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建材用钛的开发与今后展望

 
  文章分类: 企业荣誉 添加时间: 2015-3-8 18:38:30 文章点击数: 3924
 
在日本,1986~1999年用的钛建材总计为2001t,目前的市场规模已成长为200t/a。具体用在建筑物的部位是屋顶63%、外壁31%、纪念碑及其它占6%。建材用钛基本上100%为工业纯钛,数年来采用的理由分别为耐蚀性占60~80%,意匠性占25~60%,钛印象占15~50%(重复计件的结果)。从钛的高耐蚀性看,考虑到维修费用的循环成本(LCC)并不比其它金属高,在苛刻的环境下多用在海滨、火山地带的建筑物上,尤其是作为防止酸性雨对策是有效的。另外,钛比其它金属的热膨胀系数低,轻量,更适合用作建材。
 

  钛还有其它特性,采用的理由多为意匠性、钛印象,而建筑物又较重视艺术性、及环境的调和性等。因此,钛历来均是用在飞机、热交换器等功能材料为开发重点,本文主要叙述了「轧制成形时的袋波控制」及「根据需要的各种表面处理」。
 

2袋波(pocket wave,以下简称"PW")的抑制
 

  一般金属屋顶的接合多采用焊接与组装相结合的工艺,即通过轧制成形将带状板的两边缘弯曲加工成易接合的各种形状(大多为L字型)。但轧制成形中带状板的宽幅中心未成形部(波部)形成了被称为PW的波状凹凸部。这是因为在边缘的弯曲部及其附近,沿宽度方向的拉伸变形产生纵向收缩变形,在波部由于压缩力的作用产生了纵向弹性弯曲的"挠度"的缘故。PW控制是控制来自弯曲部的变形扩展(即使变形局部化),钢板的屈服强度高,即比例极限(σe)高,加工硬化小,也可进一步说,屈服拉伸率越大,其PW越小。
 

  据报告,钛晶粒的微细化,σe增高的过程中出现了屈服现象,对PW的控制是有效的,短时间退火可能的连续退火酸洗有利于获得微细晶粒。分批式真空退火可通过在接着的平整道次轧制适度实施,在0.2%屈服强度时(σ0.2)提高了,PW得到控制。这相当于采用毛面辊实施平整道次的无光精轧法。将带状钛板的边缘预先加工成波浪边,吸收轧制成形的弯曲加工过程中产生纵向收缩的方法也是非常有效的。
 

3表面处理的开发
 

  随着钛建材的需求增加,作为意匠性的表面防刺眼性(不晃眼),即要求表面的光泽较低,有比较柔和的色泽。针对此,钛板的生产商开发了各种表面处理法。为了提高防刺眼性,将钛板的表面加工成微细凹凸状。方法有机械法和化学法,或者将二者相结合。以前开发的方法主要有:精整、压花、无光精轧、酸洗、无光精轧+酸洗的组合、氧化铝喷丸处理以及着色材的研制等。
 

  关于表面特性指标是这样说明的:光泽是用光泽度(Gs45、Gs60等),白色度是用白色度/明度(L*)来评价的。用肉眼看,光泽度越小,光泽越小;L*越大,越呈白色调。
 

3.1无光精轧
 

  采用平整道次的轧制时使用了表面带凹凸的毛面辊将钛表面处理成凹凸状,这是一种机械的方法。这样处理后的表面呈带有若干光泽的凹凸质感。如炮台的富士电视总公司大楼的球体展望室(1996年,14t)、冲绳县立武道馆(1997年,23t)、大阪市港区体育中心(1995年,21t),最近于2002年世界杯赛会场的大分体育场(2001,80t)等均使用了这种表面处理方法。
 

3.2酸洗处理
 

  采用硝氟酸等使钛表面溶削,形成了晶粒单位的微细凹凸的化学方法。呈比较白的色调,如神户市须磨海滨水族园(1987年,12t)、东京国际展示场/东京大广场(1995年,140t)、熊本市综合室内游泳池(1997年,30t)。
 

  本方法就是将钛的表面溶削,溶削量的变化与硝氟酸水溶液的组成与钛晶粒直径的依赖性较大。即硝氟酸浓度低时浸渍过程中的晶粒单位的凹凸较明显;而随着其浓度的升高,表面则较平滑。氟酸与硝酸的浓度比的影响也较大。硝酸浓度越低,表面不光滑,其表面的光泽度也较低。氟酸浓度较高时,钛溶解度在晶粒方位的各向异性,形成了晶粒单位的凹凸,光也呈紊乱反射,但硝酸浓度的增加则控制了各向异性,其表面也较平滑。L*也因酸洗而形成的凹凸增高。硝酸浓度非常低时硝酸水溶液的氧化力低下时均为有色+2或+3价的钛腐蚀生成物时茶色的污物的发生,导致了L*降低。
 

  除硝氟酸水溶液的组成外,决定光泽度的重要因素就是钛的晶粒直径。如上所述,硝氟酸水溶液溶削的表面形成了晶粒单位的凹凸,所以其晶粒直径较小时其凹凸程度较浅的较致密,沿长度方向的较多。结果,晶粒直径越小其光泽度较低。随着晶粒直径的微细化,光泽度对硝氟酸水溶液组成等的酸洗条件反应较迟钝。
 

3.3无光精轧+酸洗处理相结合
 

  采用上述的无光精轧与酸洗相结合的方法处理的表面状态是在白色之中有钛固有色调与质感的凹凸。福岗圆屋顶(1995年,60t)、三重县立看护大学(1997,30t)、 宗教团体阳光子友神殿(1998年,30t)等均是采用这种方法处理的。
  

  无光精轧后形成初期凹凸,再用硝氟酸酸洗溶削掉而形成了新晶粒度单位的凹凸,也决定了相应的光泽度。钛晶粒较粗时晶粒单位的凹凸间距较大,无光精轧与order相吻合,精轧后的光泽度起主导作用。另一方面,晶粒较细时无光精轧的凹凸也受硝氟酸溶削后的致密的晶粒单位的凹凸所支配。即便是短时间内形成了极微细的凹凸,该凹凸较浅,基本上不影响光泽度。在可见光波内区(小于1um级,)散射很充分,因此L*也急剧增加
 

3.4氧化铝粒子喷丸处理
 

  将氧化铝粒子喷丸到钛表面是一种机械方法,这样形成的表面呈锋利的的极微细凹凸。光泽度较低,呈灰色的协调的色调,与日本瓦相似。如一休寺(1992年,1t),东京国立博物馆/平成馆(1997,13t)、九段下的昭和馆外壁(1998年,57t)。
 

3.5着色材
 

  对上述钛表面进行意匠性加工,就是采用阳极氧化法,进行各种膜厚变化的氧化膜厚,通过衍涉着色的方法。青色与金色等是用这种方法可得到是鲜艳的色调。
 

  氧化铝粒喷砂处理后,通过采用阳极氧化法着色为绿色,表面与铜的绿青色相似的表面,在受酸性雨困扰的神社屋顶有所采用,如大德寺/黄梅院(1996年,2t),北野天满宫宝物殿(1998年,4t)等。奈良国立博物馆(1997年,12t),为了使采用金色钢的已经设立的博物馆的色调相吻合,采用了氧化铝粒喷砂后为茶色(金色)的钛。
 

4今后展望
 

  以上较重视建筑物的观赏性,所以开发了袋波的控制方法与各种各样的质感、色调的表面处理方法,并已逐渐工业化。最近,钛建材课题所涉及的课题之一就是变色问题,即一部分施工后的钛金属色逐渐产生了带茶色味的现象。变色的原因除污染外,可能是由于钛表面氧化膜生长的缘故,也可能是因为表面的C、TiC、F等影响的缘故,工业的改进技术、污染及变色消除的技术也正在讨论中。
 

  其它从商品寿命成本看,与其它金属相比决不是高价的,但也不能否认初期投资比例较高这一事实,因此降低成本也是一个课题。如上所述的表面控制,则不是在欧美,而是在日本才有的独创的先进技术,期待不仅仅停留在建材及其它外壁品的意匠性上,期待这种技术能扩大在其它用途上。
 

  在日本以外的国家,如西班牙的GUGGENHEIM美术馆的外壁(1997年,80t)使用了钛,其设计性与意匠性获得了高度评价,以此为转机,纽约的Conde Nasta公司大楼的露天咖啡馆的内装也使用了钛(1999年,5t)。这样就掀起了一股大型建筑物采用钛的热潮,如北京的大剧院、阿布扎比等也正在讨论钛的采用,也可以说给了日本在国外开展上述独创技术的一个机会。
 

  今后,无论是在国内还是在国外,除钛的耐蚀性、意匠性外,从保护地球环境问题的角度来考虑,估计这这方面的用途还会扩大的。

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