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JP7832544B2 - Titanium material - Google Patents
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JP7832544B2 - Titanium material - Google Patents

Titanium material

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Description

本発明は、チタン材に関する。This invention relates to titanium materials.

チタン材は、大気環境において極めて優れた耐食性を示すことから、建築物の屋根や、外壁のような建材用途に用いられている。しかしながら、長期間に亘って使用されたチタン材は変色する場合がある。チタン材の変色は、意匠性の観点から問題となる場合がある。そのため、従来から、変色が抑制された、耐変色性に優れるチタン材が提案されている。Titanium exhibits extremely high corrosion resistance in atmospheric environments, making it suitable for building materials such as roofs and exterior walls. However, titanium materials used over long periods can discolor. This discoloration can be a problem from an aesthetic standpoint. Therefore, titanium materials with suppressed discoloration and superior colorfastness have been proposed.

例えば、特許文献1には、厚さ100Å以下の酸化皮膜が素地表面に存在すると共に、該表面酸化皮膜中のC量が30原子%以下であり、且つ前記酸化皮膜下の素地表層部におけるC量が30原子%以下であることを特徴とする耐変色性に優れたチタン材またはチタン合金材が開示されている。For example, Patent Document 1 discloses a titanium material or titanium alloy material with excellent discoloration resistance, characterized in that an oxide film with a thickness of 100 Å or less is present on the substrate surface, the amount of carbon in the surface oxide film is 30 atomic percent or less, and the amount of carbon in the substrate surface layer beneath the oxide film is 30 atomic percent or less.

特許文献2には、表面から100nmの深さの範囲における平均の炭素濃度が14at%以下であり、かつ、最表面に12~40nmの厚みの酸化膜を有することを特徴とする大気環境中において変色を生じにくいチタンが開示されている。Patent Document 2 discloses titanium that is less prone to discoloration in an atmospheric environment, characterized by having an average carbon concentration of 14 at% or less in a range of 100 nm depth from the surface, and having an oxide film with a thickness of 12 to 40 nm on the outermost surface.

特許文献3には、表面の酸化皮膜中におけるフッ素量が7at%以下であることを特徴とする変色を生じにくいチタン材が開示されている。Patent Document 3 discloses a titanium material that is less prone to discoloration, characterized by having a fluorine content of 7 at% or less in the oxide film on its surface.

特許文献4には、光が照射される環境下での変色の少ないチタンまたはチタン合金板を効率的に製造するために、冷間圧延後のチタン板表層の炭素濃化層の炭素量が、150mg/m以下となる潤滑剤を用いてチタン板を冷間圧延した後、酸化性雰囲気で焼鈍し、次いで溶融塩浸漬処理と硝ふっ酸水溶液による酸洗とにより脱スケールすることを特徴とするチタン板の製造方法が開示されている。 Patent Document 4 discloses a method for manufacturing titanium sheets, which efficiently produces titanium or titanium alloy sheets that show little discoloration in environments exposed to light. This method involves cold-rolling a titanium sheet using a lubricant that results in a carbon concentration layer on the surface of the titanium sheet having a carbon content of 150 mg/ or less after cold rolling, followed by annealing in an oxidizing atmosphere, and then descaling by molten salt immersion treatment and pickling with a nitrohydrofluoric acid aqueous solution.

特許文献5には、表面から100nmの深さの範囲における平均の炭素濃度が14at%以下であり、表面に12nm以上30nm以下の厚みの酸化膜を有し、かつチタン表面の算術平均高さ(Ra)が0.035μm以下であることを特徴とする大気環境中において変色を生じにくいチタンまたはチタン合金が開示されている。Patent Document 5 discloses titanium or a titanium alloy that is less prone to discoloration in an atmospheric environment, characterized in that the average carbon concentration in a range of 100 nm depth from the surface is 14 at% or less, the surface has an oxide film with a thickness of 12 nm to 30 nm, and the arithmetic mean height (Ra) of the titanium surface is 0.035 μm or less.

特開2000-1729号公報Japanese Patent Publication No. 2000-1729 特開2002-12962号公報Japanese Patent Publication No. 2002-12962 特開2002-47589号公報Japanese Patent Publication No. 2002-47589 特開2002-60984号公報Japanese Patent Publication No. 2002-60984 特開2005-272870号公報Japanese Patent Publication No. 2005-272870

宮下勤、「もう一度復習したい表面粗さ」、精密工学会誌、公益社団法人 精密工学会、Vol.73,No.2、2007年、p.201-205Tsutomu Miyashita, "Surface Roughness: A Review," Journal of the Japan Society for Precision Engineering, Vol. 73, No. 2, 2007, pp. 201-205.

特許文献1~5に記載の技術では、表面の炭素濃度の低下によって、チタン材の耐変色性の劣化が抑制されるとしている。また、従来のチタン材の耐変色性の評価は、例えば、特許文献5に記載されているとおり、温度が60℃であるpH3の硫酸中に14日間浸漬した後の色差によって評価されている。しかし、近年では、従来のチタン材よりも更に耐変色性に優れるチタン材が求められている。The technologies described in Patent Documents 1 to 5 state that the deterioration of the discoloration resistance of titanium materials is suppressed by reducing the carbon concentration on the surface. Furthermore, conventional evaluation of the discoloration resistance of titanium materials is based on the color difference after immersion in sulfuric acid at pH 3 at 60°C for 14 days, as described in Patent Document 5. However, in recent years, there has been a demand for titanium materials with even better discoloration resistance than conventional materials.

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、従来のチタン材よりも長期に亘って変色を抑制することが可能な、耐変色性に優れたチタン材を提供することを目的とするものである。本発明は、例えば、特許文献1~5に記載の評価よりも長期間の浸漬を行っても変色が生じないチタン材の提供を目的とする。This invention has been made in view of the above problems, and aims to provide a titanium material with excellent discoloration resistance that can suppress discoloration over a longer period than conventional titanium materials. For example, this invention aims to provide a titanium material that does not discolor even when immersed for a longer period than the evaluations described in Patent Documents 1 to 5.

上記知見に基づき完成された本発明の要旨は、以下のとおりである。
[1]本発明の一態様に係るチタン材は、チタン基材と、前記チタン基材の表面に配された酸化皮膜と、を有するチタン材であって、前記チタン基材は、質量%で、Co:0%以上1.0%以下、Cr:0%以上0.5%以下、Ni:0%以上1.00%以下、Ta:0%以上6.00%以下、Al:0%以上7.0%以下、V:0%以上5.0%以下、S:0%以上0.3%以下、Cu:0%以上1.50%以下、Nb:0%以上0.70%以下、Sn:0%以上1.40%以下、Si:0%以上0.55%以下、Mo:0%以上0.5%以下、W:0%以上0.5%以下、Pd:0%以上0.25%、Ru:0%以上0.15%以下、Rh:0%以上0.15%以下、Os:0%以上0.15%以下、Ir:0%以上0.15%以下、Pt:0%以上0.15%以下、REM:0%以上0.10%以下、C:0%以上0.18%%以下、H:0%以上0.015%以下、O:0%以上0.40%以下、N:0%以上0.05%以下、およびFe:0%以上2.50%以下を含み、残部がTiおよび不純物からなり、前記チタン材の表面から、グロー放電分光分析法によって前記表面から厚さ方向に測定された酸素濃度が最大値の1/3である位置までの範囲の平均窒素濃度および平均炭素濃度がそれぞれ14.0原子%以下、平均水素濃度が30.0原子%以下であり、前記表面において入射角が0.3度である平行ビーム法によるX線回折測定によって求められるα相のTiのc軸の格子定数と、板厚中央において集中法によるX線回折測定によって求められるα相のTiのc軸の格子定数との差が0.015Å以下であり、X線光電子分光法で分析したとき、前記酸化皮膜における窒化物由来の窒素濃度の最大値が2.0~10.0原子%であり、前記酸化皮膜における前記窒化物由来の窒素濃度が最大値を示す位置が、SiO のスパッタリング速度で換算したときに、前記酸化皮膜の表面から2~10nmの範囲に存在し、酸素濃度が最大値の1/2になる位置からチタン基材側まで20nm範囲に存在する前記窒化物由来の窒素の濃度が、前記酸化皮膜における前記窒化物由来の窒素濃度の最大値未満且つ7原子%以下であり、前記酸化皮膜における前記窒化物由来の前記窒素濃度の最大値が、前記酸化皮膜における前記窒化物由来の前記窒素濃度が最大となる位置の炭化物由来の炭素濃度以上である
[2]上記[1]に記載のチタン材は、厚さが30.0nm以下の酸化皮膜を備えていてもよい
[3]上記[1]または[2]に記載のチタン材は、算術平均粗さRaが最大となる方向の粗さ曲線において、算術平均粗さRaと要素長さRSmの比であるRa/RSmが0.006~0.015であり、かつ、二乗平均平方根傾斜RΔqが0.150~0.280であるチタン基材を備え、前記チタン基材のクルトシスRkuが3超であり、前記チタン基材のスキューネスRskが-0.5超であってもよい。
]上記[1]または[2]に記載のチタン材は、前記チタン基材の算術平均粗さRaが最大となる方向の粗さ曲線において、算術平均粗さRaと要素長さRSmの比であるRa/RSmが0.006~0.015であり、かつ、二乗平均平方根傾斜RΔqが0.150~0.280であり、前記チタン基材のクルトシスRkuが3超であり、前記チタン基材のスキューネスRskが-0.5超であってもよい。
Based on the above findings, the gist of the present invention is as follows:
[1] A titanium material according to one aspect of the present invention is a titanium material having a titanium substrate and an oxide film disposed on the surface of the titanium substrate, wherein the titanium substrate has a composition in mass%, of Co: 0% or more and 1.0%, Cr: 0% or more and 0.5%, Ni: 0% or more and 1.00%, Ta: 0% or more and 6.00%, Al: 0% or more and 7.0%, V: 0% or more and 5.0%, S: 0% or more and 0.3%, Cu: 0% or more and 1.50%, Nb: 0% or more and 0% .. 70% or less, Sn: 0% or more and 1.40% or less, Si: 0% or more and 0.55% or less, Mo: 0% or more and 0.5% or less, W: 0% or more and 0.5% or less, Pd: 0% or more and 0.25%, Ru: 0% or more and 0.15% or less, Rh: 0% or less. Upper 0.15% or less, Os: 0% or more and 0.15% or less, Ir: 0% or more and 0.15% or less, Pt: 0% or more and 0.15% or less, REM: 0% or more and 0.10% or less, C: 0% or more and 0.18% or less, H: 0% or more and 0.015% The following is a description of the composition of the titanium material: O: 0% to 0.40%, N: 0% to 0.05%, Fe: 0% to 2.50%, with the remainder being Ti and impurities; the average nitrogen concentration and average carbon concentration are 14.0 atomic% or less, each within the range from the surface of the titanium material to the position where the oxygen concentration measured in the thickness direction from the surface by glow discharge spectroscopy is 1/3 of the maximum value; the average hydrogen concentration is 30.0 atomic% or less; the difference between the lattice constant of the c axis of α-phase Ti determined by X-ray diffraction measurement using a parallel beam method with an incident angle of 0.3 degrees at the surface and the lattice constant of the c axis of α-phase Ti determined by X-ray diffraction measurement using a concentrated method at the center of the plate thickness is 0.015 Å or less; when analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy, the maximum value of the nitrogen concentration derived from nitrides in the oxide film is 2.0 to 10.0 atomic%, and the position where the nitrogen concentration derived from nitrides in the oxide film shows the maximum value is SiO When converted to a sputtering rate of 2 , the nitrogen concentration derived from the nitride, which is present in a range of 2 to 10 nm from the surface of the oxide film and 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 atomic percent or less, and the maximum value of the nitrogen concentration derived from the nitride in the oxide film is equal to or greater than the carbon concentration derived from the carbide at the position where the nitrogen concentration derived from the nitride in the oxide film is maximum .
[2] The titanium material described in [1] above may have an oxide film with a thickness of 30.0 nm or less .
[3 ] The titanium material described in [1] or [2] above comprises a titanium substrate in which, in the roughness curve in the direction in which the arithmetic mean roughness Ra is maximum, the ratio Ra/RSm, which is the ratio of the arithmetic mean roughness Ra to the element length RSm, is 0.006 to 0.015, and the root mean square slope RΔq is 0.150 to 0.280, and the kurtosis Rku of the titanium substrate is greater than 3, and the skewness Rsk of the titanium substrate is greater than -0.5.
[ 4 ] The titanium material described in [1] or [2] above may have a roughness curve in the direction in which the arithmetic mean roughness Ra of the titanium substrate is maximized, where the ratio of the arithmetic mean roughness Ra to the element length RSm, Ra/RSm, is 0.006 to 0.015, and the root mean square slope RΔq is 0.150 to 0.280, the kurtosis Rku of the titanium substrate is greater than 3, and the skewness Rsk of the titanium substrate is greater than -0.5.

本発明によれば、従来のチタン材よりも長期に亘って変色を抑制することが可能な、耐変色性に優れたチタン材の提供することが可能になる。According to the present invention, it is possible to provide a titanium material with excellent discoloration resistance, which can suppress discoloration over a longer period than conventional titanium materials.

本発明の一実施形態に係るチタン材の層構成を示す模式的な拡大断面図である。This is a schematic enlarged cross-sectional view showing the layer structure of a titanium material according to one embodiment of the present invention. 同実施形態に係るチタン材のX線光電子分光法によるスペクトルの深さ方向の変化の一例を示す図である。This figure shows an example of the change in the depth direction of the spectrum obtained by X-ray photoelectron spectroscopy of a titanium material according to the same embodiment. 一般のチタン材のX線光電子分光法によるスペクトルの深さ方向の変化の一例を示す図である。This figure shows an example of the depth-dependent change in the spectrum of a typical titanium material obtained by X-ray photoelectron spectroscopy. 同実施形態に係るチタン材および一般のチタン材のX線光電子分光法による深さ方向の元素濃度分布の一例を示す図である。This figure shows an example of the elemental concentration distribution in the depth direction of a titanium material according to the same embodiment and a general titanium material, as determined by X-ray photoelectron spectroscopy. 酸化皮膜内のチタンの窒化物由来の窒素の濃度の最大値と変色試験前後の色差ΔEabとの関係を示す図である。This figure shows the relationship between the maximum concentration of nitrogen derived from titanium nitrides within the oxide film and the color difference ΔE * ab before and after the discoloration test. 算術平均粗さRaと輪郭曲線要素の平均長さRSmの比であるRa/RSmおよび粗さ曲線要素の二乗平均平方根傾斜RΔqと耐変色性との関係を示す図である。This figure shows the relationship between the arithmetic mean roughness Ra and the average length RSm of the contour curve elements (Ra/RSm), the root mean square slope RΔq of the roughness curve elements, and discoloration resistance. クルトシスRkuを説明するための模式図である。This is a schematic diagram illustrating the kurtosis Rku.

以下、本発明の一実施形態に係るチタン材について、図面を参照しながら説明する。なお、図中の各構成要素の寸法、比率は、実際の各構成要素の寸法、比率を表すものではない。The following describes a titanium material according to one embodiment of the present invention, with reference to the drawings. Note that the dimensions and ratios of the components shown in the drawings do not represent the actual dimensions and ratios of the components.

なお、以下に記載する「~」を挟んで記載される数値限定範囲には、下限値および上限値がその範囲に含まれる。「未満」、「超」と示す数値には、その値が数値範囲に含まれない。Note that the numerical ranges indicated by "~" below include both a lower limit and an upper limit. Numbers indicated as "less than" or "greater than" are not included in the numerical range.

まず、本発明を完成するに至った本発明者らの検討により、得られた新たな知見について詳述する。First, we will detail the new findings obtained through the inventors' research that led to the completion of this invention.

チタン材は、チタン基材の表面に酸化皮膜が配された構成であり、チタン材の変色は、酸性雨等による酸化皮膜の厚さの増加に起因すると考えられている。チタン材の表面付近の炭素濃度は、酸化皮膜の厚さの増加に影響を及ぼすことから、従来の耐変色性の向上を目的とするチタン材では、その表面の炭素濃度が制限されている。本発明者らは、従来よりも長期に亘って変色が抑制される、耐変色性に優れたチタン材を得るため、検討を行った。Titanium materials have a structure in which an oxide film is arranged on the surface of a titanium substrate, and discoloration of titanium materials is thought to be 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, the carbon concentration on the surface is limited in conventional titanium materials aimed at improving discoloration resistance. The inventors of this invention conducted research to obtain a titanium material with excellent discoloration resistance that suppresses discoloration for a longer period than conventional materials.

まず、本発明者らは、グロー放電分光分析法(Glow Discharge Spectroscopy、以下、「GDS」という。)によって、チタン材の表面(言い換えると、酸化皮膜の表面)から厚さ方向に酸素濃度、炭素濃度、および窒素濃度の測定を行った。チタン材は酸化皮膜を有しており、GDSによって測定された酸素濃度が最大値の1/3である位置は、酸化皮膜とチタン基材との界面の近傍のチタン基材側の部位に位置することがわかった。以下では、チタン材の表面から、GDSによって厚さ方向に測定された酸素濃度が最大値の1/3である位置までの範囲をチタン材の表層部と称する。First, the inventors measured the oxygen, carbon, and nitrogen concentrations in the thickness direction from the surface of the titanium material (in other words, the surface of the oxide film) using glow discharge spectroscopy (GDS). The titanium material has an oxide film, and it was found that the location where the oxygen concentration measured by GDS was 1/3 of the maximum value was located near the interface between the oxide film and the titanium substrate, on the titanium substrate side. Hereinafter, the range from the surface of the titanium material to the location where the oxygen concentration measured by GDS in the thickness direction is 1/3 of the maximum value will be referred to as the surface layer of the titanium material.

次に、本発明者らは、pH3、60℃の硫酸水溶液中にチタン材を4週間浸漬し、浸漬前後の色差に基づいて耐変色性を評価した。この浸漬前後で、明らかに変色が発生したチタン材とほとんど変色しなかったチタン材を比較すると、浸漬前のチタン材にて、GDSによって測定された炭素濃度および窒素濃度に違いがあることがわかった。具体的には、pH3、60℃の硫酸水溶液中に4週間浸漬した際に明らかに変色が発生したチタン材の場合、その浸漬前のチタン材にて、酸化皮膜の内部および酸化皮膜と基材との界面から基材側の界面近傍には、窒素および炭素が存在していることがわかった。従来、酸化皮膜および酸化皮膜と基材との界面から基材側の界面近傍に存在する窒素がチタン材の変色に影響を及ぼすとは考えられていなかった。しかし、チタン材が長期に亘って酸性雨環境に曝された場合、酸化皮膜およびその近傍に存在する窒素も、炭素と同様に起点となって酸化皮膜の成長が生じるものと推察される。Next, the inventors immersed titanium material in a sulfuric acid aqueous solution at pH 3 and 60°C for four weeks and evaluated its discoloration resistance based on the color difference before and after immersion. Comparing titanium material that clearly discolored with titanium material that hardly discolored before and after immersion, it was found that there was a difference in the carbon and nitrogen concentrations measured by GDS in the titanium material before immersion. Specifically, in the case of titanium material that clearly discolored after immersion in a sulfuric acid aqueous solution at pH 3 and 60°C for four weeks, it was found that nitrogen and carbon were present in the titanium material before immersion, both inside the oxide film and near the interface between the oxide film and the substrate on the substrate side. Conventionally, it was not thought that nitrogen present in the oxide film and near the interface between the oxide film and the substrate on the substrate side would affect the discoloration of titanium material. However, when titanium material is exposed to an acid rain environment for a long period of time, it is presumed that nitrogen present in the oxide film and its vicinity, like carbon, will act as a starting point for the growth of the oxide film.

また、本発明者らの検討の結果、酸化皮膜およびその近傍の窒素濃度も炭素濃度と同様にチタン材の耐変色性に影響を及ぼし、窒素濃度の制限により、耐変色性が向上するという知見が得られた。更に、チタン材の表面から、GDSによって厚さ方向に測定された酸素濃度が最大値の1/3である位置までの範囲において、平均窒素濃度および平均炭素濃度がそれぞれ14.0原子%以下であると、チタン材の耐変色性が従来に比べて向上することがわかった。チタン材の表層部の平均炭素濃度は、焼鈍温度を高くすること、または、焼鈍時間を長くすることによって低下させることができる。平均窒素濃度は、熱処理の真空度を高めることによって低下させることができる。Furthermore, our investigations revealed that the nitrogen concentration in and near the oxide film, like the carbon concentration, affects the discoloration resistance of the titanium material, and that limiting the nitrogen concentration improves discoloration resistance. We also found that when the average nitrogen concentration and average carbon concentration are 14.0 atomic percent or less in the range from the surface of the titanium material to the point 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 improves compared to conventional methods. The average carbon concentration in the surface layer of the titanium material can be reduced by increasing the annealing temperature or lengthening the annealing time. The average nitrogen concentration can be reduced by increasing the vacuum level during heat treatment.

次に、本発明者らは、チタン材の表層部の水素濃度に着目し、チタン材の表層部の水素濃度によるチタン材の耐変色性への影響について検討を行った。その結果、チタン材の表層部の平均水素濃度が30.0原子%以下である場合に、耐変色性が更に向上することが見出された。チタンの水素化物は、大気の酸性雨環境では酸化チタンに比べて熱力学的に不安定である。チタン材中の水素濃度の増加によって、酸化チタンの生成が促進されると耐変色性が低下する可能性がある。しかし、チタン材の表層部の平均水素濃度が30.0原子%以下であれば、水素化チタンが酸化チタンに変化せず、耐変色性の低下が抑制されると考えられる。Next, the inventors focused on the hydrogen concentration in the surface layer of the titanium material and investigated the effect of the hydrogen concentration in the surface layer of the titanium material on its discoloration resistance. As a result, it was found that discoloration resistance was further improved when the average hydrogen concentration in the surface layer of the titanium material was 30.0 atomic percent or less. Titanium hydrides are thermodynamically less stable than titanium oxide in an acid rain environment. An increase in the hydrogen concentration in the titanium material may promote the formation of titanium oxide, potentially reducing discoloration resistance. However, if the average hydrogen concentration in the surface layer of the titanium material is 30.0 atomic percent or less, titanium hydride does not change into titanium oxide, and the decrease in discoloration resistance is thought to be suppressed.

次に、本発明者らは、チタン材の表面のTiの結晶構造の変化に着目した。本発明者らは、最密六方晶であるα相のTiのc軸の変化がチタン材の耐変色性に影響を及ぼすことを見出した。Next, the inventors focused on the changes in the crystal structure of Ti on the surface of the titanium material. They found that changes in the c-axis of the α-phase Ti, which is a close-packed hexagonal crystal, affect the discoloration resistance of the titanium material.

本発明者らの検討により、チタン材の表面において入射角が0.3度である平行ビーム法によるX線回折測定によって求められるα相のTiのc軸の格子定数と、板厚中央(厚さ中央ともいう)において集中法によるX線回折測定によって求められるα相のTiのc軸の格子定数との差が0.015Å以下であれば、耐変色性を大幅に向上させることができることがわかった。上記、X線回折測定はX線回折エネルギーによってX線の浸透レベルが異なるが、チタン材の表面とチタン材の板厚中央で上記X線回折測定を行うことで、それぞれのα相のTiのc軸の格子定数を測定できる。本願では、表層部のα相のTiのc軸の格子定数の増加を以下の通り定義する。すなわち、チタン材の表面において入射角が0.3度である平行ビーム法によるX線回折測定によって求められるα相のTiのc軸の格子定数と、板厚中央において集中法によるX線回折測定によって求められるα相のTiのc軸の格子定数との差を表層部におけるα相のTiのc軸の格子定数の増加と呼称する。入射角が0.3度である平行ビーム法によるX線回折測定での測定深さは、GDSで測定される表層部の厚さ方向の範囲と厳密には一致しないが、およそ表層部でのα相のTiのc軸の格子定数の増加を測定できる。
チタン材の表層部におけるα相のTiのc軸の格子定数の増加には、酸素が関わっていると考えられる。チタン材の表層部におけるα相のTiに酸素が固溶していると、そのc軸の格子定数が大きくなる。チタン材の表面に存在するα相のTiのc軸の格子定数が厚さ中央に存在するα相のTiのc軸の格子定数よりも大きいと、酸性雨の作用によって、欠陥濃度の高い酸化チタンが生成し、酸化皮膜が成長しやすくなり、耐変色性が劣化すると推察される。チタン材の表層部におけるα相のTiの結晶構造には、熱処理の温度、時間、真空度が影響する。熱処理の雰囲気中の真空度を高めることによって、チタン材の表層部におけるα相のTiに固溶する酸素の量が減少し、チタン材の表層部におけるα相のTiのc軸の格子定数の増加が抑制される。ここまで、本発明者らの検討により得られた新たな知見について説明した。
Through our investigations, we have found that if the difference between the c-axis lattice constant of Ti in the α phase, determined by X-ray diffraction measurement using a parallel beam method with an incident angle of 0.3 degrees on the surface of the titanium material, and the c-axis lattice constant of Ti in the α phase, determined by X-ray diffraction measurement using a concentrated method at the center of the plate thickness (also called the thickness center), is 0.015 Å or less, the discoloration resistance can be significantly improved. Although the penetration level of X-rays differs depending on the X-ray diffraction energy in the above-mentioned X-ray diffraction measurement, the c-axis lattice constant of Ti in the α phase can be measured by performing the above-mentioned X-ray diffraction measurement on the surface of the titanium material and at the center of the thickness of the titanium material. In this application, the increase in the c-axis lattice constant of Ti in the α phase of the surface layer is defined as follows. In other words, the difference between the c-axis lattice constant of α-phase Ti obtained by X-ray diffraction measurement using the parallel beam method with an incident angle of 0.3 degrees on the surface of the titanium material and the c-axis lattice constant of α-phase Ti obtained by X-ray diffraction measurement using the concentrated method at the center of the plate thickness is referred to as the increase in the c-axis lattice constant of α-phase Ti in the surface layer. The measurement depth in X-ray diffraction measurement using the parallel beam method with an incident angle of 0.3 degrees does not strictly coincide with the range in the thickness direction of the surface layer measured by GDS, but it is possible to measure approximately the increase in the c-axis lattice constant of α-phase Ti in the surface layer.
It is believed that oxygen is involved in the increase in the c-axis lattice constant of α-phase Ti in the surface layer of titanium material. When oxygen is dissolved in α-phase Ti in the surface layer of titanium material, the c-axis lattice constant increases. If the c-axis lattice constant of α-phase Ti present on the surface of titanium material is greater than that of α-phase Ti present in the center of the thickness, it is presumed that the action of acid rain will generate titanium oxide with a high defect concentration, making it easier for an oxide film to grow and degrading the resistance to discoloration. The crystal structure of α-phase Ti in the surface layer of titanium material is affected by the temperature, time, and vacuum level of the heat treatment. By increasing the vacuum level in the heat treatment atmosphere, the amount of oxygen dissolved in α-phase Ti in the surface layer of titanium material decreases, and the increase in the c-axis lattice constant of α-phase Ti in the surface layer of titanium material is suppressed. The new findings obtained through the inventors' studies have been explained up to this point.

次に、図1を参照しながら、本発明の一実施形態に係るチタン材について説明する。図1は、本実施形態に係るチタン材の層構成を示す模式的な拡大断面図である。本実施形態に係るチタン材は、表面から、グロー放電分光分析法によって前記表面から厚さ方向に測定された酸素濃度が最大値の1/3である位置までの範囲の平均窒素濃度および平均炭素濃度がそれぞれ14.0原子%以下、平均水素濃度が30.0原子%以下であり、前記表面において入射角が0.3度である平行ビーム法によるX線回折測定によって求められるα相のTiのc軸の格子定数と、板厚中央において集中法によるX線回折測定によって求められるα相のTiのc軸の格子定数との差が0.015Å以下である。以下に、本実施形態に係るチタン材を詳細に説明する。Next, a titanium material according to one embodiment of the present invention will be described with reference to Figure 1. Figure 1 is a schematic enlarged cross-sectional view showing the layer structure of the titanium material according to this embodiment. In the titanium material according to this embodiment, the average nitrogen concentration and average carbon concentration in the range from the surface to the position where the oxygen concentration measured in the thickness direction from the surface by glow discharge spectroscopy is 1/3 of the maximum value are 14.0 atomic% or less, and the average hydrogen concentration is 30.0 atomic% or less. The difference between the lattice constant of the c axis of Ti in the α phase, determined by X-ray diffraction measurement using a parallel beam method with an incident angle of 0.3 degrees at the surface, and the lattice constant of the c axis of Ti in the α phase, determined by X-ray diffraction measurement using a concentrated method at the center of the plate thickness, is 0.015 Å or less. The titanium material according to this embodiment will be described in detail below.

(チタン材1)
本実施形態に係るチタン材1は、図1に示すように、チタン基材10の表面に、酸化皮膜20が形成されているチタン材である。換言すると、チタン材1は、チタン基材10と当該チタン基材10の表面に形成された酸化皮膜20とを有する。表層部30は、チタン材1の表面(言い換えると、酸化皮膜20の表面)から、厚さ方向に、GDSによって測定される酸素濃度が最大値の1/3である位置までの領域であり、チタン基材10の一部を含む。
(Titanium material 1)
The titanium material 1 according to this embodiment is a titanium material in which an oxide film 20 is formed on the surface of a titanium substrate 10, as shown in Figure 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) in the thickness direction to a position where the oxygen concentration measured by GDS is 1/3 of the maximum value, and includes a part of the titanium substrate 10.

(チタン基材10)
チタン材1のチタン基材10は、純チタン、工業用純チタンまたはチタン合金である。チタン基材10は、例えば、Ti含有量が70質量%以上の純チタン、工業用純チタンまたはチタン合金である。以下では、これらを総称して「チタン」と称する場合がある。純チタンの結晶構造は最密六方晶のα相であり、体心立方構造のβ相を含まない。工業用純チタンは主にα相からなり、化学組成などのよってβ相を含む場合もある。チタン合金は、α相のみのα型合金であってもよく、体心立方構造のβ相を含むα+β型合金であってもよい。また、チタン基材10は、例えば、工業用チタンであってもよい。チタン基材10に用いられる工業用チタンには、例えば、JIS H 4600:2012に記載された各種工業用チタンの板および条や、JIS H 4650:2016に記載される各種工業用チタンの棒が挙げられる。加工性が要求される場合は、不純物を低減したJIS1種(たとえば、JIS H 4600:2012)の工業用純チタンが好適である。また、強度が必要とされる場合は、チタン基材10にJIS2種~4種の工業用純チタンを適用できる。チタン合金としては、例えば、耐食性を向上させるために、微量の貴金属系の元素、例えば、パラジウム、白金、ルテニウム等を含有するJIS11種~23種や、比較的多くの元素を含むJIS60種、例えばTi-6Al-4V系合金、60E種、61種、および61F種等が挙げられる。なお、建築物では、JIS1種やそれと同等であるASTMGr.1で規定される工業用純チタンまたはその同等材が主に使用されている。
(Titanium base material 10)
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 with a Ti content of 70% by mass or more. Hereinafter, these may be collectively referred to as "titanium." The crystal structure of pure titanium is a close-packed hexagonal α phase and does not contain a body-centered cubic β phase. Industrial pure titanium mainly consists of the α phase, and may contain a β phase depending on the chemical composition. The titanium alloy may be an α-type alloy consisting only of the α phase, or an α+β-type alloy containing a body-centered cubic β phase. The titanium substrate 10 may also be, for example, industrial titanium. Examples of industrial titanium used in the titanium substrate 10 include various industrial titanium plates and strips described in JIS H 4600:2012, and various industrial titanium rods described in JIS H 4650:2016. When processability is required, industrial pure titanium of JIS Grade 1 (for example, JIS H 4600:2012) with reduced impurities is preferred. Furthermore, when strength is required, industrial pure titanium of JIS Grades 2 to 4 can be applied to the titanium substrate 10. Examples of titanium alloys include JIS Grades 11 to 23, which contain trace amounts of noble metal elements, such as palladium, platinum, and ruthenium, to improve corrosion resistance, and JIS Grade 60, which contains a relatively large number of elements, such as Ti-6Al-4V alloys, Grades 60E, 61, and 61F. In buildings, industrial pure titanium specified in JIS Grade 1 or its equivalent, ASTM Gr. 1, or equivalent materials, is mainly used.

α相を主とするチタン合金としては、例えば高耐食性合金(JIS規格の11種~13種、17種、19種~22種、および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-Ru-Mmなど))、Ti-0.5Cu、Ti-1.0Cu、Ti-1.0Cu-0.5Nb、Ti-1.0Cu-1.0Sn-0.35Si-0.25Nb等がある。Mmは、ミッシュメタルを示す。Examples of titanium alloys primarily composed of the α phase include highly corrosion-resistant alloys (titanium alloys specified in JIS standards 11-13, 17, 19-22, and ASTM standards Grades 7, 11, 13, 14, 17, 30, and 31, as well as titanium alloys containing small amounts of various other elements (such as Ti-Ru-Mm)), Ti-0.5Cu, Ti-1.0Cu, Ti-1.0Cu-0.5Nb, Ti-1.0Cu-1.0Sn-0.35Si-0.25Nb, etc. Mm represents mischmetal.

α+β型チタン合金としては、例えば、Ti-3Al-2.5V、Ti-5Al-1Fe、Ti-6Al-4V等がある。Examples of α+β type titanium alloys include Ti-3Al-2.5V, Ti-5Al-1Fe, and Ti-6Al-4V.

Ti-6Al-4V系合金のように、チタン基材10がアルミニウムを含有する場合、耐食性が劣化し、耐変色性に悪影響を及ぼす場合がある。そのため、チタン基材10としてのチタン合金の表面に酸化皮膜20を形成する場合、予め、用途に対する合金元素の影響を調査し、チタン基材10に応じて、各層の組成、厚さを適宜調整することが推奨される。When the titanium substrate 10 contains aluminum, such as in Ti-6Al-4V alloys, 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 the titanium substrate 10, it is recommended to investigate the influence of alloying elements on the application beforehand and to appropriately adjust the composition and thickness of each layer according to the titanium substrate 10.

チタン基材10は、例えば、質量%で、
Co:0%以上1.0%以下、
Cr:0%以上0.5%以下、
Ni:0%以上1.00%以下、
Ta:0%以上6.00%以下、
Al:0%以上7.0%以下、
V:0%以上5.0%以下、
S:0%以上0.3%以下、
Cu:0%以上1.50%以下、
Nb:0%以上0.70%以下、
Sn:0%以上1.40%以下、
Si:0%以上0.55%以下、
Mo:0%以上0.5%以下、
W:0%以上0.5%以下、
Pd:0%以上0.25%、
Ru:0%以上0.15%以下、
Rh:0%以上0.15%以下、
Os:0%以上0.15%以下、
Ir:0%以上0.15%以下、
Pt:0%以上0.15%以下、
REM:0%以上0.10%以下、
C:0%以上0.18%%以下、
H:0%以上0.015%以下、
O:0%以上0.40%以下、
N:0%以上0.05%以下、および
Fe:0%以上2.50%以下を含み、
残部がTiおよび不純物からなる、工業用純チタンまたはチタン合金である。
ここで、REMとは希土類元素であり、具体的には、Sc、Y、軽希土類元素(La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu)及び重希土類元素(Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)からなる群から選択される一種以上の元素である。
The titanium substrate 10 is, for example, in mass%
Co: 0% or more and 1.0% or less,
Cr: 0% or more and 0.5% or less,
Ni: 0% or more and 1.00% or less,
Ta: 0% or more and 6.00% or less,
Al: 0% or more and 7.0% or less,
V: 0% or more and 5.0% or less,
S: 0% or more and 0.3% or less,
Cu: 0% or more and 1.50% or less,
Nb: 0% or more and 0.70% or less,
Sn: 0% or more and 1.40% or less,
Si: 0% or more and 0.55% or less,
Mo: 0% or more and 0.5% or less,
W: 0% or more and 0.5% or less,
Pd: 0% to 0.25%,
Ru: 0% or more and 0.15% or less,
Rh: 0% or more and 0.15% or less,
Os: 0% or more and 0.15% or less,
Ir: 0% or more and 0.15% or less,
Pt: 0% or more and 0.15% or less,
REM: 0% or more and 0.10% or less,
C: 0% or more and 0.18%% or less,
H: 0% or more and 0.015% or less,
O: 0% or more and 0.40% or less,
N: 0% to 0.05%, and Fe: 0% to 2.50%,
The remainder consists of Ti and impurities, making it industrial-grade pure titanium or titanium alloy.
Here, REM refers to rare earth elements, specifically one or more elements 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).

また、チタン基材10は、例えば、質量%で、
C:0%以上0.10%以下、
H:0%以上0.015%以下、
O:0%以上0.40%以下、
N:0%以上0.05%以下、および
Fe:0%以上0.50%以下を含み、
残部がTiおよび不純物からなる、工業用純チタンである。
Furthermore, the titanium substrate 10 is, for example, in mass%
C: 0% or more and 0.10% or less,
H: 0% or more and 0.015% or less,
O: 0% or more and 0.40% or less,
N: 0% to 0.05%, and Fe: 0% to 0.50%,
This is industrial-grade pure titanium, with the remainder consisting of Ti and impurities.

また、チタン基材10は、例えば、質量%で、
Co:0%以上0.80%以下、
Pd:0%以上0.25%以下、
Cr:0%以上0.2%以下、
Ru:0%以上0.06%以下、
Ni:0%以上0.60%以下、
Ta:0%以上6.0%以下、
N:0%以上0.05%以下、
C:0%以上0.08%以下、
H:0%以上0.015%以下、
O:0%以上0.35%以下、および
Fe:0%以上0.30%以下を含み、
残部がTiおよび不純物からなる、チタン合金である。
Furthermore, the titanium substrate 10 is, for example, in mass%
Co: 0% or more and 0.80% or less,
Pd: 0% or more and 0.25% or less,
Cr: 0% or more and 0.2% or less,
Ru: 0% or more and 0.06% or less,
Ni: 0% or more and 0.60% or less,
Ta: 0% or more and 6.0% or less,
N: 0% or more and 0.05% or less,
C: 0% or more and 0.08% or less,
H: 0% or more and 0.015% or less,
O: 0% to 0.35%, and Fe: 0% to 0.30%,
It is a titanium alloy, with the remainder consisting of Ti and impurities.

また、チタン基材10は、例えば、質量%で、
Al:2.0%以上7.0%以下、
V:1.0%上5.0%以下、
S:0%以上0.3%以下、
REM:0%以上0.08%以下、
N:0%以上0.05%以下、
C:0%以上0.10%以下、
H:0%以上0.015%以下、
O:0%以上0.35%以下、および
Fe:0%以上2.5%以下を含み、
残部がTiおよび不純物からなる、チタン合金である。
Furthermore, the titanium substrate 10 is, for example, in mass%
Al: 2.0% or more and 7.0% or less,
V: 1.0% up to 5.0%,
S: 0% or more and 0.3% or less,
REM: 0% or more and 0.08% or less,
N: 0% or more and 0.05% or less,
C: 0% or more and 0.10% or less,
H: 0% or more and 0.015% or less,
O: 0% to 0.35%, and Fe: 0% to 2.5%,
It is a titanium alloy, with the remainder consisting of Ti and impurities.

また、チタン基材10は、例えば、質量%で、
Cu:0.3%以上1.50%以下、
Nb:0%以上0.70%以下、
Sn:0%以上1.40%以下、
Si:0%以上0.55%以下、
N:0%以上0.05%以下、
C:0%以上0.10%以下、
H:0%以上0.015%以下、
O:0%以上0.15%以下、および
Fe:0%以上0.10%以下を含み、
残部がTiおよび不純物からなる、チタン合金である。
Furthermore, the titanium substrate 10 is, for example, in mass%
Cu: 0.3% or more and 1.50% or less,
Nb: 0% or more and 0.70% or less,
Sn: 0% or more and 1.40% or less,
Si: 0% or more and 0.55% or less,
N: 0% or more and 0.05% or less,
C: 0% or more and 0.10% or less,
H: 0% or more and 0.015% or less,
O: 0% to 0.15%, and Fe: 0% to 0.10%,
It is a titanium alloy, with the remainder consisting of Ti and impurities.

また、チタン基材10は、例えば、質量%で、
V:0%以上0.5%以下、
Ni:0%以上1.00%以下、
Cr:0%以上0.5%以下、
Co:0%以上1.0%以下、
Mo:0%以上0.5%以下、
W:0%以上0.5%以下、
Pd:0%以上0.15%以下、
Ru:0%以上0.15%以下、
Rh:0%以上0.15%以下、
Os:0%以上0.15%以下、
Ir:0%以上0.15%以下、
Pt:0%以上0.15%以下、
REM:0.001%以上0.10%以下、
N:0%以上0.03%以下、
C:0%以上0.18%以下、
H:0%以上0.015%以下、
O:0%以上0.35%以下、
Fe:0%以上0.30%以下、および
Pd、Ru、Rh、Os、Ir及びPtの合計:0.01%以上0.15%以下を含み、
残部がTiおよび不純物からなる、チタン合金である。
Furthermore, the titanium substrate 10 is, for example, in mass%
V: 0% or more and 0.5% or less,
Ni: 0% or more and 1.00% or less,
Cr: 0% or more and 0.5% or less,
Co: 0% or more and 1.0% or less,
Mo: 0% or more and 0.5% or less,
W: 0% or more and 0.5% or less,
Pd: 0% or more and 0.15% or less,
Ru: 0% or more and 0.15% or less,
Rh: 0% or more and 0.15% or less,
Os: 0% or more and 0.15% or less,
Ir: 0% or more and 0.15% or less,
Pt: 0% or more and 0.15% or less,
REM: 0.001% or more and 0.10% or less,
N: 0% or more and 0.03% or less,
C: 0% or more and 0.18% or less,
H: 0% or more and 0.015% or less,
O: 0% or more and 0.35% or less,
Fe: 0% to 0.30%, and the total of Pd, Ru, Rh, Os, Ir, and Pt: 0.01% to 0.15%.
It is a titanium alloy, with the remainder consisting of Ti and impurities.

不純物は、添加の意図に関係なく、チタン中に存在し、得られるチタン材において本来存在する必要のない成分である。「不純物」なる用語は、チタンを工業的に製造する際に原料または製造環境等から混入する不純物を含む概念である。不純物としては、例えば、Cl、Na、Mg、Ca、およびB、が挙げられる。不純物の各元素の含有量は、好ましくは0.1質量%以下であり、総量は、好ましくは0.4質量%以下である。Impurities are components that are present in titanium regardless of the intention of their addition and are not inherently necessary in the resulting titanium material. The term "impurities" is a concept that includes impurities introduced from raw materials or the manufacturing environment during the industrial production of titanium. Examples of impurities include Cl, Na, Mg, Ca, and B. The content of each element of impurities is preferably 0.1% by mass or less, and the total amount is preferably 0.4% by mass or less.

チタン基材10は、通常、板、条、管、棒線であるか、またはこれらが適宜加工された形状をなす。チタン基材10は、任意の形状、例えば、球状または直方体状であってもよい。The titanium substrate 10 is usually in the form of a plate, strip, tube, rod, or wire, or in a shape that has been appropriately processed from these. The titanium substrate 10 may also be in any shape, for example, spherical or rectangular.

(酸化皮膜20)
チタン基材10の表面には酸化皮膜20が形成されている。酸化皮膜20の厚さは特に限定されないが、30.0nmを超えると、光の干渉作用によってチタン材1の発色に影響を及ぼす場合がある。そのため、酸化皮膜20の厚さは、好ましくは30.0nm以下である。酸化皮膜20の厚さは、光の干渉作用による発色の抑制の観点からは、より好ましくは25.0nm以下であり、更に好ましくは20.0nm以下である。酸化皮膜20の厚さは、0nm超であるが、例えば、10.0nm以上であってもよい。また、チタン材の耐変色性は、酸化皮膜20の厚さの確保によって向上する。そのため、耐変色性向上の観点からは、チタン材1の表面の酸化皮膜20の厚さはより好ましくは12.0nm以上である。
(Oxide film 20)
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, it may affect the color development of the titanium material 1 due to light interference. For this reason, the thickness of the oxide film 20 is preferably 30.0 nm or less. From the viewpoint of suppressing color development due to light interference, 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 greater than 0 nm, but may be, for example, 10.0 nm or more. Furthermore, the discoloration resistance of the titanium material is improved by ensuring the thickness of the oxide film 20. For this reason, from the viewpoint of improving 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.

酸化皮膜20の厚さは、GDSによって測定される。GDSによる測定は、以下の方法で行われる。GDSによる測定は、株式会社堀場製作所製JOBIN YVON GD-Profiler2を用いて、35Wの定電力モードで行い、アルゴンガスの圧力を600Pa、放電範囲を直径4mmとする。GDSによる測定における測定ピッチは0.5nmである。GDSによる測定では、チタン材1の表面から、O(酸素)、N(窒素)、C(炭素)、H(水素)およびTiの分析が行われる。上記各元素の濃度(原子%)は、上記元素の合計を100原子%として算出される。酸化皮膜20の厚さは、GDSによって測定される酸素濃度から求められる。具体的には、表面から、酸素濃度が最大値に対して半減した位置までの厚さ方向の距離が酸化皮膜20の厚さである。平均窒素濃度、平均炭素濃度および平均水素濃度は、各測定点の窒素濃度、炭素濃度および水素濃度の数値の算術平均値である。The thickness of the oxide film 20 is measured by GDS. The GDS measurement is performed using the following method: The GDS measurement is performed using a JOBIN YVON GD-Profiler 2 manufactured by Horiba, Ltd., in constant power mode at 35W, with an argon gas pressure of 600 Pa and a discharge range of 4 mm in diameter. The measurement pitch in the GDS measurement is 0.5 nm. In the GDS measurement, O (oxygen), N (nitrogen), C (carbon), H (hydrogen), and Ti are analyzed from the surface of the titanium material 1. The concentration (atomic %) of each of the above elements is calculated assuming the sum of the above elements is 100 atomic percent. The thickness of the oxide film 20 is determined from the oxygen concentration measured by GDS. Specifically, the thickness of the oxide film 20 is the distance in the thickness direction from the surface to the position where the oxygen concentration is halved from the maximum value. The average nitrogen concentration, average carbon concentration, and average hydrogen concentration are the arithmetic mean values of the nitrogen, carbon, and hydrogen concentrations at each measurement point.

チタン基材10における酸化皮膜20との界面近傍の窒化物由来の窒素濃度は、XPSで測定した酸化皮膜20における窒素濃度の最大値未満且つ7原子%以下であることが好ましい。後述する本実施形態に係るチタン材1の製造方法により、酸化皮膜20に窒化物が形成されるが、当該方法によればチタン基材10と酸化皮膜20との界面近傍に形成される窒化物は存在しないか極少量である。チタン基材10である母材の窒素含有量は、化学分析で得られる値では、0.05~0.07質量%程度であり、多くとも0.20原子%程度と、不純物レベルである。この含有量はチタン中の窒素の固溶限以下であるため、窒化物は形成されない。したがって、チタン基材10と酸化皮膜20との界面近傍に窒化物が存在する場合、その窒化物は、本実施形態に係るチタン材1の製造方法の一例における焼鈍処理の際に窒素が表面から内部に拡散して形成されたものである。そのため、チタン基材10における酸化皮膜20との界面近傍の窒化物由来の窒素濃度は、XPSで測定した酸化皮膜20における窒素濃度の最大値未満且つ7原子%以下であることが好ましい。チタン基材10における酸化皮膜20との界面近傍の窒化物由来の窒素濃度がXPSで測定した酸化皮膜20における窒素濃度の最大値未満且つ7.0原子%以下であると、チタン材1が長期に亘って酸性雨環境に曝された場合の酸化皮膜の成長が抑制され、変色が抑制される。チタン基材10における酸化皮膜20との界面近傍の窒化物由来の窒素濃度は、より好ましくは、酸化皮膜20における窒素濃度の最大値未満且つ3.0原子%以下である。一方、チタン基材10における酸化皮膜20との界面近傍の窒化物由来の窒素濃度の下限は制限されない。そのため、本実施形態に係るチタン材1の製造方法の一例によれば、チタン基材10における酸化皮膜20との界面近傍の窒化物由来の窒素濃度の下限は、0原子%であるが、XPSのピーク分離に起因するもの(ゼロにはならない)も加味すると0.5原子%程度となる場合がある。The nitrogen concentration derived from nitrides near the interface between the titanium substrate 10 and the oxide film 20 is preferably less than the maximum nitrogen concentration in the oxide film 20 measured by XPS and 7 atomic percent or less. Although nitrides are formed on the oxide film 20 by the manufacturing method of the titanium material 1 according to this embodiment, as described later, according to this method, there are no nitrides or only a very small amount of nitrides formed near the interface between the titanium substrate 10 and the oxide film 20. 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 atomic percent, which is at the impurity level, as obtained by chemical analysis. Since this content is below the solid solubility limit of nitrogen in titanium, nitrides are not formed. Therefore, if nitrides exist near the interface between the titanium substrate 10 and the oxide film 20, these nitrides are formed when nitrogen diffuses from the surface into the interior during the annealing process in one example of the manufacturing method of the titanium material 1 according to this embodiment. Therefore, it is preferable that the nitrogen concentration derived from nitrides near the interface between the titanium substrate 10 and the oxide film 20 is less than the maximum nitrogen concentration in the oxide film 20 measured by XPS and 7 atomic percent or less. When the nitrogen concentration derived from nitrides near the interface between the titanium substrate 10 and the oxide film 20 is less than the maximum nitrogen concentration in the oxide film 20 measured by XPS and 7.0 atomic percent or less, the growth of the oxide film is suppressed and discoloration is suppressed when the titanium material 1 is exposed to an acid rain environment for a long period of time. More preferably, the nitrogen concentration derived from nitrides near the interface between the titanium substrate 10 and the oxide film 20 is less than the maximum nitrogen concentration in the oxide film 20 and 3.0 atomic percent or less. On the other hand, there is no lower limit to the nitrogen concentration derived from nitrides near the interface between the titanium substrate 10 and the oxide film 20. Therefore, according to one example of the manufacturing method for the titanium material 1 according to this embodiment, the lower limit of nitrogen concentration derived from nitrides near the interface with the oxide film 20 on the titanium substrate 10 is 0 atomic%, but when considering those resulting from XPS peak separation (which will not be zero), it may be around 0.5 atomic%.

なお、チタン基材10における酸化皮膜20との界面近傍とは、XPSで測定したときの当該界面からチタン基材側に20nmの範囲を言う。後述のXPSで測定した図(例えば、図4)にて、XPSで測定した酸素濃度が最大値の1/2になる位置を前記の界面とする。そのため、XPSで測定した酸素濃度が最大値の1/2になる位置からチタン基材側まで20nm範囲を、チタン基材10における酸化皮膜21との界面近傍とする。チタン基材10における酸化皮膜20との界面近傍は、表層部30とは異なる領域である。
酸化皮膜20は、GDSまたはXPSで同定できるが、各測定方法で得られる酸化皮膜の厚さは、測定方法が異なるため厳密に一致しない事が多い。しかしながら、各測定方法で、酸素濃度が最大値の1/2になる位置を酸化皮膜とする点で、酸化皮膜の定義は一致する。本願では、チタン基材10における酸化皮膜20との界面近傍の窒化物由来の窒素濃度を測定する際の酸化皮膜はXPSで測定する。
The vicinity of the interface between the titanium substrate 10 and the oxide film 20 refers to the 20 nm range from the interface toward the titanium substrate when measured by XPS. In the XPS measurement figure described later (for example, Figure 4), the interface is defined as the position where the oxygen concentration measured by XPS is half of its maximum value. Therefore, the 20 nm range from the position where the oxygen concentration measured by XPS is half of its maximum value toward the titanium substrate is defined as the vicinity of the interface between the titanium substrate 10 and the oxide film 21. The vicinity of the interface between the titanium substrate 10 and the oxide film 20 is a different region from the surface layer 30.
The oxide film 20 can be identified by GDS or XPS, but the thickness of the oxide film obtained by each measurement method often does not strictly match due to the differences in the measurement methods. However, the definition of the oxide film is consistent across all measurement methods, in that the oxide film is defined as the position where the oxygen concentration is half of the maximum value. In this application, the oxide film is measured by XPS when measuring the nitrogen concentration derived from nitrides near the interface with the oxide film 20 on the titanium substrate 10.

酸化皮膜20は、窒化物由来の窒素を含有することが好ましい。酸化皮膜20における窒化物由来の窒素は、X線光電子分光法(X-ray Photoelectron Spectroscopy;XPS)により測定される。図2は、本実施形態に係るチタン材1のX線光電子分光法によるスペクトルの深さ方向の変化の一例を示す図である。図3は、一般のチタン材のX線光電子分光法によるスペクトルの深さ方向の変化の一例を示す図である。図2(A)および図3(A)は、N1sスペクトルの深さ方向の変化、図2(B)および図3(B)は、C1sスペクトルの深さ方向の変化、図2(C)および図3(C)は、O1sスペクトルの深さ方向の変化、図2(D)および図3(D)は、Ti2pスペクトルの深さ方向の変化を示している。図2(C)に示すように、本実施形態に係るチタン材1では、酸化皮膜20に相当する深さで窒化物由来の明瞭なピークが確認されることがある。一方で、図3(C)に示すように、一般のチタン材では、窒化物由来のピークが極めて小さい。このように、本実施形態に係るチタン材1は、酸化皮膜20に所定量の窒化物由来の窒素を含有することが好ましい。以下に、酸化皮膜20における窒化物由来の窒素の含有量について、詳細に説明する。なお、本実施形態に係るチタン材1では、図2(C)の窒化物(Nitride)のピーク強度が増加してくるのに伴って、図2(A)のTiNが関与するピークの強度も増加していることから、図2(C)の窒化物は、チタンの窒化物に由来すると考えられる。The oxide film 20 preferably contains nitrogen derived from nitrides. Nitrogen derived from nitrides in the oxide film 20 is measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Figure 2 shows an example of the depth direction change of the spectrum of the titanium material 1 according to this embodiment, measured by X-ray photoelectron spectroscopy. Figure 3 shows an example of the depth direction change of the spectrum of a general titanium material, measured by X-ray photoelectron spectroscopy. Figures 2(A) and 3(A) show the depth direction change of the N1s spectrum, Figures 2(B) and 3(B) show the depth direction change of the C1s spectrum, Figures 2(C) and 3(C) show the depth direction change of the O1s spectrum, and Figures 2(D) and 3(D) show the depth direction change of the Ti2p spectrum. As shown in Figure 2(C), in the titanium material 1 according to this embodiment, a clear peak derived from nitrides may be observed at a depth corresponding to the oxide film 20. On the other hand, as shown in Figure 3(C), in general titanium materials, the nitride-derived peak is extremely small. Thus, it is preferable that the titanium material 1 according to this embodiment contains a predetermined amount of nitride-derived nitrogen in the oxide film 20. The nitride-derived nitrogen content in the oxide film 20 will be described in detail below. In the titanium material 1 according to this embodiment, as the peak intensity of the nitride (nitride) in Figure 2(C) increases, the intensity of the peak involving TiN in Figure 2(A) also increases, so it is considered that the nitride in Figure 2(C) originates from titanium nitride.

酸化皮膜20における窒化物由来の窒素含有量(窒素濃度の最大値)は、2.0~10.0原子%であることが好ましい。酸化皮膜20における窒化物由来の窒素含有量とは、XPSにより測定した酸化皮膜20中の窒化物由来の窒素濃度の最大値をいう。未発色材にて、酸化皮膜20が窒化物由来の窒素を2.0原子%以上含有すると、耐変色性が一層向上する。この理由は必ずしも明らかではないが、酸化皮膜20内に窒化物が存在すると、原子配列が乱れ、酸化皮膜20内に歪分布が変化すること、または、導電性が変化してナノメートルレベルの電位分布が変化すること等により、酸化皮膜20におけるイオンの透過を遮蔽する機能(遮蔽機能)が変化したためであると考えられる。
酸化皮膜20における窒化物由来の窒素含有量が2.0原子%以上であると、より確実に遮蔽機能を向上させ、耐変色性向上の効果をより確実に得ることができる。酸化皮膜20における窒化物由来の窒素含有量は、製造上の安定性を考慮すると、より好ましくは、4.0原子%以上である。一方、酸化皮膜20における窒化物由来の窒素含有量が10.0原子%超であると、遮蔽機能が低下し、耐変色性向上の効果が得られない場合があるが、酸化皮膜20における窒化物由来の窒素含有量が10.0原子%以下であると、遮蔽機能が維持され、より高い耐変色性向上の効果が得られる。酸化皮膜20における窒化物由来の窒素含有量は、製造上の安定性を考慮すると、より好ましくは、8.0原子%以下である。
The nitrogen content derived from nitrides in the oxide film 20 (maximum nitrogen concentration) is preferably 2.0 to 10.0 atomic percent. The nitrogen content derived from nitrides in the oxide film 20 refers to the maximum nitrogen concentration derived from nitrides in the oxide film 20 measured by XPS. In the case of uncolored materials, if the oxide film 20 contains 2.0 atomic percent or more of nitrogen derived from nitrides, the discoloration resistance is further improved. The reason for this is not entirely clear, but it is thought that the presence of nitrides in the oxide film 20 disrupts the atomic arrangement, changes the strain distribution within the oxide film 20, or changes the conductivity and thus the potential distribution at the nanometer level, thereby changing the function of the oxide film 20 in shielding against ion permeation (shielding function).
When the nitrogen content derived from nitrides in the oxide film 20 is 2.0 atomic% or more, the shielding function can be more reliably improved, and the effect of improving discoloration resistance can be more reliably obtained. Considering manufacturing stability, the nitrogen content derived from nitrides in the oxide film 20 is more preferably 4.0 atomic% or more. On the other hand, when the nitrogen content derived from nitrides in the oxide film 20 exceeds 10.0 atomic%, the shielding function decreases, and the effect of improving discoloration resistance may not be obtained. However, when the nitrogen content derived from nitrides in the oxide film 20 is 10.0 atomic% or less, the shielding function is maintained, and a higher effect of improving discoloration resistance can be obtained. Considering manufacturing stability, the nitrogen content derived from nitrides in the oxide film 20 is more preferably 8.0 atomic% or less.

さらに、本発明者らは、酸化皮膜20における窒化物由来の窒素の分布を制御することで耐変色性を向上させることに想到した。図4は、本実施形態に係るチタン材1(本発明例)および一般のチタン材(従来例)のX線光電子分光法による深さ方向の元素濃度分布の一例を示す図である。図4における横軸のスパッタ深さは、SiOのスパッタリング速度で換算した深さである。図4の本発明例は、図2に示した本実施形態に係るチタン材についての元素濃度分布である。図4の従来例は、図3に示した一般のチタン材(工業用純チタン1種)についての元素濃度分布である。 Furthermore, the inventors conceived of improving discoloration resistance by controlling the distribution of nitrogen derived from nitrides in the oxide film 20. Figure 4 shows an example of the elemental concentration distribution in the depth direction by X-ray photoelectron spectroscopy for titanium material 1 (example of the present invention) and general titanium material (conventional example) according to this embodiment. The sputtering depth on the horizontal axis in Figure 4 is the depth converted by the sputtering rate of SiO2 . The example of the present invention in Figure 4 is the elemental concentration distribution for the titanium material according to this embodiment shown in Figure 2. The conventional example in Figure 4 is the elemental concentration distribution for general titanium material (industrial pure titanium type 1) shown in Figure 3.

図4に示すように、本実施形態に係るチタン材1は、SiOのスパッタリング速度で換算したときのスパッタ深さが2~10nmの位置に、窒化物由来の窒素濃度が最大となっている。一方で、一般のチタン材では、窒素濃度は極めて小さい。したがって、酸化皮膜20における窒化物由来の窒素濃度が最大となる深さは、SiOのスパッタリング速度で換算したときに2~10nmであることが好ましい。なお、当該スパッタ深さの上限は、上述した酸化皮膜20との界面近傍の範囲を含む30nm以上とすることが好ましい。また、酸化皮膜20の厚さに応じて変更されてもよく、酸化皮膜20の厚さの3倍程度以上にするのが好ましい。 As shown in Figure 4, in the titanium material 1 according to this embodiment, the nitrogen concentration derived from nitrides is maximum at a sputtering depth of 2 to 10 nm when calculated using the sputtering rate of SiO2 . On the other hand, in general titanium materials, the nitrogen concentration is extremely low. Therefore, the depth at which the nitrogen concentration derived from nitrides in the oxide film 20 is maximum is preferably 2 to 10 nm when calculated using the sputtering rate of SiO2 . The upper limit of this sputtering depth is preferably 30 nm or more, including the range near the interface with the oxide film 20 as described above. It may also be changed according to the thickness of the oxide film 20, and it is preferable to set it to about three times the thickness of the oxide film 20 or more.

さらに、本発明者らは、上記の酸化皮膜20における窒化物由来の窒素濃度が最大となる深さでの窒素濃度が耐変色性に及ぼす影響を調査した。図5は、酸化皮膜20内の窒化物由来の窒素の濃度の最大値と変色試験前後の色差ΔEabとの関係を示す図である。 Furthermore, the inventors investigated the effect of nitrogen concentration at the depth where the nitrogen concentration derived from nitrides in the oxide film 20 is maximum on discoloration resistance. Figure 5 shows the relationship between the maximum value of nitrogen concentration derived from nitrides in the oxide film 20 and the color difference ΔE * ab before and after the discoloration test.

色差ΔEabは、以下の方法で求めた。pH3硫酸水溶液に60℃で4週間浸漬し、浸漬前後のチタン材表面のLを測定し、JIS Z 8730:2009に準拠して求められる明度Lおよび色度a、bそれぞれの浸漬前後の差ΔL、Δa、Δbから、
ΔEab=[(ΔL+(Δa+(Δb1/2
に従って算出した。色差ΔEabが小さいほど試験前後での変色の程度が小さく、耐変色性に優れること意味する。
The color difference ΔE * ab was determined by the following method: The titanium material was immersed in a pH 3 sulfuric acid aqueous solution at 60°C for 4 weeks, and the L * a * b * of the titanium material surface before and after immersion were measured. From the differences ΔL * , Δa * , and Δb * of the lightness L * and chromaticity a * and b * before and after immersion, respectively, determined in accordance with JIS Z 8730:2009,
ΔE * ab = [(ΔL * ) 2 + (Δa * ) 2 + (Δb * ) 2 ] 1/2
The calculation was performed according to the formula. A smaller color difference ΔE * ab indicates less discoloration before and after the test, and thus better colorfastness.

図5に示すように、酸化皮膜20における窒化物由来の窒素濃度が最大となる深さでの窒素濃度が2.0原子%未満の場合、遮蔽性が十分に高まらず、色差が8を超える場合があった。一方、窒化物由来の窒素濃度が10.0原子%を超えると遮蔽性が低下し、色差が8を超える場合があった。また、酸化皮膜20における窒化物由来の窒素濃度が最大となる深さでの窒素濃度が10.0原子%を超える場合、金色や黄色味かかった色調になることがあった。金色や黄色味かかった色調になる場合、色調が変化するため、チタンそのものの銀色が求められるような用途には適さないことがある。この色味の変化は、チタンの窒化物の物質色が顕在化したためと推測される。よって、酸化皮膜20における窒化物由来の窒素濃度が最大となる深さでの窒素濃度は、2.0~10.0原子%である。As shown in Figure 5, when the nitrogen concentration at the depth where the nitrogen concentration derived from nitrides in the oxide film 20 is maximum is less than 2.0 atomic%, the shielding performance is not sufficiently high, and the color difference may exceed 8. On the other hand, when the nitrogen concentration derived from nitrides exceeds 10.0 atomic%, the shielding performance decreases, and the color difference may exceed 8. Furthermore, when the nitrogen concentration at the depth where the nitrogen concentration derived from nitrides in the oxide film 20 is maximum exceeds 10.0 atomic%, the color may become golden or yellowish. When the color becomes golden or yellowish, the color changes, making it unsuitable for applications where the silver color of titanium itself is required. This change in color is presumed to be due to the manifestation of the material color of the titanium nitrides. Therefore, the nitrogen concentration at the depth where the nitrogen concentration derived from nitrides in the oxide film 20 is maximum is between 2.0 and 10.0 atomic%.

さらに、図5に示すように、酸化皮膜20における窒化物由来の窒素濃度が最大となる深さでの窒素濃度が、同じ深さにおける炭化物由来の炭素濃度未満になると色差が8を超える場合があった。これも前述したように、酸化皮膜20内の歪分布に影響すること、導電性が変化してナノメートルレベルの電位分布に影響すること等に起因すると考えられる。よって、酸化皮膜20における窒化物由来の窒素濃度が最大となる深さでの窒素濃度が、酸化皮膜20における窒化物由来の窒素濃度が最大となる位置の炭化物由来の炭素濃度以上であることが好ましい。Furthermore, as shown in Figure 5, when the nitrogen concentration at the depth where the nitrogen concentration derived from nitrides in the oxide film 20 is maximum was less than the carbon concentration derived from carbides at the same depth, the color difference sometimes exceeded 8. This is thought to be due to the influence on the strain distribution within the oxide film 20, the change in conductivity, and the influence on the nanometer-level potential distribution, as mentioned above. Therefore, it is preferable that the nitrogen concentration at the depth where the nitrogen concentration derived from nitrides in the oxide film 20 is maximum is equal to or greater than the carbon concentration derived from carbides at the position where the nitrogen concentration derived from nitrides in the oxide film 20 is maximum.

チタン基材10および酸化皮膜20における、窒化物、炭化物、酸化物に由来するN、C、OおよびTiの濃度を算出は、X線光電子分光分析法を用い、チタン材の表面をArイオンスパッタリングしで行うことができる。詳細には、分析条件を、X線源:mono-AlKα(hν:1486.6eV)、ビーム径:200μmΦ(≒分析領域)、検出深さ:数nm、取込角度:45°、スパッタ条件:Ar、スパッタレート4.3nm/min.(SiO換算値)とする。SiO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393~408eVの位置に表れるピークをN1sのピークとして測定し、有機物由来のNを約399~401eV、窒化物由来のNを約397±1eVとして分離する。結合エネルギーが約280~395eVの位置に表れるピークをC1sのピークとし測定し、有機物由来のCを約284~289eV、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の位置に表れるピークをO1sのピークとして測定し、有機物由来のOを約399~401eV、金属酸化物由来のOを約529.5~530.5eVとする。結合エネルギーが450~470eVの位置に表れるピークをTi2pのピークとして測定する。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。その帯電補正法の一つとして、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する方法が適用できる。
これらのピークを用いた一般的な解析手法として、解析ソフトウェアであるMultiPakを使用しての、元素濃度、化学状態別の濃度を解析することができる。一般的な手順を以下に記す。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。このような手順で窒化物由来の窒素の含有量、炭化物由来の炭素の含有量を求める。なお、前記の元素の濃度は、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。
ここまで、酸化皮膜20における窒化物由来の窒素の含有量について、詳細に説明した。
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 calculated using X-ray photoelectron spectroscopy by sputtering the surface of the titanium material with Ar ions. Specifically, the analysis conditions are as follows: X-ray source: mono-AlKα (hν: 1486.6 eV), beam diameter: 200 μmΦ (≒analysis area), detection depth: several nm, acquisition angle: 45°, sputtering conditions: Ar + , sputtering rate: 4.3 nm/min. ( SiO2 equivalent value). The SiO2 equivalent value is the sputtering rate obtained using an SiO2 film whose thickness was previously measured using an ellipsometer, under the same measurement conditions.
The peak appearing at a bond energy of approximately 393–408 eV is measured as the N1s peak, separating N from organic sources at approximately 399–401 eV and N from nitrides at approximately 397±1 eV. The peak appearing at a bond energy of approximately 280–395 eV is measured as the C1s peak, separating C from organic sources at approximately 284–289 eV and C from carbides at approximately 281.5±1 eV. The peak appearing at a bond energy of approximately 525–540 eV is measured as the O1s peak, separating O from organic sources at approximately 399–401 eV and O from metal oxides at approximately 529.5–530.5 eV. The peak appearing at a bond energy of 450–470 eV is measured as the Ti2p peak. The bond energies of the above substances are general values and may change depending on the charge of the sample being measured. One method for correcting the charge is to use the peak position of the C-C bond in organic carbon as the basis for correction.
A common analytical method using these peaks is to analyze elemental concentrations and concentrations by chemical state using the analysis software MultiPak. The general procedure is as follows: Background correction is performed based on the Shirley method. Next, peaks are fitted for each element according to its chemical state using the Gauss-Lorentz function for compounds and the Asymmetric function for metals. Then, the concentration (atomic %) of each chemical state is calculated by multiplying the area ratio of the peaks originating from each chemical state by the elemental concentration (atomic %). The nitrogen content from nitrides and the carbon content from carbides are determined using this procedure. Note that the elemental concentrations mentioned above are calculated by calculating the peak area (without separation) including all peaks related to each element detected by XPS, and then dividing this by the sensitivity coefficient for each element to obtain a percentage.
Up to this point, we have explained in detail the nitrogen content derived from nitrides in the oxide film 20.

(表層部30)
チタン材1の耐変色性は、表層部30の平均窒素濃度および平均炭素濃度の減少によって向上する。チタン材1の表面から上記方法のGDSによって厚さ方向に測定された、表層部30の平均窒素濃度および平均炭素濃度は、耐変色性の観点から、それぞれ、14.0原子%以下である。チタン材1の表層部30の平均窒素濃度は、好ましくは12.0原子%以下であり、より好ましくは10.0原子%以下である。チタン材1の表層部30の平均炭素濃度は、好ましくは13.0原子%以下であり、より好ましくは12.0原子%以下、更に好ましくは10.0原子%以下である。チタン材1の表層部30の平均窒素濃度は、0原子%であってもよく、1.0原子%以上であってもよい。チタン材1の表層部30の平均炭素濃度は、0原子%であってもよく、1.0原子%以上であってもよい。
(Surface layer part 30)
The discoloration resistance of the titanium material 1 is improved by reducing the average nitrogen concentration and average carbon concentration of the surface layer 30. From the viewpoint of discoloration resistance, the average nitrogen concentration and average carbon concentration of the surface layer 30, measured in the thickness direction from the surface of the titanium material 1 by GDS of the above method, are each 14.0 atomic% or less. The average nitrogen concentration of the surface layer 30 of the titanium material 1 is preferably 12.0 atomic% or less, more preferably 10.0 atomic% or less. The average carbon concentration of the surface layer 30 of the titanium material 1 is preferably 13.0 atomic% or less, more preferably 12.0 atomic% or less, and even more preferably 10.0 atomic% or less. The average nitrogen concentration of the surface layer 30 of the titanium material 1 may be 0 atomic% or 1.0 atomic% 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.

チタン材1の耐変色性は、表層部30の平均水素濃度の減少によって更に向上する。チタン材1の表層部30の水素濃度は、30.0原子%以下であり、好ましくは25.0原子%以下、より好ましくは20.0原子%以下である。チタンは、水素と親和性の高い金属であり、表層部30の水素濃度は10.0原子%以上であってもよい。The discoloration resistance of the titanium material 1 is further improved by reducing 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 atomic percent or less, preferably 25.0 atomic percent or less, and more preferably 20.0 atomic percent or less. Titanium is a metal with high affinity for hydrogen, and the hydrogen concentration of the surface layer 30 may be 10.0 atomic percent or more.

(表層部30におけるα相のTiのc軸の格子定数の差)
チタン材1の表層部30におけるα相のTiの結晶構造は、耐変色性に影響を及ぼす。具体的には、チタン材1の表層部30におけるα相のTiのc軸の格子定数が増加すると、耐変色性が劣化する。チタン材1の表層部30におけるα相のTiのc軸の格子定数の増加分は、チタン材1の表面において入射角が0.3度である平行ビーム法によるX線回折測定によって求められるα相のTiのc軸の格子定数と、板厚中央において集中法によるX線回折測定によって求められるα相のTiのc軸の格子定数との差で評価される。チタン材1の表層部30におけるα相のTiのc軸の格子定数の増加分は、耐変色性の観点から、0.015Å以下であり、好ましくは0.010Å以下である。チタン材1の表面のα相のTiのc軸の格子定数の増加分は、小さいほど好ましく、0Åであってもよい。この増加分が負の値になった場合、原因は測定誤差であり、増加分は0Åと見做される。
(Difference in the lattice constant of the c axis of Ti in the α phase in the surface layer 30)
The crystal structure of α-phase Ti in the surface layer 30 of the titanium material 1 affects its resistance to discoloration. Specifically, an increase in the c-axis lattice constant of α-phase Ti in the surface layer 30 of the titanium material 1 degrades its resistance to discoloration. The increase in the c-axis lattice constant of α-phase Ti in the surface layer 30 of the titanium material 1 is evaluated by the difference between the c-axis lattice constant of α-phase Ti determined by X-ray diffraction measurement using a parallel beam method with an incident angle of 0.3 degrees on the surface of the titanium material 1 and the c-axis lattice constant of α-phase Ti determined by X-ray diffraction measurement using a concentrated beam method at the center of the plate thickness. From the viewpoint of resistance to discoloration, the increase in the c-axis lattice constant of α-phase Ti in the surface layer 30 of the titanium material 1 is 0.015 Å or less, preferably 0.010 Å or less. The smaller the increase in the c-axis lattice constant of α-phase Ti on the surface of the titanium material 1, the better, and it may even be 0 Å. If this increase becomes a negative value, the cause is measurement error, and the increase is considered to be 0 Å.

チタン材1の表層部30におけるα相のTiのc軸の格子定数は、チタン材表面における平行ビーム法を用いたX線回折測定によって求められる。平行ビーム法を用いたX線回折測定には、株式会社リガク製X線回折装置 SmartLabが使用され、X線源はCo-Kα(波長 λ=1.7902Å)である。Kβ線の除去にはX線の入射側にW/Si多層膜ミラーを使用した。X線源負荷電力(管電圧/管電流)は、それぞれ、5.4kW(40kV/135mA)である。X線の試料への入射角は0.3度であり、回折角2θが走査される。測定には、機械加工によって、チタン材から25mm(縦)×50mm(横)の寸法に切り出された試料を使用する。試料の12.5mm(縦)×25mm(横)を中心としてビームを照射し、試料の表面で測定を実施する。なお、切り出された試料は、測定する表面に汚れが付着している可能性があるため、アセトンやエタノールで洗浄する。The lattice constant of the c-axis of the α-phase Ti in the surface layer 30 of the titanium material 1 is determined by X-ray diffraction measurement using the parallel beam method on the surface of the titanium material. A Rigaku SmartLab X-ray diffractometer was used for the parallel beam method, and the X-ray source was Co-Kα (wavelength λ = 1.7902 Å). A W/Si multilayer mirror was used on the X-ray incidence side to remove Kβ rays. The X-ray source load power (tube voltage/tube current) was 5.4 kW (40 kV/135 mA), respectively. The incidence angle of the X-rays on the sample was 0.3 degrees, and the diffraction angle 2θ was scanned. For the measurement, a sample cut from the titanium material to dimensions of 25 mm (length) x 50 mm (width) was used. The beam was irradiated around 12.5 mm (length) x 25 mm (width) of the sample, and the measurement was performed on the surface of the sample. Furthermore, since the cut-out sample may have dirt adhering to the surface to be measured, it should be washed with acetone or ethanol.

チタン材の板厚中央におけるα相のTiの結晶構造は、集中法を用いたX線回折によって測定される。チタン材の板厚中央におけるα相のTiの結晶構造の解析に使用される試料は、チタン材の板厚中央がX線回折測定を行う測定面となるように、機械研磨および電解研磨によって仕上げる。集中法を用いたX線回折測定には、平行ビーム法を用いたX線回折測定に使用されるX線回折装置を使用すればよく、X線源、Kβ線の除去フィルタ、およびX線源負荷電力も上記平行ビーム法の条件と同一であればよい。Tiの結晶構造は板厚中央であれば一様であるため、板幅、圧延方向どの箇所から試料を作製してもよい。ここでは、板幅の凡そ四分の一から中央部より試料を作製し、試験を実施した。The α-phase Ti crystal structure at the center of the titanium sheet thickness is measured by X-ray diffraction using the focusing method. The sample used for analyzing the α-phase Ti crystal structure at the center of the titanium sheet thickness is finished by mechanical polishing and electrolytic polishing so that the center of the titanium sheet thickness becomes the measurement surface for X-ray diffraction. For X-ray diffraction measurement using the focusing method, the same X-ray diffractometer used for 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 should be the same as those for the parallel beam method. Since the Ti crystal structure is uniform at the center of the sheet thickness, the sample can be prepared from any point in the sheet width or rolling direction. Here, a sample was prepared from approximately one-quarter of the sheet width towards the center, and the test was conducted.

チタン材の表面および板厚中央におけるα相のTiのc軸の格子定数は、(0002)面の回折ピークから、スペクトリス株式会社製のソフトウェア(エキスパート・ハイスコア・プラス)を用いて算出される。チタン基材がα+β型である場合も、α相のTiの回折ピークからα相のTiのc軸の格子定数が算出される。The c-axis lattice constant of the α-phase Ti at the surface and center of the titanium plate thickness is calculated from the diffraction peak of the (0002) plane using software (Expert High Score Plus) from Spectris Corporation. 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:0.006~0.015)
(RΔq:0.150~0.280)
さらに、本発明者らは、チタン材の表面性状と、耐変色性との関係を詳細に検討し、チタン材の耐変色性は、チタン基材の表面の算術平均粗さRaと輪郭曲線要素の平均長さRSmの比であるRa/RSm、および粗さ曲線要素の二乗平均平方根傾斜RΔqが耐変色性に影響することを知見した。
(Ra/RSm: 0.006-0.015)
(RΔq: 0.150 to 0.280)
Furthermore, the inventors conducted a detailed study on the relationship between the surface properties of titanium materials and their discoloration resistance, and found that the discoloration resistance of titanium materials is influenced by the ratio of the arithmetic mean roughness Ra of the titanium substrate surface to the average length RSm of the contour curve elements, Ra/RSm, and the root mean square slope RΔq of the roughness curve elements.

算術平均粗さRa、輪郭曲線要素の平均長さRSm、および粗さ曲線要素の二乗平均平方根傾斜RΔqは、JIS B 0601:2013に準拠した方法で測定することができる。なお、後述するクルトシスRkuおよびスキューネスRskも、JIS B 0601:2013に準拠した方法で測定することができる。The arithmetic mean roughness Ra, the average length RSm of the contour curve elements, and the root mean square slope RΔq of the roughness curve elements can be measured using methods compliant with JIS B 0601:2013. Furthermore, the kurtosis Rku and skewness Rsk, described later, can also be measured using methods compliant with JIS B 0601:2013.

本実施形態の算術平均粗さRaは、JIS B 0601:2013に規定される算術平均粗さRaであって、基準長さにおける総座標値Zjの絶対値の平均である。算術平均粗さRaは、下記式(1)より算出される。
なお、算術平均粗さRaの算出の基礎となる粗さ曲線は、酸化皮膜の測定断面曲線にカットオフ波長λc=0.8mmの低域フィルタを適用して断面曲線を取得し、更にこの段面曲線に、カットオフ波長λs=2.667μmの高域フィルタを適用することによって得られた粗さ曲線とする。また、粗さ曲線の基準長さは、カットオフ波長λcと等しい長さ、すなわち、0.8mmとする。λcは、粗さ成分とうねり成分との境界を定義するフィルタである。λsは、粗さ成分とそれより短い波長成分との境界を定義するフィルタである。
The arithmetic mean roughness Ra in this 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 from the following formula (1).
The roughness curve that forms the basis for calculating the arithmetic mean roughness Ra is 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 acquire the cross-sectional curve, and then applying a high-pass filter with a cutoff wavelength λs = 2.667 μm to this stepped curve. The reference length of the roughness curve is set to be equal to the cutoff wavelength λc, i.e., 0.8 mm. λc is a filter that defines the boundary between the roughness component and the waviness component. λs is a filter that defines the boundary between the roughness component and shorter wavelength components.

上記式(1)中、nは、測定点数であり、Zjは粗さ曲線においてj番目測定点の高さである。In equation (1) above, n is the number of measurement points, and Zj is the height of the j-th measurement point on the roughness curve.

輪郭曲線要素の平均長さRSmは、下記式(2)より算出される。The average length RSm of the contour curve elements is calculated using the following formula (2).

上記式(2)中、mは、測定点数であり、Xsiは、基準長さにおける輪郭曲線要素の長さである。In equation (2) above, m is the number of measurement points, and Xsi is the length of the contour curve element at the reference length.

粗さ曲線要素の二乗平均平方根傾斜RΔqは、下記式(3)より算出される。The root mean square slope RΔq of the roughness curve element is calculated using the following equation (3).

上記式(3)中、Nは測定点数である。(dZj/dXj)は、粗さ曲線においてj番目の測定点における局部傾斜であり、下記式(4)によって定義されている。In equation (3) above, N is the number of measurement points. (dZj/dXj) is the local slope at the j-th measurement point in the roughness curve, and is defined by equation (4) below.

上記式(4)中、ΔXは測定間隔である。本実施形態において、測定間隔ΔXは、以下のようにして定めればよい。すなわち、測定間隔ΔXは、表面粗さ形状測定機によって設定される値であり、その測定長さLを測定したとき数値データがN点取得された場合、測定間隔でΔXは平均でL/(N-1)となる。例えば、東京精密製 SURFCOM 1900DX、ソフト TIMS Ver.9.0.3を用いて、測定長さ5mmを測定したとき、デジタル数字データが25601点取得された場合、ΔXは5mm/25600点となり平均で約0.195μmとなる。In the above equation (4), ΔX is the measurement interval. In this embodiment, the measurement interval ΔX can be determined as follows. That is, the measurement interval ΔX is a value set by the surface roughness shape measuring machine, and when the measurement length L is measured, if N points of numerical data are acquired, the measurement interval ΔX will be L/(N-1) on average. For example, when measuring a measurement length of 5 mm using Tokyo Seimitsu's SURFCOM 1900DX and software TIMS Ver. 9.0.3, if 25,601 points of digital numerical data are acquired, ΔX will be 5 mm/25,600 points, which will be approximately 0.195 μm on average.

粗さ曲線要素の二乗平均平方根傾斜RΔqは、粗さ曲線の基準長さXに対して表面凹凸が形成する微小範囲の傾斜角(局部傾斜dZ/dX)を規定したパラメータである。The root mean square slope RΔq of the roughness curve element is a parameter that defines the slope angle (local slope dZ/dX) of the minute range formed by surface irregularities with respect to the reference length X of the roughness curve.

本発明者らは、Ra/RSmおよびRΔqを変更したチタン材を作製し、チタン基材のRa/RSmおよびRΔqが耐変色性に及ぼす影響を検討した。図6は、チタン基材の算術平均粗さRaと輪郭曲線要素の平均長さRSmの比であるRa/RSmおよび粗さ曲線要素の二乗平均平方根傾斜RΔqと耐変色性との関係を示す図である。The inventors fabricated titanium materials with modified Ra/RSm and RΔq, and investigated the effect of Ra/RSm and RΔq of the titanium substrate on discoloration resistance. Figure 6 shows the relationship between the arithmetic mean roughness Ra of the titanium substrate, the ratio of Ra/RSm to the average length RSm of the contour curve elements, the root mean square slope RΔq of the roughness curve elements, and discoloration resistance.

耐変色性は、上述したとおり、色差ΔEabおよび外観観察によって評価することができる。ただし、色差ΔEabを評価するための色調Lの測定では、チタン板の真上に設けられた昼光光源から光を照射する。そのため、実際の見た目とは異なる場合がある。特に、RΔqが大きいチタン板では、色差ΔEabが小さくても太陽光下での目視観察では変色して見える場合がある。よって、耐変色性の評価には、太陽光下での目視観察も重要である。 As described above, discoloration resistance can be evaluated by the color difference ΔE * ab and visual observation. However, in the measurement of the color tone L * a * b * to evaluate the color difference ΔE * ab, light is irradiated from a daylight source placed directly above the titanium plate. Therefore, it may differ from the actual appearance. In particular, for titanium plates with a large RΔq, even if the color difference ΔE * ab is small, discoloration may be visible when observed under sunlight. Therefore, visual observation under sunlight is also important for evaluating discoloration resistance.

図6における「〇」は、色差ΔEabが5以下であり且つ目視による官能評価にて変色が目立たないとした人の比率が80%以上であった条件を、「×」は色差ΔEabが5以下であるが目視による官能評価にて変色が目立たないとした人の比率が80%未満であった条件を示している。ここで、この目視観察による官能評価は、先の本変色促進試験に供していないチタン材と本変色促進試験後のチタン材を平板上に並べておき、10名の評価人が太陽光下で様々な角度から見比べて、変色が目立って視認される角度があったか否かを判断した。変色が目立たないとした人の比率を比較した。なお、この目視観察は、実際の建築物の屋根や壁を想定した条件であり、見る角度によって色調が変わることも想定しての評価である。 In Figure 6, "○" indicates a condition where the color difference ΔE * ab was 5 or less and the percentage of people who perceived the discoloration as not noticeable in visual sensory evaluation was 80% or more, while "×" indicates a condition where the color difference ΔE * ab was 5 or less but the percentage of people who perceived the discoloration as not noticeable in visual sensory evaluation was less than 80%. Here, in this visual sensory evaluation, titanium material that had not been subjected to the previous discoloration acceleration test and titanium material that had been subjected to the discoloration acceleration test were placed side by side on a flat plate, and 10 evaluators compared them from various angles under sunlight to determine whether there was an angle from which the discoloration was noticeably visible. The percentage of people who perceived the discoloration as not noticeable was compared. Note that this visual observation was conducted under conditions simulating the roofs and walls of actual buildings, and the evaluation took into account that the color tone would change depending on the viewing angle.

図6に示すように、本実施形態に係るチタン材は、その表面について、算術平均粗さRaと輪郭曲線要素の平均長さRSmの比であるRa/RSmが0.006~0.015であり、かつ、粗さ曲線要素の二乗平均平方根傾斜RΔqが0.150~0.280である場合に、より高温かつ酸性環境下においても耐変色性に優れることが判明した。このようなチタン材は、高温かつ酸性環境下においても耐変色性を優れるチタン材は、長期に亘る変色をより一層抑制することが可能である。As shown in Figure 6, it was found that the titanium material according to this embodiment exhibits superior discoloration resistance even under high temperature and acidic environments when the ratio of the arithmetic mean roughness Ra to the average length RSm of the contour curve elements, Ra/RSm, is 0.006 to 0.015, and the root mean square slope RΔq of the roughness curve elements is 0.150 to 0.280. Such a titanium material, which exhibits superior discoloration resistance even under high temperature and acidic environments, can further suppress discoloration over long periods of time.

Ra/RSmが0.006未満であると、チタン基材表面の凹凸が小さく、その凹凸の間隔が広い。Ra/RSmが0.006未満であると、チタン材の表面が比較的平滑であり、酸化皮膜の表面で反射した光とチタン基材表面で反射した光の光路差により、その光路差に応じて強められた光の色が認識される場合がある。すなわち、チタン材が変色する場合がある。Ra/RSmが0.006~0.015であれば、チタン材表面の比較的大きな傾斜によって、酸化皮膜の表面で反射した光とチタン基材表面で反射した光の光路差が小さくなり、可視光の範囲で強められる光がないため、変色が抑制されると考えられる。この変色が抑制される機構から考えると、Ra/RSmの上限を0.015に限定する理由はないものの、0.015超のような深く狭い谷状の凹凸を工業的に作製することが困難である。そのため、Ra/RSmの上限は、本発明の効果が明確に得られる0.015であることが好ましい。When Ra/RSm is less than 0.006, the surface irregularities of the titanium substrate are small and the spacing between these irregularities is wide. When Ra/RSm is less than 0.006, the surface of the titanium material is relatively smooth, and 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 cause the color of the light to be perceived as being amplified according to this optical path difference. In other words, the titanium material may discolor. When Ra/RSm is between 0.006 and 0.015, the relatively large slope of the titanium material surface reduces 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, and since there is no light to be amplified in the visible light range, discoloration is thought to be suppressed. Considering this mechanism of discoloration suppression, there is no reason to limit the upper limit of Ra/RSm to 0.015, however, it is difficult to industrially manufacture deep, narrow valley-like irregularities greater than 0.015. Therefore, the upper limit of Ra/RSm is preferably 0.015, which clearly provides the effects of the present invention.

RΔqが0.150以上であると、酸化皮膜におけるより微細な凹凸の傾斜が大きく、この局部的な傾斜によってチタン基材表面に照射する光の正反射が抑制され、拡散反射される。そのため、酸化皮膜の表面で反射する光の方向に反射するチタン基材表面での反射光の強度が小さくなる。その結果、強められた光の色は認識されにくい。RΔqが0.150未満であると、上記作用が生じないため、チタン材が変色して見える場合がある。一方、RΔqが0.280超であると、色差は5以下と小さいものの太陽光下では変色が目立って見える角度がある場合がある。これは、RΔqが0.280超であると、斜めからチタン材を見た場合、正反射方向となってしまう傾斜が存在してしまい、酸化皮膜の厚さが増加したことによる干渉色が強められて、目視で認識されるようになるためと考えられる。When RΔq is 0.150 or higher, the gradient of finer irregularities in the oxide film is greater, and this local gradient suppresses specular reflection of light irradiated onto the titanium substrate surface, resulting in diffuse reflection. Therefore, the intensity of reflected light from the titanium substrate surface that reflects in the direction of light reflected from the oxide film surface becomes smaller. As a result, the color of the strengthened light is difficult to perceive. When RΔq is less than 0.150, the above effect does not occur, and the titanium material may appear discolored. On the other hand, when RΔq is greater than 0.280, although the color difference is small (less than 5), there may be angles in which the discoloration is noticeable under sunlight. This is thought to be because when RΔq is greater than 0.280, when the titanium material is viewed from an oblique angle, a gradient exists that results in specular reflection, and the interference colors due to the increased thickness of the oxide film are strengthened, making them visible to the naked eye.

Ra/RSmが0.006~0.015であり、かつ、粗さ曲線要素の二乗平均平方根傾斜RΔqが0.150~0.280であれば、上記作用が重畳して得られるため、チタン材の変色がより一層抑制される。さらに、上記の表面状態を有するチタン材は、その表面に酸化皮膜が数十nm程度に成長したとしても、色調の変化つまり変色が抑制される。よって、チタン基材は、算術平均粗さRaが最大となる方向の粗さ曲線において、算術平均粗さRaと要素長さRSmの比であるRa/RSmが0.006~0.015であり、かつ、二乗平均平方根傾斜RΔqが0.150~0.280であることが好ましい。Ra/RSmの下限は、より好ましくは、0.007である。また、RΔqは、より好ましくは、0.190以上である。RΔqが0.190~0.0280になると、変色促進試験の色差が6以下となり、さらに高い効果が得られる。If Ra/RSm is 0.006 to 0.015 and the root mean square slope RΔq of the roughness curve elements is 0.150 to 0.280, the above effects are superimposed, further suppressing discoloration of the titanium material. Furthermore, even if an oxide film of several tens of nanometers grows on the surface of a titanium material having the above surface condition, changes in color, i.e., discoloration, are suppressed. Therefore, it is preferable that the titanium substrate has a ratio of Ra/RSm, which is the ratio of the arithmetic mean roughness Ra to the element length RSm, of 0.006 to 0.015 in the roughness curve in the direction in which the arithmetic mean roughness Ra is maximum, and a root mean square slope RΔq of 0.150 to 0.280. The lower limit of Ra/RSm is more preferably 0.007. Also, RΔq is more preferably 0.190 or higher. When RΔq is between 0.190 and 0.0280, the color difference in the discoloration acceleration test becomes 6 or less, resulting in an even higher effectiveness.

算術平均粗さRaおよび輪郭曲線要素の平均長さRSmは、上記のとおりRa/RSmが0.006~0.015であることが好ましいが、算術平均粗さRaは0.700~3.0μm、輪郭曲線要素の平均長さRSmは、60~300μmであることがより好ましい。算術平均粗さRaを0.700~3.0μmとすること、および、輪郭曲線要素の平均長さRSmを60~300μmとすることは、後述する製造方法にて工業的に比較的容易に実現できる。The arithmetic mean roughness Ra and the average length RSm of the contour curve elements are preferably Ra/RSm is 0.006 to 0.015 as described above, but it is more preferable that the arithmetic mean roughness Ra is 0.700 to 3.0 μm and the average length RSm of the contour curve elements is 60 to 300 μm. Achieving an arithmetic mean roughness Ra of 0.700 to 3.0 μm and an average length RSm of 60 to 300 μm can be relatively easily achieved industrially by the manufacturing method described later.

[クルトシスRku:3超]
クルトシスRkuは、振幅分布曲線の鋭さを表す指標である。図7は、クルトシスRkuを説明するための図である。なお、図7は、宮下勤、「もう一度復習したい表面粗さ」、精密工学会誌、公益社団法人 精密工学会、Vol.73,No.2、2007年、p.205に掲載された図である。クルトシスRkuは、二乗平均平方根高さRqの四乗によって無次元した基準長さにおいて、Zjの四乗平均を表す。
[Kurtosis Rku: 3+]
Kurtosis Rku is an index that represents the sharpness of the amplitude distribution curve. Figure 7 is a diagram illustrating Kurtosis Rku. Note that Figure 7 is a diagram published in Tsutomu Miyashita, "Surface Roughness to Review Again," Journal of the Japan Society for Precision Engineering, Vol. 73, No. 2, 2007, p. 205. Kurtosis Rku represents the fourth-power mean of Zj in a dimensionless reference length obtained by raising the root mean square height Rq to the fourth power.

Zjは粗さ曲線においてj番目測定点の高さである。Rqは、二乗平均平方根高さであり、下記式(6)で表される。Zj is the height of the j-th measurement point in the roughness curve. Rq is the root mean square height and is expressed by the following equation (6).

クルトシスRkuは、高さ分布の鋭さを示す指標であり、クルトシスRkuが3である場合、図7に示されるように、高さ分布が正規分布であり、クルトシスRkuが3未満で値が小さくなるに伴い、表面が平坦になり、クルトシスSkuが3を超えて値が大きくなるに伴い、チタン材の表面に鋭い山や谷が多くなる。The kurtosis Rku is an index indicating the sharpness of the height distribution. When the kurtosis Rku is 3, the height distribution is a normal distribution, as shown in Figure 7. As the kurtosis Rku is less than 3 and the value decreases, the surface becomes flatter. As the kurtosis Sku exceeds 3 and the value increases, the surface of the titanium material becomes more pronounced, with many sharp peaks and valleys.

算術平均粗さRaが最大となる方向の粗さ曲線において、チタン基材のクルトシスRkuが3超であることが好ましい。クルトシスRkuが3超であると、チタン基材の表面の凹凸が鋭く、凹凸が鋭い表面では、チタン基材の表面で反射する光において、干渉色が顕在化する正反射の成分がより一層抑制されることとなる。その結果、酸化皮膜厚さが増加したとしても、干渉色が、より一層目立ちにくくなるため、チタン材の変色がより一層抑制される。In the roughness curve in the direction where the arithmetic mean roughness Ra is maximum, it is preferable that the kurtosis Rku of the titanium substrate is greater than 3. When the kurtosis Rku is greater than 3, the surface irregularities of the titanium substrate are sharp, and on a surface with sharp irregularities, the specular reflection component that causes interference colors to become apparent in the light reflected from the surface of the titanium substrate is further suppressed. As a result, even if the oxide film thickness increases, the interference colors become less noticeable, and thus discoloration of the titanium material is further suppressed.

[スキューネスRsk:-0.5超]
スキューネスRskは、ひずみ度とも呼ばれ、表面の凹凸の鋭さを表す指標である。スキューネスRskは、二乗平均平方根高さRqの三乗によって無次元化した基準長さにおけるZ(x)三乗平均を表したものであり、下記式(7)で表される。
[Skewness Rsk: greater than -0.5]
Skewness Rsk, also known as strain, is an index that represents the sharpness of surface irregularities. Skewness Rsk represents the mean cube of Z(x) at a dimensionless reference length obtained by cube the root mean square height Rq, and is expressed by the following formula (7).

上記式(7)中、Nは、測定点数であり、Zjは粗さ曲線においてj番目測定点の高さである。In equation (7) above, N is the number of measurement points, and Zj is the height of the j-th measurement point on the roughness curve.

粗さ曲線において、谷長さが山長さよりも大きい場合、スキューネスRskは0より大きくなる。言い換えると、スキューネスRskが0より大きいと粗さ曲線の平均線において凹部の割合が高い。つまり、粗さ曲線における山(凸部)の先端が鋭利に尖り、かつ谷(凹部)末端が広幅となる。粗さ曲線の平均線とは、カットオフ波長λcによって遮断される長波長成分を表す曲線を言う。
一方、谷長さが山長さよりも小さい場合、スキューネスRskは0より小さくなる。言い換えると、スキューネスRskは0より小さいと粗さ曲線の平均線において凹部の割合が高い。つまり、粗さ曲線における山(凸部)の先端が広幅となり、かつ谷(凹部)末端が鋭利に尖る。
スキューネスRskが0であると、粗さ曲線における凹凸の形状が平均面に対して対称である。
In a roughness curve, if the trough length is greater than the peak length, the skewness Rsk is greater than 0. In other words, when the skewness Rsk is greater than 0, the proportion of concave parts is high in the mean line of the roughness curve. That is, the peaks (convex parts) in the roughness curve are sharply pointed, and the ends of the troughs (concave parts) are broad. The mean line of the roughness curve is the curve that represents the long-wavelength components that are blocked by the cutoff wavelength λc.
On the other hand, when the trough length is smaller than the peak length, the skewness Rsk becomes less than 0. In other words, when the skewness Rsk is less than 0, the proportion of concave areas is high in the average line of the roughness curve. That is, the tips of the peaks (convex parts) in the roughness curve become wider, and the ends of the troughs (concave parts) become sharply pointed.
When the skewness Rsk is 0, the shape of the irregularities in the roughness curve is symmetrical with respect to the average surface.

算術平均粗さRaが最大となる方向の粗さ曲線において、チタン基材のスキューネスRskが-0.5超であることが好ましい。スキューネスRskが-0.5超であると、粗さ曲線における山(凸部)の先端が尖り、光源に近い方、つまり山(凸部)にて、チタン基材表面で反射する光がより一層散乱されやすくなり、変色がより一層抑制される。光源から遠い方、つまり谷(凸部)は、山(凸部)によるシャドー効果があるために変色の原因である干渉色が見えにくくなるため、山(凸部)よりも影響しにくいと推定される。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 is greater than -0.5. When the skewness Rsk is greater than -0.5, the tips of the peaks (convex parts) in the roughness curve become sharper, and the light reflected from the surface of the titanium substrate is scattered more easily closer to the light source, i.e., at the peaks (convex parts), thus further suppressing discoloration. It is presumed that the valleys (convex parts) further away from the light source are less affected than the peaks (convex parts) because the interference colors that cause discoloration are less visible due to the shadow effect of the peaks (convex parts).

ここまで、本実施形態に係るチタン材について説明した。本実施形態に係るチタン材の厚さは、例えば、0.2mm以上であってもよいし、0.3mm以上であってもよい。また、本実施形態に係るチタン材の厚さは、特段制限されず、例えば、5.0mm以下であってもよいし、3.0mm以下または2.0mm以下であってもよい。Up to this point, the titanium material according to this embodiment has been described. The thickness of the titanium material according to this embodiment may be, for example, 0.2 mm or more, or 0.3 mm or more. Furthermore, the thickness of the titanium material according to this 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.

本実施形態に係るチタン材では、表面から、グロー放電分光分析法によって前記表面から厚さ方向に測定された酸素濃度が最大値の1/3である位置までの範囲の平均窒素濃度および平均炭素濃度がそれぞれ14.0原子%以下、平均水素濃度が30.0原子%以下であり、前記表面において入射角が0.3度である平行ビーム法によるX線回折測定によって求められるα相のTiのc軸の格子定数と、板厚中央において集中法によるX線回折測定によって求められるα相のTiのc軸の格子定数との差が0.015Å以下である。これにより、本実施形態に係るチタン材は、従来のチタン材よりも長期に亘って変色が抑制され、耐変色性に優れたものとなる。In the titanium material according to this embodiment, the average nitrogen concentration and average carbon concentration in the range from the surface to the position where the oxygen concentration measured in the thickness direction from the surface by glow discharge spectroscopy is 1/3 of the maximum value are 14.0 atomic percent or less, and the average hydrogen concentration is 30.0 atomic percent or less. The difference between the lattice constant of the c axis of α-phase Ti determined by X-ray diffraction measurement using a parallel beam method with an incident angle of 0.3 degrees at the surface and the lattice constant of the c axis of α-phase Ti determined by X-ray diffraction measurement using a concentrated method at the center of the plate thickness is 0.015 Å or less. As a result, the titanium material according to this embodiment exhibits suppressed discoloration over a longer period than conventional titanium materials and has excellent discoloration resistance.

また、酸化皮膜におけるX線光電子分光法で分析したときの窒化物由来の窒素濃度の最大値が2.0~10.0原子%であり、前記酸化皮膜における前記窒化物由来の窒素濃度が最大値を示す位置が、SiOのスパッタリング速度で換算したときに、前記酸化皮膜の表面から2~10nmの範囲に存在し、前記チタン基材における前記酸化皮膜との界面近傍に存在する前記窒化物由来の窒素の濃度が、前記酸化皮膜における前記窒化物由来の窒素濃度の最大値未満且つ7.0原子%以下であり、前記酸化皮膜における前記窒化物由来の前記窒素濃度の最大値が、前記酸化皮膜における前記窒化物由来の前記窒素濃度が最大となる位置の炭化物由来の炭素濃度以上であれば、高温かつ酸性環境下においても耐変色性に優れる。そして、高温かつ酸性環境下においても耐変色性を優れるチタン材は、長期に亘る変色をより一層抑制することが可能である。 Furthermore, if the maximum nitrogen concentration derived from nitrides in the oxide film, as analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy, is 2.0 to 10.0 atomic percent, and the position where the nitrogen concentration derived from nitrides in the oxide film is at its maximum is located within a range of 2 to 10 nm from the surface of the oxide film when converted using the sputtering rate of SiO2 , and the nitrogen concentration derived from nitrides near the interface between the titanium substrate and the oxide film is less than the maximum nitrogen concentration derived from nitrides in the oxide film and 7.0 atomic percent or less, and the maximum nitrogen concentration derived from nitrides in the oxide film is greater than or equal to the carbon concentration derived from carbides at the position where the nitrogen concentration derived from nitrides in the oxide film is at its maximum, then the material exhibits excellent discoloration resistance even in high-temperature and acidic environments. And, titanium materials that exhibit excellent discoloration resistance even in high-temperature and acidic environments can further suppress discoloration over long periods of time.

(チタン材の製造方法)
本実施形態に係るチタン材の製造方法の一例について説明する。ただし、本実施形態に係るチタン材は、以下に説明する製造方法によって製造されたものに限定されるものではない。また、外装材等の建材に使用される純チタンおよびチタン合金は、板形状である場合が多いため、以下では、板形状のチタン材の製造方法の一例を説明する。
(Method of manufacturing titanium material)
An example of a manufacturing method for titanium material according to this embodiment will be described below. However, the titanium material according to this embodiment is not limited to that manufactured by the manufacturing method described below. Also, since pure titanium and titanium alloys used in building materials such as exterior materials are often in sheet form, an example of a manufacturing method for sheet-shaped titanium material will be described below.

チタン材は、素材である純チタンまたはチタン合金が冷間圧延によって圧延された後、焼鈍処理、および冷却処理が施され、製造される。Titanium materials are manufactured by cold-rolling pure titanium or titanium alloy, followed by annealing and cooling treatments.

冷間圧延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等を原料として、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。
なお、スラブには、必要に応じて洗浄処理、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、熱間鍛造等を行わず熱間圧延に供してもよい。
Titanium materials used for cold rolling may be those manufactured by known methods. For example, using sponge titanium or a master alloy for adding alloying elements as raw materials, ingots of pure titanium or titanium alloy having the above-mentioned components are produced by various melting methods such as vacuum arc melting, electron beam melting, or plasma melting. Next, the obtained ingots are divided into slabs as needed and hot forged. Then, the slabs are hot-rolled to produce hot-rolled coils of pure titanium or titanium alloy having the above-mentioned composition.
Furthermore, the slab may be pre-treated as needed, such as by cleaning or cutting. Also, if it is a rectangular shape that can be hot-rolled by the hearth melting method, it may be subjected to hot rolling without hot forging or other processes.

次いで、熱延コイルを冷間圧延に供する。冷間圧延には潤滑油が使用されるが、使用される潤滑油は、焼鈍処理時にチタン材の表面の炭素濃度を高める原因になる場合がある。そのため、好ましくは、焼鈍処理を施す前にアルカリ脱脂、ダルロールを用いた圧延であるダル圧延、コイルグラインダ、または研磨等によってチタン素材の表面に存在する油分が除去される。なお、チタン素材表面に潤滑油が塗布されて冷間圧延すると、メカノケミカル反応により、チタン素材の表面に炭素が含まれることになる。最終焼鈍処理に供する冷チタン素材は、適宜、酸洗や焼鈍がされていてもよい。Next, the hot-rolled coil is subjected to cold rolling. Lubricating oil is used during cold rolling, but the lubricating oil used may increase the carbon concentration on the surface of the titanium material during annealing. Therefore, preferably, before annealing, any oil present on the surface of the titanium material is removed by alkaline degreasing, dull rolling using dull rolls, coil grinding, or polishing. Note that if lubricating oil is applied to the surface of the titanium material and then cold-rolled, carbon will be incorporated into the surface of the titanium material due to a mechanochemical reaction. The cold titanium material subjected to the final annealing treatment may be pickled or annealed as appropriate.

冷間圧延後のチタン素材または油分除去処理後のチタン素材に対して、最終焼鈍処理を施す。最終焼鈍処理は、一般には、冷間圧延によってチタン素材である純チタンまたはチタン合金に導入された歪みを低減し、当該チタン素材を軟化させる工程である。本実施形態に係るチタン材の製造においては、最終焼鈍処理およびそれに引き続く冷却処理は、チタン材の表層部の平均窒素濃度および平均炭素濃度、平均水素濃度、チタン材の表層部におけるα相のTiのc軸の格子定数、並びに酸化皮膜の厚さを制御することを目的とした工程である。最終焼鈍処理の温度を高めることにより、不純物に起因した、チタン材の表層部の窒素および炭素が厚さ方向に拡散して、チタン材の表層部の平均窒素濃度および平均炭素濃度が低下すると考えられる。チタン材の表層部の平均水素濃度、およびチタン材の表層部におけるα相のTiのc軸の格子定数は、最終焼鈍処理の真空度を高めることにより、低下すると考えられる。そのため、最終焼純処理は、真空雰囲気にした後の不活性ガス(窒素ガスを除く)雰囲気中あるいはそのまま真空中で施される。以下に最終焼鈍処理の加熱温度および最終焼鈍処理の雰囲気について説明する。ここで不活性ガスとは、チタンに対しての不活性なガスを指し、アルゴン、ヘリウム、ネオンをいう。A final annealing treatment is performed on the titanium material after cold rolling or after oil removal treatment. The final annealing treatment is generally a process to reduce the strain introduced into the titanium material, which is either pure titanium or a titanium alloy, by cold rolling, and to soften the titanium material. In the manufacturing of the titanium material according to this embodiment, the final annealing treatment and the subsequent cooling treatment are processes aimed at controlling the average nitrogen concentration, average carbon concentration, average hydrogen concentration, lattice constant of the c-axis of the α-phase Ti in the surface layer of the titanium material, and the thickness of the oxide film. It is believed that increasing the temperature of the final annealing treatment causes nitrogen and carbon in the surface layer of the titanium material, which are due to impurities, to diffuse in the thickness direction, thereby decreasing the average nitrogen concentration and average carbon concentration in the surface layer of the titanium material. It is believed that the average hydrogen concentration and the lattice constant of the c-axis of the α-phase Ti in the surface layer of the titanium material will decrease by increasing the vacuum level during the final annealing treatment. Therefore, the final annealing treatment is performed in an inert gas atmosphere (excluding nitrogen gas) after creating a vacuum, or directly in a vacuum. The heating temperature and atmosphere for the final annealing treatment are described below. Here, inert gas refers to a gas that is inert to titanium, and includes argon, helium, and neon.

最終焼鈍処理の加熱温度(焼鈍温度)は、チタン材の表層部の平均窒素濃度および平均炭素濃度の低減という観点から、630℃以上である。焼鈍温度は、チタン材の表層部の平均炭素濃度の低減という観点から、好ましくは650℃以上である。焼鈍温度の上限は特に設けないが、製造コストの観点から750℃以下が好ましい。ここで言う焼鈍温度は、焼鈍処理に使用される加熱炉内の温度であり、加熱炉に設置された熱電対を用いて測定される。焼鈍時間は、チタン材の表層部の平均窒素濃度および平均炭素濃度の低減という観点から、5時間以上が好ましい。焼鈍時間は、より好ましくは、10時間以上である。焼鈍時間は、冷延ままのチタン材は焼鈍できることから3時間以上であってもよい。一方、焼鈍時間は、生産性の観点からは、好ましくは、焼鈍時間は48時間以下である。また、焼鈍時間が10時間超であると、結晶粒径が粗大になり過ぎて引張強度の低下や加工による皺等の不具合を招く場合がある。したがって、焼鈍時間は、引張強度の維持等の観点からは、10時間以下であることが好ましい。なお、ここで言う焼鈍時間は、チタン材を内部に有する加熱炉内の温度が焼鈍温度に維持されている時間である。The heating temperature (annealing temperature) for the final annealing treatment is 630°C or higher, from the viewpoint of reducing the average nitrogen and average carbon concentrations in the surface layer of the titanium material. Preferably, the annealing temperature is 650°C or higher, from the viewpoint of reducing the average carbon concentration in the surface layer of the titanium material. While there is no specific upper limit for the annealing temperature, 750°C or lower is preferred from the viewpoint of manufacturing costs. 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 more, from the viewpoint of reducing the average nitrogen and average carbon concentrations in the surface layer of the titanium material. More preferably, the annealing time is 10 hours or more. The annealing time may be 3 hours or more, as cold-rolled titanium material can be annealed. On the other hand, from the viewpoint of productivity, the annealing time is preferably 48 hours or less. Furthermore, if the annealing time exceeds 10 hours, the grain size may become too coarse, leading to a decrease in tensile strength and defects such as wrinkles caused by processing. Therefore, from the viewpoint of maintaining tensile strength, the annealing time is preferably 10 hours or less. Note that the annealing time referred to here is the time during which the temperature inside the heating furnace containing the titanium material is maintained at the annealing temperature.

最終焼鈍処理は、真空雰囲気、不活性ガス雰囲気(窒素ガスを除く)、または真空雰囲気にした後に窒素を除く不活性ガスを導入した不活性ガス雰囲気で行われる。真空雰囲気の真空度は、例えば、1.0×10-2Pa以下である。不活性ガス雰囲気は、好ましくは希ガス雰囲気であり、より好ましくはAr雰囲気である。最終焼鈍処理における不活性ガス雰囲気にする前の真空度は、チタン材の表層部におけるα相のTiのc軸の格子定数の増大の抑制、チタン材の表層部の平均水素濃度および平均窒素濃度の低減という観点から、1.0×10-2Pa以下であることが好ましい。最終焼鈍処理における不活性ガス雰囲気にする前の真空度は、チタン材の表層部の平均水素濃度の低減という観点から、より好ましくは、5.0×10-3Pa以下である。また、不活性ガス雰囲気は、加熱炉内を、例えば、99.99体積%以上のArを含有する雰囲気とすればよい。不活性雰囲気は、99.99体積%以上のHe(ヘリウム)を含有する雰囲気であってもよい。最終焼鈍処理の加熱の開始前までに加熱炉内を真空雰囲気にした後に不活性ガス雰囲気にしてもよく、加熱の開始前に加熱炉内を真空雰囲気にし、加熱の開始から冷却の開始までの間に加熱炉内を真空雰囲気から不活性ガス雰囲気に変更してもよい。 The final annealing treatment is performed in a vacuum atmosphere, an inert gas atmosphere (excluding nitrogen gas), or an inert gas atmosphere obtained by introducing an inert gas excluding nitrogen after creating a vacuum atmosphere. The vacuum level 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 vacuum level before creating the inert gas atmosphere in the final annealing treatment is preferably 1.0 × 10⁻² Pa or less from the viewpoint of suppressing the increase in the c-axis lattice constant of Ti in the α phase of the surface layer of the titanium material and reducing the average hydrogen concentration and average nitrogen concentration of the surface layer of the titanium material. The vacuum level before creating the inert gas atmosphere in the final annealing treatment is more preferably 5.0 × 10⁻³ Pa or less from the viewpoint of reducing the average hydrogen concentration of the surface layer of the titanium material. The inert gas atmosphere can be, for example, an atmosphere containing 99.99 volume% or more Ar inside the heating furnace. The inert atmosphere may also be an atmosphere containing 99.99 volume% or more He (helium). The heating furnace may be made into a vacuum atmosphere before the start of heating for the final annealing treatment, and then changed to an inert gas atmosphere. Alternatively, the heating furnace may be made into a vacuum atmosphere before the start of heating, and then changed from a vacuum atmosphere to an inert gas atmosphere between the start of heating and the start of cooling.

最終焼鈍処理を、真空雰囲気、または真空雰囲気にした後に窒素を除く不活性ガスを導入した不活性ガス雰囲気(窒素を除く)で、上述の焼鈍温度と焼鈍時間にて行うことで、チタン材の表面では酸素、窒素、炭素、水素が低い状態が形成される。最終焼鈍処理において、このような、チタン材の表面を清浄度の高い表面状態にすることで、その後の冷却処理時に大気、窒素ガス雰囲気、窒素ガスを10%以上含む不活性ガス雰囲気に開放し、これらの雰囲気に含まれる窒素によって酸化皮膜内に所定の量の窒化物を生成することができる。最終焼鈍処理にて冷却した後に大気に開放したチタン材では、改めて窒素を含む雰囲気に加熱しても、酸化皮膜内に所定の窒化物を生成することはできない。By performing the final annealing treatment in a vacuum atmosphere, or in an inert gas atmosphere (excluding nitrogen) created by introducing an inert gas other than nitrogen after creating a vacuum atmosphere, at the aforementioned annealing temperature and annealing time, a state with low levels of oxygen, nitrogen, carbon, and hydrogen is formed on the surface of the titanium material. By achieving such a highly clean surface state in the final annealing treatment, the titanium material can be exposed to air, a nitrogen gas atmosphere, or an inert gas atmosphere containing 10% or more nitrogen gas during the subsequent cooling treatment, and a predetermined amount of nitride can be generated within the oxide film by the nitrogen contained in these atmospheres. In titanium material that has been cooled in the final annealing treatment and exposed to air, even if it is heated again in a nitrogen-containing atmosphere, the predetermined amount of nitride cannot be generated within the oxide film.

焼鈍雰囲気の窒素濃度は0.005体積%以下の不活性ガスである。なお、一般工業用の純ガスでは、不純物のうち窒素は半分以下であることから、上述の不活性ガスを用いた本実施形態における焼鈍処理の雰囲気として十分な純度である。The nitrogen concentration of the annealing atmosphere is 0.005% by volume or less, and it is an inert gas. In general industrial pure gases, nitrogen accounts for less than half of the impurities, so the purity is sufficient for the annealing atmosphere in this embodiment using the aforementioned inert gas.

最終焼鈍処理の雰囲気は、焼鈍処理後のチタン材にテンパーカラーが付かない温度以下、例えば、300℃以下の温度まで維持される。焼鈍雰囲気は、室温に冷却されるまで維持されてもよいし、300℃以下の温度で、加熱炉内を大気などに開放してもよい。The atmosphere for the final annealing treatment is maintained at a temperature below which temper color does not appear on the titanium material after annealing, for example, below 300°C. The annealing atmosphere may be maintained until it cools to room temperature, or the heating furnace may be opened to the atmosphere or other external source at a temperature below 300°C.

最終焼鈍処理後、チタン素材を冷却する。冷却雰囲気は、例えば、冷却開始当初は焼鈍雰囲気と同様の雰囲気であり、加熱炉内の温度が300℃以下では、窒素ガスで構成される雰囲気、窒素を10体積%以上含むアルゴンもしくはヘリウムの混合雰囲気、または大気であればよい。After the final annealing treatment, the titanium material is cooled. The cooling atmosphere can be, for example, the same as the annealing atmosphere at the start of cooling, and when the temperature inside the heating furnace is below 300°C, it can be an atmosphere composed of nitrogen gas, a mixed atmosphere of argon or helium containing 10% or more by volume of nitrogen, or air.

最終焼鈍処理後の冷却速度は、特段制限されない。ただし、開放される300℃以下では、酸化皮膜に存在する窒化物由来の窒素量を所定範囲とするために、以降で述べる条件とした方が好ましい。また、冷却時のチタン材の熱収縮による形状の乱れを抑制する意味で、開放まで(300℃以下まで)の冷却速度は、好ましくは50℃/分以下、より好ましくは30℃/分以下であり、さらには1トン以上の大型のチタン材を冷却する場合には、1℃/分が好ましい。The cooling rate after the final annealing treatment is not particularly limited. However, below 300°C, when the material is opened, it is preferable to use the conditions described below in order to keep the amount of nitrogen derived from nitrides present in the oxide film within a predetermined range. Furthermore, in order to suppress deformation due to thermal shrinkage of the titanium material during cooling, the cooling rate until opening (below 300°C) is preferably 50°C/min or less, more preferably 30°C/min or less, and even more preferably 1°C/min when cooling large titanium materials weighing 1 ton or more.

最終焼鈍処理後の冷却では、加熱炉内の温度が300℃以下の温度となった時点で、加熱炉内に窒素ガスを導入または加熱炉内を大気に開放して、加熱炉内を10体積%以上の窒素を含有する窒素雰囲気にすることが好ましい。酸化皮膜に存在する窒化物由来の窒素量は、温度と雰囲気に加えてチタン材表面の清浄度によって変化する。これは、チタン素材の表面に存在する微量の炭素、酸素、水素、窒素が競合してチタン材表面にて反応するが、どのような反応が優先的に起きるかによって窒素とチタンの反応量が変化し、それに伴い窒化物の生成量も変化するためであると考えられる。しかしながら、雰囲気を変更するとき(開放するとき)の温度が300℃以下であれば、チタンと窒素との反応が十分に起き、かつ、生成する窒化物が過剰になることもない。そのため、焼鈍処理に引き続く冷却処理により、酸化皮膜に存在する窒化物由来の窒素濃度の最大値を2.0~10.0原子%にすることができる。一方、雰囲気を変更するときの温度が200℃未満では、酸化皮膜の窒化物由来の窒素含有量が2.0原子%未満になる。これは、温度が低いと、窒素とチタンの反応が緩慢になるためである。上記温度は、好ましくは、250℃以上であり、より好ましくは、280℃以上である。During the cooling process after the final annealing treatment, it is preferable to introduce nitrogen gas into the heating furnace or open the furnace to the atmosphere when the temperature inside the furnace drops below 300°C, thereby creating a nitrogen atmosphere containing 10% or more nitrogen by volume. The amount of nitrogen derived from nitrides present in the oxide film varies depending on the temperature, atmosphere, and the cleanliness of the titanium surface. This is because trace amounts of carbon, oxygen, hydrogen, and nitrogen present on the surface of the titanium material compete to react on the surface, and the amount of reaction between nitrogen and titanium changes depending on which reaction occurs preferentially, which in turn changes the amount of nitrides produced. However, if the temperature when changing the atmosphere (opening the atmosphere) is below 300°C, the reaction between titanium and nitrogen occurs sufficiently, and the amount of nitrides produced does not become excessive. Therefore, by the cooling treatment following the annealing treatment, the maximum value of nitrogen concentration derived from nitrides present in the oxide film can be set to 2.0 to 10.0 atomic percent. On the other hand, if the temperature when changing the atmosphere is below 200°C, the nitrogen content derived from nitrides in the oxide film will be less than 2.0 atomic percent. This is because the reaction between nitrogen and titanium slows down at lower temperatures. The above temperature is preferably 250°C or higher, and more preferably 280°C or higher.

加熱炉内を窒素雰囲気にした後、200℃に達するまでの冷却時間を1.5時間以上とすることが好ましく、2.0時間以上とすることがより好ましい。加熱炉内を窒素雰囲気にした後、200℃に達するまでの冷却時間を1.5時間以上とすることで、酸化皮膜におけるX線光電子分光法で分析したときの窒化物由来の窒素濃度の最大値が2.0~10.0原子%となり、かつ、前記酸化皮膜における前記窒化物由来の窒素濃度が最大値を示す位置が、SiOのスパッタリング速度で換算したときに、前記酸化皮膜の表面から2~10nmの範囲に存在することになる。 It is preferable to allow a cooling time of 1.5 hours or more, and more preferably 2.0 hours or more, to reach 200°C after creating a nitrogen atmosphere inside the heating furnace. By allowing a cooling time of 1.5 hours or more to reach 200°C after creating a nitrogen atmosphere inside the heating furnace, the maximum value of nitrogen concentration derived from nitrides in the oxide film, as analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy, becomes 2.0 to 10.0 atomic percent, and the position where the nitrogen concentration derived from nitrides in the oxide film shows the maximum value is located in a range of 2 to 10 nm from the surface of the oxide film, when converted to the sputtering rate of SiO2 .

なお、冷却処理後のチタン材に対して、圧下率5%以下でダルロールを用いた圧延を含む冷間圧延を施しても、本実施形態に係るチタン材の特徴は維持される。Furthermore, even if the titanium material after cooling is subjected to cold rolling, including rolling using dull rolls at a reduction ratio of 5% or less, the characteristics of the titanium material according to this embodiment are maintained.

本実施形態に係るチタン材の製造方法では、チタン素材の表面をJIS R 6001-2:2017に準拠した#320以下の番手の粒度分布を有する研磨微粉を用いて研磨する研磨工程と、表面粗さRaが0.5μm以上の圧延ロールを用いて、総圧下率が0.10%以上となるようにチタン素材を圧下するダル圧延工程と、を有することが好ましい。上記研磨工程は上記最終焼鈍処理前に実施され、上記ダル圧延工程は、上記最終焼鈍処理後に行われる。上記の研磨工程およびダル圧延工程により、チタン基材表面のRa/RSmが0.006~0.015となり、かつ、粗さ曲線要素の二乗平均平方根傾斜RΔqが0.150~0.280となる。以下に、上記研磨工程およびダル圧延工程を説明する。In the titanium material manufacturing method according to this embodiment, it is preferable to have a polishing step in which the surface of the titanium material is polished using abrasive fine powder having a particle size distribution of #320 or less in accordance with JIS R 6001-2:2017, and a dull rolling step in which the titanium material is reduced using a rolling roll with 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 dull rolling step is performed after the final annealing treatment. As a result of the polishing step and the dull rolling step, the Ra/RSm of the titanium substrate surface becomes 0.006 to 0.015, and the root mean square slope RΔq of the roughness curve elements becomes 0.150 to 0.280. The polishing step and the dull rolling step will be described below.

[研磨工程]
本工程では、チタン素材の表面をJIS R 6001-2:2017に準拠した#320以下の番手の粒度分布を有する研磨微粉を用いて研磨する。チタン素材の表面を研磨する手段は特段制限されず、例えば、ブラシロールやコイルグラインダ等、公知の手段を用いることができる。
[Polishing process]
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 are not particularly limited, and known means such as brush rolls or coil grinders can be used.

例えば、コイルグラインダを用いる場合、以下の方法で板コイル状のチタン素材の表面を研磨する。コイルライン研磨機にて、#320以下、例えば#320、#240、#100、#80等の番手の研磨ベルトを用いてチタン材を研磨する。研磨ベルトに用いられる研磨微粉は、好ましくは、#100以下の番手のものである。より、均一な研磨表面を得るために、同一の番手、あるいは番手を変えて、複数回の研磨を施す場合がある。For example, when using a coil grinder, the surface of a sheet-coil-shaped titanium material is polished in the following manner: The titanium material is polished using a coil line polishing machine with abrasive belts of grit #320 or lower, such as #320, #240, #100, #80, etc. The abrasive powder used in the polishing belt is preferably of grit #100 or lower. To obtain a more uniform polished surface, multiple polishing passes may be performed using the same grit or with different grits.

研磨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等を原料として、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研磨工程を実施すればよい。研磨工程に供する冷間圧延後のチタン素材は、適宜焼鈍されていてもよい。
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。
The titanium material used in the polishing process may be manufactured by known methods. For example, using sponge titanium or a master alloy for adding alloying elements as raw materials, an ingot of pure titanium or titanium alloy having the above components can be produced by various melting methods such as vacuum arc melting, electron beam melting, or plasma melting. Next, the obtained ingot can be divided into slabs as needed and hot forged. Then, the slabs can be hot-rolled to obtain hot-rolled coils of pure titanium or titanium alloy having the above composition. These hot-rolled coils can be cold-rolled, and the titanium material after cold rolling can be polished. The cold-rolled titanium material used in the polishing process may be annealed as appropriate.
Furthermore, the slab may be pre-treated as needed, such as by polishing or cutting. Also, if it is a rectangular shape that can be hot-rolled by the hearth melting method, it may be subjected to hot rolling without splitting or hot forging.
There are no particular restrictions on the cold rolling conditions; they can be used under conditions that appropriately yield the desired thickness, properties, etc.

[ダル圧延工程]
本工程では、表面の算術平均粗さRaが0.5μm以上の圧延ワークロール(以降、圧延ロールと言う。)を用いてチタン素材を圧下する。上記圧延ロールを用いて、総圧下率が0.10%以上となるようにチタン素材を圧下することで、チタン素材の表面に、より局所的な傾斜をなす凹凸が付与される。圧延ロールの表面の算術平均粗さRaが大きすぎると、研磨工程によって事前に付与した凹凸形状が大きく変化する場合があるため、圧延ロールの表面の算術平均粗さRaは、好ましくは2.0μm以下である。
圧延ロールの表面粗さは、研磨やショットブラストで調整することができる。
[Dull rolling process]
In this process, the titanium material is reduced using a rolling work roll (hereinafter referred to as a rolling roll) with an arithmetic mean surface roughness Ra of 0.5 μm or more. By reducing the titanium material using the above rolling roll so that the total reduction rate is 0.10% or more, more localized inclined irregularities are imparted to the surface of the titanium material. If the arithmetic mean surface roughness Ra of the rolling roll is too large, the shape of the irregularities previously imparted may change significantly during the polishing process. Therefore, the arithmetic mean surface roughness Ra of the rolling roll is preferably 2.0 μm or less.
The surface roughness of the rolling mill rolls can be adjusted by polishing or shot blasting.

総圧下率は、局所的な傾斜をなす凹凸を付与するために0.10%以上、好ましくはコイル全長での表面造り込みの安定性から0.2%以上とすることが好ましい。一方、前工程の研磨で形成した表面粗さを冷延で潰して必要な凹凸形状を消滅させてしまわないように、1.5%以下とすることが好ましい。また、本発明の表面特徴を得るにはこの冷延は1パスでも十分であるが、長尺のコイルにて全長をできるだけ均一な表面に仕上げる点を加味して、冷延を2パス以上の複数回で実施してよい。その点を考慮して総圧下率を規定し、複数パスの場合には、総圧下率は、初期と仕上げの板厚の差から求めた圧下率とする。The total reduction ratio is preferably 0.10% or more, and more preferably 0.2% or more, to create localized inclined irregularities, and more preferably 0.2% or more, for the stability of surface preparation along the entire length of the coil. On the other hand, it is preferable to keep it at 1.5% or less so that the surface roughness formed by the polishing in the previous step is not flattened by cold rolling and the necessary irregular shapes are not eliminated. Furthermore, while one pass of cold rolling is sufficient to obtain the surface characteristics of the present invention, considering the need to finish the entire length of a long coil with a surface as uniform as possible, cold rolling may be performed in two or more passes. The total reduction ratio is defined taking this into consideration, and in the case of multiple passes, the total reduction ratio is the reduction ratio obtained from the difference between the initial and finished sheet thickness.

(実施例1)
表1に示したチタン素材を0.4mmの厚さに冷間圧延した後、アルカリまたは有機溶媒等を用いて脱脂し、チタン素材の表面の油分を除去した。本実施例では、JIS H 4600:2012に準拠したJIS1種純チタン(ASTM Gr.1相当)、JIS2種純チタン(ASTM Gr.2相当)、JIS3種純チタン(ASTM Gr.3相当)、JIS4種純チタン(ASTM Gr.4相当)、JIS11種チタン合金(ASTM Gr.11相当、Ti-0.15Pd)、JIS21種チタン合金(ASTM Gr.13相当、Ti-0.5Ni-0.05Ru)、JIS17種チタン合金(ASTM Gr.7相当、Ti-0.05Pd)、Ti-Ru-Mm、Ti-3Al-2.5V、Ti-5Al-1Fe、およびJIS60種チタン合金(ASTM Gr.5相当、Ti-6Al-4V)を用いた。Ti-Ru-MmにおけるMmは、ミッシュメタルを示す。
その後、本発明例1~23では、各チタン素材に対し、表1に示す条件で焼鈍処理を行った。表1に示す開放温度は、各焼鈍温度で各焼鈍時間の保持が行われた後、冷却過程において炉内を開放したときの温度である。このときの温度は、熱電対を用いて測定した炉内の温度である。
本発明例1~13、19~23および比較例1~3では、表1の「真空度」に示す真空雰囲気下で加熱が開始され、冷却の開始までの間に、焼鈍炉内に99.99体積%以上のArガスが導入された。各チタン素材が各焼鈍温度の炉内で各焼鈍時間だけ保持された後の冷却過程では、表1に示す開放温度まで各焼鈍雰囲気が維持され、開放温度まで炉内の温度が低下した時点で炉内が開放された。
本発明例14、15では、Ar雰囲気で加熱が開始され、炉内が開放されるまで当該Ar雰囲気が維持された。
本発明例16~18では、表1の「真空度」に示す真空雰囲気下で加熱が開始され、炉内が開放されるまで当該真空度が維持された。
比較例4および比較例5では、表1に示したチタン素材を0.4mmの厚さに冷間圧延した後、アルカリまたは有機溶媒等を用いて脱脂した後、最終焼鈍処理を実施せずに、硝フッ酸酸洗仕上げが行われた。
(Example 1)
The titanium material shown in Table 1 was cold-rolled to a thickness of 0.4 mm, and then degreased using an alkali or organic solvent to remove oil from the surface of the titanium material. In this example, JIS Grade 1 pure titanium (equivalent to ASTM Gr. 1), JIS Grade 2 pure titanium (equivalent to ASTM Gr. 2), JIS Grade 3 pure titanium (equivalent to ASTM Gr. 3), JIS Grade 4 pure titanium (equivalent to ASTM Gr. 4), JIS Grade 11 titanium alloy (equivalent to ASTM Gr. 11, Ti-0.15Pd), JIS Grade 21 titanium alloy (equivalent to ASTM Gr. 13, Ti-0.5Ni-0.05Ru), JIS Grade 17 titanium alloy (equivalent to ASTM Gr. 7, Ti-0.05Pd), Ti-Ru-Mm, Ti-3Al-2.5V, Ti-5Al-1Fe, and JIS Grade 60 titanium alloy (equivalent to ASTM Gr. 5, Ti-6Al-4V) were used in accordance with JIS H 4600:2012. In Ti-Ru-Mm, Mm represents mischmetal.
Subsequently, in Examples 1 to 23 of the present invention, each titanium material was subjected to annealing treatment under the conditions shown in Table 1. The opening temperatures shown in Table 1 are the temperatures at which the furnace was opened during the cooling process after each annealing temperature and time had been maintained. These temperatures were measured using a thermocouple.
In Examples 1-13, 19-23, and Comparative Examples 1-3 of the present invention, heating was started under a vacuum atmosphere as shown in "Vacuum Level" in Table 1, and 99.99% or more of Ar gas was introduced into the annealing furnace before the start of cooling. During the cooling process after each titanium material was held in the furnace at each annealing temperature for each annealing time, each annealing atmosphere was maintained until the opening temperature shown in Table 1, and the furnace was opened when the temperature inside the furnace had dropped to the opening temperature.
In examples 14 and 15 of the present invention, heating was started in an Ar atmosphere and the Ar atmosphere was maintained until the furnace was opened.
In Examples 16 to 18 of the present invention, heating was started under a vacuum atmosphere as shown in "Vacuum Level" in Table 1, and this vacuum level was maintained until the furnace was opened.
In Comparative Examples 4 and 5, the titanium material shown in Table 1 was cold-rolled to a thickness of 0.4 mm, then degreased using an alkali or organic solvent, and finally pickled with nitrate and hydrofluoric acid without a final annealing treatment.

表層部の平均窒素濃度、平均炭素濃度および平均水素濃度は以下の方法で求められた。O、N、C、HおよびTiについて、GDSにて分析が行われた。測定には、株式会社堀場製作所製JOBIN YVON GD-Profiler2を用いた。測定の条件は35Wの定電力モード、アルゴンガスの圧力は600Pa、放電範囲は直径4mmとした。GDSによる測定において、測定ピッチは0.5nmであった。
上記各元素の濃度(原子%)は、上記元素の合計を100原子%として算出された。チタン材の表面から、GDSによって厚さ方向に測定された酸素濃度が最大値の1/3である位置までの範囲をチタン材の表層部とした。平均窒素濃度、平均炭素濃度および平均水素濃度は、各測定点の窒素濃度、炭素濃度および水素濃度の数値の算術平均値とした。
The average nitrogen, carbon, and hydrogen concentrations in the surface layer were determined by the following method. O, N, C, H, and Ti were analyzed by GDS. A JOBIN YVON GD-Profiler 2 manufactured by Horiba, Ltd. was used for the measurements. The measurement conditions were a constant power mode of 35W, an argon gas pressure of 600 Pa, and a discharge range of 4 mm in diameter. The measurement pitch in the GDS measurements was 0.5 nm.
The concentrations (atomic percent) of each element listed above were calculated assuming the sum of the elements equaled 100 atomic percent. The surface layer of the titanium material was defined as the area from the surface of the titanium material to the point where the oxygen concentration, measured in the thickness direction by GDS, was 1/3 of the maximum value. The average nitrogen concentration, average carbon concentration, and average hydrogen concentration were calculated as the arithmetic mean of the nitrogen, carbon, and hydrogen concentrations at each measurement point.

チタン材の表面におけるα相のTiのc軸の格子定数は、平行ビーム法を用いたX線回折測定によって求められた。平行ビーム法を用いたX線回折測定には、株式会社リガク製X線回折装置 SmartLabが使用され、X線源はCo-Kα(波長 λ=1.7902Å)であった。Kβ線の除去にはX線の入射側にW/Si多層膜ミラーを使用した。X線源負荷電力(管電圧/管電流)は、それぞれ、5.4kW(40kV/135mA)であった。X線の試料への入射角は0.3度であり、回折角2θが走査された。測定試料には、板厚0.4mmのチタン材を機械加工によって、25mm(縦)×50mm(横)の寸法に切り出し、チタン材表面の中央位置、言い換えると測定試料の表面の12.5mm(縦)×25mm(横)の位置を中心として、ビームを照射して、測定を実施した。なお、切り出された試料は、測定する表面に汚れが付着している可能性があるため、アセトンを用いて洗浄した。The c-axis lattice constant of α-phase Ti on the surface of the titanium material was determined by X-ray diffraction measurement using the parallel beam method. A Rigaku SmartLab X-ray diffractometer was used for the parallel beam X-ray diffraction measurement, with a Co-Kα X-ray source (wavelength λ = 1.7902 Å). A W/Si multilayer mirror was used on the X-ray incidence side to remove Kβ rays. The X-ray source load power (tube voltage/tube current) was 5.4 kW (40 kV/135 mA), respectively. The incidence angle of the X-rays on the sample was 0.3 degrees, and the diffraction angle 2θ was scanned. For the measurement sample, a 0.4 mm thick titanium plate was machined to a size of 25 mm (length) x 50 mm (width). The beam was irradiated around the center of the titanium material surface, in other words, at a position of 12.5 mm (length) x 25 mm (width) on the surface of the measurement sample, and the measurement was performed. Furthermore, since the cut-out samples may have dirt adhering to the surface to be measured, they were washed with acetone.

チタン材の板厚中央におけるα相のTiのc軸の格子定数は、集中法を用いたX線回折によって測定された。チタン材の板厚中央におけるα相のTiの結晶構造の解析に使用される試料は、チタン材の板厚中央がX線回折測定を行う測定面となるように、機械研磨および電解研磨によって仕上げた。集中法を用いたX線回折測定には、平行ビーム法を用いたX線回折測定に使用されたX線回折装置を使用し、X線源、Kβ線の除去フィルター、およびX線源負荷電力も上記平行ビーム法の条件と同一とした。The c-axis lattice constant of α-phase Ti at the center of the titanium plate thickness was measured by X-ray diffraction using the focusing method. The sample used for analyzing the crystal structure of α-phase Ti at the center of the titanium plate thickness was finished by mechanical polishing and electrolytic polishing so that the center of the titanium plate thickness served as the measurement surface for X-ray diffraction. For the focusing method X-ray diffraction measurement, the same X-ray diffractometer used for the parallel beam method was employed, and the X-ray source, Kβ-ray removal filter, and X-ray source load power were the same as those used for the parallel beam method.

チタン材の表面および板厚中央におけるα相のTiのc軸の格子定数は、(0002)面の回折ピークから算出された。
チタン材の表面におけるα相のTiのc軸の格子定数の差は、チタン材表面で算出された格子定数と板厚中央において算出された格子定数との差から求めた。
The c-axis lattice constant of the α-phase Ti at the surface and center of the titanium material thickness was calculated from the diffraction peaks of the (0002) plane.
The difference in the c-axis lattice constant of the α-phase Ti on the surface of the titanium material was determined 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.

酸化皮膜の厚さは、GDSによって上記方法で測定された酸素濃度によって求められた。具体的には、表面から、酸素濃度が最大値に対して半減した位置までの厚さ方向の距離を酸化皮膜の厚さとした。The thickness of the oxide film was determined by the oxygen concentration measured by the above method using GDS. Specifically, the thickness of the oxide film was defined as the distance in the thickness direction from the surface to the point where the oxygen concentration was halved from its maximum value.

酸化皮膜に含有される窒化物由来の窒素の含有量は、次の方法で測定した。すなわち、以下の方法で測定した深さ方向の窒化物由来の窒素濃度の分布より、酸化皮膜内の最大値を酸化皮膜に含有される窒化物由来の窒素の含有量とした。The nitrogen content derived from nitrides in the oxide film was measured by the following method. Specifically, the maximum value within the oxide film, obtained from the distribution of nitrogen concentration derived from nitrides in the depth direction measured by the following method, was defined as the nitrogen content derived from nitrides in the oxide film.

酸化皮膜内の窒化物由来の窒素濃度および炭化物由来の炭素濃度の深さ方向(膜厚方向)の分布、ならびにチタン基材における酸化皮膜との界面近傍(当該界面からチタン基材側に20nm)の窒化物由来の窒素濃度は、以下の方法で測定した。すなわち、XPSを用い、チタン材の表面をArイオンスパッタリングして深さ方向の濃度分布を測定し、N1s、C1s、O1sおよびTi2pの各ピーク位置それぞれの元素の状態を分析し、窒化物、炭化物、酸化物に由来するN、C、OおよびTiの濃度を算出した。詳細は上述した手順で算出した。XPSの分析条件は、以下のとおりとした。
装置:アルバック・ファイ製 Quantera SXM
X線源:mono-AlKα(hν:1486.6eV)
ビーム径:200μmΦ(≒分析領域)
検出深さ:数nm
取込角度:45°
スパッタ条件:Ar、スパッタレート4.3nm/min.(SiO換算値)
SiO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。
The depth-direction (film thickness direction) distribution of nitrogen concentration derived from nitrides and carbon concentration derived from carbides within the oxide film, as well as the nitrogen concentration derived from nitrides 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 method. Specifically, the concentration distribution in the depth direction was measured by Ar ion sputtering of the titanium material surface using XPS, and the elemental state at each peak position of N1s, C1s, O1s, and Ti2p was analyzed to calculate the concentrations of N, C, O, and Ti derived from nitrides, carbides, and oxides. The details were calculated using the procedure described above. The XPS analysis conditions were as follows.
Equipment: ULVAC-FI Quantera SXM
X-ray source: mono-AlKα (hν:1486.6eV)
Beam diameter: 200 μmΦ (approximately analysis area)
Detection depth: several nm
Capture angle: 45°
Sputtering conditions: Ar + , sputtering rate 4.3 nm/min ( SiO2 equivalent value)
The SiO2 equivalent value is the sputtering rate obtained using an SiO2 film whose thickness was previously measured using an ellipsometer, under the same measurement conditions.

製造したチタン材の表面粗さの各パラメータ(算術平均粗さRa、輪郭曲線要素の平均長さRSm、粗さ曲線要素の二乗平均平方根傾斜RΔq、クルトシスRku、スキューネスRsk)を、JIS B 0601:2013に準拠し、以下の条件で測定した。
装置機器:表面粗さ形状測定機((株)東京精密製 SURFCOM 1900DX、解析ソフトウェア:TiMS Ver.9.0.3)
測定子:(株)東京精密製形状測定子(型式:DT43801)
パラメータ算出規格:JIS-01規格
測定種別:粗さ測定
カットオフ種別:ガウシアン
傾斜補正:最小二乗直線補正
測定距離:5.0mm
カットオフ波長λc:0.8mm
測定レンジ:±64.0μm
測定速度:0.3mm/sec
移動・戻り速度:0.6mm/sec
リターン設定:通常測定
予備駆動長さ:(カットオフ波長/3)×2
測定間隔Δx:0.195μm
λsカットオフ比:300
λsカットオフ波長:2.667μm
ピックアップ種別:標準ピックアップ
極性:正転
The surface roughness parameters of the manufactured titanium material (arithmetic mean roughness Ra, average length RSm of the contour curve elements, root mean square slope RΔq of the roughness curve elements, crustosis Rku, and skewness Rsk) were measured in accordance with JIS B 0601:2013 under the following conditions.
Equipment: Surface roughness and shape measuring machine (SURFCOM 1900DX, manufactured by Tokyo Seimitsu Co., Ltd.; Analysis software: TiMS Ver. 9.0.3)
Measuring probe: Shape measuring probe manufactured by Tokyo Seimitsu Co., Ltd. (Model: DT43801)
Parameter calculation standard: JIS-01 standard Measurement type: Roughness measurement Cutoff type: Gaussian Slope correction: Least squares linear correction Measurement distance: 5.0 mm
Cutoff wavelength λc: 0.8 mm
Measurement range: ±64.0 μm
Measurement speed: 0.3mm/sec
Movement/return speed: 0.6 mm/sec
Return setting: Normal measurement Pre-drive length: (Cutoff wavelength / 3) × 2
Measurement interval Δx: 0.195μm
λs cutoff ratio: 300
λs cutoff wavelength: 2.667 μm
Pickup type: Standard pickup Polarity: Forward rotation

測定位置は、Raが最大となる方向で3点測定してその平均値を求めた。ここで、Raが最大となる方向は、チタン材が板の場合には圧延方向と平行な方向を0°として、22.5°、45°、90°(圧延方向に垂直な方向)の4方向にて粗さを測定し、Raが最大となる方向を決定した。圧延ロールを用いてチタン素材を圧延してチタン材を場合や、砥粒が埋め込まれたロールを圧延方向に回転させて板表面を研磨した場合には、圧延方向に垂直な方向である90°方向にて、Raが最大となった。The measurement position involved taking three measurements in the direction where Ra was maximized and calculating the average value. Here, for titanium material in sheet form, the direction parallel to the rolling direction was defined as 0°, and the roughness was measured in four directions: 22.5°, 45°, and 90° (perpendicular to the rolling direction). The direction where Ra was maximized was determined by measuring the roughness in these directions. When titanium material was rolled using rolling rolls, or when the sheet surface was polished by rotating a roll embedded with abrasive grains in the rolling direction, Ra was maximized in the 90° direction, which is perpendicular to the rolling direction.

製造されたチタン材のそれぞれを、pH3、60℃の硫酸水溶液中に4週間浸漬し、浸漬前後の色差を算出し、色差の値に基づいて、耐変色性の評価を実施した。色差ΔEが、0以上5以下の場合を耐変色性が極めて良好(A)であるとし、5超10以下の場合を耐変色性が良好(B)であるとし、10超の場合を不良(C)と判断した。なお、試験前後の色差ΔEは
ΔE=((L*2-L*1)+(a*2-a*1)+(b*2-b*1))1/2によって算出した。
ここで、L*1、a*1、b*1は変色試験前の色彩の測定結果であり、L*2、a*2、b*2は、変色試験後の色彩の測定結果であり、JIS Z 8729に規定されているL*a*b*表色法に基づくものである。
また、色差の測定は、株式会社コニカミノルタ社製CR400を用いて測定面積の直径8mmでD65の光源を用いた条件で実施した。
Each manufactured titanium material was immersed in a sulfuric acid solution at pH 3 and 60°C for four weeks. The color difference before and after immersion was calculated, and the colorfastness was evaluated based on the color difference value. A color difference ΔE of 0 to 5 was considered to indicate excellent colorfastness (A), a color difference of 5 to 10 was considered to indicate good colorfastness (B), and a color difference of 10 was considered to indicate poor colorfastness (C). The color difference ΔE before and after the test was calculated using the formula ΔE = ((L*2 - L*1) ² + (a*2 - a*1) ² + (b*2 - b*1) ² )¹/².
Here, L*1, a*1, and b*1 are the color measurement results before the color change test, and L*2, a*2, and b*2 are the color measurement results after the color change test, based on the L*a*b* color method specified in JIS Z 8729.
Furthermore, the color difference was measured using a Konica Minolta CR400 under conditions of a measurement area diameter of 8 mm and a D65 light source.

また、製造された各チタン材に対し、目視による官能評価を行った。目視観察による評価は、本変色促進試験に供していないチタン材と本変色促進試験後のチタン材を平板上に並べておき、10名の評価人が太陽光下で様々な角度から見比べて、変色が目立って視認される角度があったか否かを判断した。変色が目立たないと10名の評価人の90%以上が判定した場合をA+++とし、変色が目立たないと10名の評価人の80%以上90%未満が判定した場合をA++とし、変色が目立たないと10名の評価人の70%以上80%未満が判定した場合をA+とし、変色が目立たないと10名の評価人の50%以上70%未満が判定した場合をA0とし、変色が目立たないと10名の評価人の30%以上50%未満が判定した場合をBとし、変色が目立たないと10名の評価人の30%未満が判定した場合をCとし、評価がCである場合を不合格とした。なお、この目視観察は、実際の建築物の屋根や壁を想定した条件であり、見る角度によって色調が変わることも想定しての評価である。
結果を表2、3に示す。表2、3中の下線は、本発明の範囲外であることを示す。
Furthermore, each manufactured titanium material was subjected to a visual sensory evaluation. For the visual evaluation, titanium material that had not been subjected to this discoloration acceleration test and titanium material that had been subjected to this discoloration acceleration test were placed side by side on a flat plate, and 10 evaluators compared them from various angles under sunlight to determine whether or not there was an angle from which the discoloration was noticeably visible. A rating of A+++ was given when 90% or more of the 10 evaluators judged that the discoloration was not noticeable, A++ was given when 80% to less than 90% of the 10 evaluators judged that the discoloration was not noticeable, A+ was given when 70% to less than 80% of the 10 evaluators judged that the discoloration was not noticeable, A0 was given when 50% to less than 70% of the 10 evaluators judged that the discoloration was not noticeable, B was given when 30% to less than 50% of the 10 evaluators judged that the discoloration was not noticeable, and C was given when less than 30% of the 10 evaluators judged that the discoloration was not noticeable. A rating of C was considered a failure. This visual observation was conducted under conditions simulating the roofs and walls of actual buildings, and the evaluation took into account that the color tone may change depending on the viewing angle.
The results are shown in Tables 2 and 3. Underlined text in Tables 2 and 3 indicates that the topic is outside the scope of the present invention.

本発明例1~23は、表層部の平均窒素濃度および平均炭素濃度のいずれも14.0原子%以下であり、平均水素濃度が30.0原子%以下であり、チタン材の表面および板厚中央のα相のTiのc軸の格子定数の差は0.015Å以下であり、これらの色差評価結果はB以上であり、目視による官能評価結果はB以上であった。
比較例1は、焼鈍処理時の真空度が1.0×10-1Paと低かったため、表層部の平均窒素濃度が高かった。その結果、比較例1のチタン材の色差評価結果および目視による官能評価結果はいずれも不合格であった。
比較例2は、焼鈍温度が低く、表層部の平均炭素濃度が高かった。その結果、比較例2のチタン材の色差評価結果および目視による官能評価結果はいずれも不合格であった。
比較例3は、焼鈍処理時の真空度が8.0×10-2Paと低かったため、チタン材の表層部の酸素濃度が高くなり、表層部におけるα相のTiのc軸の格子定数が大きくなり、格子定数の差が大きくなったと推察される。その結果、比較例3のチタン材の色差評価結果および目視による官能評価結果はいずれも不合格であった。
比較例4、5では、表層部の平均水素濃度が高く、比較例3のチタン材の色差評価結果および目視による官能評価結果はいずれも不合格であった。
Examples 1 to 23 of the present invention had average nitrogen concentration and average carbon concentration of 14.0 atomic percent or less in the surface layer, an average hydrogen concentration of 30.0 atomic percent or less, and the difference in lattice constant of the c axis of Ti in the α phase at the surface and center of the thickness of the titanium material was 0.015 Å or less. The color difference evaluation results were B or higher, and the visual sensory evaluation results were B or higher.
In Comparative Example 1, the vacuum level during the annealing process was low at 1.0 × 10⁻¹ Pa, resulting in a high average nitrogen concentration in the surface layer. Consequently, both the color difference evaluation and the visual sensory evaluation results for the titanium material in Comparative Example 1 were unsatisfactory.
Comparative Example 2 had a low annealing temperature and a high average carbon concentration in the surface layer. As a result, both the color difference evaluation and the visual sensory evaluation results for the titanium material of Comparative Example 2 were unsatisfactory.
In Comparative Example 3, the vacuum level during the annealing process was low at 8.0 × 10⁻² Pa, which is presumed to have resulted in a high oxygen concentration in the surface layer of the titanium material, leading to a larger lattice constant of the c axis of the α-phase Ti in the surface layer and a larger difference in lattice constants. As a result, both the color difference evaluation and the visual sensory evaluation results for the titanium material in Comparative Example 3 were unsatisfactory.
In Comparative Examples 4 and 5, the average hydrogen concentration in the surface layer was high, and both the color difference evaluation results and the visual sensory evaluation results for the titanium material in Comparative Example 3 were unsatisfactory.

以上示したように、本実施形態に係るチタン材は、厳しい酸性雨を模擬したpH3の硫酸水溶液中においても長期間、優れた耐変色性を有していた。本発明は、屋根あるいは壁パネルのような屋外環境での用途に特に有効であり、その産業上の価値は極めて高いといえる。As demonstrated above, the titanium material according to this embodiment exhibited excellent discoloration resistance for a long period of time even in a pH 3 sulfuric acid aqueous solution simulating severe acid rain. The present invention is particularly effective for outdoor applications such as roofs or wall panels, and its industrial value is extremely high.

(実施例2)
表4に示したチタン素材を0.4mmの厚さに冷間圧延した後、アルカリまたは有機溶媒等を用いて脱脂し、チタン素材の表面の油分を除去した。その後、各チタン素材に対し、表4に示す条件で焼鈍処理を行った。表4に示す開放温度は、各焼鈍温度で各焼鈍時間の保持が行われた後、冷却過程において炉内を開放したときの温度である。このときの温度は、熱電対を用いて測定した炉内の温度である。
(Example 2)
The titanium materials shown in Table 4 were cold-rolled to a thickness of 0.4 mm, and then degreased using an alkali or organic solvent to remove oil from the surface of the titanium material. Afterward, each titanium material was annealed under the conditions shown in Table 4. The opening temperatures shown in Table 4 are the temperatures at which the furnace was opened during the cooling process after each annealing temperature and time had been maintained. These temperatures were measured using a thermocouple.

製造された各チタン材に対して、実施例1と同様の評価を行った。表5、6に結果を示す。Each manufactured titanium material was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Tables 5 and 6.

表5、6に示すように本発明例24~39は、酸化皮膜におけるX線光電子分光法で分析したときの窒化物由来の窒素濃度の最大値が2.0~10.0原子%であり、酸化皮膜における窒化物由来の窒素濃度が最大値を示す位置が、SiOのスパッタリング速度で換算したときに、前記酸化皮膜の表面から2~10nmの範囲に存在し、チタン基材における酸化皮膜との界面近傍に存在する窒化物由来の窒素の濃度が、酸化皮膜における窒化物由来の窒素濃度の最大値未満且つ7原子%以下であり、酸化皮膜における窒化物由来の窒素濃度の最大値が、酸化皮膜における窒化物由来の窒素濃度が最大となる位置の炭化物由来の炭素濃度以上であった。これらの色差評価結果はAであり、更に目視による官能評価結果はいずれもA++であり、耐変色性が優れていた。 As shown in Tables 5 and 6, in Examples 24 to 39 of the present invention, the maximum nitrogen concentration derived from nitrides, as analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy in the oxide film, was 2.0 to 10.0 atomic percent. The position where the nitrogen concentration derived from nitrides in the oxide film is at its maximum value is located in the range of 2 to 10 nm from the surface of the oxide film, when converted using the sputtering rate of SiO2. The nitrogen concentration derived from nitrides near the interface between the titanium substrate and the oxide film is less than the maximum nitrogen concentration derived from nitrides in the oxide film and 7 atomic percent or less. The maximum nitrogen concentration derived from nitrides in the oxide film is equal to or greater than the carbon concentration derived from carbides at the position where the nitrogen concentration derived from nitrides in the oxide film is at its maximum. The color difference evaluation results were A, and the visual sensory evaluation results were all A++, indicating excellent discoloration resistance.

(実施例3)
表7に示したチタン素材を0.4mmの厚さに冷間圧延した後、表7および表8に示す条件で、研磨工程、洗浄、焼鈍処理、およびダル圧延工程をこの順序で行った。表7に示した「研磨パス数」とは、研磨ベルトを配置した3台の研磨スタンドからなるコイルグラインダのラインへのチタン素材の通板回数を示している。
本発明例40~72では、各チタン素材に対し、表8に示す条件で最終焼鈍処理を行った。表8に示す開放温度は、各焼鈍温度で各焼鈍時間の保持が行われた後、冷却過程において炉内を開放したときの温度である。このときの温度は、熱電対を用いて測定した炉内の温度である。
本発明例40~61、63~72では、表8の「真空度」に示す真空雰囲気下で加熱が開始され、冷却の開始までの間に、焼鈍炉内に99.99体積%以上のArガスが導入された。各チタン素材が各焼鈍温度の炉内で各焼鈍時間だけ保持された後の冷却過程では、表8に示す開放温度まで各焼鈍雰囲気が維持され、開放温度まで炉内の温度が低下した時点で炉内が開放された。
本発明例62では、表8の「真空度」に示す真空雰囲気下で加熱が開始され、炉内が開放されるまで当該真空度が維持された。
比較例6では、チタン素材を0.4mmの厚さに冷間圧延した後、アルカリまたは有機溶媒等を用いて脱脂した後、最終焼鈍処理を実施せずに、硝フッ酸酸洗仕上げが行われた。
(Example 3)
After cold-rolling the titanium material shown in Table 7 to a thickness of 0.4 mm, the polishing, cleaning, annealing, and dull-rolling processes were carried out in the order shown in Tables 7 and 8 under the conditions indicated. The "number of polishing passes" shown in Table 7 refers to the number of times the titanium material was passed through the line of a coil grinder consisting of three polishing stands equipped with polishing belts.
In Examples 40 to 72 of the present invention, each titanium material was subjected to the final annealing treatment under the conditions shown in Table 8. The opening temperatures shown in Table 8 are the temperatures at which the furnace was opened during the cooling process after each annealing temperature and time had been maintained. These temperatures were measured using a thermocouple.
In Examples 40-61 and 63-72 of the present invention, heating was started under a vacuum atmosphere as shown in "Vacuum Level" in Table 8, and 99.99% or more of Ar gas was introduced into the annealing furnace before the start of cooling. During the cooling process after each titanium material was held in the furnace at each annealing temperature for each annealing time, each annealing atmosphere was maintained until the opening temperature shown in Table 8, and the furnace was opened when the temperature inside the furnace had dropped to the opening temperature.
In Example 62 of the present invention, heating was started under a vacuum atmosphere as shown in "Vacuum Level" in Table 8, and this vacuum level was maintained until the furnace was opened.
In Comparative Example 6, the titanium material was cold-rolled to a thickness of 0.4 mm, then degreased using an alkali or organic solvent, and finally pickled with nitrate and hydrofluoric acid without performing a final annealing treatment.

製造された各チタン材に対して、実施例1と同様の評価を行った。表9、10に結果を示す。表9中の下線は、本発明の範囲外であることを示す。Each manufactured titanium material was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Tables 9 and 10. Underlined text in Table 9 indicates that the material falls outside the scope of the present invention.

表7~10に示すように、熱処理温度、時間および熱処理雰囲気、ならびに冷却雰囲気を制御すれば、算術平均粗さRaが最大となる方向の粗さ曲線において、算術平均粗さRaと要素長さRSmの比であるRa/RSmが0.006~0.015であり、かつ、二乗平均平方根傾斜RΔqが0.150~0.280であり、チタン基材のクルトシスRkuが3超であり、チタン基材のスキューネスRskが-0.5超にすることができ、評価結果がより一層優れることが分かった。特に、本発明例59~61は、表層部の平均窒素濃度および平均炭素濃度のいずれも14.0原子%以下であり、平均水素濃度が30.0原子%以下であり、チタン材の表面および板厚中央のα相のTiのc軸の格子定数の差は0.015Å以下であり、酸化皮膜におけるX線光電子分光法で分析したときの窒化物由来の窒素濃度の最大値が2.0~10.0原子%であり、酸化皮膜における窒化物由来の窒素濃度が最大値を示す位置が、SiOのスパッタリング速度で換算したときに、前記酸化皮膜の表面から2~10nmの範囲に存在し、チタン基材における酸化皮膜との界面近傍に存在する窒化物由来の窒素の濃度が、酸化皮膜における窒化物由来の窒素濃度の最大値未満且つ7原子%以下であり、酸化皮膜における窒化物由来の窒素濃度の最大値が、酸化皮膜における窒化物由来の窒素濃度が最大となる位置の炭化物由来の炭素濃度以上であった。その結果、これらの色差評価結果はAであり、目視による官能評価結果はA+++であり、耐変色性が極めて優れるものであった。 As shown in Tables 7-10, by controlling the heat treatment temperature, time, heat treatment atmosphere, and cooling atmosphere, it was found that in the roughness curve in the direction where the arithmetic mean roughness Ra is maximized, the ratio of arithmetic mean roughness Ra to element length RSm, Ra/RSm, is 0.006 to 0.015, the root mean square slope RΔq is 0.150 to 0.280, the crustosis Rku of the titanium substrate is greater than 3, and the skewness Rsk of the titanium substrate is greater than -0.5, resulting in even better evaluation results. In particular, in Examples 59 to 61 of the present invention, the average nitrogen concentration and average carbon concentration in the surface layer were both 14.0 atomic percent or less, the average hydrogen concentration was 30.0 atomic percent or less, the difference in the lattice constant of the c axis of Ti in the α phase at the surface of the titanium material and in the center of the plate thickness was 0.015 Å or less, the maximum value of nitrogen concentration derived from nitrides when analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy in the oxide film was 2.0 to 10.0 atomic percent, the position where the nitrogen concentration derived from nitrides in the oxide film shows the maximum value is located in the range of 2 to 10 nm from the surface of the oxide film when converted using the sputtering rate of SiO2 , the nitrogen concentration derived from nitrides located near the interface between the titanium substrate and the oxide film was less than the maximum value of nitrogen concentration derived from nitrides in the oxide film and 7 atomic percent or less, and the maximum value of nitrogen concentration derived from nitrides in the oxide film was greater than or equal to the carbon concentration derived from carbides at the position where the nitrogen concentration derived from nitrides in the oxide film is maximum. As a result, the color difference evaluation result was A, and the visual sensory evaluation result was A+++, indicating extremely excellent colorfastness.

1 チタン材
10 チタン基材
20 酸化皮膜
30 表層部
1 Titanium material 10 Titanium substrate 20 Oxide film 30 Surface layer

Claims (4)

チタン基材と、
前記チタン基材の表面に配された酸化皮膜と、を有するチタン材であって、
前記チタン基材は、質量%で、
Co:0%以上1.0%以下、
Cr:0%以上0.5%以下、
Ni:0%以上1.00%以下、
Ta:0%以上6.00%以下、
Al:0%以上7.0%以下、
V:0%以上5.0%以下、
S:0%以上0.3%以下、
Cu:0%以上1.50%以下、
Nb:0%以上0.70%以下、
Sn:0%以上1.40%以下、
Si:0%以上0.55%以下、
Mo:0%以上0.5%以下、
W:0%以上0.5%以下、
Pd:0%以上0.25%、
Ru:0%以上0.15%以下、
Rh:0%以上0.15%以下、
Os:0%以上0.15%以下、
Ir:0%以上0.15%以下、
Pt:0%以上0.15%以下、
REM:0%以上0.10%以下、
C:0%以上0.18%%以下、
H:0%以上0.015%以下、
O:0%以上0.40%以下、
N:0%以上0.05%以下、および
Fe:0%以上2.50%以下を含み、
残部がTiおよび不純物からなり、
前記チタン材の表面から、グロー放電分光分析法によって前記表面から厚さ方向に測定された酸素濃度が最大値の1/3である位置までの範囲の平均窒素濃度および平均炭素濃度がそれぞれ14.0原子%以下、平均水素濃度が30.0原子%以下であり、
前記表面において入射角が0.3度である平行ビーム法によるX線回折測定によって求められるα相のTiのc軸の格子定数と、板厚中央において集中法によるX線回折測定によって求められるα相のTiのc軸の格子定数との差が0.015Å以下であり、
X線光電子分光法で分析したとき、
前記酸化皮膜における窒化物由来の窒素濃度の最大値が2.0~10.0原子%であり、
前記酸化皮膜における前記窒化物由来の窒素濃度が最大値を示す位置が、SiO のスパッタリング速度で換算したときに、前記酸化皮膜の表面から2~10nmの範囲に存在し、
酸素濃度が最大値の1/2になる位置からチタン基材側まで20nm範囲に存在する前記窒化物由来の窒素の濃度が、前記酸化皮膜における前記窒化物由来の窒素濃度の最大値未満且つ7原子%以下であり、
前記酸化皮膜における前記窒化物由来の前記窒素濃度の最大値が、前記酸化皮膜における前記窒化物由来の前記窒素濃度が最大となる位置の炭化物由来の炭素濃度以上である、
チタン材。
Titanium substrate and
A titanium material having an oxide film disposed on the surface of the titanium substrate,
The aforementioned titanium substrate is, by mass%,
Co: 0% or more and 1.0% or less,
Cr: 0% or more and 0.5% or less,
Ni: 0% or more and 1.00% or less,
Ta: 0% or more and 6.00% or less,
Al: 0% or more and 7.0% or less,
V: 0% or more and 5.0% or less,
S: 0% or more and 0.3% or less,
Cu: 0% or more and 1.50% or less,
Nb: 0% or more and 0.70% or less,
Sn: 0% or more and 1.40% or less,
Si: 0% or more and 0.55% or less,
Mo: 0% or more and 0.5% or less,
W: 0% or more and 0.5% or less,
Pd: 0% to 0.25%,
Ru: 0% or more and 0.15% or less,
Rh: 0% or more and 0.15% or less,
Os: 0% or more and 0.15% or less,
Ir: 0% or more and 0.15% or less,
Pt: 0% or more and 0.15% or less,
REM: 0% or more and 0.10% or less,
C: 0% or more and 0.18%% or less,
H: 0% or more and 0.015% or less,
O: 0% or more and 0.40% or less,
N: 0% or more and 0.05% or less,
Fe: Includes 0% to 2.50%,
The remainder consists of Ti and impurities.
From the surface of the titanium material , the average nitrogen concentration and average carbon concentration in the range up to the point where the oxygen concentration measured in the thickness direction from the surface by glow discharge spectroscopy is 1/3 of the maximum value are 14.0 atomic percent or less, and the average hydrogen concentration is 30.0 atomic percent or less.
The difference between the c-axis lattice constant of Ti in the α phase, determined by X-ray diffraction measurement using a parallel beam method with an incident angle of 0.3 degrees on the aforementioned surface, and the c-axis lattice constant of Ti in the α phase, determined by X-ray diffraction measurement using a concentrated beam method at the center of the plate thickness , is 0.015 Å or less.
When analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy,
The maximum nitrogen concentration derived from nitrides in the oxide film is 2.0 to 10.0 atomic percent.
The position in the oxide film where the nitrogen concentration derived from the nitride is at its maximum value is located in a range of 2 to 10 nm from the surface of the oxide film, when converted using the sputtering rate of SiO₂ .
The nitrogen concentration derived from the nitride, present in a 20 nm range from the position where the oxygen concentration is half of its 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 atomic percent or less.
The maximum value of the nitrogen concentration derived from the nitride in the oxide film is equal to or greater than the carbon concentration derived from the carbide at the position in the oxide film where the nitrogen concentration derived from the nitride is maximum.
Titanium material.
厚さが30.0nm以下の酸化皮膜を備える、
請求項1に記載のチタン材。
It has an oxide film with a thickness of 30.0 nm or less.
The titanium material according to claim 1.
算術平均粗さRaが最大となる方向の粗さ曲線において、算術平均粗さRaと要素長さRSmの比であるRa/RSmが0.006~0.015であり、かつ、二乗平均平方根傾斜RΔqが0.150~0.280であるチタン基材を備え、
前記チタン基材のクルトシスRkuが3超であり、
前記チタン基材のスキューネスRskが-0.5超である、
請求項1または2に記載のチタン材。
In the roughness curve in the direction where the arithmetic mean roughness Ra is maximized, the ratio of the arithmetic mean roughness Ra to the element length RSm, Ra/RSm, is 0.006 to 0.015, and the root mean square slope RΔq is 0.150 to 0.280, comprising a titanium substrate.
The kurtosis Rku of the aforementioned titanium substrate is greater than 3.
The skewness Rsk of the aforementioned titanium substrate is greater than -0.5.
The titanium material according to claim 1 or 2.
前記チタン基材は、算術平均粗さRaが最大となる方向の粗さ曲線において、算術平均粗さRaと要素長さRSmの比であるRa/RSmが0.006~0.015であり、かつ、二乗平均平方根傾斜RΔqが0.150~0.280であり、
前記チタン基材のクルトシスRkuが3超であり、
前記チタン基材のスキューネスRskが-0.5超である、
請求項1または2に記載のチタン材。
The titanium substrate has a roughness curve in the direction in which the arithmetic mean roughness Ra is maximum, where the ratio of the arithmetic mean roughness Ra to the element length RSm, Ra/RSm, is 0.006 to 0.015, and the root mean square slope RΔq is 0.150 to 0.280.
The kurtosis Rku of the aforementioned titanium substrate is greater than 3.
The skewness Rsk of the aforementioned titanium substrate is greater than -0.5.
The titanium material according to claim 1 or 2 .
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2025150394A1 (en) * 2024-01-09 2025-07-17 日本製鉄株式会社 Titanium material and method for manufacturing titanium material
WO2025187552A1 (en) * 2024-03-05 2025-09-12 日本製鉄株式会社 Titanium material, processed product, and product

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002012962A (en) 2000-02-23 2002-01-15 Nippon Steel Corp Titanium hardly causing discoloration in atmospheric environment and method for producing the same
JP2005206892A (en) 2004-01-23 2005-08-04 Kobe Steel Ltd Titanium material with excellent wear resistance
JP2009068026A (en) 2007-09-10 2009-04-02 Nippon Steel Corp Titanium alloy material for exhaust system parts excellent in oxidation resistance and formability, manufacturing method thereof, and exhaust device using the alloy material
JP2011020135A (en) 2009-07-15 2011-02-03 Kobe Steel Ltd Titanium plate and method for manufacturing the same
WO2011081077A1 (en) 2009-12-28 2011-07-07 新日本製鐵株式会社 Heat-resistant titanium alloy with excellent oxidation resistance for exhaust system components, manufacturing method of heat-resistant titanium plate with excellent oxidation resistance for exhaust system components, and exhaust system
JP2013142183A (en) 2012-01-12 2013-07-22 Nippon Steel & Sumitomo Metal Corp Titanium alloy material for exhaust system component excellent in oxidation-resistance and production method thereof, and exhaust device using the titanium alloy material
WO2017018508A1 (en) 2015-07-29 2017-02-02 新日鐵住金株式会社 Titanium composite material, and titanium material for use in hot rolling
JP2017031460A (en) 2015-07-31 2017-02-09 新日鐵住金株式会社 Titanium plate
WO2018084184A1 (en) 2016-11-01 2018-05-11 新日鐵住金株式会社 Titanium material, constituent member for cells, cell, and solid polymer fuel cell
WO2020075667A1 (en) 2018-10-09 2020-04-16 日本製鉄株式会社 α+β TYPE TITANIUM ALLOY WIRE AND METHOD FOR PRODUCING α+β TYPE TITANIUM ALLOY WIRE
JP2021028407A (en) 2019-08-09 2021-02-25 日本製鉄株式会社 Titanium alloy sheet, and exhaust system components for automobile

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0770770A (en) * 1993-06-15 1995-03-14 Nikko Kinzoku Kk Treating method of titanium material for preventing hydrogen absorption in hydrogen sulfide aqueous solution
JPH10317118A (en) * 1997-05-21 1998-12-02 Nippon Steel Corp Pure titanium suitable for grain size control by batch annealing
JP3255610B2 (en) 1998-06-18 2002-02-12 株式会社神戸製鋼所 Titanium material or titanium alloy material excellent in discoloration resistance, method for producing the same, and exterior material for building
JP3406898B2 (en) 2000-07-28 2003-05-19 新日本製鐵株式会社 Titanium material that does not easily cause discoloration and method for producing the same
JP4543519B2 (en) 2000-08-18 2010-09-15 住友金属工業株式会社 Manufacturing method of titanium cold rolled sheet
JP2005272870A (en) 2004-03-23 2005-10-06 Nippon Steel Corp Titanium or titanium alloy that does not easily discolor in the atmosphere
US20130164166A1 (en) * 2010-09-08 2013-06-27 Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation Titanium material
CN112292484B (en) * 2018-06-18 2023-05-12 日本制铁株式会社 Titanium
JP7167838B2 (en) * 2019-04-26 2022-11-09 日本製鉄株式会社 Titanium plate with excellent lubricity and manufacturing method thereof
JP7078180B2 (en) * 2019-06-20 2022-05-31 日本製鉄株式会社 Titanium material and equipment
JP7525784B2 (en) * 2020-09-16 2024-07-31 日本製鉄株式会社 Titanium material and method for manufacturing titanium material

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002012962A (en) 2000-02-23 2002-01-15 Nippon Steel Corp Titanium hardly causing discoloration in atmospheric environment and method for producing the same
JP2005206892A (en) 2004-01-23 2005-08-04 Kobe Steel Ltd Titanium material with excellent wear resistance
JP2009068026A (en) 2007-09-10 2009-04-02 Nippon Steel Corp Titanium alloy material for exhaust system parts excellent in oxidation resistance and formability, manufacturing method thereof, and exhaust device using the alloy material
JP2011020135A (en) 2009-07-15 2011-02-03 Kobe Steel Ltd Titanium plate and method for manufacturing the same
WO2011081077A1 (en) 2009-12-28 2011-07-07 新日本製鐵株式会社 Heat-resistant titanium alloy with excellent oxidation resistance for exhaust system components, manufacturing method of heat-resistant titanium plate with excellent oxidation resistance for exhaust system components, and exhaust system
JP2013142183A (en) 2012-01-12 2013-07-22 Nippon Steel & Sumitomo Metal Corp Titanium alloy material for exhaust system component excellent in oxidation-resistance and production method thereof, and exhaust device using the titanium alloy material
WO2017018508A1 (en) 2015-07-29 2017-02-02 新日鐵住金株式会社 Titanium composite material, and titanium material for use in hot rolling
JP2017031460A (en) 2015-07-31 2017-02-09 新日鐵住金株式会社 Titanium plate
WO2018084184A1 (en) 2016-11-01 2018-05-11 新日鐵住金株式会社 Titanium material, constituent member for cells, cell, and solid polymer fuel cell
WO2020075667A1 (en) 2018-10-09 2020-04-16 日本製鉄株式会社 α+β TYPE TITANIUM ALLOY WIRE AND METHOD FOR PRODUCING α+β TYPE TITANIUM ALLOY WIRE
JP2021028407A (en) 2019-08-09 2021-02-25 日本製鉄株式会社 Titanium alloy sheet, and exhaust system components for automobile

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
メタルヒート,チタン熱処理,チタン熱処理,日本,メタルヒート,2022年05月12日,https://metalheat.co.jp/technique/,https://metalheat.co.jp/index.html#tab-03、https://metalheat.co.jp/english/

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