説明

接合体

【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。

【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(Al)と水酸化アルミニウム(Al(OH))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】

【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】

【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

【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。

【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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