(57)【要約】【課題】アルミニウム部材とステンレス鋼との異種金属の接合体であって、耐食性皮膜としてのアルミニウム酸化皮膜を有するアルミニウム部材成分が冷却水等の水中に溶出することがなく、接合部におけるアルミニウム酸化皮膜の欠陥がないことから耐食性に優れ、更に製造コストが廉価な接合体を提供する。【解決手段】アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム部材とステンレス鋼部材とを接合した後に、７５〜１００℃の熱水処理によって、又は、９５℃以上の水蒸気処理によって、前記アルミニウム部材の表面に酸化皮膜を形成した接合体であって、導電率５μＳ／ｃｍ以下で温度２０℃以上の水に接触した状態で用いられることを特徴とするアルミニウム部材とステンレス鋼部材との接合体。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム部材とステンレス鋼部材とを接合した後に、７５〜１００℃の熱水処理によって前記アルミニウム部材の表面に酸化皮膜を形成した接合体であって、導電率５μＳ／ｃｍ以下で温度２０℃以上の水に接触した状態で用いられることを特徴とするアルミニウム部材とステンレス鋼部材との接合体。
【請求項２】
アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム部材とステンレス鋼部材とを接合した後に、９５℃以上の水蒸気処理によって前記アルミニウム部材の表面に酸化皮膜を形成した接合体であって、導電率５μＳ／ｃｍ以下で温度２０℃以上の水に接触した状態で用いられることを特徴とするアルミニウム部材とステンレス鋼部材との接合体。
【請求項３】
前記アルミニウム部材が１０００系、３０００系、５０００系及び６０００系のアルミニウム合金から成る群から選択される１種以上を含み、かつ、前記ステンレス鋼部材がＳＵＳ３０４及びＳＵＳ３１６の少なくともいずれかを含む、請求項１又は２に記載のアルミニウム部材とステンレス鋼部材との接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム部材とステンレス鋼部材との接合体であって、純水を循環する冷却水用部材等として用いられる耐食性に優れた接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池や半導体製造装置において、導電率の低い水（純水）が冷却水として用いられる場合がある。この場合には、冷却管等の部材としては、耐食性の良好なＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６等のステンレス鋼が通常用いられる。近年になって、燃料電池や半導体製造装置の小型化、軽量化、低コスト化のために、ステンレス鋼の一部をアルミニウム材に置き換える試みがなされている。このような試みでは、アルミニウム材単体の耐食性確保に加え、ステンレス鋼とアルミニウム材との異種金属接合体の耐食性を確保することが課題となる。また、このような接合体における耐食性としては、部材が減摩しないことに加えて、部材表面が反応不活性であることも求められる。ここで、部材表面が反応不活性であるとは、部材から金属その他のイオンが冷却水に溶出しないことを意味する。
【０００３】
従来、アルミニウム材を用いた接合体については、耐食性皮膜であるアルミニウム酸化皮膜との関係で種々の提案がなされている。特許文献１には、表面に酸化アルミニウム又は酸化アルミニウム水和物の被覆層が形成されたアルミニウム材をレーザー溶接することが記載されている。特許文献２には、表面の６０％以上にアルミニウム酸化物又はアルミニウム水酸化物が０．０１〜５μｍ形成されたアルミニウム材をスポット溶接することが記載されている。特許文献３には、酸化アルミニウムを表面に形成したアルミニウム含有ステンレス鋼を、バックシールディングガスとして酸化性ガスを含有する混合ガスを用いて溶接することが記載されている。特許文献４には、ステンレス鋼材とアルミニウム合金材とを摩擦圧接した継手であって、アルミニウム合金材の表面に防食化学被膜を形成し、圧接後に接合部の外表面を覆う塗料膜を形成する継手が記載されている。特許文献５には、鉄系材料とアルミニウム材を接合後にフルオロ錯イオン及び亜鉛イオンを含有する溶液中に浸漬し、接合部近傍に亜鉛イオンを析出させる接合部材が記載されている。
【特許文献１】特開平２−２２４８８５号
【特許文献２】特開平５−２７１９５４号
【特許文献３】特開平１１−３０２８２４号
【特許文献４】特開平６−１０９１９号
【特許文献５】特開２００５−１５４８４４号
【０００４】
一般に、無処理のアルミニウム材から成る配管等に純水を流通した場合、アルミニウム材の成分が水中に溶出するおそれがある。また、上記特許文献に記載される例を含めて様々な表面処理方法が提案されているが、純水を汚染せず簡便で効果的な表面処理方法が求められていた。代表的なアルミニウム表面処理方法の一つである陽極酸化処理は、電気化学的手法を用いるので高コストであり、アルミニウム皮膜中に存在する電解液成分等の不純物の溶出も懸念されていた。更に、表面処理済みのアルミニウム材とステンレス鋼を溶接した場合、溶接部に皮膜の欠陥が発生し、欠陥部が集中的に電食を受けるという問題もあった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、アルミニウム部材とステンレス鋼との異種金属の接合体であって、耐食性皮膜としてのアルミニウム酸化皮膜を有するアルミニウム部材成分が冷却水等の水中に溶出することがなく、接合部におけるアルミニウム酸化皮膜の欠陥がないことから耐食性に優れ、更に製造コストが廉価な接合体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】
【０００６】
本発明は請求項１において、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム部材とステンレス鋼部材とを接合した後に、７５〜１００℃の熱水処理によって前記アルミニウム部材の表面に酸化皮膜を形成した接合体であって、導電率５μＳ／ｃｍ以下で温度２０℃以上の水に接触した状態で用いられるアルミニウム部材とステンレス鋼部材との接合体とした。
【０００７】
本発明は請求項２において、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム部材とステンレス鋼部材とを接合した後に、９５℃以上の水蒸気処理によって前記アルミニウム部材の表面に酸化皮膜を形成した接合体であって、導電率５μＳ／ｃｍ以下で温度２０℃以上の水に接触した状態で用いられるアルミニウム部材とステンレス鋼部材との接合体とした。
【０００８】
本発明は請求項３において、前記アルミニウム部材が１０００系、３０００系、５０００系及び６０００系のアルミニウム合金から成る群から選択される１種以上を含み、かつ、前記ステンレス鋼部材がＳＵＳ３０４及びＳＵＳ３１６の少なくともいずれかを含むようにした。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のアルミニウム部材とステンレス鋼部材との接合体は、接合部におけるアルミニウム酸化皮膜の欠陥の発生を防止したことから耐食性に優れる。更に、この接合体は、表面処理したアルミニウム部材成分の水中への溶出がなく、製造コストが廉価である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明に係るアルミニウム部材とステンレス鋼部材との接合体は、アルミニウム部材とステンレス鋼部材とを接合した後に、熱水処理又は水蒸気処理によってアルミニウム部材の表面に酸化皮膜を形成した接合体であって、導電率５μＳ／ｃｍ以下で温度２０℃以上の水に接触した状態で用いられる。
【００１１】
Ａ．アルミニウム部材とステンレス鋼部材
本発明において用いるアルミニウム部材としては、純アルミニウム（単に、「アルミニウム」と記す）又はアルミニウム合金からなる部材が用いられる。アルミニウム合金としては、１０００系、３０００系、５０００系及び６０００系の１種以上を含有するものが用いられ、１０００系が好適に用いられる。
本発明において用いるステンレス鋼部材は特に限定されるものではないが、ＳＵＳ３０４及びＳＵＳ３１６の少なくともいずれかが用いられる。
【００１２】
Ｂ．接合
アルミニウム部材は表面に強固な酸化皮膜が形成され易く、これが接合の妨害要因となる場合がある。そのため、アルミニウム部材に適しており、かつ、異種金属接合が可能な接合方法を選ぶ必要がある。このような接合方法としては、摩擦圧接、爆発圧接、拡散接合、ろう付け、リベット接合、接着などが考えられる。部材を製作する場所、簡便さ、生産性などを考慮すると、摩擦圧接法が好適なものの一つと言える。
【００１３】
摩擦圧接は、以下のようにして行なわれる。まず、アルミニウム部材とステンレス鋼部材の接合面を、それぞれ研磨、洗浄、乾燥する。次いで、図１に示すように、アルミニウム部材１とステンレス鋼部材２の両接合面を合致させる。次いで、接合面同士を同軸廻りに互いに反対方向に回転させながら摺り合わせつつ、両接合面が一致するように圧接し、接合部の周囲にはみ出したバリを取除いて接合体３が得られる（図２）。これに代わって、いずれか一方の部材を回転させつつ、その面に垂直に他方の部材を押し付けるようにして圧接し、接合部の周囲にはみ出したバリを取除いて接合体３を得てもよい。
次いで、必要に応じて接合体を加工してもよい。例えば、接合体３を冷却水流通用の配管として用いる場合には、接合体３に長手軸に沿った貫通孔４が径方向に沿った断面の中央部に切削によって形成される（図３）。
【００１４】
Ｃ．酸化皮膜形成
接合体は、温度７５〜１００℃の熱水処理又は９５℃以上の水蒸気処理によって、アルミニウム材表面に耐食性を発揮させるための酸化皮膜が形成される。熱水処理は、恒温水槽５内の温度７５〜１００℃の熱水６に１〜３０分間浸漬することによって行なわれる（図４）。これに代わって、温度７５〜１００℃のシャワー状の熱水を１〜３０分間噴射してもよい。温度が７５℃未満の水では、耐食性を発揮するのに十分な量の酸化皮膜が形成されない。一方、温度が１００℃を超える熱水では、耐食性効果が飽和する一方でエネルギーの観点において不経済となる。
【００１５】
水蒸気処理は、温度９５℃以上の水蒸気に１〜３０分間曝すことによって行なわれる。これに代わって、温度９５℃以上の水蒸気を１〜３０分間スプレー噴霧してもよい。水蒸気としては、その温度における最大蒸気圧が得られるように飽和水蒸気を用いるのが好ましい。水蒸気温度は９５℃以上であれば特に制限されるものではないが、９５〜１００℃が好ましい。９５℃未満の水蒸気では、耐食性を発揮するのに十分な量の酸化皮膜が形成されない。１００℃を超えると、十分な量の酸化皮膜が形成されるものの加熱に必要なエネルギーが多大となり経済性が損なわれることになる。
【００１６】
熱水処理に用いる水は、イオン交換水や蒸留水等の精製水を用いるのが好ましく、０．２〜１．０μＳ／ｃｍの導電率の水が好適に用いられる。また、水蒸気処理に用いる水蒸気についても同様に、イオン交換水や蒸留水等の精製水からの水蒸気を用いるのが好ましく、このような精製水もまた０．２〜１．０μＳ／ｃｍの導電率の水が好適に用いられる。
【００１７】
本発明における酸化皮膜形成方法では熱水又は水蒸気を用いるので、形成される酸化皮膜は例えば配管内を流通等する水に対して耐食性を有し、溶出する汚染物質も含有していない。したがって、接触する流通水を汚染することがない。
【００１８】
アルミニウム部材１とステンレス鋼部材２とを接合後に、接合体の表面全体を熱水又は水蒸気によって処理することにより、アルミニウム部材１の外表面の酸化皮膜７１と、アルミニウム部材１の貫通孔４内面の酸化皮膜７２が形成される（図５）。このようにして、均一で欠陥の無い酸化皮膜７１、７２を形成することができる。
【００１９】
なお、接合体全体３を表面処理せずに、アルミニウム部材１における貫通孔４の内面にのみ酸化皮膜７２を形成するようにしてもよい（図６）。このような処理は、貫通孔４内に熱水や水蒸気を収容又は流通させることによって達成される。酸化皮膜の耐食性は接合体の形状に影響されないので、本発明における酸化皮膜形成方法は、タンクや配管など様々な形状の接合体に適用することができる。
【００２０】
このようにして形成されるアルミニウム酸化皮膜は、通常、ベーマイト（ＡｌＯ（ＯＨ））を主成分とし、更に酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）３）を含有する。ベーマイト、酸化アルミニウム及び水酸化アルミニウムの存在は、Ｘ線回折測定等による表面分析によって確認された。アルミニウム酸化皮膜は０．１〜０．５μｍ、好ましくは０．２〜０．４μｍの厚さを有する。０．１μｍ未満では十分な耐食性が得られず、０．５μｍを超えると耐食性が飽和して不経済となる。
【００２１】
Ｄ．接合体が用いられる環境
本発明に係る接合体は、導電率５μＳ／ｃｍ以下で温度２０℃以上の水に接触した状態で用いられる。水の導電率が５μＳ／ｃｍを超えると、水中に溶解しているイオン成分がアルミニウム酸化皮膜の例えばベーマイト成分と反応して化合物を形成する等し、アルミニウム酸化皮膜の耐食性が劣化することがある。また、水温については特に限定されるものではないが、燃料電池や半導体製造装置等の冷却水の水温である２０℃以上、好ましくは２０〜８０℃で用いるのが好ましい。
【実施例】
【００２２】
本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２３】
実施例１〜１０及び比較例１〜１３
アルミニウム部材として、表１に示す材質の２０ｍｍφ、長さ４０ｍｍのアルミニウム合金の棒を用い、ステンレス鋼部材としてアルミニウム合金棒と同寸法のＳＵＳ３１６製の棒を用いた。これら両部材の端面同士を摩擦圧接して接合し、接合周囲のバリを取除いて接合体を作製した。次いで、接合体の径方向断面の中心に長手軸に沿った直径１０ｍｍφの貫通孔を切削により形成した。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
上記貫通孔付き接合体を、市販のアルカリ系洗浄剤により洗浄し、水洗、硝酸デスマット、水洗により前処理を行った。次いで、接合体全体を、９５℃のイオン交換水に１５分間浸漬して（実施例１〜８）、或いは、９５℃の飽和水蒸気中に５分間曝して（実施例９及び１０）、アルミニウム合金棒の外表面と貫通孔内面に酸化皮膜を形成し接合体試料を作製した。比較例３では、接合体の全体を、３０℃のイオン交換水に１５分間浸漬してアルミニウム合金棒の外表面と貫通孔内面に酸化皮膜を形成し、接合体試料を作製した。比較例１、２はステンレス鋼同士を接合したものである。比較例４〜１３では、温水処理も水蒸気処理も行なわず酸化皮膜を形成しないで、接合体試料を作製した。
【００２６】
比較例１４
アルミニウム合金棒とステンレス鋼棒を接合する前に、両棒を市販のアルカリ系洗浄剤により洗浄し、水洗、硝酸デスマット、水洗により前処理を行った。次いで、アルミニウム合金棒を９５℃のイオン交換水に１５分間浸漬した後に、このアルミニウム合金棒とステンレス鋼の棒を摩擦圧接して接合し、接合体試料を作製した。摩擦圧接は実施例１と同様にして行なった。
【００２７】
用いたアルミニウム合金の種類と比重、用いたステンレス鋼の種類と比重、接合方法、酸化皮膜の形成、溶出試験結果を、表２に示す。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
溶出試験の内容について、以下に説明する。
【００３０】
溶出試験
導電率が０．３〜０．４μＳ／ｃｍのイオン交換水２５０ｍＬが入った各容器を用意し、上述のようにして作製した接合体試料の全体がイオン交換水に漬かるように各容器内に一つずつ収容した。容器を密栓してそのまま４００時間保持した。保持温度は接合体試料毎に２５℃又は８０℃に設定した。比較のため、イオン交換水のみを入れたサンプルも用意した。なお、コンタミを避けるため容器には、不純物の溶出が殆どないＰＦＡ製容器を使用し、試験前には容器をイオン交換水で十分洗浄した。
【００３１】
４００時間経過後における、容器内のイオン交換水の導電率を導電率計にて測定した。当初の導電率からの増加分が接合体からの溶出成分量に対応する。更に、溶出した金属の種類とその濃度をＩＣＰ発光分析法にて分析した。金属元素は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｓｉ及びＺｎについて分析した。
導電率が変化しなかった場合（表２において「０」で表わしている）、ならびに、溶出元素濃度が０の場合を合格とした。一方、導電率がプラス変化した場合、ならびに、元素の溶出が確認された場合を不合格とした。
【００３２】
表２に示すように、実施例１〜１０では、浸漬したイオン交換水の導電率変化がなく、溶出金属も検出されなかった。
【００３３】
比較例１では、浸漬したイオン交換水の導電率変化がなく、溶出金属も検出されず、外表面、貫通孔内面、接合部のいずれにも腐食が発生しなかった。しかしながら、アルミニウム合金棒との接合体ではないため、軽量化が実現できなかった。
比較例２では、浸漬したイオン交換水の導電率変化がないものの、Ｍｎの僅かな溶出が確認された。この比較例においても、アルミニウム合金棒との接合体ではないため、軽量化が実現できなかった。
比較例３では、酸化皮膜を形成するための温水温度が低いために十分な酸化皮膜が形成されず、浸漬したイオン交換水の導電率が増加しＭｇが溶出した。
比較例４、５では、酸化皮膜を形成しなかったために、浸漬したイオン交換水の導電率は変化しなかったもののＦｅの僅かな溶出が確認された。
比較例６、８、１０及び１２では、酸化皮膜を形成しなかったため、浸漬したイオン交換水の導電率が増加しＭｇが溶出した。
比較例７、９、１１、及び１３では、酸化皮膜を形成しなかったため、浸漬したイオン交換水の導電率が増加しＭｇが溶出したが、溶出試験中に形成される酸化皮膜の作用により、上記比較例６、８、１０及び１２に比べて、導電率変化（増大）及びＭｇ溶出量ともに少なかった。
比較例１４では、酸化皮膜を形成した後に両部材を接合したために酸化皮膜の一部が接合によって破壊された。その結果、浸漬したイオン交換水の導電率が増加しＭｇが溶出した。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明により、水に対する耐食性に優れたアルミニウム部材とステンレス鋼部材の接合体を得ることができ、該接合体を用いることで冷却装置等の小型化、軽量化に資することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る接合体を構成するアルミニウム部材とステンレス鋼部材を示す斜視図である。
【図２】本発明に係る接合体を構成するアルミニウム部材とステンレス鋼部材を圧接した状態を示す斜視図である。
【図３】本発明に係る接合体を構成するアルミニウム部材とステンレス鋼部材を圧接したものにおいて、貫通孔を設けた状態を示す斜視図である。
【図４】本発明に係る接合体を構成するアルミニウム部材とステンレス鋼部材を圧接したものを熱水処理している状態を示す斜視図である。
【図５】本発明に係るアルミニウム部材とステンレス鋼部材の接合体の断面図である。
【図６】本発明に係るアルミニウム部材とステンレス鋼部材の接合体の断面図である。
【図７】本発明の他の実施態様におけるアルミニウム部材とステンレス鋼部材の接合体の斜視図である。
【符号の説明】
【００３６】
１‥‥‥アルミニウム部材
２‥‥‥ステンレス鋼部材
３‥‥‥接合体
４‥‥‥貫通孔
５‥‥‥恒温水槽
６‥‥‥熱水
７１‥‥‥酸化皮膜
７２‥‥‥酸化皮膜
【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７】
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【図５】
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【図６】
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