(57)【要約】【課題】導電性及び耐食性を低下させずに表面潤滑性及び加工性を向上させることができる導電性耐食金属板及びその製造方法を提供する。【解決手段】少なくとも表面がチタン又はチタン合金からなる金属板材１，３の表面酸化層を除去した後、窒素ガス雰囲気で熱処理することにより、金属板材１，３の表面に、厚さ０．１〜３μｍ未満の窒化層２を形成し、かつ、窒化層２の面抵抗を２０ｍΩｃｍ2以下とした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも表面がチタン又はチタン合金からなる金属板材の表面に、厚さ０．１〜３μｍ未満の窒化層を形成し、かつ、窒化層の面抵抗を２０ｍΩｃｍ2以下としたことを特徴とする導電性耐食金属板。
【請求項２】
前記金属板材は、コア材の表面に前記チタン又はチタン合金を設けてなるクラッド材より構成されることを特徴とする請求項１記載の導電性耐食金属板。
【請求項３】
少なくとも表面がチタン又はチタン合金からなる金属板材を準備し、当該金属板材の表面酸化層を除去した後、窒素ガス雰囲気中で、熱処理することにより厚さ０．１〜３μｍ未満の窒化層を形成することを特徴とする導電性耐食金属板の製造方法。
【請求項４】
前記金属板材の準備は、長尺状の金属板材を連続的に供給することによって行い、
前記表面酸化層の除去は、供給される前記長尺状の金属板材の表面酸化層を連続的に除去することによって行い、
前記熱処理は、前記表面酸化層を除去された前記長尺状の金属板材を連続的に熱処理することによって行うことを特徴とする請求項３記載の導電性耐食金属板の製造方法。
【請求項５】
少なくとも表面がチタン又はチタン合金からなる金属板材を準備し、当該金属板材を溶融塩浴槽中で熱処理した後、窒素ガス雰囲気を通過させて冷却することにより、厚さ０．１〜３μｍ未満の窒化層を形成することを特徴とする導電性耐食金属板の製造方法。
【請求項６】
前記金属板材の準備は、長尺状の金属板材を連続的に供給することによって行い、
前記溶融塩浴槽中での熱処理は、供給される前記長尺状の金属板材を連続的に熱処理することによって行い、
前記窒素ガス雰囲気への通過による冷却は、前記熱処理された前記長尺状の金属板材を連続的に前記窒素ガス雰囲気へ通過させて冷却することによって行うことを特徴とする請求項５記載の導電性耐食金属板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気導電材、電気接点、電磁波遮蔽体、電気化学電極、帯電防止材等において導電性と耐食性を要するコンポーネント材に適した導電性耐食金属板及びその製造方法に関し、特に、導電性及び耐食性を低下させずに表面潤滑性及び加工性を向上させた耐食導電性金属板およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機器の中には大気、淡水、海水等に曝される環境で使用されるものが多数ある。これらの機器においては、使用される動力用電気接点又は信号用電気接点や導電材が使用中に腐食され、機器の信頼性や寿命が低下することがある。
【０００３】
また、電気化学を利用した産業分野では、電気めっき、溶融塩電気分解、淡水化装置、食塩電解などの電極として金属が多用されているが、この電気化学電極用金属においても腐食による種々の問題が生じることがある。
【０００４】
さらに電磁遮蔽体においても電磁遮蔽特性を優先するために基板金属の耐食性が犠牲になることがある。
【０００５】
さらにまた、燃料電池においては固体電解質型燃料電池、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体高分子型燃料電池、メタノール燃料電池等のセパレータ等に金属が使用されており、燃料電池のセパレータが金属の場合、電解現象により表面の不動態被膜が成長して導電性が低下したり、場合によっては腐食して、燃料電池の性能や寿命に影響を及ぼすことがある。
【０００６】
このため、このような厳しい腐食環境下や、管理系以外に析出イオンが出てはいけないようなクリーン環境下において使用される電気導電材、電気接点、電磁波遮蔽体、電気化学電極、帯電防止材等として導電性と耐食性を併せ持ったコンポーネント材が要求されている。
【０００７】
このような要求がある中、従来の導電性耐食基材として、例えば、ステンレス鋼、チタン、チタンクラッド材等がある。しかし、それらは導電性の点で不十分である。ステンレス鋼の場合には、表面に不動態膜ができ、それによって接触抵抗が大になるし、チタンの場合には、抵抗の大きい酸化チタンによって表面が覆われてしまう。導電性を向上させる手段として、２次加工の後、導電性塗料を塗布したり、金、窒化チタン、炭化チタンなどの導電性耐食層を被覆することがなされており、その処理自体もコストが高く、バッチ処理で単品扱いであり、煩雑なものとなっている。
【０００８】
さらに、これらの材料は２次加工時に要求される潤滑性の悪い材料であり、プレス加工時に型に焼付き、大きな変形が与えられないという問題もある。このため、通常、加工時に潤滑剤を用いることになるが、潤滑剤の塗布、除去に工数がかかること、また、その残渣が性能に影響するといった問題点もある。
【０００９】
一方、従来の導電性耐食金属板として、例えば、チタンが被覆されたステンレス鋼板を窒素雰囲気下で加熱処理して、表面に厚さ３〜５００μｍの窒化層を設けて構成されるものがある。この導電性耐食金属板（燃料電池用セパレータ）によると、窒化層とステンレス鋼との密着性が良く、窒化層がステンレス鋼から剥離しにくい。また、窒化層は高い疲労強度を有し、使用中に亀裂が発生しにくく、良好な耐久性を得ることができる。
【特許文献１】特開２０００−３５３５３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、従来の導電性耐食金属板によると、窒化層の電気抵抗が１０〜１０００×１０-6、好ましくは１０〜５００×１０-6になっているため大幅な導電性の向上が期待できない。特に、窒化層とステンレス鋼との接触抵抗（面抵抗）を安定的に所定の値以下にすることが困難である。また、窒化層の厚さ３μｍ以上のため、加工性が劣化するという問題がある。
【００１１】
本発明の目的は、導電性及び耐食性を低下させずに表面潤滑性及び加工性を向上させることができる導電性耐食金属板及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記の目的を達成するため、少なくとも表面がチタン又はチタン合金からなる金属板材の表面に、厚さ０．１〜３μｍ未満の窒化層を形成し、かつ、窒化層の面抵抗を２０ｍΩｃｍ2以下としたことを特徴とする導電性耐食金属板を提供する。
【００１３】
前記金属板材は、コア材の表面に前記チタン又はチタン合金を設けてなるクラッド材より構成されることができる。
【００１４】
また、本発明は、上記の目的を達成するため、少なくとも表面がチタン又はチタン合金からなる金属板材を準備し、当該金属板材の表面酸化層を除去した後、窒素ガス雰囲気中で、熱処理することにより厚さ０．１〜３μｍ未満の窒化層を形成することを特徴とする導電性耐食金属板の製造方法を提供する。
【００１５】
前記金属板材の準備は、長尺状の金属板材を連続的に供給することによって行い、前記表面酸化層の除去は、供給される前記長尺状の金属板材の表面酸化層を連続的に除去することによって行い、前記熱処理は、前記表面酸化層を除去された前記長尺状の金属板材を連続的に熱処理することによって行うことができる。
【００１６】
さらに、本発明は、上記の目的を達成するため、少なくとも表面がチタン又はチタン合金からなる金属板材を準備し、当該金属板材を溶融塩浴槽中で熱処理した後、窒素ガス雰囲気を通過させて冷却することにより、厚さ０．１〜３μｍ未満の窒化層を形成することを特徴とする導電性耐食金属板の製造方法を提供する。
【００１７】
前記金属板材の準備は、長尺状の金属板材を連続的に供給することによって行い、前記溶融塩浴槽中での熱処理は、供給される前記長尺状の金属板材を連続的に熱処理することによって行い、前記窒素ガス雰囲気への通過による冷却は、前記熱処理された前記長尺状の金属板材を連続的に前記窒素ガス雰囲気へ通過させて冷却することによって行うことができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の導電性耐食金属板及びその製造方法によれば、少なくとも表面がチタン又はチタン合金からなる金属板材の表面酸化層を除去した後、窒素ガス雰囲気で熱処理することにより、金属板材の表面に、厚さ０．１〜３μｍ未満の窒化層を形成し、かつ、窒化層の面抵抗を２０ｍΩｃｍ2以下としたため、導電性及び耐食性を低下させずに表面潤滑性及び加工性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図面を基に説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る導電性耐食金属板の断面構成を示す。この導電性耐食金属板は、耐食性金属材であるチタン、又はチタン合金よりなるチタン材１の表面に、厚さ０．１〜３μｍ未満の窒化層２を設け、かつ、窒化層２の面抵抗を２０ｍΩｃｍ2以下にして構成されている。
【００２０】
このような構成を有する導電性耐食金属板によると、窒化層２が窒化チタンを主体として構成されるようになり、チタン材１による耐食性を維持しながら優れた導電性及び潤滑性を得ることができる。特に導電性については、窒化層２の厚さを０．１〜３μｍ未満とすることで窒化層２の面抵抗を２０ｍΩｃｍ2以下と小さくすることができる。また、窒化層２の潤滑性により、離型性や加工性を向上させることができ、２次加工性の極めて良好な素材が提供できるようになると共に、２次加工の作業効率を大幅に改善できる。なお、２次加工時に通常の潤滑剤と併用すれば、さらに作業性が向上する。
【００２１】
上記した第１の実施の形態に係る導電性耐食金属板は、まず、チタン系耐食金属圧延材としてチタン材１を準備し、このチタン材１の表面酸化層を除去した後、窒素ガス雰囲気中で、熱処理することにより厚さ０．１〜３μｍ未満の窒化層２を形成することにより製造される。特に、窒素雰囲気中の高温溶融塩浴槽中を通過させることにより、表面酸化層の除去、熱処理、窒化を連続的に行うことができる。また、この熱処理を連続的に行えば、１０ｍ以上の長尺の導電性耐食金属板を製造することができる。
【００２２】
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る導電性耐食金属板の断面構成を示す。この導電性耐食金属板は、コア材３の表面に耐食性金属材であるチタン、又はチタン合金よりなるチタン材１がクラッド層として設けられたクラッド材の表面に厚さ０．１〜３μｍ未満の窒化層２を設け、かつ、窒化層２の面抵抗を２０ｍΩｃｍ2以下にして構成されている。
【００２３】
コア材３としては、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、鉄合金、ステンレス鋼などの良導電性金属を用いることが好ましいが、特にこれに限定するものではない。
【００２４】
このような構成を有する導電性耐食金属板によると、第１の実施の形態の導電性耐食金属板の効果の他、コストダウンが図れるという効果が生じる。つまり、耐食性金属は一般に高価であるため、コア材３として安価な材料を用いることで第１の実施の形態の導電性耐食金属板と同特性を有した導電性耐食金属板を安価に提供することができる。また、コア材３の選択により、種々の特性を併せ持った導電性耐食金属板を提供できる。例えば、コア材３として、アルミニウム系の材料を用いれば、軽量な素材が得られるし、銅系の材料を用いれば、導電性、熱伝導性が特に良い素材となる。また、鉄系の材料を用いれば、高強度の素材が得られる。さらにステンレス鋼を用いれば、さらに耐食性が高く、端部耐食性が良好な素材が得られる。
【００２５】
上記した第２の実施の形態に係る導電性耐食金属板は、まず、チタン系耐食金属圧延材としてコア材３の表面にチタン材１が設けられたクラッド材を準備することにより第１の実施の形態と同様な方法で製造される。
【００２６】
なお、第１及び第２の実施の形態では、導電性耐食金属板として、板状、あるいはその長尺物を例に説明したが、特にこれに限定するものではなく、あらかじめプレス成形等したコイル材など、いかなる形状であってもよい。また、導電性耐食金属板の構成において両面に窒化層２、あるいはチタン材を設けたが、使用環境によっては片側だけでもよく、クラッド材の場合には片側のコア材が剥きだしでもよい。
【実施例】
【００２７】
〔実施例１〕
【００２８】
チタン系耐食金属圧延材としてステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の表面に厚さ１２μｍの純チタン材が設けられたクラッド材（チタン／ステンレス鋼／チタン）の表面に窒化処理を施し、厚さ０・１２〜１１μｍの窒化層をそれぞれ形成することにより厚さ０．１ｍｍ、幅１００ｍｍの本発明品の試料１，２と、比較例品の試料４〜６を製造した。窒化処理の方法としては、クラッド材の圧延材を溶融塩浴槽中で熱処理した後、窒素ガス雰囲気を通過させて冷却させることにより行うものである。
【００２９】
また、チタン系耐食金属圧延材として純チタンを用い、その表面に窒化処理を施し、厚さ２．５μｍの窒化層と厚さ５μｍの窒化層をそれぞれ形成することにより厚さ０．１ｍｍ、幅１００ｍｍの本発明品の試料３、及び比較例品の試料８と、チタン系耐食金属圧延材として純チタンの表面に窒化処理を施さないものを比較例品の試料７として製造した。なお、窒化処理の方法は上記と同一とした。
【００３０】
さらに、ステンレス鋼を用い、その表面に窒化処理を施し、厚さ８μｍの窒化層を形成することにより厚さ０．１ｍｍ、幅１００ｍｍの比較例品の試料１０と、ステンレス鋼の表面に窒化処理を施さないものを比較例品の試料９として製造した。なお、窒化処理の方法は上記と同一とした。
【００３１】
次に、得られた試料１〜１０について評価試験を行った。本発明の導電性耐食金属板は、２次加工用の素材として使用するものであることから、その評価試験としては、耐候試験後の表面抵抗、耐食性（分極特性）、及び加工性（エリクセン値で評価）を行い、総合的に評価した。各試験方法は以下の通りである。
【００３２】
（１）面抵抗
測定試験片（耐食金属材）の表裏面を拡散層（東レ社製カーボンペーパー：ＣＦＰ２００）で挟み、それを測定電極間にセットし、負荷面圧２０ｋｇ／ｃｍ2を負荷しつつ印加電流１００ｍＡを流したときの直流抵抗値を４端子法により測定した。
（２）加工性
耐食金属材の張出し成形性を評価する目的で、エリクセン値の測定を行い、目安として７．５を基準に評価し、それ以上であれば加工性良好と判断した。
（３）耐食性
電気化学を利用した機器条件を模擬し、ＪＩＳＧ０５９１に準拠して、測定試験片（耐食金属材）を希硫酸溶液中に浸漬した場合の分極特性を調べた。
なお、各試験において、測定試験片は、耐候試験として実用環境を踏まえ、食塩含有の雰囲気に放置したものを用いた。
【００３３】
各試験結果、及び総合評価を表１に示す。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
表１から明らかな通り、本発明品である厚さ０．１〜３μｍの窒化層を有するクラッド材の試料１，２及び純チタン材の試料３の場合、面抵抗が２０ｍΩｃｍ2以下となり、加工性及び耐食性ともに良好で総合評価として良好なものになっていることがわかる。
【００３６】
これに対し、比較例品は、窒化処理のない純チタン材の試料７の場合、経時変化で表面が酸化してしまい、面抵抗は極めて大きな値となり、表面導電性を確保できなくなる。また、窒化層が０．０５μｍと薄い試料４の場合も、窒化被膜が完全ではなく、面抵抗が高めで、かつ耐食性も不完全となる。逆に、窒化層が３μｍ以上に厚い試料５，６，８の場合、面抵抗が高くなり、同時に加工性が劣化してくる。
【００３７】
また、比較例品であるステンレス鋼材の試料９，１０は、加工性の点では良好であるが、窒化処理がない場合、表面の不動態膜が影響し、界面抵抗が大きく、また、耐食性でも完全ではない。試料１０からわかるように、窒化処理を施すことで、面抵抗は改善するが、耐食性が悪く、総合評価としては不十分である。
【００３８】
〔実施例２〕
チタン系耐食金属圧延材としてステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の表面に厚さ１２μｍの純チタン材が設けられたクラッド材（チタン／ステンレス鋼／チタン）及び純チタン材の表面に窒化処理を施し、厚さ２〜２．５μｍの窒化層をそれぞれ形成することにより厚さ０．１ｍｍ、幅１００ｍｍの本発明品の試料１〜４と、比較例品の試料５，６を製造した。窒化処理の方法としては、ａ：圧延上後そのまま窒素ガス雰囲気で熱処理、ｂ：圧延上後表面研磨しその後、窒素ガス雰囲気で熱処理、ｃ：圧延上後溶融塩浴槽中で熱処理した後、窒素ガス雰囲気への通過、の３種の方法を取った。
【００３９】
そのように処理した窒化処理チタン系耐食金属材の面抵抗と耐食性の評価結果を表２に示す。
【００４０】
【表２】
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【００４１】
表２から明らかな通り、表面処理条件がａである比較例品の試料５，６は、面抵抗が高くなってしまい、表面導電性の条件が満たされない。
【００４２】
これに対し、表面処理条件がｂ、ｃである本発明品の試料１〜４の場合は、面抵抗が低く、表面導電性の条件を満たしている。表面処理条件ｂである本発明品の試料１，３よりも表面処理条件ｃである本発明品の試料２，４の方が面抵抗は低い。これは窒化層の下地に、酸化層が残っているかの問題である。圧延加工した材料は、表面が酸化チタンで覆われており、酸化チタンは半導体であることから、一般に抵抗は大きく、圧延材の面抵抗は高い。窒化処理の前に研磨によって酸化被膜を除去することで、酸化層を少なくでき、その結果、表面処理条件ｂである本発明品の試料１，３では、面抵抗を低下させることができるが、研磨後、窒化処理する前に酸化する分もあり、面抵抗の大幅な低下はない。一方、表面処理条件ｃである本発明品の試料２，４の場合、溶融塩浴槽中に入れることで、表面の酸化チタン層は完全に除去され、その直後に窒素ガス雰囲気を通過させることができることから、酸化チタンの少ない窒化層が得られることになり、面抵抗が低く、良好な表面導電性を有するチタン系耐食金属材となる。
【００４３】
〔実施例３〕
長尺のチタン系耐食金属（チタン、あるいは表面がチタンのクラッド材）圧延材を、連続的に、溶融塩浴槽中で熱処理した後、窒素ガス雰囲気を通過させて冷却し、その後巻き取り、長尺の窒化処理チタン系耐食金属材を製作した。熱処理温度は、７５０〜９００℃で、窒素ガス雰囲気を通過することで、安定した窒化層を形成することができる。窒化層の厚さは、熱処理温度と窒素ガス雰囲気の通過時間でコントロールでき、表１に示す特性が長尺材で得られることを確認した。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る導電性耐食金属板を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る導電性耐食金属板を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１、チタン材  ２、窒化層  ３、コア材
【図１】
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【図２】
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