JP4385157B2

JP4385157B2 - チタン又はチタン合金製品の製造方法

Info

Publication number: JP4385157B2
Application number: JP26850699A
Authority: JP
Inventors: 眞理中尾
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1999-09-22
Filing date: 1999-09-22
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2019-09-22
Also published as: JP2001089883A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱間加工したチタン又はチタン合金製素材を用いてそれらの製品を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、熱間圧延したチタン製素材の表面スケール（黒皮）を除去する方法として、ショットブラスト等のメカニカルデスケーリングや、フッ酸と硝酸の混合溶液による酸洗処理が採用されている。しかし、ショットブラスト処理の場合、その処理量（研削量）が多くなると、得られたチタン製品の表面凹凸が大きくなって肌荒れが顕著に生じるという問題がある。一方、ショットブラストを行わずに直接チタン製素材を酸洗処理した場合、スケールの厚みが薄い部分が選択的に侵食され、素材にピット(食孔)状の欠陥が生じる虞がある。
【０００３】
そこで、特開昭６０−２４２９７０号公報には、研掃材を混入させた高圧液体をチタン製素材に投射した後、上記した酸洗処理を行う技術が開示されている。又、特開昭６０−２４９５３５号公報には、ベルトグラインダ研削と上述の高圧液体を投射する処理をそれぞれ行った後、前記酸洗処理を行う技術が開示されている。つまり、これらの技術は、いずれも機械的な研削によってスケールをある程度除去した後、酸洗処理を行い、残ったスケールを完全に除去するとともにチタンの表面を平滑化して最終製品にするというものである。
【０００４】
ところで、上記した酸洗処理を行った場合、得られたチタン製品の表面に茶色の腐食生成物（以下、「酸洗汚れ」という）が生じるという問題がある。特開平８−２８３９７０号公報によれば、この酸洗汚れは、スケールの酸洗処理により素材の表面に活性なチタンが露出し、それが空気で酸化されて＋２価及び＋３価のチタン酸化物になることに起因するものである。そして、この知見に基づき、同号公報には、チタン焼鈍板を酸洗処理した後、空気に曝すことなく直ちに水洗・乾燥することにより酸洗汚れを防止して美麗なチタン薄板を得る技術が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した酸洗汚れを防止する技術の場合、酸洗処理設備の近傍に水洗設備を配設しなければならないという設備上の制約を受け、そして、水洗設備を酸洗処理設備の近傍に配設できない場合には、この技術を実施することができなくなるという問題がある。
【０００６】
さらに、上記技術を実施する際には、酸洗処理から水洗に至る一連の工程を速やかに行わなければならず、その工程管理は煩雑になり、微妙な管理エラーによっては製品の品質にばらつきが生じることもある。
本発明はチタン又はチタン合金製素材のスケール除去における上記した問題を解決し、酸洗処理の直後に水洗を行う必要がなく、設備上や作業上の制約がないため、容易にかつ安定した品質で製造が可能であるチタン又はチタン合金製品の製造方法、及びその方法で得られるチタン又はチタン合金製品の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、酸洗処理の過程で酸洗汚れが生じたとしても、それを後工程で除去する、という発想に基づいている。それは、酸洗汚れを機械的に除去しても表出したチタン表面の活性化は抑制され、その後にチタンの表面が空気に触れたとしても再び酸化汚れが生じることはない、という知見に基づいたものである。
【０００８】
上記した目的を達成するために、請求項１記載の本発明に係るチタン又はチタン合金製品の製造方法は、熱間加工後のチタン又はチタン合金製の素材の表面に対し、第１の研掃粒子を吹き付けて前記表面のスケールを除去する第１ブラスト処理工程と、前記第１ブラスト処理工程を経た前記素材をフッ酸と硝酸の混合溶液により酸洗処理する酸洗処理工程と、前記酸洗処理工程を経た前記素材の表面に対し、前記第１の研掃粒子の粒径よりも小さい粒径の第２の研掃粒子を吹き付けて前記酸洗処理工程にて前記表面に生じた酸洗汚れを除去するとともに前記表面に微細な凹凸を形成させて前記表面の色調を白色にする第２ブラスト処理工程とを備えていることを特徴とする。
又、前記第２ブラスト処理工程を経た前記素材に対し、酸化性の酸により不動態化処理を施す不動態化処理工程を更に備えている構成とすることが好ましい（請求項２）。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、工程図１に基づいて本発明に係るチタン又はチタン合金製品の製造方法について詳細に説明する。まず、熱間加工後のチタン製素材１が適宜焼鈍された後、第１のブラスト処理（第１ブラスト処理工程）１０、酸洗処理（酸洗処理工程）１２、第２のブラスト処理（第２ブラスト処理工程）１４、不動態化処理（不動態化処理工程）１６、及び水洗・乾燥処理１８がこの順で施され、目的とするチタン製品２が製造される。
【００１１】
チタン製素材１はチタンの材料を熱間加工（熱間圧延や熱間鍛造等）して例えば板状体、アングル等に成形したものであり、通常、その表面にはスケール(黒皮)が５〜１０μｍ程度形成されている。なお、チタン製素材１としてはチタン単体の他、例えばTi-６Al-４V等のチタン合金を用いることもできる。
まず、チタン製素材１に対して第１のブラスト処理１０が施される。このブラスト処理では、チタン製素材１に研掃粒子を投射して表面のスケールが機械的に除去される。ブラスト処理としては、研掃粒子を乾燥状態で対象物に投射して行うショットブラストの他、研掃粒子を水等に分散させた液状体を対象物に吹き付けて行うウェットブラストを適用することができる。又、研掃粒子としては、例えば０．１〜２ｍｍφの鉄粒やアルミナを用いることができる。
【００１２】
ここで、ブラスト処理の良否に影響を与える因子としては、研掃粒子の粒径、粒子の送り速度、処理時間、処理回数が挙げられ、研掃粒子の粒径を大きくし処理時間や処理回数を多くすると、対象物を研削してその表面の付着物（スケール）を除去する効果（以下、「処理量」という）が大になる。特に、研掃粒子の粒径は、処理量に大きな影響を及ぼすので、第１のブラスト処理における研掃粒子（第１の研掃粒子）の粒径を０．４〜１．２ｍｍφとすることが好ましい。なお、研掃粒子としては、例えば鉄粒を用いることができる。
【００１３】
第１のブラスト処理は、スケールの除去が不充分とならないよう、かつ、チタンの表面凹凸が大きくなって肌荒れが顕著に生じないよう、適宜な処理量を選定する。
次に、ブラスト処理されたチタン製素材１に対し、フッ酸と硝酸の混合溶液を用いた酸洗処理１２が施される。この酸洗処理では、チタン製素材１の表面に残存しているスケールが除去され、その表面が平滑化する。フッ酸はチタンを激しく侵食するものであり、その濃度を例えば上述の混合溶液全体に対して１〜５重量％とするのが好ましい。１重量％未満である場合はスケールの除去効果が低くなり、５重量％を超えた場合は反応性が高くなってチタンの溶解が過度に進行し、チタンの表面がぎらついて外観不良となる虞があるからである。又、硝酸の濃度を混合溶液全体に対して１０〜２０重量％とすることが好ましい。さらに、酸洗処理温度を例えば１５〜３５℃とすることが好ましい。処理温度が１５℃未満である場合は酸洗処理が充分に進行せず、又３５℃を超えた場合は、反応性が高まって上述のようにチタンの表面がぎらつく虞があるからである。そして、酸洗処理の時間は、処理温度やフッ酸濃度によっても変わるが、例えば２重量％のフッ酸濃度において、０．５〜２分とすることが好ましい。
【００１４】
酸洗処理を行う方法としては、例えば酸洗槽にチタン製素材１を浸漬すればよく、又、上記した混合溶液をチタン製素材１の表面に噴霧してもよい。
このようにして酸洗処理１２を施したチタン製素材１の表面には極めて活性な金属状態のチタンが露出する。そして、素材を酸洗処理設備から取り出すと、その表面が空気に触れてチタンが酸化され、酸洗汚れが生ずる。
【００１５】
従って、本発明は、後述する第２のブラスト処理１４によってこの酸洗汚れの除去を行うことを特徴とする。この場合、酸洗汚れは機械的に除去され、その過程でチタンの表面が活性になることはないので、酸洗汚れを除去した後にチタンの表面が空気に触れても再び酸化汚れが生じることはない。つまり、本発明の場合には、従来の技術のように酸洗処理後に直ちに水洗を行う必要がなく、第２のブラスト処理の前後でチタン製素材１を空気に曝しても構わないので、設備上や操業上の制限を受けずにチタン製品を製造することができる。
【００１６】
この第２のブラスト処理１４は、好ましくはその処理量を第１のブラスト処理の処理量に比べて少なくすることが好ましい。その理由は、第１のブラスト処理がチタンの表面に比較的厚く形成されているスケールを除去することを目的とするのに対し、第２のブラスト処理では、表面の酸洗汚れのみを除去すればよいからである。又、第２のブラスト処理はいわば最終仕上げ処理であり、処理量を多くしてチタン製品の表面に肌荒れが生じると好ましくないからである。
【００１７】
このようなことから、第２のブラスト処理における研掃粒子（第２の研掃粒子）の粒径を第１のブラスト処理で用いた研掃粒子の粒径より小さくし、例えば０．０６〜０．２ｍｍφとすることが好ましい。粒径が０．０６ｍｍφ未満である場合は酸洗汚れの除去が不充分となり、０．２ｍｍφを超えるとチタンの表面に肌荒れが生じる虞があるからである。なお、研掃粒子としては、例えばアルミナ粒子を用いることができる。
【００１８】
このようにして、第１のブラスト処理と第２のブラスト処理の処理量を調整することにより、スケールの除去を確実に行うとともに、最終製品の表面に肌荒れが生じることを抑制することができる。
そして、第２のブラスト処理１４を施した後、適宜水洗・乾燥することによりチタン製品２を製造することができる。
【００１９】
ここで、より好ましくは第２のブラスト処理１４の後に不動態化処理１６を施して、チタンの表面にＴｉＯ₂等の緻密な不動態化皮膜を形成させるのがよい。この不動態化処理１６は、酸化性の酸にチタン製素材１を浸漬して行われる。酸化性の酸としては、例えば濃硝酸の水溶液や、過酸化水素を含む濃硫酸の水溶液を用いることができる。なお、濃硝酸水溶液の場合、濃硝酸の濃度を１０〜２０重量％とするのが好ましい。
【００２０】
ところで、本発明を実施する場合、必ずしも上記した各工程を連続して一度に行うことは必要でなく、任意の工程で作業を中断し、所定の時間間隔を置いて次工程を行ってもよい。例えば、第１のブラスト処理１０及び酸洗処理１２を所定の工場設備で行った後、この半製品を別の工場設備に移送してから第２のブラスト処理１４及び不動態化処理１６を行なってもよい。このように、本発明の場合は既存の設備をそのまま利用することができ、又、操業の自由度が高いので、他の製品の製造と適宜組み合わせて効率的な生産を行うことができる。
【００２１】
次に、図２に基づいて本発明に係るチタン又はチタン合金製品について説明する。この製品は、梨地状の白色肌(酸洗肌)を備え、極めて意匠性に優れていることが特徴である。なお、図２及び図３における断面曲線は、ダイヤモンド触針によりインダクタンス方式で検出を行う粗さ計を用い、触針先端半径：５μｍ、カットオフ値：０．８ｍｍ、検出器送り速度：０．５ｍｍ/秒で測定して得られたものである。
【００２２】
ここで、本発明のチタン製品は、まず、粒径１．２ｍｍφの鉄粒を用いてショットブラストを２回行って第１のブラスト処理を施し、さらに酸洗処理した後、粒径０．２ｍｍφのアルミナ粒子を用いて送り速度：１０ｍ/分、処理時間：３０秒でショットブラストを１回行って第２のブラスト処理を施し、次いで不動態化処理を施して製造されている。つまり、このチタン製品は、それぞれ粒径の異なる研掃粒子による２度のブラスト処理を施したものである。一方、図３に示す断面曲線を有する従来のチタン製品は、粒径１．２ｍｍφの鉄粒を用いてショットブラストを３回行った後、酸洗処理を施して製造されている。
【００２３】
そして、図２に示すように、本発明のチタン製品の表面には、周期約０．５ｍｍ、振幅約５μｍの曲線Ａで表される凹凸が形成され、その凹凸曲線Ａの上には、更に微細な凹凸Ｂが多数形成されている。これに対して、図３に示すように、従来のチタン製品の表面には、曲線Ａとほぼ同様な周期と振幅を有する曲線Ｃで表される凹凸が形成されているが、上述の凹凸Ｂに相当する微小な凹凸は形成されていない。このことから、上記曲線Ａで表される凹凸は、第１のブラスト処理によって形成されたものであり、凹凸Ｂは微細なアルミナ粒子を用いた第２のブラスト処理によって形成されたものであることがわかる。
【００２４】
すなわち、本発明のチタン製品は、その表面に凹凸Ａだけでなく更にその凹凸Ａに微細な凹凸Ｂが付加して形成されていることが表面形状における特徴であり、この凹凸Ｂはチタン製品の表面に入射した光を乱反射させてその色調を白くさせる機能を有していると考えられる。特に、研掃粒子として上記したアルミナ等の非球状の粒子を用いると、この粒子がチタンの表面に突き刺さって凹凸Ｂはより急峻になり、チタン製品の白色度もより高くなる。
【００２５】
そして、このような機能を充分に発揮させてチタン製品の色調を好ましい白色にするためには、上記した断面曲線において、隣接する凹部と凸部の高低差が０．２μｍ以上である凸部がこの断面曲線の水平方向の長さ１ｍｍ当り５個以上存在することが必要である。上記した凹部と凸部の高低差が０．２μｍ未満である場合や、凸部が１ｍｍ当り５個未満である場合は、凹凸Ｂが充分に形成されないので光の乱反射が起きにくく、チタン製品が好ましい白色を示さないからである。
【００２６】
【実施例】
実施例１〜３，比較例
１．チタン製品の製造
熱間圧延によりＬ形アングルに成形したチタン製素材を焼鈍し、表１に示す各条件で、第１のブラスト処理（粒径１．２ｍｍφの鉄粒を用いたショットブラストを２回行う）、フッ酸と硝酸の混合溶液による酸洗処理、及び第２のブラスト処理（粒径０．２ｍｍφのアルミナ粒子を用いたショットブラストを１回行う）を順に行い、さらに濃硝酸水溶液中で不動態化処理を施して本発明のチタン製品を製造した。これを実施例１とする。
【００２７】
実施例１において、第１のブラスト処理をアルミナ粒子を用いて行ったものを実施例２とする。
実施例１において、鉄粒を用いた１回のショットブラストと、アルミナ粒子を用いた１回のショットブラストを順次行って第１のブラスト処理としたものを実施例３とする。
【００２８】
比較のために、第２のブラスト処理を行わず、第１のブラスト処理の後、フッ酸濃度を５重量％として酸洗処理を行ってチタン製品を製造した。これを比較例とする。
【００２９】
【表１】

【００３０】
２．チタン製品の評価
得られたチタン製品を目視判定して、光沢及び酸洗汚れの有無を評価した。光沢が顕著なものを評価：×、光沢が少なく白色を呈したものを評価：○とした。又、酸洗汚れが見られたものを評価：×、酸洗汚れが見られなかったものを評価：○とした。
【００３１】
なお、実施例１〜３については、表面の肌荒れ及びスケールの有無についても目視判定して評価した。肌荒れ及びスケールが若干見られたものを評価：△、これらが皆無であるものを評価：○とした。
【００３２】
【表２】

【００３３】
(１)表２から明らかなように、本発明のチタン製品は、光沢がなく良好な白色を呈し、又、酸洗汚れも見られず、優れた外観及び意匠性を有している。
(２)酸洗処理後に第２のブラスト処理を行わなかった比較例の場合は、酸洗汚れが表面に残った。又、酸洗処理におけるフッ酸濃度が高いためにチタンの表面の光沢が顕著になり、外観に劣ったものとなっている。このようなことから、第２のブラスト処理を行う本発明の優位性が明らかである。
(３)また、実施例１と実施例２，３とを対比して明らかなように、実施例１では、表面の肌荒れ及びスケールがまったく見られなかった。このようなことから、第２のブラスト処理における研掃粒子の粒径を、第１のブラスト処理における研掃粒子の粒径より小さくすることが好ましい。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明に係るチタン又はチタン合金製品の製造方法によれば、まず第１のブラスト処理と酸洗処理によりスケールを確実に除去し、次に酸洗処理で生じた酸洗汚れを第２のブラスト処理で機械的に除去しているため、酸洗処理の直後に水洗を行う作業が不要となる。そして、従来のチタン製品の製造に比べて設備上や操業上の制約がないので、容易に、かつ安定した品質でチタン又はチタン合金製品を製造することができる。
【００３５】
又、本発明に係るチタン又はチタン合金製品は、細かい凹凸がその表面に形成されているため、白色の外観を呈し、極めて意匠性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るチタン製品の製造方法の一例を示す工程図である。
【図２】本発明に係るチタン製品の表面凹凸を表面粗さ計によりカットオフ波長０．８ｍｍで測定したときの断面曲線を示す図である。
【図３】従来のチタン製品の表面凹凸を表面粗さ計によりカットオフ波長０．８ｍｍで測定したときの断面曲線を示す図である。
【符号の説明】
１チタン又はチタン合金製素材
２チタン又はチタン合金製品
１０第１のブラスト処理
１２酸洗処理
１４第２のブラスト処理

Claims

熱間加工後のチタン又はチタン合金製の素材の表面に対し、第１の研掃粒子を吹き付けて前記表面のスケールを除去する第１ブラスト処理工程と、
前記第１ブラスト処理工程を経た前記素材をフッ酸と硝酸の混合溶液により酸洗処理する酸洗処理工程と、
前記酸洗処理工程を経た前記素材の表面に対し、前記第１の研掃粒子の粒径よりも小さい粒径の第２の研掃粒子を吹き付けて前記酸洗処理工程にて前記表面に生じた酸洗汚れを除去するとともに前記表面に微細な凹凸を形成させて前記表面の色調を白色にする第２ブラスト処理工程と
を備えていることを特徴とするチタン又はチタン合金製品の製造方法。
前記第２ブラスト処理工程を経た前記素材に対し、酸化性の酸により不動態化処理を施す不動態化処理工程を更に備えていることを特徴とする請求項１に記載のチタン又はチタン合金製品の製造方法。