(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用時の導電率５５％ＩＡＣＳ以上のアルミニウム合金部材を異種材料又は同種材料と摩擦攪拌接合して必要形状に組み立てることを特徴とする非鉄金属電解析出用陰極の製造方法。
【請求項２】
使用時の導電率５５％ＩＡＣＳ以上のアルミニウム合金部材として析出硬化型アルミニウム合金を使用し、摩擦攪拌接合後に時効処理を施す請求項１記載の非鉄金属電解析出用陰極の製造方法。
【請求項３】
析出硬化型アルミニウム合金部材を摩擦攪拌接合した後、４００〜３００℃の温度域を２０℃／分以上の速度で冷却する請求項２記載の非鉄金属電解析出用陰極の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３記載の何れかの方法で製造した非鉄金属電解析出用陰極。
【請求項５】
６０００系アルミニウム合金製のバーに１０００系アルミニウム合金製のプレート及び６０００系アルミニウム合金製のフックが摩擦攪拌接合されている非鉄金属電解析出用陰極。
【請求項６】
請求項４又は５記載の非鉄金属電解析出用陰極を用いて行う亜鉛電解法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、導電率を低下させることなくアルミニウム合金を接合し，ブスバー，非鉄金属の電解析出用陰極，陽極酸化用治具等の導電用構造体を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
導電用部材アルミニウム材料としては、導電率の高い１０００系アルミニウム合金，強度を必要とする用途では６０００系のアルミニウム合金が使用されている。これらのアルミニウム合金は、一般に溶加材を用いたＴＩＧ溶接，ＭＩＧ溶接等で接合されている。
１０００系のアルミニウム合金溶加材を用いて６０００系アルミニウム合金を相互に、或いは６０００系アルミニウム合金と１０００系アルミニウム合金とを溶接すると溶接割れが発生しやすい。また、ＴＩＧ，ＭＩＧ等の溶融溶接では、微細なブローホールやヒケ巣が接合部に発生することが避けられない。
溶接割れ等の欠陥は、強度を低下させるばかりでなく、腐食環境に曝される用途では割れ部等に電解質が溜まるため割れ部等を起点とする腐食を促進させる原因となる。具体的には、亜鉛等を電解精錬する際に電解浴から発生したミストが割れ部等に溜まると、腐食が著しく加速される。そのため、この種のアルミニウム合金の溶接には、４０４３，５３５６等のアルミニウム合金が溶加材として使用されているが、腐食の進行に応じて更新している現状である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
溶接部は、母材及び溶加材の成分が混合された組成となることから、母材及び溶加材によって影響される性質になる。この点、導電率が要求される用途に適した１０００系，６０００系等のアルミニウム合金を使用しても、ＴＩＧ溶接，ＭＩＧ溶接等の際に導電率の低い４０４３や５３５６等のアルミニウム合金が使用されるため，溶接部の導電率低下が避けられない。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、摩擦攪拌接合によってアルミニウム合金を接合することにより、導電率の低下をきたす溶加材の使用を不要とし、接合後にも良好な導電率，強度，耐食性を維持することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の非鉄金属電解析出用陰極の製造方法は、その目的を達成するため、使用時の導電率５５％ＩＡＣＳ以上のアルミニウム合金部材を異種材料又は同種材料と摩擦攪拌接合して必要形状に組み立てることを特徴とする。
アルミニウム合金部材としては、強度が要求されない部位には１０００系のアルミニウム合金、強度が要求される部位には析出硬化型アルミニウム合金が使用される。析出硬化型アルミニウム合金を摩擦攪拌接合する場合、摩擦攪拌接合後の時効処理で強度を付与することが好ましい。また、摩擦攪拌接合後の降温過程で、４００〜３００℃の温度域を２０℃／分以上の速度で冷却することが好ましい。
たとえば、本発明の非鉄金属電解析出用陰極は、６０００系アルミニウム合金製のバーに１０００系アルミニウム合金製のプレート及び６０００系アルミニウム合金製のフックを摩擦攪拌接合することにより組み立てられる。
【０００５】
【作用】
摩擦攪拌接合では、図１に示すように被接合部材Ｍの突合せ面に回転ツール１のピン２を挿入し、回転ツール１を回転させながら突合せ線に沿って移動させ，回転ツール１近傍のメタルを塑性流動させることにより被接合部材Ｍを接合している。なお，被接合部材Ｍの接合に十分な量のメタルを確保するため，回転ツール１のショルダ３を被接合部材Ｍに若干押し込んでいる。
摩擦攪拌接合で形成された接合部は、異材の混入がなく被接合部材Ｍのメタルが混合したものであるため、接合前の被接合部材Ｍとほぼ同じ性質を呈する。また、原理的には固相拡散接合であることから，ブローホール，ヒケ巣等の欠陥が接合部に発生しない。したがって、ＴＩＧ溶接，ＭＩＧ溶接等の溶融溶接と異なり，接合部の導電率が低下することはない。本発明は、この長所を活用し摩擦攪拌接合で導電用構造体を製造している。
【０００６】
被接合部材Ｍとしては、電流効率の確保及びジュール熱による発熱防止のため調質後に導電率５５％ＩＡＣＳ以上の材料である１０００系アルミニウム合金，６０６３合金，６１０１合金等が使用される。１０００系合金は、強度がそれほど要求されない非鉄金属電解析出用陰極のプレート，ブスバー等に使用される。６０６３合金，６１０１合金等のアルミニウム合金は、Ｍｇ2Ｓｉ，ＣｕＡｌ2等の析出によって強化された材料であり、非鉄金属の電解析出用陰極のバー及びフック，非鉄金属陽極酸化用治具等の部材として使用される。
【０００７】
硫酸酸性溶液中の金属イオンを不溶性陽極を用いて陰極に析出させる電解採取では、析出用の陰極としてアルミニウムが通常使用されている。たとえば亜鉛の電解採取では、焙焼鉱を硫酸で浸出して得た浸出液を、亜鉛電解に適するように浄化及び液調整し、得られた含亜鉛硫酸性電解液を電解槽に導き、アルミニウム陰極板と含銀鉛陽極板（不溶性陽極）との間で電解し、陰極板表面に亜鉛を析出させている。陰極板上に２〜３ｍｍ程度の厚さに亜鉛が析出した段階で電解槽から陰極板を引き上げ、板状の亜鉛板を陰極板から機械的に剥離して亜鉛を採取する。亜鉛が剥離された陰極板は、再び電解槽に戻される。この方法に本発明の非鉄金属電解析出用陰極を使用すると、導電率が高いために亜鉛電解析出時の電気効率がよく、接合部の耐食性がよいので治具の寿命が長く、治具のメンテナンスに伴う作業ロスが低減する。
【０００８】
摩擦攪拌接合時に被接合部材Ｍが昇温し、被接合部材Ｍに含まれている合金成分がＡｌマトリックスに固溶することがある。被接合部材Ｍは、合金成分の固溶によって導電率が一般的に低下する。低下した導電率は、合金成分を析出させる時効処理を摩擦攪拌接合後に施すことにより回復する。
析出硬化型アルミニウム合金の場合、時効処理を施した部材を摩擦攪拌接合した後、更に時効処理を施すと過時効となり、部材強度が低下することがある。そこで、時効処理前の部材を摩擦攪拌接合し、次いで時効処理を施すことにより、導電率及び強度の双方を満足する部材が得られる。
【０００９】
析出硬化型のアルミニウム合金を摩擦攪拌接合後の降温過程で徐冷すると、強度向上に有効でない析出物として合金成分が析出し、強度低下を引き起こす。このような場合、摩擦攪拌接合された析出硬化型アルミニウム合金を摩擦攪拌接合後に急冷することにより合金成分の析出を抑制する。なかでも、４００〜３００℃の温度域を２０℃／分以上の冷却速度で冷却することが好ましい。２０℃／分未満の冷却速度では、冷却過程で粗大な析出物が生じやすく、その後の時効処理によっても強度を向上させることができない。
【００１０】
合金成分の析出を抑制した条件下で冷却された溶接構造体は、強度向上に有効なＭｇ2Ｓｉ，ＣｕＡｌ2等の供給源となる合金成分を固溶状態で含んでいる。そのため、この溶接構造体を時効処理してＭｇ2Ｓｉ，ＣｕＡｌ2等を析出させることにより必要強度が付与される。また、固溶している合金成分が時効処理によって析出するため，導電率も向上する。
具体的には、溶接構造体を１８０〜２２０℃に１．５〜１０時間加熱することにより強度及び導電率が向上する。温度・時間ともに下限値を下回ると析出が不十分になり、強度及び導電率が低下する。１８０℃以下の加熱温度では、長時間時効によって強度及び導電率を満足することもあるが、コスト高になる。逆に２２０℃を超える加熱温度や１０時間を超える長時間加熱では、過時効となって却って強度が低下する。
【００１１】
摩擦攪拌接合で組み立てられる溶接構造体としては、たとえば非鉄金属電解析出用陰極がある。非鉄金属電解析出用陰極は，図２に示すように電解液に浸漬される陰極プレート４をヘッドバー５に固着し、ヘッドバー５にフック６を取り付けている。ヘッドバー５及びフック６は陰極プレート４を電解槽中に吊り下げることから強度が要求されるが、陰極プレート４にはそれほど強度が要求されない。
そこで、９９．０質量％以上のＡｌを含む１０００系アルミニウム合金を陰極プレート４に使用し、Ａｌ含有量が９７．５０質量％以上で６０６３，６０１０等の６０００系アルミニウム合金をヘッドバー５及びフック６に使用し、ヘッドバー５に陰極プレート４及びフック６を摩擦攪拌接合する。摩擦攪拌接合で形成された接合部は、１０００系及び６０００系のメタルが混じり合った組成をもつことから良好な導電性が維持され、腐食促進物が入り込むブローホール，ヒケ巣等の隙間が溶接部に形成されることもない。
【００１２】
【実施例１】
溶体化処理後で時効処理前の板厚１５ｍｍのＪＩＳ  Ａ６０６３アルミニウム合金板材をＴＩＧ溶接，ＭＩＧ溶接及び摩擦攪拌接合し、溶接法の相違による影響を調査した。
ＴＩＧ溶接では、突合せ部の表裏両面に９０度のＶ開先を形成し、２００Ａ−１９Ｖ，１８０Ａ−１８Ｖ，１６０Ａ−１８Ｖの条件で表裏両面それぞれ３パスで溶接した。このときの溶接速度は、３００ｍｍ／分に設定した。
ＭＩＧ溶接では、突合せ部の表裏両面に７０度のＶ開先を形成し、２２０Ａ−２０Ｖ，２２０Ａ−２０Ｖの条件で表裏両面２パスで溶接した。このときの溶接速度は、５００ｍｍ／分に設定した。
摩擦攪拌接合では、ショルダ径２０ｍｍ，ピン径８ｍｍ，ピン長さ７ｍｍの回転ツールを１２００ｒｐｍで回転させ、５００ｍｍ／分の速度でアルミニウム合金板材を接合した。
何れの方法で接合されたアルミニウム合金板材も、１９０℃に３時間加熱保持する時効処理を施した。
【００１３】
各板材から試験片を切り出し、接合部の強度，導電率及び耐食性を調査した。導電率は、渦電流式導電率計を用いて測定した。耐食性は、５０℃の２００ｇ／ｌ硫酸水溶液に試験片を７日間浸漬したときの腐食減量から評価した。
表１の調査結果にみられるように、ＴＩＧ溶接で形成した接合部は、強度，導電率，耐食性の何れにもに劣っていた。１０７０アルミニウム合金を溶加材に使用したＭＩＧ溶接では、母材とほぼ同じ導電率の接合部が形成されたものの、強度及び耐食性に劣っていた。また、５３５６，４０４３等のアルミニウム合金を溶加材に使用したＭＩＧ溶接では、導電率の低下が大きく、強度及び耐食性にも劣っていた。これに対し、摩擦攪拌接合で形成した接合部は、強度，導電率，耐食性の何れにも優れていた。これは、接合部に溶接割れ，ブローホール，ヒケ巣等の欠陥がないことによるものと考えられる。
【００１４】
0003720240.tif 000002
【００１５】
【実施例２】
被接合部材Ｍとして、６１０１アルミニウム合金押出板材（厚み１５ｍｍ，板幅７０ｍｍ，長さ５００ｍｍ）を使用した。この被接合部材Ｍは、押出後にダイス端焼入れした未時効処理材である。
２枚の押出板材の幅方向端面を突き合わせ、接合面を摩擦攪拌接合した。摩擦攪拌接合条件としては、径８ｍｍ，長さ７ｍｍのピン２を備えたショルダ径２０ｍｍの回転ツール１を使用し、回転速度１２００ｒｐｍ，移動速度５００ｍｍ／分で回転ツール１を接合線に沿って移動させた。摩擦攪拌接合中に接合部の温度を測定したところ、最高到達温度５３０℃まで昇温していた。
【００１６】
摩擦攪拌接合後、接合部を４００〜２００℃の温度域で冷却速度３０℃／分となるように冷却した。冷却後に接合部の強度及び導電率を測定した結果、強度が１７５Ｎ／ｍｍ2，導電率が５３％ＩＡＣＳと何れも低い値を示した。また、接合されたままの接合部の金属組織を観察したところ、母材部に比較して析出物が明らかに減少していた。
そこで、摩擦攪拌接合された押出板材に１８０℃の時効処理を施し、強度及び導電率を回復させた。強度及び導電率は、図３にみられるように時効処理時間に応じて上昇し、４時間程度の時効処理によってほぼ母材部と変わらない値となった。しかし、８時間を超える長時間時効では、導電率は上昇するものの、過時効に起因して強度低下の傾向がみられた。
【実施例３】
６１０１合金製のフック６及びバー５と１０７０合金製の陰極プレート４をそれぞれ摩擦攪拌接合及びＭＩＧ溶接し、図２に示す形状に組み立てた陰極を２種類用意した。
２種類の陰極プレートを亜鉛濃度５５ｇ／ｌ，硫酸濃度１８５ｇ／ｌ，浴温４２℃の処理液に浸漬し、６００Ａ／ｍ2で２４時間通電して陰極プレート上に亜鉛を電解析出させた。
各陰極を使用したときの槽電圧，亜鉛析出量，単位電力量（１トンの亜鉛を析出させるのに必要な電力量）を表２に示す。表２から明らかなように、摩擦攪拌接合で組み立てた陰極を使用した場合には、ＭＩＧ溶接で組み立てた陰極に比較して単位電力量を１ＫＷＨ／トン削減できた。
【００１７】
0003720240.tif 000003
【００１８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明は、接合部に異材が混入しない摩擦攪拌接合の長所を活用し、導電率の低下を来すことなく導電用アルミニウム合金部材を接合している。また、ＴＩＧ溶接，ＭＩＧ溶接にみられるような溶接割れ，ブローホール，ヒケ巣等の欠陥がない接合部が形成されるため、強度及び耐食性にも優れた溶接構造体が得られ、良好な導電率が要求されるブスバー，非鉄金属電解析出用陰極，非鉄金属陽極酸化用治具等として使用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  摩擦攪拌接合法の説明図
【図２】  本発明が提供される非鉄金属電解析出用陰極
【図３】  摩擦攪拌接合で形成した接合部の強度及び導電率が時効処理により回復されることを表したグラフ
【符号の説明】
１：回転ツール    ２：ピン    ３：ショルダ    ４：陰極プレート    ５：ヘッドバー    ６：フック    Ｍ：被接合部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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