が２００℃未満では、窒素の拡散が不十分であり、チタンナイトライドを形成した窒素の最大濃度を２～１０原子％とすることができない。よって、保持後の冷却処理において純窒素ガスをチタン素材に吹き付ける場合、真空雰囲気での保持温度は、２００℃以上とする。ただし、大気をチタン素材に吹き付けて保持後のチタン素材を冷却する場合は、真空雰囲気での保持温度は、３００℃以上である。大気をチタン素材に吹き付けて保持後のチタン素材を冷却する場合の真空雰囲気での保持温度が３００℃未満では、窒素の拡散が不十分になるため真空雰囲気での保持温度は、３００℃以上とする。
真空雰囲気における保持温度の上限は特段制限されず、真空雰囲気における保持温度は、例えば、８００℃以下である。

保持温度まで加熱している間の雰囲気は、真空雰囲気である。

条件（ｉｉｉ）では、冷却時の雰囲気からチタン素材に窒素が侵入するため、チタン素材の保持時間に特に制限はないが、表面温度均一化の観点から、保持時間を最低１分以上確保することが好ましい。しかしながら、チタン素材に温度分布が生じなければ、チタン素材を加熱後の温度で保持しなくてもよく、上記温度に昇温した後に続けてチタン素材を冷却しても良い。また、結晶粒が粗大化しすぎ、美観を損ねることを懸念し、加熱後の温度での保持時間は５時間以下であることが好ましいが、粗大結晶粒の形成を目的とするような場合、保持時間は５時間超であってもよい。

条件（ｉｉｉ）では、真空雰囲気下でチタン素材を２００℃以上の温度に保持した場合、当該保持後、チタン素材の温度が２００℃以上、５００℃以下の間のいずれかの温度になった時点から純窒素ガスをチタン素材に吹き付けて冷却する、又は、真空雰囲気でチタン素材を３００℃以上の温度に保持した場合、当該保持後、チタン素材の温度が３００℃以上、８００℃未満のいずれかの温度になった時点から大気をチタン素材に吹き付けて冷却する。このような冷却を行うことで、チタン素材の表層に窒素が拡散し、チタンナイトライドを形成することができる。

冷却速度及び冷却速度の制御方法は、特段制限されず、条件（ｉ）又は条件（ｉｉ）の場合と同様の条件とすることができる。

なお、ここで言う真空雰囲気は、真空度が、１０^-１Ｐａ（約１０^－３Ｔｏｒｒ）を含み、それよりも低い雰囲気を言う。また、ここで言う純窒素ガスとは、純度９９．９９体積％以上の窒素ガス雰囲気を言う。

なお、窒化処理工程に供するチタン素材には、公知の方法で製造されたものを用いてよい。例えば、スポンジチタンや合金元素を添加するための母合金などを原料として、真空アーク溶解法や電子ビーム溶解法またはプラズマ溶解法等のハース溶解法等の各種溶解法により、上記の成分を有する純チタンまたはチタン合金のインゴットを作製する。次に、得られたインゴットを必要に応じて分塊、熱間鍛造してスラブとする。その後、スラブを熱間圧延して上記の組成を有する純チタンまたはチタン合金の熱延コイルとする。この熱延コイルを冷間圧延し、冷間圧延後のチタン素材に対し窒化処理工程を実施すればよい。
なお、スラブには、必要に応じて研磨、切削等の前処理が施されていてもよい。また、ハース溶解法で熱延可能な矩形とした場合は、分塊や熱間鍛造等を行わず熱間圧延に供してもよい。冷間圧延条件も特段制限されず、適宜所望の厚さ、特性等が得られる条件で行えばよい。

（陽極酸化工程）
本工程では、窒化処理工程後のチタン素材を陽極酸化する。電解液としては、特段制限されず、例えば、無機酸の水溶液又は有機酸の水溶液である。無機酸としては、例えば、リン酸、硫酸、硝酸、塩酸等が挙げられる。また、有機酸としては、シュウ酸、ギ酸、クエン酸、トリクロル酢酸等が挙げられる。また、これらのうち１種を単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。電解液は、発色の鮮やかさから硫酸、又はりん酸であることが好ましい。また、電解液における無機酸の濃度は、特に限定されず、例えば、０．１～５．０質量％とすることができる。

電解液の温度は、５～３０℃であることが好ましい。電解液の温度が５～３０℃であれば、酸化皮膜の厚さの制御が比較的容易となる。

印加電圧は所望の発色を得るために任意に選択できる。従来の発色材の製造方法は、印加電圧が５０Ｖ未満である場合、彩度の高いチタン材が得られるが、印加電圧が５０Ｖ超である場合、彩度が低いチタン材となる場合が多い。一方、本実施形態に係るチタン材の製造方法では、上記窒化処理工程を行うことで、印加電圧が５０Ｖ以上であっても彩度の高いチタン材とすることができる。よって、印加電圧は任意に選択することができる。印加電圧の上限は、特段制限されないが、絶縁破壊により美観を損ねることを考慮し、印加電圧は１３０Ｖ以下であることが好ましい。

電圧印加後、所定の電圧まで昇圧した後保持する時間である電圧の印加時間は、特段制限されず、例えば、１０～６００秒とすることができる。

電流密度は、絶縁破壊や色むらの観点及び発色性の観点から、１ｍＡ／ｃｍ^２以上、２０ｍＡ／ｃｍ^２以下であることが好ましい。しかしながら、絶縁破壊や色むらが生じなければ、電流密度は、２０ｍＡ／ｃｍ^２以上であってもよいし、４０ｍＡ／ｃｍ^２以上であってもよい。また、発色が可能であれば、電流密度は、１ｍＡ／ｃｍ^２以下であってもよいし、０．１ｍＡ／ｃｍ^２以下であってもよい。なお、電流密度は、電解電流を陽極酸化されるチタン素材表面の面積で割った値である。

ここまで、本実施形態に係るチタン材の製造方法を説明した。なお、陽極酸化後のチタン材は、公知の方法による洗浄処理が行われてもよい。

以下に、実施例を示しながら、本発明の実施形態について、具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、本発明のあくまでも一例であって、本発明が、下記の例に限定されるものではない。

スラブを熱間圧延した後にスケール除去を施し、厚さ５ｍｍの熱間圧延板を製造した。この熱間圧延板を厚さ１ｍｍまで冷間圧延した複数のチタン素材を供試材に用いた。得られた各供試材の組成を表１に示す。得られた供試材は、それぞれＪＩＳ Ｈ ４６００：２０１２に準拠したＪＩＳ１～４種純チタンに相当するものであった。

供試材に対し、表２及び表３に示した条件で窒化処理を施した。冷却速度は冷却条件によって異なり、平均１～３６００℃／分であった。
表２及び表３における吹き付け開始温度は、表２及び表３に記載の保持雰囲気、保持温度で、表２及び表３に記載の保持時間だけ供試材を保持した後、供試材が冷却されている最中に供試材への純窒素ガス又は大気の吹き付けを開始したときの温度である。
本発明例９では、供試材の温度が５００℃になった時点から供試材に純窒素ガスを吹き付けた。
本発明例１０では、供試材の温度が２００℃になった時点から供試材に純窒素ガスを吹き付けた。
本発明例１１、１７では、表２に記載の保持雰囲気、保持時間及び保持温度で供試材を保持した直後から、供試材への大気の吹き付けを開始した。
本発明例１２では、供試材の温度が５００℃になった時点から供試材への大気の吹き付けを開始した。
本発明例１３では、供試材の温度が３００℃になった時点から供試材への大気の吹き付けを開始した。
本発明例１８では、表２に記載の保持雰囲気、保持時間及び保持温度で供試材を保持した直後から供試材に純窒素ガスを吹き付けた。
比較例７、９では、表３に記載の保持雰囲気、保持時間及び保持温度で供試材を保持した直後から供試材に純窒素ガスを吹き付けた。
比較例１０、１１では、表３に記載の保持雰囲気、保持時間及び保持温度で供試材を保持した直後から、供試材への大気の吹き付けを開始した。
本発明例１～５、１４～１６、比較例１、４、６、８においては、保持雰囲気及び冷却雰囲気に窒素分圧のみを記載しているが、炉内の雰囲気を構成するガスは、窒素と、純度９９．９９体積％以上のＡｒ混合ガスであった。また、本発明例１～５、１４～１６、比較例１、４、６、８では、表２、３に示す冷却雰囲気は、供試材の温度が室温になるまで維持された。

チタンナイトライドを形成した窒素の最大濃度は、ＸＰＳにより以下の方法で測定した。具体的には、分析条件を、Ｘ線源：ｍｏｎｏ－ＡｌＫα（ｈν:１４８６．６ｅＶ）、ビーム径：２００μｍΦ（≒分析領域）、取込角度：４５°、スパッタ条件：Ａｒ^＋、スパッタレート４．３ｎｍ/ｍｉｎ.（ＳｉＯ_２換算値）とした。
結合エネルギーが約３９３～４０８ｅＶの位置に表れるピークをＮ１ｓのピークとし、約３９９～４０１ｅＶの位置に表れるピークを有機物由来のＮによるものとし、約３９７±１ｅＶの位置に表れるピークをチタンナイトライド由来のＮによるものとして分離した。結合エネルギーが約２８０～３９５ｅＶの位置に表れるピークをＣ１ｓのピークとし、約２８４～２８９ｅＶの位置に表れるピークを有機物由来のＣによるものとし、約２８１．５±１ｅＶの位置に表れるピークを炭化物由来のＣによるものとして分離した。結合エネルギーが約５２５～５４０ｅＶの位置に表れるピークをＯ１ｓのピークとし、約３９９～４０１ｅＶの位置に表れるピークを有機物由来のＯによるものとし、約５２９．５～５３０．５ｅＶの位置に表れるピークを金属酸化物由来のＯによるものとした。結合エネルギーが４５０～４７０ｅＶの位置に表れるピークをＴｉ２ｐのピークとした。結合エネルギーが７００～７２０ｅＶの位置に表れるスペクトルのピークをＦｅ２ｐのピークとし、７０６．９ｅＶの位置に表れるピークをＦｅ単体によるものとし、７０８．１ｅＶの位置に表れるピークをＦｅ炭化物によるものとし、７０９．６～７１０．９ｅＶに表れるピークをＦｅ酸化物によるものとした。測定試料の帯電等による結合エネルギーの変化については、有機物由来のＣにおけるＣ-Ｃ結合のピーク位置をもとに補正した。

解析ソフトウェアであるＳｐｅｃＳｕｒｆ（Ａｎａｌｙｓｉｓ）を使用して、これらのピークを基に濃度の解析を行った。具体的には、Ｓｈｉｒｌｅｙ法に基づいてバックグラウンドを補正した。次いで、化合物に関してはＧａｕｓｓ－Ｌｏｒｅｎｔｓ関数を用いて、金属の場合はＡｓｙｍｍｅｔｒｉｃ関数を用いて各元素で化学状態別にピークをフィッティングした。そして、各化学状態由来のピークの面積比率を元素の濃度（原子％）に乗じて、化学状態別の濃度（原子％）を算出した。上記の元素の濃度は、ＸＰＳで検出された各元素にて、その元素に係るすべてのピークを含めての（分離せずに）ピーク面積を算出し、これに元素毎の感度係数で除して、百分率としたものである。

酸化皮膜の厚さは、窒化処理工程後のチタン素材の表面から、ＸＰＳにより測定された酸素濃度が最高濃度とベース濃度との中間濃度となる位置までとした。

表２及び表３に、窒化処理工程後のチタン素材の最大窒素濃度、チタンナイトライドの存在の有無、及び酸化皮膜厚さを示す。

窒化処理工程後のチタン素材に対して、陽極酸化処理を施した。印加電圧、印加時間、及び用いた電解液を表３に示す。電解液の温度は２０℃であり、電解電流密度は４ｍＡ／ｃｍ^２であった。

陽極酸化工程後のチタン材の酸化皮膜厚さ、チタン基材中のチタンナイトライドの有無、チタン基材中の最大窒素濃度、及び最大窒素濃度が示されたときのチタン材表面からの深さを表４及び表５に示す。酸化皮膜厚さ、最大窒素濃度、及び最大窒素濃度が示されたときのチタン材表面からの深さは、上記と同様の方法で算出した。

彩度Ｃ^＊ａｂの測定は、ミノルタ（株）製色彩色差計ＣＲ－２００ｂを用いて光源Ｃにて実施した。

彩度Ｃ^＊ａｂが２０以上である場合を発色性が良好であるとして合格とし、彩度Ｃ^＊ａｂが２０未満である場合を発色性が不良であるとして不合格であると判断した。彩度Ｃ^＊ａｂの評価結果を表４及び表５に示す。

表１～５に示すように、チタン基材の酸化皮膜が配された側の表面をＸ線光電子分光法で分析したとき、チタンナイトライドを形成した窒素の最大濃度が２～１０原子％であり、Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊表色系における彩度Ｃ^＊ａｂが２０以上である場合に、発色性に優れていた。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

Claims (4)

1. チタン基材の表面に酸化皮膜を備え、
   前記チタン基材は、チタンナイトライドを有し、
   前記チタン基材の前記酸化皮膜が配された側の表面をＸ線光電子分光法で分析したとき、前記チタンナイトライドを形成した窒素の最大濃度が２～１０原子％であり、
   Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊表色系における彩度Ｃ^＊ａｂが２０以上である、チタン材。
2. 前記チタンナイトライドを形成した窒素が最大濃度となる位置が、前記チタン基材と前記酸化皮膜との界面から、前記チタン基材方向に３００ｎｍまでの範囲に位置している、請求項１に記載のチタン材。
3. 前記酸化皮膜の厚さが８０ｎｍ以上である、請求項１又は２に記載のチタン材。
4. チタン素材を以下の条件（ｉ）～（ｉｉｉ）のいずれかの条件で窒化処理する窒化処理工程の後、陽極酸化工程を行う、チタン材の製造方法。
   条件（ｉ）窒素分圧１Ｐａ以上１００Ｐａ未満の雰囲気において、前記チタン素材を１分以上５時間以下の間、６００℃以上８００℃以下の温度に保持し、その後、窒素分圧１Ｐａ以上１００Ｐａ未満の雰囲気下で冷却する。
   条件（ｉｉ）大気雰囲気において、前記チタン素材を４０秒以上５分以下の間、２５０℃以上６００℃以下の温度に保持し、その後、大気の雰囲気下で冷却する。
   条件（ｉｉｉ）真空雰囲気において、前記チタン素材を２００℃以上の温度に保持し、前記保持後、前記チタン素材の温度が２００℃以上、５００℃以下の間のいずれかの温度になった時点から純窒素ガスを前記チタン素材に吹き付けて冷却する、又は、真空雰囲気において、前記チタン素材を３００℃以上の温度に保持し、前記保持後、前記チタン素材の温度が３００℃以上、８００℃未満のいずれかの温度になった時点から大気を前記チタン素材に吹き付けて冷却する。

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