JP2004169102A

JP2004169102A - 水素吸蔵合金および水素吸蔵合金の熱処理方法

Info

Publication number: JP2004169102A
Application number: JP2002335701A
Authority: JP
Inventors: Fumio Takahashi; 史生高橋; Takashi Ebisawa; 孝海老沢; Hironobu Arashima; 裕信荒島; Hideaki Ito; 秀明伊藤
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2002-11-19
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2022-11-19
Also published as: JP3845057B2

Abstract

【課題】ＢＣＣ構造の主相とするＴｉＣｒＶ系水素吸蔵合金の活性化や水素吸放出の反応速度の増加、水素吸蔵量の増加等の合金特性を改善する。
【解決手段】式Ｔｉ_ａＣｒ_ｂＶ_ｃＭ_ｄで、低温平衡相のＣ１５Ｌａｖｅｓ相を含み、主相がＢＣＣ構造の水素吸蔵合金を溶製後、１２００℃〜融点、不活性ガス気中又は還元ガス気中又は真空下で１〜２４時間の均質化熱処理し、不活性ガス気中又は還元ガス気中又は真空下で１０℃〜２００℃／時間の冷却速度でＢＣＣ構造相とＣ１５Ｌａｖｅｓ相の混相領域にまで降温する熱処理を行う。ただし、ａは２０〜４５原子量％、ｂは３０〜７０原子量％、ｃは５〜４５原子量％、ｄは０〜１５原子量％、ＭはＦｅ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｏの一種又は二種以上。
【効果】急冷処理等の為の設備投資や合金製造コストの増大を伴うことなくＴｉＣｒＶ系水素吸蔵合金の合金特性が改善される。
【選択図】図７

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素貯蔵・供給用材料、熱変換用材料、Ｎｉ−水素電池用負極材料、水素精製回収用材料、水素ガスアクチュエータ用水素吸収材料等に用いられる水素吸蔵合金および該水素吸蔵合金の熱処理方法に関するものであり、特に環境温度（２０℃〜８０℃）で優れた特性を有する合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水素吸蔵合金は、水素と可逆的に反応して、反応熱の出入りを伴う水素吸放出特性を有している。この現象を利用して、近年、水素貯蔵用材料やヒートポンプ・冷凍システム用などの熱変換用材料としての実用化が積極的に進められている。代表的な水素吸蔵合金としてはＬａＮｉ_５、ＴｉＦｅ、ＴｉＭｎ_１．５等がよく知られている。
【０００３】
なお、各種用途の実用化においては、水素貯蔵用材料の特性を一層向上させる必要があり、例えば、水素貯蔵量の増加、原料の低廉化、プラトー特性の改善、耐久性の向上などが大きな課題として挙げられる。中でも、Ｖ、ＴｉＭｎＶ系、ＴｉＣｒＶ系などの体心立方構造（以下ＢＣＣ構造と呼ぶ）の金属は、すでに実用化されている前記の金属間化合物の水素吸蔵合金に比べ大量の水素（４００ｃｃ／ｇ程度）を吸蔵することが古くから知られている。しかし、有効に吸蔵・放出できる水素量は、その半分程度であり、その他は水素と化合した固溶相として残存するため、効率が悪いという欠点がある。また、金属間化合物の水素吸蔵合金と比べ水素の吸放出に要する反応速度が遅く、活性化が困難という問題点も挙げられ実用化には至っていないため、活性化、プラトー特性、耐久性等改善するべき点が多々ある。これらの課題に対しては特許文献１や特許文献２などに改善策が提案されている。
【０００４】
しかし、水素貯蔵用材料に望まれる特性は、適当な温度で容易且つ大量の水素を吸放出することであり、この要望にこたえるためには、水素吸蔵合金の合金特性において、水素吸放出反応の反応速度を加速させ、平衡水素圧力−水素吸収量−等温曲線のプラトー領域の傾斜を減少させ、且つプラトー領域の平衡水素圧力値を、水素吸蔵合金を利用するシステムで許容される圧力範囲に制御し、その圧力範囲内おける有効水素移動量を増大させる必要がある。
このような合金特性の改善には合金の構成成分比の変更や一部他元素置換などの方法の他に、従来より熱処理方法を採用した製造方法の開発（例えば特許文献３）が進められている。この方法では、ＢＣＣ構造単相またはＢＣＣ構造主相を有すると考えられる成分の設計範囲で、熱処理条件を制御して合金の微細組織、特に母相であるＢＣＣ構造の変調構造組織をコントロールし水素吸蔵量及び水素の吸放出速度の改善を試みている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−１１０２２５号公報（第２頁）
【特許文献２】
特開平１１−１０６８５９号公報（第２頁）
【特許文献３】
特開平１０−２４５６６３号公報（第２頁）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の熱処理方法を用いた合金特性改善では、母相であるＢＣＣ構造の変調構造組織をコントロールして水素吸蔵量及び水素の吸放出速度の改善を試みており、各種用途に対する実用性は、発見当初のＢＣＣ構造の水素吸蔵合金と比べ格段に向上している。しかし、これらの従来技術では成分組成と熱処理制御によって、ナノオーダーの微細組織を制御するとしているが、実際の製造プロセスにおいては溶解や熱処理施設の環境問題もあり、ミクロオーダーの微細組織制御を前提としなければならないが、そのような従来技術は開発されていない。
【０００７】
本発明の対象となるＴｉＣｒＶ系合金では、溶解時の微量酸素混入によりＢＣＣ構造とは異なるα−Ｔｉが平衡析出することが知られており、ＴｉＣｒ_２の組成に近い成分比を有するＴｉＣｒＶ系合金では１０００℃近傍より低い温度においてＣ１５Ｌａｖｅｓ相の平衡析出が懸念される。これらの異相析出は酸素量や熱処理条件の保持温度、保持時間、冷却速度に大きく依存することを本発明者らは確認し、従来ＢＣＣ構造単相であると考えられてきた成分比のＴｉＣｒＶ系合金において、熱処理条件によっては異相の合金内の体積比は１０体積％程度まで増加することが判明した。
【０００８】
また、熱処理炉内の清浄度によっては、表面酸化の影響で合金の表面近傍に設計組成から逸脱したＢＣＣ構造の領域が幅広く形成され、合金の水素吸蔵特性を悪化させることが判明した。従来技術の製造方法で、これまで指摘した問題を抑制し、ナノオーダーの微細組織制御を行うには、極めて高真空の溶解及び熱処理施設を要し、商業生産の点で現実的ではない。さらに、従来技術では熱処理の冷却過程を水又は油による焼入れ処理等の急冷処理が望ましいとしているが、本発明者らの研究により、ＢＣＣ構造のＴｉＣｒＶ系合金の内部、特に結晶粒内では、急冷処理を施すと針状α−Ｔｉの析出量が２体積％を超えて増加し、多数の核発生を伴うことが判明しており、ＢＣＣ構造と整合な結晶粒内の針状α−Ｔｉの存在は合金の水素吸蔵特性、主に有効水素移動量や水素吸放出の反応速度、耐久性等に悪影響を及ぼすことが考えられる。加えて、Ｃ１５Ｌａｖｅｓ相の過剰析出はＢＣＣ構造を有するＴｉＣｒＶ系合金の水素吸蔵特性の悪化、特に有効水素移動量の減少を招くことが知られているが、本発明者らの研究により、Ｃ１５Ｌａｖｅｓ相がＢＣＣ構造の母相結晶粒の粒界上に薄く存在する場合には、有効水素移動量を減らさず合金の水素吸放出の反応速度が加速することが判明している。しかし、ＢＣＣ構造のＴｉＣｒＶ系合金の従来技術で、そのようなミクロオーダーの組織制御を試みている例は無い。
【０００９】
本発明は、前記のような従来の課題を解決するものであり、不活性ガス気中又は水素ガスなどの還元ガス気中又は真空下で１２００℃〜融点直下の極めて高温の均質化熱処理を行った後、不活性ガス気中又は水素ガスなどの還元ガス気中又は真空下で２００℃／ｈｏｕｒ以下の冷却速度を用いた遅い冷却過程を採用することにより、ＢＣＣ構造の結晶粒内に析出するα−Ｔｉの過剰析出を抑制し、且つ結晶粒内に析出したα−Ｔｉを結晶粒界へ移動・排出させることでＢＣＣ構造の結晶粒の水素吸蔵量を維持又は増加させ、さらに結晶粒界に薄くＣ１５Ｌａｖｅｓ相を析出させることで活性化及び水素吸放出の反応速度を加速させる高容量の水素吸蔵合金の熱処理方法および上記組織形態を有する水素吸蔵合金を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成させるために、本発明の水素吸蔵合金のうち請求項１記載の発明は、式：Ｔｉ_ａＣｒ_ｂＶ_ｃＭ_ｄで表され、低温平衡相としてＣ１５Ｌａｖｅｓ相を含み、主相がＢＣＣ構造からなるとともに、合金結晶粒内の針状α−Ｔｉの析出量が２体積％以下で、析出するＣ１５Ｌａｖｅｓ相のうちの８０体積％以上が結晶粒界上に存在することを特徴とする。
ただし、ａは２０〜４５原子量％、ｂは３０〜７０原子量％、ｃは５〜４５原子量％、ｄは０〜１５原子量％範囲に設定され、ＭはＦｅ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏの一種又は二種以上である。
【００１１】
請求項２記載の水素吸蔵合金の熱処理方法は、式：Ｔｉ_ａＣｒ_ｂＶ_ｃＭ_ｄで表され、低温平衡相としてＣ１５Ｌａｖｅｓ相を含み、主相がＢＣＣ構造からなる水素吸蔵合金の熱処理方法において、合金溶製後、１２００℃〜融点の温度で、不活性ガス気中又は還元ガス気中又は真空下で１〜２４時間の範囲で均質化熱処理し、その後、不活性ガス気中又は還元ガス気中又は真空下で１０℃〜２００℃／時間の冷却速度でＢＣＣ構造相とＣ１５Ｌａｖｅｓ相の混相領域となる温度以下にまで降温することを特徴とする。
ただし、ａは２０〜４５原子量％、ｂは３０〜７０原子量％、ｃは５〜４５原子量％、ｄは０〜１５原子量％範囲に設定され、ＭはＦｅ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏの一種又は二種以上である。
【００１２】
請求項３記載の水素吸蔵合金の熱処理方法は、請求項２記載の発明において、合金の原材料にフェロバナジウムを含むことを特徴とする。
【００１３】
請求項４記載の水素吸蔵合金の熱処理方法は、請求項２または請求項３に記載の発明において、合金結晶粒内の針状α−Ｔｉの析出量を２体積％以下に抑制し、析出するＣ１５Ｌａｖｅｓ相の８０体積％以上を結晶粒界上に存在させることを特徴とする。
【００１４】
すなわち、本発明の熱処理方法によれば、均質化熱処理の後に１０〜２００℃／時間の冷却速度でＢＣＣ構造相とＣ１５Ｌａｖｅｓ相の混相領域まで降温されるため、結晶粒内の針状α−Ｔｉの析出が抑制されて、ＢＣＣ構造の結晶完全性が改善して有効水素移動量が増加し、且つ結晶粒界上にＣ１５Ｌａｖｅｓ相が薄く析出することから、初期活性化や水素吸放出の際にＣ１５Ｌａｖｅｓ相がＢＣＣ構造の主相への水素移動の短絡経路として活用され、水素吸放出の反応速度が加速される。その結果、各種用途に利用される際の環境温度（２０℃〜８０℃）で優れた特性を有する高容量の水素吸蔵合金を提供することが出来る。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明における成分及び熱処理条件の限定理由を含めて詳細に説明する。
本発明は、前記のようにＴｉ、Ｃｒ、Ｖを構成元素とした三元系合金もしくはＴｉ、Ｃｒ、Ｖに添加元素としてＦｅ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏの一種又は二種以上を添加した多元系合金からなるものであり、結晶構造としてＢＣＣ構造の主相（ＢＣＣ構造相が８０体積％以上、望ましくは９０体積％以上）を有する。結晶構造がこれ以外であると良好な水素吸蔵特性が得られない。
【００１６】
Ｔｉ：２０〜４５原子量％
Ｔｉの組成比を２０原子量％未満にすると、初期活性化が困難になるとともに、水素吸蔵量が低下して実用的でなくなる。一方、Ｔｉの組成比が４５原子量％を越えるとプラトー特性が悪化するため、Ｔｉの組成比を前記範囲内とする。なお、同様の理由で下限を２５原子量％、上限を４０原子量％とするのが望ましい。
【００１７】
Ｃｒ：３０〜７０原子量％
Ｃｒの組成比を３０原子量％未満とすると、プラトー特性が悪化し、７０原子量％を越えると水素吸蔵量及び水素放出量が低下するためＣｒの組成比を前記範囲内とする。なお、同様の理由で下限を４０原子量％、上限を６０原子量％とするのが望ましい。
【００１８】
Ｖ：５〜４５原子量％
Ｖは、ＢＣＣ構造の安定化元素としてＣｒの一部を置換する元素として添加される。Ｖの組成比を５原子量％未満とするとＢＣＣ構造が安定となりうる組成範囲が狭まり、製造過程で合金の主相をＢＣＣ構造に維持することが困難となり、水素吸蔵量が低下する。また、Ｖの組成比が４５原子量％を越えると合金中の水素の安定性が著しく高くなり実用的でないためＶの組成比を前記範囲内とする。
【００１９】
Ｍ群（Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｕ、ＮＩ、Ｍｏの一種又は二種以上）：０〜１５原子量％ＢＣＣ構造の主相を有するＴｉＣｒＶ系合金は水素吸蔵時に面心立方構造（ＦＣＣ構造）に可逆的に変態する。Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏは、ＢＣＣ構造の主相を有するＴｉＣｒＶ系合金のプラトー特性、特に吸放出時の水素平衡圧力調整の目的あるいは水素吸蔵時におけるＦＣＣ構造の積層欠陥エネルギーの増減による耐久性改善の目的で所望により添加する。但し、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏの過剰添加は、水素吸蔵量の減少など合金特性に悪影響を及ぼすことからＦｅ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏの組成比は前記範囲内とする。
【００２０】
均質化熱処理温度（１２００℃〜融点）
一般にＴｉＣｒＶ系合金のＢＣＣ構造は高温平衡相であり、溶解・鋳造時に形成される各成分の凝固偏析、特にＴｉ成分とＶ成分のデンドライト状の凝固偏析を解消して均質化するためには、ＢＣＣ構造相の安定な高温域における均質化熱処理が必要となる。特に、合金全体に構成元素が短時間で移動可能にするためには、合金の成分組成にもよるが少なくとも１２００℃以上で融点以下の高温が必要である。合金の部分的溶融を招かないように上限は融点から２０℃低い温度に設定するのが望ましい。また、熱処理による均質化効果を確実に得るためには、熱処理温度は合金の融点直下（詳しくは合金融点より２０〜１００℃低い温度域）であることが望ましい。
【００２１】
また、発明の熱処理方法では、上記温度に至るまでの昇温過程について特別な制限はないが、熱処理炉の負担を軽減する為に昇温速度は６００℃／時間以下とすることが望ましい。
なお、上記熱処理に用いる加熱炉の構造については、本発明は特に限定するものではなく、既設の加熱炉等を用いることができる。
【００２２】
均質化熱処理時間（１〜２４時間）
均質化効果を十分に得るために１時間以上の保持時間が必要である。一方、２４時間を超えて保持しても効果は飽和するので、１〜２４時間の範囲内で均質化熱処理を行う。
【００２３】
不活性ガス気中又は還元ガス気中又は真空下
本発明における水素吸蔵合金は、原材料に酸素含有量の多いＶが含有されることから合金内酸素含有量が無視できない。また、原材料にフェロバナジウムを使用した場合でも合金内酸素含有量は多くなる。さらに、均質化熱処理に用いる熱処理炉内に酸素が混入していると合金表面近傍にはＴｉ酸化物及びＣｒ酸化物、粗大なα−Ｔｉとともに設計した成分組成から逸脱したＢＣＣ構造の領域が幅広く形成され、最大水素吸蔵量や有効水素移動量が減少し合金特性に悪影響を及ぼすため、合金表面を充分に切削して除去する必要が生じ、作業効率の低下、歩留まりの低下を招く。これに対し、熱処理炉内を不活性ガス雰囲気又は水素などの還元ガス雰囲気又は真空（例えば１×１０^−１Ｔｏｒｒ以下、真空下圧力は工業性を考慮して１×１０^−６Ｔｏｒｒ以上であってもよい。）に制御して均質化熱処理時およびその後の冷却時に炉内の酸素混入量を抑えることが可能になり、水素吸蔵合金の表面酸化を防止して、上記切削作業を必要とすることなく良好な合金特性を得ることが可能になる。
【００２４】
冷却速度（１０℃〜２００℃／時間）
冷却速度の制御は、ＢＣＣ構造の結晶粒内に析出するα−Ｔｉの析出頻度を制御する上で、極めて重要である。均質化熱処理温度からの水や油による焼入れ処理等の急冷処理では、結晶粒内に針状α−Ｔｉが微細に多数析出する。このようなα−Ｔｉの析出を抑制するためには、降温過程の冷却速度は合金製造の許容範囲内で、極力抑えられなくてはならない。また、ＴｉＣｒＶ系合金の常温〜１１００℃の温度範囲には、Ｃ１５Ｌａｖｅｓ相が低温平衡相として存在するため、ＢＣＣ構造相とＣ１５Ｌａｖｅｓ相の混相領域を構成する。Ｘ線回折法で検出又は同定できないほどの少量のＣ１５Ｌａｖｅｓ相を結晶粒界上に薄く析出させるためには、降温過程の冷却速度を前記範囲内とする必要があり、該冷却速度は、上記混相領域に至るまで上記範囲内に維持する必要がある。混相領域に達した後の降温過程において特別な制限はない。したがってそのまま冷却速度を上記範囲内に維持してもよく、また、以降は該範囲を逸脱する冷却速度で冷却してもよい。
ただし、水素吸蔵特性に悪影響を及ぼすと考えられるα−ＴｉはＢＣＣ構造相とＣ１５Ｌａｖｅｓ相の混相領域の温度範囲でも析出可能な第二相であることから、合金組成によってはα−Ｔｉの析出抑制のために、最適な降温速度で常温まで制御することが望ましい。
【００２５】
なお、上記冷却速度を採用しているので、水や油による焼入れ処理等の急冷処理が不要であり、高温域で合金が大気に接触する機会は無く、合金への余分な酸素の混入が極力抑えられる。さらに急冷処理が不要なことから急冷処理用の設備は必要なく設備投資や合金製造コストが抑えられるため、商業生産の点で有利である。
【００２６】
原材料フェロバナジウム（ＶとＦｅを主成分とする合金）の使用
上記の組成範囲を厳守する形での原材料フェロバナジウム採用の場合、合金製造コストの低減効果が極めて大きい。但し、溶解時の脱酸剤等からによる意図しない不純物元素の微量混入があるため、最大水素吸蔵量の変動等の不都合が発生する。しかし、組成範囲を厳守する形でフェロバナジウムを採用する場合は、最大水素吸蔵量の変動は少なく抑えられ、本発明の熱処理方法の適用によって、同様の合金特性改善が得られる。
【００２７】
本発明において、水素吸蔵合金の溶解法については特別な制限は無く、アーク溶解法、高周波誘導溶解法等、種々の溶解法が適用できるが、本発明の水素吸蔵合金の熱処理方法を採用して確実に合金特性改善の効果を得るには、多量の酸素混入による合金特性の悪化を防ぐ為、溶解は不活性ガス気中又は１×１０^−１〜１×１０^−６Ｔｏｒｒの真空下で行われることが望ましい。
なお且つ、溶解凝固過程で形成される結晶粒等の合金組織の違いによって凝固偏析の幅や濃度変動値が変化するため、合金重量に対する鋳型との接触面積等、合金に対する充分な凝固面積を確保して、充分な冷却速度を獲得することが望ましい。
【００２８】
【実施例】
以下に、本発明の実施例について図表を交えて説明する。基本となる構成成分比をＴｉ：３０原子量％、Ｃｒ：５０原子量％、Ｖ：２０原子量％として原料を配合し、アルゴン雰囲気中アーク溶解炉で溶解し、表１に示した組成を有する合金５０ｇを作製した。次いで、アルゴン雰囲気熱処理炉を使用して昇温速度５５０℃／時間で昇温し、１４００℃で３時間の均質化熱処理を行い、３０℃／時間の冷却速度で炉内にて常温まで冷却した。得られた水素吸蔵合金を本発明の実施例としての測定試料とした。また、比較の為、同じく基本となる構成成分比をＴｉ：３０原子量％、Ｃｒ：５０原子量％、Ｖ：２０原子量％として原料を配合し、アーク溶製した表１に示すような組成を有する合金５０ｇに、アルゴン雰囲気熱処理炉を使用して昇温速度５５０℃／時間で昇温し、１４００℃で３時間の均質化熱処理を行い水焼入れ処理した。得られた水素吸蔵合金を比較例としての測定試料とした。なお、上記水焼入れ処理時の冷却速度は約３．６×１０^５℃／時間である。
【００２９】
【表１】

【００３０】
上記各測定試料の一部は、約２００メッシュ以下に粉砕してＸ線回折法による合金分析に使用し、他の一部は約５０〜２００メッシュの範囲に粉砕して水素ガス雰囲気での水素吸放出量測定（Ｐ（水素圧力）−Ｃ（組成）−Ｔ（温度）測定）に使用した。残りの合金塊は光学顕微鏡観察及び電解放射型走査型電子顕微鏡観察（ＦＥ−ＳＥＭ観察）の観察試料に使用した。
【００３１】
最初に、実施例と比較例の観察試料について、光学顕微鏡観察を実施して結晶粒内の針状α−Ｔｉの析出状況を調べた。図１に実施例の光学顕微鏡写真を、図２に比較例の光学顕微鏡写真を示す。実施例では粗大な針状α−Ｔｉが若干量存在する程度に抑制されていた。一方、比較例では微細な針状α−Ｔｉが多量に析出していた。
【００３２】
また、実施例と比較例で観察された析出物の性状を確認するためにＦＥ−ＳＥＭのエネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＳ分析）による面分析を実施した。図３に実施例で観察された結晶粒界上に存在するＣ１５Ｌａｖｅｓ相のＶ成分の面分析結果を、図４に比較例で観察された結晶粒内に存在する針状α−ＴｉのＴｉ成分の面分析結果を示す。実施例で観察された結晶粒界上のＣ１５Ｌａｖｅｓ相は、析出したＣ１５Ｌａｖｅｓ相の全量のうち９０体積％以上を占めていた。また、結晶粒界上のＣ１５Ｌａｖｅｓ相のＴｉ及びＣｒの成分比は母相のＢＣＣ構造相とほぼ同様であったが、図３に示すようにＶ成分は結晶内部のＢＣＣ構造相よりも欠乏していることが判明した。比較例で観察された結晶粒内の針状α−Ｔｉは、図４に示すようにＢＣＣ構造相よりも極めて高い濃度でＴｉが濃化していることが判明し、約７５〜９５原子量％のＴｉが存在していた。
【００３３】
さらに、実施例と比較例の測定試料を、それぞれＸ線回折法により結晶構造を調べた。このときのＸ線はＣｕＫα線を用いた。図５に実施例と比較例の測定結果を示す。図５で観察された両者のＸ線回折ピークはＢＣＣ構造相のものであり、異相の存在はＸ線回折法では明確ではなかった。実施例では、図５に示すように本発明の熱処理によりＢＣＣ構造相の結晶完全性が改善され、比較例よりもＢＣＣ構造相の回折強度が増加した。なお、実施例と比較例のＢＣＣ構造相の格子定数はほぼ等しい値である。
【００３４】
図６にＸ線回折法で得られたＢＣＣ構造相の（１１０）ピークの回折強度と結晶粒内の針状α−Ｔｉの析出量との相関を示す。図６に示すように、実施例は比較例よりも析出量が減少して回折強度が増加していることから、結晶粒内の針状α−Ｔｉの析出量を抑制することによってＢＣＣ構造相の結晶完全性が改善され得ることが証明された。
【００３５】
次に、実施例及び比較例について、平衡水素圧力−水素吸収量−等温曲線を求めた。図７に実施例と比較例の曲線を示す。実施例では、図７に示すように本発明の熱処理によるＢＣＣ構造の結晶粒内の針状α−Ｔｉ析出抑制により、比較例よりも水素吸蔵量が増加し、プラトー領域が平坦化した。
【００３６】
さらに、実施例及び比較例について、初期活性化の水素吸蔵量−時間曲線を求めた。図８に実施例と比較例の曲線を示す。実施例では、図８に示すようにＣ１５Ｌａｖｅｓ相の微量粒界析出により、初期活性化を実施してまもなく水素吸蔵が開始されて活性化速度も極めて速いが、比較例では水素吸蔵が開始されるのに一定時間を要し、水素吸蔵開始後も活性化速度は実施例よりも遅いことがわかる。
【００３７】
以上実施例で説明したように、ＢＣＣ構造の主相を有し、低温平衡相としてＣ１５Ｌａｖｅｓ相を有するＴｉＣｒＶ系水素吸蔵合金において、本発明の熱処理方法を実施することにより、ＢＣＣ構造の結晶粒内に析出するα−Ｔｉの過剰析出を抑制し、且つ結晶粒内に析出したα−Ｔｉを結晶粒界へ移動・排出させ、さらに結晶粒界に薄くＣ１５Ｌａｖｅｓ相を析出させることにより、水素吸蔵量を維持又は増加させ、活性化及び水素吸放出の反応速度を加速させることができ、実用性に優れた水素吸蔵合金を得ることができる。
【００３８】
次に、表２に本発明の熱処理を施した各種合金と水焼入れ処理を施した各種合金の熱処理冷却条件と有効水素移動量を示す。なお、表２に記載した合金の構成成分比は本発明に記載した組成範囲内であり、全ての合金でＢＣＣ構造が主相となっている。また、全ての合金はアルゴン雰囲気熱処理炉を使用して昇温速度５５０℃／時間で昇温し、１４００℃で３時間の均質化熱処理を行っている。表２に示すように、本発明の熱処理を施した合金は、同一成分比の水焼入れ処理を施した合金よりも有効水素移動量が増加した。
【００３９】
【表２】

【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、従来の方法では達成が困難であったＢＣＣ構造の主相を有するＴｉＣｒＶ系水素吸蔵合金の活性化や水素吸放出の反応速度の増加、水素吸蔵量の増加といった合金特性改善が、急冷処理等の為の設備投資や合金製造コストの増大を伴うことなく達成される。この結果、本発明の水素吸蔵合金は、実用的な特性を有しつつ安価且つ生産量増大を図ることが可能となり、特に可逆的な水素吸放出を利用する水素貯蔵システムへの高性能化・低コスト化への寄与は多分に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の光学顕微鏡写真を示す図面代用写真である。
【図２】比較例の光学顕微鏡写真を示す図面代用写真である。
【図３】本発明の実施例で観察された結晶粒界上のＣ１５Ｌａｖｅｓ相のＦＥ−ＳＥＭ像と同一視野のＶ成分面分析像を示す図面代用写真である。
【図４】比較例で観察された結晶粒内の針状α−Ｔｉ析出物のＦＥ−ＳＥＭ像と同一視野のＴｉ成分面分析像を示す図面代用写真である。
【図５】本発明の実施例と比較例のＸ線回折パターンを示す図である。
【図６】本発明の実施例と比較例の（１１０）面のＸ線回折強度と結晶粒内の針状α−Ｔｉ析出量の相関図である。
【図７】本発明の実施例と比較例の平衡水素圧力−水素吸収量−等温曲線を示す図である。
【図８】本発明の実施例と比較例の初期活性化の水素吸蔵量−時間曲線を示す図である。

Claims

式：Ｔｉ_ａＣｒ_ｂＶ_ｃＭ_ｄで表され、低温平衡相としてＣ１５Ｌａｖｅｓ相を含み、主相がＢＣＣ構造からなるとともに、合金結晶粒内の針状α−Ｔｉの析出量が２体積％以下であり、前記Ｃ１５Ｌａｖｅｓ相のうちの８０体積％以上が結晶粒界上に存在することを特徴とする水素吸蔵合金。
ただし、ａは２０〜４５原子量％、ｂは３０〜７０原子量％、ｃは５〜４５原子量％、ｄは０〜１５原子量％範囲に設定され、ＭはＦｅ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏの一種又は二種以上である。
式：Ｔｉ_ａＣｒ_ｂＶ_ｃＭ_ｄで表され、低温平衡相としてＣ１５Ｌａｖｅｓ相を含み、主相がＢＣＣ構造からなる水素吸蔵合金の熱処理方法において、合金溶製後、１２００℃〜融点の温度で、不活性ガス気中又は還元ガス気中又は真空下で１〜２４時間の範囲で均質化熱処理し、その後、不活性ガス気中又は還元ガス気中又は真空下で１０℃〜２００℃／時間の冷却速度でＢＣＣ構造相とＣ１５Ｌａｖｅｓ相の混相領域となる温度以下にまで降温することを特徴とする水素吸蔵合金の熱処理方法。
ただし、ａは２０〜４５原子量％、ｂは３０〜７０原子量％、ｃは５〜４５原子量％、ｄは０〜１５原子量％範囲に設定され、ＭはＦｅ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏの一種又は二種以上である。
合金の原材料にフェロバナジウムを含むことを特徴とする請求項２記載の水素吸蔵合金の熱処理方法。
合金結晶粒内の針状α−Ｔｉの析出量を２体積％以下に抑制し、析出するＣ１５Ｌａｖｅｓ相のうちの８０体積％以上を結晶粒界上に存在させることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の水素吸蔵合金の熱処理方法。