(57)【要約】【課題】建材用元板材に関して、耐腐食性に優れるだけでなく、建築物に適した装飾性を実現すると共に、高い生産性を望むことが可能となる建材用元板材及び建材用元板材の製造方法を提供すること。【解決手段】チタンを母材とし、プレス加工が施されることによって建材となるチタン元板材１において、母材を酸化することで形成された酸化被膜を表面に形成する。酸化被膜を形成する際に、５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の厚みとなるように酸化被膜を形成することで、チタン元板材１に所定の色を付与する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタンを母材とし、プレス加工が施されることによって建材となる元板材であって、
前記母材を酸化することで形成された酸化被膜を表面に有し、
前記酸化被膜は、５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の厚みを有すると共に前記元板材に所定の色を付与することを特徴とする建材用元板材。
【請求項２】
前記酸化被膜は、前記母材に熱酸化処理を施すことによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の建材用元板材。
【請求項３】
前記酸化被膜は、前記プレス加工時における摩擦を低減する潤滑層を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の建材用元板材。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の建材用元板材を製造する方法であって、
圧延によって前記母材を形成する圧延工程と、
前記酸化被膜を大気中での酸化雰囲気下で形成する大気焼鈍工程と、を備えることを特徴とする建材用元板材の製造方法。
【請求項５】
前記圧延工程と前記大気焼鈍工程との間に、
前記母材を加熱して焼鈍する焼鈍工程と、
前記焼鈍された母材を酸によって洗浄する酸洗工程と、を備えることを特徴とする請求項４に記載の建材用元板材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屋根瓦、雨樋及び化粧板などの建材として成形される建材用元板材及び建材用元板材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、建築物の屋根瓦、雨樋及び化粧板などの建材に金属材料を用いる試みがなされてきた。銅は比較的古くから用いられている金属材料の代表であり、銅板を加工することで屋根瓦、雨樋及び化粧板などが形成される。銅は、加工性に優れるだけでなく、緑青を生じるために建築物との色彩的な調和にも優れた材料として広く用いられてきた。
しかし、近年の大気汚染などに起因する酸性雨によって、銅は急速かつ著しく腐食するので、銅に代わって酸性雨による腐食に耐えられる金属材料が求められている。銅に代わる金属材料としては、表面に酸化被膜（不動態）が形成されたアルミニウムやチタンなどがあり、この酸化被膜が酸性雨による腐食からアルミニウム及びチタンを保護している。
【０００３】
上述のような事情を背景として、特許文献１は、建築物に用いられる内外装用チタン板の製造方法を開示している。
特許文献１の内外装用チタン板の製造方法は、工業用純チタンを用いて、フッ酸と硝酸による酸洗および／または酸化処理によって表面改質を行い、チタン板の表面に装飾性を付与することを特徴としている。酸洗においては、フッ酸及び硝酸の濃度がおよそ８モル/ｋｇとなるように調整され、酸化処理においては、チタン板を酸化する際の温度が５００℃〜１２００℃の範囲となるように調整される。
【０００４】
このような特許文献１に開示の技術は、酸性雨などによる腐食損失を回避することに加えて、神社・仏閣など古色ある建築物との色彩的調和をとることを目的とするものであり、チタン板の表面を酸化することによって、黒色や灰色などを表現しようと試みている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２８７７６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示の内外装用チタン板の製造方法は、チタン板の表面を酸化する際に、１時間や３０分といった長時間にわたる高温酸化処理を実施例として示している。このような長時間の酸化処理を要する製造方法では、高い生産効率を望むことはできず、さらに、長時間の酸化処理が障害となって生産効率を向上させることが困難である。さらに、特許文献１では、高温酸化処理に必要な時間として３０分〜６時間といった非常に大きな時間幅が示されており、高温酸化処理に必要な時間を特定する手がかりが開示されていないため、特許文献１に開示の内外装用チタン板の製造方法を実際に運用するのは非常に困難である。
【０００７】
また、近年では、腐食に強いチタン板を採用したいという要望が建築に関する様々な分野で高まっているため、そのチタン板の装飾性を建築物ごとに最適なものとすると共にその装飾性を長期間にわたって保持したいという要望も同時に高まっている。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであって、耐腐食性に優れるだけでなく、建築物に適した装飾性を実現すると共に、高い生産性を望むことが可能な建材用元板材及び建材用元板材の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を達成するために、本発明は、以下の技術的手段を採用した。
本発明に係る建材用元板材は、チタンを母材とし、プレス加工が施されることによって建材となる元板材であって、前記母材を酸化することで形成された酸化被膜を表面に有し、前記酸化被膜は、５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の厚みを有すると共に前記元板材に所定の色を付与することを特徴とする。
【０００９】
ここで、前記酸化被膜は、前記母材に熱酸化処理を施すことによって形成されると好ま
しい。
また、前記酸化被膜は、前記プレス加工時における摩擦を低減する潤滑層を形成すると好ましい。
また、本発明に係る及び建材用元板材の製造方法は、上述の建材用元板材を製造する方法であって、圧延によって前記母材を形成する圧延工程と、前記酸化被膜を大気中での酸化雰囲気下で形成する大気焼鈍工程と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
ここで、前記圧延工程と前記大気焼鈍工程との間に、前記母材を加熱して焼鈍する焼鈍工程と、前記焼鈍された母材を酸によって洗浄する酸洗工程と、を備えると好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の建材用元板材及び建材用元板材の製造方法によれば、建材用元板材に関して、耐腐食性に優れるだけでなく、建築物に適した装飾性を実現すると共に、高い生産性を望むことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態によるチタン元板材及び該チタン元板材を用いて製造される瓦の概略構成を示す図である。
【図２】本実施形態によるチタン元板材の製造方法を説明する流れ図である。
【図３】チタン元板材に関して熱処理条件を変えたときの特徴を示すグラフであって、（ａ）は熱処理条件と酸化被膜厚との関係を示すグラフであり、（ｂ）は熱処理条件とエリクセン値との関係を示すグラフである。
【図４】３種類の熱処理条件で熱処理した際のチタン元板材の色質指数を示すグラフである。
【図５】本実施形態によるチタン元板材の変色促進試験の結果を従来製品との比較で示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
なお、以下に説明する実施形態は、本発明を具体化した一例であって、その具体例をもって本発明の構成を限定するものではない。従って、本発明の技術的範囲は、本実施形態の開示内容に限定されるものではない。
図１を参照しながら、本実施形態による建材用元板材の構成、及び該建材用元板材をプレス加工して得られる屋根瓦の構成について説明する。
【００１４】
図１は、建材用元板材及び該建材用元板材を用いて製造される屋根瓦の概略構成を示す図である。本実施形態による建材用元板材は、金属材料であるチタンの薄板を母材とするチタン元板材１であり、その表面には母材であるチタンの酸化によって形成された酸化被膜を有している。図１に示すチタン元板材１は、少なくとも紙面に示された上面とその反対面である下面が酸化被膜によって覆われている。
【００１５】
図１に示すように、酸化被膜で覆われたチタン元板材１は、プレス加工が施されることによって、屋根瓦２などの建材となる元板材である。チタン元板材１は、プレス加工次第で瓦以外の建材に加工され得るものであり、雨樋や建物の外壁を覆う化粧板などに加工され得るが、本実施形態では、屋根瓦２として加工されるチタン元板材１について説明する。
【００１６】
周知のとおり、酸化被膜で覆われたチタン元板材１が建材として用いられる場合には、太陽光や酸性雨などに起因する腐食や劣化を強固に抑制する高い耐候性が期待されている。加えて、チタン元板材１が屋根瓦２として用いられる場合には、その屋根瓦２が施工される建物の意匠及び外観にふさわしい色彩が求められる。
チタン元板材１が寺院の屋根瓦２として成形される場合を例として、本実施形態を説明する。まず、チタン元板材１の製造工程について説明する。
【００１７】
図２は、チタン元板材１の製造方法を説明する流れ図である。まず、ブルームやビレットなどのチタン鋳片に対して熱間圧延又は冷間圧延を施す圧延工程によって板状のチタン圧延材が形成される。本実施形態では、冷間圧延工程Ｓ１によってチタン圧延材を形成す
る。
冷間圧延工程Ｓ１によって形成されたチタン圧延材は、材料特性を調整するために焼鈍炉に導入される（焼鈍工程Ｓ２）。焼鈍炉では、例えば、炉内に配置された加熱用のバーナによって炉内の温度を所定温度まで上昇させると共に、炉内の雰囲気を制御することにより、炉内を連続的に通過するチタン圧延材の表面性状を調整する。また、焼鈍炉の温度を所定温度となるように制御することと、チタン圧延材が焼鈍炉を通過する速度（ライン速度）、つまり、チタン圧延材が焼鈍炉内に滞在する時間を制御することとによって、チタン圧延材の機械特性を含む材料特性（金属組織など）が調整される。
【００１８】
チタン圧延材の表面性状は、焼鈍炉内の雰囲気を制御することによって調整されるが、チタン圧延材の表面を酸化させる場合は、焼鈍炉を大気雰囲気として（酸化雰囲気下で）チタン圧延材を焼鈍するとよい（これを大気焼鈍という）。チタン圧延材が大気雰囲気の焼鈍炉内を通過すれば、チタン圧延材が焼鈍されると共に、チタン圧延材の上面及び下面の両表面に酸化チタンの被膜（酸化被膜）が形成される。
【００１９】
焼鈍炉を通過したチタン圧延材は、続く酸洗工程によって表面が洗浄される。酸洗工程Ｓ３では、焼鈍されたチタン圧延材が、例えば硝酸とフッ酸の混合液である酸洗い液に浸されて、表面に形成された酸化被膜が溶解し洗い流される。酸洗工程Ｓ３を経たチタン圧延材は、冷却工程Ｓ４として水などに浸される。これによって、チタン圧延材の表面に残る酸が洗い流されると共に冷却される。
【００２０】
このような焼鈍工程Ｓ２、酸洗工程Ｓ３、及び冷却工程Ｓ４の一連の工程を必要に応じて複数回繰り返すことによって、チタン圧延材の材料特性が調整される。
材料特性が十分に調整されたチタン圧延材は、最後に焼鈍炉に投入されて大気焼鈍が施される（大気焼鈍工程Ｓ５）。この大気焼鈍工程Ｓ５の主な目的は、チタン圧延材の表面に酸化チタン被膜を形成したチタン元板材１を得ることである。このとき、形成される酸化被膜の膜厚は任意ではない。後に詳しく述べるが、チタン元板材１が屋根瓦２として成形される場合には、チタン元板材１が屋根瓦２として求められる色を発することができる膜厚となるように酸化チタン被膜を形成しなくてはならない。
【００２１】
従って、必要な膜厚の酸化チタン被膜が形成されるように、焼鈍炉の温度、及びチタン圧延材が焼鈍炉を通過するライン速度（つまり、チタン圧延材が焼鈍炉内に存在する時間）が調整される。この後、必要とされる膜厚の酸化チタン被膜が表面に形成されたチタン元板材１は、製品として出荷される。
図３を参照しながら、上述の焼鈍炉の温度やライン速度といった熱処理条件を変更したときの、酸化チタン被膜の膜厚やエリクセン値の変化について説明する。酸化チタン被膜の膜厚の膜厚の変化は、チタン元板材１の色の変化を示し、エリクセン値の変化は、プレス成形時のチタン元板材１の成形性の変化を示す。
【００２２】
図３は、チタン元板材１に関して熱処理条件を変えたときの特徴を示すグラフであって、図３（ａ）は熱処理条件と酸化被膜厚との関係を示すグラフであり、図３（ｂ）は熱処理条件とエリクセン値との関係を示すグラフである。
図３（ａ）は、チタン圧延材の５つのサンプル（サンプルＡ〜サンプルＥ）について、焼鈍炉の温度を変化させて、大気焼鈍工程Ｓ５におけるチタン圧延材の温度を変化させたときの酸化被膜の厚さを示したグラフである。この実験におけるチタン圧延材の加熱時間は４分間である。
【００２３】
図３（ａ）が示すように、チタン圧延材の温度が７５０℃であるとき、酸化被膜の厚さは約６００ｎｍであり、チタン圧延材の温度が上昇すると、酸化被膜の厚さも大きくなる。例えば、チタン圧延材の温度が７７５℃であるとき、酸化被膜の厚さは約７００〜８００ｎｍであり、チタン圧延材の温度が８００℃となると、酸化被膜の厚さは１０００ｎｍを超える。さらに、チタン圧延材の温度が８２５℃となると、酸化被膜の厚さは１５００ｎｍを超える。
【００２４】
上述のとおり、酸化チタン被膜の膜厚に応じてチタン元板材１表面での光の干渉状況が変わって、チタン元板材１の色が変化するので、寺院の屋根瓦２にふさわしい色を呈する酸化チタン被膜の膜厚が選択され、選択された膜厚を実現する焼鈍炉の温度（チタン圧延
材の温度）及び加熱時間が決定される。
図３（ｂ）は、大気焼鈍工程Ｓ５により酸化被膜を形成したチタン元板材１に対して、エリクセン試験を行い、プレス成形性を評価した結果を示している。
【００２５】
エリクセン試験とは、穴径２７ｍｍのダイス穴を有するダイス上に、厚み０．１ｍｍ〜２．０ｍｍの試験片をしわ押さえで拘束した上で、球径２０ｍｍのポンチを用いて試験片をダイス穴に押し込んで加工した際に、試験片のダイス穴側に試験片の割れが生じるまでの押し込み量を評価する試験のことである。
詳しくは、ＪＩＳ Ｚ ２２４７に規定されたエリクセン試験方法では、試験片を拘束する方法が異なるＡ法とＢ法とに分けられる。エリクセン値は、ポンチによる押し込み開始から、押し込まれた試験片の張り出し部においてポンチとは反対側の面に割れが発生するまでの、ポンチの押し込み量（ストローク量）のことである（単位はｍｍ）。
【００２６】
図３（ｂ）が示すように、酸化被膜を持たないチタン圧延材（素材）のサンプルＡ、サンプルＢについては、エリクセン値が１１〜１２ｍｍ程度であるのに対して、酸化被膜が形成されたチタン元板材１の場合エリクセン値が向上する。
例えば、７５０℃で３分間焼鈍されたチタン元板材１のエリクセン値は、サンプルＡ、サンプルＢとも１３〜１４ｍｍ程度であり、素材のサンプルＡ、サンプルＢに比べて１〜２ｍｍも向上していることが判る。７７５℃で３分間焼鈍した場合、８００℃で３分間焼鈍した場合、８２５℃で３分間焼鈍した場合のいずれにおいても、サンプルＡ、サンプルＢとも、素材のサンプルＡ、サンプルＢに比べてエリクセン値が１〜２ｍｍ向上している。
【００２７】
この実験結果によれば、素材として示したチタン圧延材よりも、酸化被膜が形成されたチタン元板材１の方が、プレス加工時に割れや亀裂が生じにくいことがわかる。これは、酸化被膜が、プレス加工時における金型との摩擦を低減するためであり、酸化被膜が、金型との摩擦を低減する潤滑層を形成しているといえる。そのため、本実施形態によるチタン元板材１は、プレス加工時の割れや亀裂の発生といった不具合を抑制しつつ、寺院の意匠にふさわしい様々な形状の屋根瓦２として成形され得る。
【００２８】
次に、図４を参照しつつ、酸化チタン被膜の厚みと色との関係について説明する。
図４は、３種類の熱処理条件で熱処理した際のチタン元板材１の色質指数を示すグラフである。色質指数は、ＣＩＥ（国際照明委員会）で規格化されたＬ＊ａ＊ｂ＊表色系に基づいており、日本では、ＪＩＳ Ｚ ８７２９に規定されている。Ｌ＊は明度指数といい、１００から０までの範囲の値で明るさを示し、明度指数が高くなるほど白、低くなるほど黒に近くなる。ａ＊とｂ＊が色質指数（クロマティクネス指数）とよばれ、-１２０から１２０の値をとる。ａ＊がプラスの場合は赤色を、マイナスの場合は緑色を呈し。一方、ｂ＊がプラスの場合は黄色を、マイナスの場合は青色を呈する。これらａ＊とｂ＊の組み合わせによって色相が示される。
【００２９】
さて、酸化チタン被膜の厚みは、大気焼鈍炉の温度を変えるか、チタン圧延材が焼鈍炉内に滞在する時間を変えることによって制御することができるが、図４に示す例では、大気焼鈍炉の温度を８３０℃の一定とし、ライン速度を変化させることでチタン圧延材が焼鈍炉内に滞在する時間を変えている。
大気焼鈍炉の温度を８３０℃とし、チタン圧延材が焼鈍炉内に滞在する時間を、例えば２．７分間とした場合、酸化被膜、言い換えれば光干渉皮膜は５００〜１０００ｎｍとなり、チタン元板材１は、チタン図４において色Ｃ１で示す分布の色を呈し、緑色と赤色が混在した薄い干渉色となる。
【００３０】
また、大気焼鈍炉の温度を８３０℃とし、チタン圧延材が焼鈍炉内に滞在する時間を、例えば３．４分間とした場合、酸化被膜は８００〜１２００ｎｍとなり、チタン元板材１は、チタン図４において色Ｃ２で示す分布の色を呈し、赤色が減少したほぼ灰色（グレー）となる。
さらに、大気焼鈍炉の温度を８３０℃とし、チタン圧延材が焼鈍炉内に滞在する時間を、例えば４．８分間とした場合、酸化被膜は１０００〜１５００ｎｍとなり、チタン元板材１は、チタン図４において色Ｃ３で示す分布の色を呈し、微かに緑がかったほぼ灰色と
なる。
【００３１】
このように、チタン酸化被膜の厚みを５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の範囲で調整することで、チタン元板材１は、赤みがかった灰色や緑がかった灰色、及び赤と緑が混在した灰色などを呈するものとなり、寺院の意匠にふさわしい色の屋根瓦２として成形され得る。
最後に、図５を参照して、本実施形態によるチタン元板材１の変色の傾向について説明する。
【００３２】
図５は、チタン元板材１の変色促進試験の結果を従来製品との比較で示すグラフである。変色促進試験では、従来製品として、建材（屋根）用ソルト酸洗材である従来品Ｐ１として、建材（屋根）用ソルト酸洗材をアルミナでブラスト加工した従来品Ｐ２として用意し、本実施形態によるチタン元板材１として、８３０℃の大気焼鈍炉に３．４分間滞在したチタン圧延材をサンプルＣとして、８３０℃の大気焼鈍炉に４．８分間滞在したチタン圧延材をサンプルＤとして用意した。
【００３３】
変色促進試験では、従来品Ｐ１、従来品Ｐ２、サンプルＣ、サンプルＤを、６０℃に保ったｐＨ４のＨ２ＳＯ４溶液に数日間浸し、Ｌ＊ａ＊ｂ＊表色系における色差（Color Difference）値ｄＥを、１日毎に７日間にわたって評価したものである。これによって、酸性雨等による耐変色性を評価することができる。
従来品Ｐ１及び従来品Ｐ２は、最初の３日間で大きく変色し、特に従来品Ｐ１は４日目以降も高い割合で色差値ｄＥが変化し続けている。
【００３４】
これに対して、本実施形態によるチタン元板材１であるサンプルＣ及びサンプルＤの色差値ｄＥは、変色促進試験の開始（０日目）から終了（７日目）まで、従来品Ｐ１及び従来品Ｐ２の色差値ｄＥの半分程度の値となっているので、従来製品に比べて変色しにくい性質を有していると言える。
上記の理由としては、サンプルＣ及びサンプルＤに関して、酸化被膜の厚みが増加するにつれて酸化被膜の極微量溶解が抑制され、変色の原因となる酸化物としての再析出が抑制されるためであると考えられる。
【００３５】
従って、本実施形態によるチタン元板材１を用いれば、建築物に適した装飾性を実現すると共に、酸性雨等に対する耐候性が高く変色しにくい屋根瓦２を得ることができる。また、本実施形態によるチタン元板材１は、チタン酸化被膜を形成する大気焼鈍工程Ｓ５を、例えば２〜８分という数分間程度の非常に短い時間で終えることができるので、生産時間の短縮と共に大気焼鈍工程Ｓ５で用いる燃料費の節減などを実現することができ、高い生産性でチタン元板材１を製造することができる。
【００３６】
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
【００３７】
例えば、上述の実施形態において、チタン元板材１が寺院の屋根瓦２として成形される場合を説明したが、チタン酸化被膜の厚みを変えてチタン元板材１の色を調整すれば、寺院に限らない様々な建築物の屋根瓦２として成形することができると共に、雨樋及び化粧板など屋根瓦２以外の建材として成形することもできる。
【符号の説明】
【００３８】
１    チタン元板材
２    屋根瓦
Ｓ１    冷間圧延工程
Ｓ２    焼鈍工程
Ｓ３    酸洗工程
Ｓ４    冷却工程
Ｓ５    大気焼鈍工程
【図１】
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【図２】
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【図３】
2014062440.tif 000005
【図４】
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【図５】
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