(57)【要約】  アルミニウム陽極合金は、アルミニウム基部と有効量のスズおよびインジウムとから本質的になる。アルミニウム合金は、犠牲金属コーティング、防食用アルミニウム陽極、およびポリマーコーティングにおける顔料として有用である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．０１重量％〜０．２０重量％のスズと０．００５重量％〜０．０５重量％のインジウムと残部アルミニウムとから本質的になるアルミニウム基合金。
【請求項２】
前記アルミニウム基部は、少なくとも約９９重量％である、請求項１に記載のアルミニウム合金。
【請求項３】
前記アルミニウム基部は、少なくとも約９９．９％の純度である、請求項１に記載のアルミニウム合金。
【請求項４】
約０．０２重量％のインジウムと約０．０２重量％のスズと残部アルミニウムとのアルミニウム基部から本質的になる金属犠牲コーティング。
【請求項５】
前記アルミニウムは、少なくとも９９．９％の純度である、請求項４に記載の犠牲コーティング。
【請求項６】
約０．０５重量％のスズと約０．０２重量％のインジウムと残部アルミニウムとを含むアルミニウム基部から本質的になるポリマーコーティング用顔料。
【請求項７】
前記アルミニウム基部は、少なくとも９９．９％の純度である、請求項６に記載の顔料。
【請求項８】
主要量のポリマーコーティング、および０．０１重量％〜０．２０重量％のスズと０．００５重量％〜０．０５重量％のインジウムと残部アルミニウムとからなる有効量のアルミニウム合金から本質的になる耐食性コーティング。
【請求項９】
前記ポリマーコーティングは、エポキシポリマーから本質的になる、請求項８に記載のコーティング。
【請求項１０】
前記ポリマーコーティングは、ポリウレタンから本質的になる、請求項８に記載のコーティング。
【請求項１１】
主要量のバインダー、および０．０１重量％〜０．２０重量％のスズと０．００５重量％〜０．０５重量％のインジウムと残部アルミニウムとから本質的になる有効量のアルミニウム合金からなる耐食性コーティング。
【請求項１２】
前記アルミニウムは、少なくとも９９．９％の純度である、請求項９に記載の耐食性コーティング。
【請求項１３】
約０．０５重量％のスズと約０．０２重量％のインジウムと残部アルミニウムとを含むアルミニウム基部から本質的になるポリマーコーティング。
【請求項１４】
前記アルミニウムは、少なくとも９９．９％の純度である、請求項１３に記載のコーティング。
【請求項１５】
前記アルミニウムは、９９．９９％の純度である、請求項１３に記載のコーティング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の起源）
本明細書に記載された発明は、米国政府の職員によってなされたものであり、政府によってまたは政府のために政府の目的のために、それに対してまたはそのために一切の使用料を支払うことなく製造および使用することができる。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、アルミニウム合金および防食用陽極としての使用に関する。アルミニウム合金は、犠牲金属コーティングとしても、バインダーまたは防食用ポリマーコーティングにおける流電顔料（galvanic  pigment）としても使用することができる。
【背景技術】
【０００３】
アルミニウム陽極合金は、最初は１９６０年代および１９７０年代に研究開発された。この期間の間に、アルミニウムを活性化し（酸化アルミニウムの形成を抑止し）、純粋な亜鉛の作動電位または作動電圧に整合するように作動電位または作動電圧を調整することとなるアルミニウムに対する様々な添加元素を詳述する多数の特許および論文が公開された。
アルミニウム陽極、亜鉛陽極およびマグネシウム陽極の典型的な作動電位を図１に示す。
【０００４】
活性化アルミニウム合金の開発は１９６０年代に始まり、知的財産はＤｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ社により特許文献１および特許文献２において、Ａｌｕｍｉｎｕｍ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ  Ｌｉｍｉｔｅｄ社により特許文献３において、ならびにＯｌｉｎ  Ｍａｔｈｅｓｉｎ社により特許文献４において文書化されている。これらの合金は全て、初めてバルクのアルミニウム合金が活性を維持して電気防食することが示されたという点で独特なものであった。残念ながら、これらの合金はいずれも低い効率であり、亜鉛陽極よりも経済的ではなかったため、商業的に成功したものはなかった。１９７０年代の間に、Ｄｏｗ社は、理論値の９０％に迫る非常に高い効率を有するＤｕｒａｌｕｍ  ＩＩＩと呼ばれるアルミニウム−亜鉛−インジウム合金を開発した。この合金は１９８８年に図２に示される性能で商業的に入手可能となった。Ａｌ−５％Ｚｎ−０．０２％ＩｎおよびＡｌ−Ｇａの「低電圧」陽極合金が商業化されて以来、改善されたアルミニウム陽極の開発にはほとんど進展はなかった。
【０００５】
Ａｌ−Ｚｎ−ＩｎおよびＡｌ−Ｇａの陽極合金が世界中で使用されていることに基づいて、本新技術も同様に使用される可能性を秘めている。ＭＩＬ−ＤＴＬ−２４７７９に明記されるアルミニウム陽極は、現在、資格認定企業のＧａｌｖｏｔｅｃ  Ａｌｌｏｙｓ，Ｉｎｃ．社（テキサス州、マッカレン）およびＢＡＣ  Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ社（デンマーク、ヘルフォーグ）によって供給されている。その他の商業的供給業者としては、Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｍｅｔａｌ／Ｃａｌｄｗｅｌｌ  Ｃａｓｔｉｎｇｓ社（メリーランド州、ケンブリッジ）、Ｃａｎａｄａ  Ｍｅｔａｌ（Ｐａｃｉｆｉｃ）Ｌｔｄ．社（カナダ、ブリティッシュコロンビア州、デルタ）およびＨａｒｂｏｒ  Ｉｓｌａｎｄ  Ｓｕｐｐｌｙ社（ワシントン州、シアトル）が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第３，３７９，６３６号明細書
【特許文献２】米国特許第３，２８１，２３９号明細書
【特許文献３】米国特許第３，３９３，１３８号明細書
【特許文献４】米国特許第３，２４０，６８８号明細書
【０００７】
（発明の概要）
本発明は、より高い作動電位（より正電位）を有する材料と対となり、防食用陽極として機能するように設計された新規のアルミニウム合金の組成物に関する。この合金は、バルクで使用することができ、様々な方法により犠牲金属コーティングとして塗布することができ、または粉末にして防食用コーティング中の流電顔料、例えばバインダーもしくはポリマーコーティング中の顔料として使用することができる。この合金の大部分はアルミニウムであり、非常に少ない添加量のスズ（０．２重量％以下）およびインジウム（０．０５重量％以下）を添加することで、合金の作動電位、活性および効率が調節される。
【０００８】
本発明の新規特徴は、作動電位および効率を制御するのに重要な非常に少ない添加量のスズである。先行技術は、スズを含むが、開示される組成物よりも多量に含むアルミニウム陽極合金が示されている。さらに、よりスズが多い合金の効率は低いため、実際の利用には魅力的ではない。作動電位を安定化させ、合金の効率を高めるためにインジウムが添加され、その効率はスズだけしか使用されない場合にはより低くなる。
【０００９】
本明細書に記載された合金組成物は、可能な限りコスト的に実用的な合金とするための高い作動効率と、所与の陽極の重量に対して高く長続きする性能（エネルギー密度）を可能にする高い電流出力と、用途に応じて変化する最適化された作動電位とを有するように設計されている。重要な更なる利点は、本発明の合金が亜鉛を含まないことである。最も使用される商業的なアルミニウム陽極合金は、アルミニウム−５％亜鉛−０．０２％インジウムである。この合金は、ＭＩＬ−ＤＴＬ−２４７７９に明記されており、数ある用途の中でも、鉄、鋼およびアルミニウムを含む様々な材料の橋脚、船舶、オフショアリグおよび橋梁を防食するために世界中の気候で非常に有効であることが実証されている。その効率は約９０％であり、効率が約９８％である純粋な亜鉛よりも低いが、効率が約６０％であるマグネシウムよりははるかに高い。
【００１０】
残念ながら、亜鉛は水生生物毒素であり、採掘過程に由来する残留カドミウムを含有している。そのため、多くの利用者は、同様の優れた効率、電流出力およびエネルギー密度を有する亜鉛不含の代替物を求めている。本発明の合金は、上記のように使用するためのアルミニウム−亜鉛−インジウム合金に置き換わる可能性を有する。さらに、亜鉛はアルミニウムより高価でもある。現在の亜鉛の現物価格は、１キログラム当たり１．７７ドルのアルミニウムに対して１キログラム当たり２．４０ドルである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】アルミニウム陽極、亜鉛陽極およびマグネシウム陽極の典型的な作動電位を示す図である。アルミニウム−亜鉛−インジウム合金は、亜鉛の作動電位に整合するように作られたため、既に設計された陰極防食方式を使用することができ、アルミニウム陽極は、その系にオーバーポテンシャルまたはアンダーポテンシャルを引き起こすことなく亜鉛の代わりに使用することができた。この電位、すなわち基準カロメル電極（ＳＣＥ）に対して約−１．１０ボルトは、偶然にもほとんどの種類の鋼およびアルミニウムを防食するための「スイートスポット」にある。約１６００００ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）以上の引張強度および３６以上のロックウェル「Ｃ」硬度を有する、いわゆる「高強度鋼」合金は水素脆化の影響を非常に受けやすく、現在では、ＳＣＥに対して約−０．８５０ボルトの作動電位を有する代替アルミニウム−ガリウム合金を使用せねばならない。この合金は、ＭＩＬ−ＤＴＬ−２４７７９に明記されている。
【図２】７５℃および２００ｍＡ／ｆｔ２での１５％のＮａＣｌ溶液における流電陽極性能を示す図である（Ｓｍｉｔｈ，Ｓ．Ｎ．、Ｒｅｄｉｎｇ，Ｊ．Ｔ．およびＲｉｌｅｙ，Ｒ．Ｌ、「デヴェロップメント・オブ・ア・ブロード・アプリケーション・セイリン・ウォーター・アルミナム・アノード  −“ガルヴァニック  ＩＩＩ”（Development  of  a  Broad  Application  Saline  Water  Aluminum  Anode  -“Galvanic  III”）」，Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，第１７巻，１９７８年，第３２頁〜第３６頁）。
【図３】Ａｌ−Ｚｎ−Ｉｎ電流制御合金と比較した２種の新しいＡｌ−Ｓｎ−Ｉｎ合金についての開回路電位を示す図である。
【図４】現在のＡｌ−Ｚｎ−Ｉｎ合金と比較した同じ２種の新しいＡｌ−Ｓｎ−Ｉｎ合金についての陽極分極曲線を示す図である。
【図５】表１に示される合金効率を測定するための実験構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の重要な態様は、以下の組成範囲：
スズ：０．０１重量％〜０．２０重量％
インジウム：０．００５重量％〜０．０５重量％
アルミニウム：残部
不純物：ＭＩＬ−Ａ−２４７７９による
を有するアルミニウム陽極合金である。
【００１３】
様々なスズおよびインジウムの組成を有する合金は、Ｓｏｐｈｉｓｔｉｃａｔｅｄ  Ａｌｌｏｙｓ社（ペンシルベニア州、バトラー）およびＡＣＩ  Ａｌｌｏｙｓ，Ｉｎｃ．社（カリフォルニア州、サンノゼ）から調達した。組成物を真空アーク炉内で溶融し、他の熱処理をせずにセラミック坩堝中に鋳造した。次いで、インゴットを０．５インチ厚の複数の「パック」へと切断し、電気化学的評価のために研削および研磨した。別個に１．０インチの立方体も効率試験のために機械加工した。本発明の陽極は、９９．９重量％のアルミニウムから本質的になり、好ましくは約０．０１重量％〜０．２０重量％の範囲のスズおよび０．００５重量％〜０．０５重量％の範囲のインジウムを含む９９．９９重量％の高純度アルミニウムから本質的になる。
【００１４】
以下の重量パーセントの合金：
１．Ａｌ−０．２０％Ｓｎ−０．０２％Ｉｎ
２．Ａｌ−０．１０％Ｓｎ−０．０２％Ｉｎ
３．Ａｌ−０．０５％Ｓｎ−０．０２％Ｉｎ（コーティング用顔料用途の現在の主要な組成物）
４．Ａｌ−０．０４％Ｓｎ−０．０４％Ｉｎ
５．Ａｌ−０．０２％Ｓｎ−０．０２％Ｉｎ（バルク陽極および金属犠牲コーティング用途の現在の主要な組成物）
６．Ａｌ−０．０２％Ｓｎ
７．Ａｌ−５．０％Ｚｎ−０．０２％Ｉｎ（コントロール）
を、作動電位、効率および電流出力について評価した。
【００１５】
開回路電位は、Ｇａｍｒｙ  ６００ポテンシオスタットおよび平板試料の試験セルを用いて評価した。試験溶液は、連続式エアーバブラーで撹拌された３．５％の塩化ナトリウムであった。効率および電流出力は、ＭＩＬ−ＤＴＬ−２４７７９で要求されているＮＡＣＥ  Ｍｅｔｈｏｄ  ＴＭ０１９０を使用して評価した。効率、電流容量、作動電位および他の重要なパラメーターは、新しい合金および参照について表１に示されている。
Ａｌ−Ｚｎ−Ｉｎ電流制御合金と比較した２種の新しいＡｌ−Ｓｎ−Ｉｎ合金についての開回路電位を図３に示す。
現在のＡｌ−Ｚｎ−Ｉｎ合金と比較した同じ２種の新しいＡｌ−Ｓｎ−Ｉｎ合金についての陽極分極曲線を図４に示す。
表１に示される合金効率を測定するための実験構成を図５に示す。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
開示されるアルミニウム合金は、既存の技術に対して幾つかの利点を有する。亜鉛を排除することで、現在使用されているＡｌ−Ｚｎ−Ｉｎ−Ｉｎ合金における水生生物毒性および残留カドミウムの問題が解決される。亜鉛は戦略的金属とも考えられ、亜鉛をアルミニウムと置き換えることで、外国からの金属供給への依存度が低下する。活性化元素の最小限の使用：亜鉛、インジウムおよびスズは全てアルミニウムよりも高価であるため、使用量が少ないほど陽極のコストが低くなる。好ましい合金の場合に、活性化物質は０．０４重量％しか使用されず、陽極１キログラム当たり０．０８ドルしか寄与しない。置き換わるアルミニウム（２．７０ｇｍ／ｃｃ）よりも大幅に密度が大きい（７．１４ｇｍ／ｃｃ）亜鉛が排除されるため、好ましい合金の重量密度は、２．７０１グラム／立方センチメートル（ｇｍ／ｃｃ）であり、Ａｌ−Ｚｎ−Ｉｎ合金についての２．９２３ｇｍ／ｃｃと比べてより低い。これは言い換えると、同じサイズ（体積）の陽極の場合に７％の重量削減となり、それは陽極のコストの大部分が構成元素の相場により決まるためかなり大きい。また、密度（および重量）が低いほど、輸送コストおよび取り扱いコストが低くなるとともに、陽極が取り付けられている構造物に対する応力も低くなるはずである。
【００１８】
表１に示すように電流容量が高いほど、主要なＡｌ−０．０２％Ｓｎ−０．０２％Ｉｎ合金は、市販のＡｌ−Ｚｎ−Ｉｎ合金、亜鉛およびマグネシウムと比較して優れた電流容量を有する。これは、その効率が高いこと、密度がより低いこと、ならびに亜鉛およびマグネシウムの原子当たりの電子が２つであるのに対してＡｌの原子当たりの電子が３つであることに起因する。様々な陽極で使用される元素の高い電流容量および現在の商品原価により、アンペア時当たりのコストが低いほど、主題発明は優れたアンペア時当たりのコストを有し、それは利用者および供給業者にとって重要な要素である。表２は、元素についての現物価格を示す。表３は、各合金の１キログラム当たりのコストおよび各々についてのアンペア時当たりのコストを示す。
【００１９】
【表２】
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【００２０】
【表３】
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【００２１】
バインダーまたはコーティング組成物において本発明のアルミニウム合金顔料を使用することにより、一方の金属の耐食性をその他の金属成分の腐食を増加させずに改善させつつ、種々の金属の基材上に防食性アルミニウム顔料を塗布することが可能となる。この方法は、有効量の本発明のアルミニウム合金を含む金属上にバインダーまたはコーティングを使用することを含む。コーティングには、単純なバインダー等の有機系または塗料および様々な他の既知の無機金属コーティングもしくは有機金属コーティングを含む有機コーティングが含まれ得る。
【００２２】
例えば、バインダーまたはポリマーコーティングは、組成物全体の約５０重量％から約９０重量％までの範囲内、またはそれどころか約９９重量％もしくは９９重量部までの範囲内であってよく、アルミニウム合金顔料は、該バインダーまたは該コーティングの約０．１重量％から約３０重量％までの範囲内であってよい。コーティングには、塗料、潤滑剤、油、グリース等の無機バインダー、ポリマーバインダーまたは有機バインダーが含まれる。
【００２３】
適切なバインダーには、例えば脂肪族ポリイソシアネートプレポリマー、例えば１，６−ヘキサメチレンジイソシアネートホモポリマー（「ＨＭＤＩ」）三量体および芳香族ポリイソシアネートプレポリマー、例えば４，４’−メチレンジフェニルイソシアネート（「ＭＤＩ」）プレポリマーを含むポリイソシアネートポリマーまたはプレポリマーが含まれる。アルミニウム合金顔料のために好ましいバインダーは、ポリウレタン、より具体的にはポリオールと多官能性脂肪族イソシアネートとの反応およびウレタンの前駆体の反応から得られる脂肪族ポリウレタンを含む。
【００２４】
その他のバインダーには、エポキシポリマーまたはエポキシプレポリマー、例えば少なくとも１種の多官能性エポキシ樹脂を含むエポキシ樹脂が含まれる。市販のエポキシ樹脂には、フェノール化合物のポリグリシジル誘導体、例えば商品名ＥＰＯＮ８２８、ＥＰＯＮ１００１およびＥＰＯＮ１０３１が含まれる。
【００２５】
本発明を多くの具体例によって説明したが、添付の特許請求の範囲に具体的に示されている本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、更なる変形および変更を行うことができることは明らかである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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