「チタンの色は、その上に形成された酸化物層を介して反射された光の干渉から生じます」.
チタンは、金に次いで世界で最も愛されている金属です。手術や宇宙船などの重要なものから、ジュエリーやキーチェーンの美的目的まで、さまざまな用途で使用されています。
チタンは多くの用途に使用されています (写真提供:Sergey Ryzhov/Shutterstock)
この多用途でありながら難解な金属は、最も美しく酸化する金属の 1 つであり、他の追随を許さない魅力的な色と仕上げをもたらします。では、灰色で気取らない金属に見栄えを与えるものは何でしょうか?
チタン – 金属、神話、伝説?
チタンは、密度が低く耐食性が高いにもかかわらず、信じられないほどの強度を含む優れた機械的特性で知られています。貴金属または希土類金属とは見なされませんが、鉱石からチタンを抽出するプロセスは非常に資源集約的であるため、非常に高価です。
それ以外の場合は鈍い灰色の金属ですが、チタンは見事に酸化します (写真提供者:Usacheva Ekaterina/Shutterstock)
その機械的特性により、製造や機械加工などのプロセスに関して作業が非常に難しくなり、完成品のコストがさらに高くなります。チタンを抽出するプロセスは何年もの間あまり変わっていないため、この豊富な金属の使用に対する参入障壁は非常に高く保たれています.
酸化チタン – 色の原因
鉄の前例がどうでもいいとすれば、金属は酸素とはまったく相性がよくありません。ただし、これはチタンには当てはまりません。チタンは熱と電流の両方によって酸化し、実質的に浸透不可能なバリアを形成します。この障壁は、機械的な剛性や視覚的なトリックなど、多くの顕著な特性を示します。
温度または電圧が上昇すると、酸化物層の厚さが増加します。さびとは異なり、酸化チタンは頑固であり、その下にある新しいチタン層を露出させるために、機械的な手段で除去する必要があります.
色の知覚 – 薄膜干渉
透明な酸化層の厚さは、色の知覚に影響を与えます (写真提供:Varvara Nekrasova/Shutterstock)
チタンに見られる酸化による着色は、化学組成の変化や顔料の添加によるものではありません。実際、これは人間の目の酸化層が奏でるトリックです。
酸化物層は薄くて透明なので、その上と下の両方から光が反射します。反射した光線が干渉し、特定の波長の光がカットされ、他の波長が強調されて鮮やかな色が生成されます。この現象は、薄膜干渉としても知られています。
気泡や油膜に虹色の効果が見られるのも、薄膜の干渉によるものです (写真提供:AjayTvm/Shutterstock)
熱または電圧の増加に伴い、酸化層はより厚く安定します。これにより屈折率が変化し、不連続な色合いと連続的な色合いの両方が得られます。機械的に取り除かない限り、熱や電圧を取り除いた後でも、チタンの着色は永続的です。
チタンの酸化 – 熱
従来、チタンは熱によって酸化されてきました。金属内の熱の流れは物理的に制御できないため、熱酸化は、希望する最終的な仕上げを達成するための非常に困難なプロセスになる可能性があります。均一な加熱のための特殊な装置とは別に、不要な領域から酸化物層を除去するために後処理が必要です。
このような処理には、選択的なサンドブラストや研磨などの機械的研磨などのプロセスが使用されます。
酸化物層の厚さは、温度の上昇とともに増加します。このため、さまざまな色の酸化チタンがさまざまな温度範囲に関連付けられています。
温度 ( °C) | 酸化層の色 |
385 | ペールゴールドストロー |
412 | 紫 |
440 | ディープブルー |
565 | 赤紫 |
648 | ブラウングレー |
925 | グリーン ブルー |
チタン製ワークピースの熱処理により、光沢のある仕上がりになります。
酸化チタン – 電圧
チタン上の酸化物層は、導電性媒体(電解質)に浸して電流を流すことによっても実現できます。これは、陽極酸化としても知られています。チタン製のワークピースはバッテリーのプラス端子に接続され、マイナス端子はアルミニウム、銅、ステンレス鋼などの他の金属に接続できます。
チタンの陽極酸化により制御が強化されるため、カスタマイズの幅が広がります (写真提供:Evannovostro/Shutterstock)
酸化膜の厚さは、与えられた電圧に対して一定のままです。したがって、さまざまな電圧がさまざまな色に対応します。ただし、厚さは電解質の性質を変えることで操作できます。
酸性および中性の電解質は、通常数ナノメートルの範囲の薄い酸化物層を生成することが知られています。ただし、強アルカリ性媒体は、数ミクロンの厚さのコーティングを生成することが知られています.
印加電圧 (V) | 酸化層の色 |
6 | ライトブラウン |
10 | ゴールデンブラウン |
20 | ダークブルー |
30 | ペールブルー |
40 | オリーブグリーン |
70 | 薄紫 |
100 | 鈍い緑 |
着色酸化チタンを調製する手段として電気を使用すると、熱を使用するよりもいくつかの利点があります。電気の流れを制御しながら、選択的な浸漬とマスキングにより、ワークピースの必要な領域のみを着色できます。
チタンの陽極酸化は、熱酸化よりも実現可能なソリューションです。これは、特定の色を生成するために必要な電圧は、同等の正確な量の熱を供給するよりも達成しやすいためです.
アプリケーション
「着色チタン」は、審美的、医療的、工業的、自動車用など、さまざまな用途に使用されています。宝飾品、医療器具、インプラント、スポーツカーの排気管、放熱モジュールに使用されています。
着色を示す金属はチタンだけではありません。ニオブ、タンタル、および炭素やステンレス鋼などのいくつかの鋼合金も、損傷下で着色を示します。ただし、チタンには酸化に値する独自の利点があります。これらには、生体適合性、高い耐腐食性、酸化物層の長期安定性などがあります。
チタンはヒートサイクルを繰り返すことで美しく発色します。また、通常の排気ガスよりもはるかに軽量です (写真提供:Fed Photography/Shutterstock)
チタンとその酸化物も軽量であるため、ステンレス鋼などの競合合金よりも大幅な性能上の利点があります。チタンとその酸化物を使用することの唯一の欠点は、入手に非常に費用がかかることです。