JP2006183126A

JP2006183126A - 高耐食アルミマンガン合金、高耐食金属材、及びそれらの製造方法

Info

Publication number: JP2006183126A
Application number: JP2004381121A
Authority: JP
Inventors: Yuji Asano; 祐二浅野; Takanori Hida; 貴紀日田; Masanori Isozaki; 正則磯崎; Koichi Adachi; 浩一足立
Original assignee: Fujikura Ltd; Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Fujikura Ltd; Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2006-07-13

Abstract

【課題】耐食性に優れたアルミマンガン合金を得る。
【解決手段】マンガン０．３〜３．０重量％を含有し残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成のアルミマンガン合金を、４００℃以上の温度で熱処理する。耐食性向上に有効なＡl_６Ｍnの析出が少ないので、耐食性向上の効果が実際に有効に実現される。また、マンガンの添加により機械的強度が向上する。機械的強度及び耐食性が共に良好な高耐食アルミマンガン合金が得られる。
【選択図】図２

Description

この発明は、高い耐食性を示す高耐食アルミマンガン合金、及び高耐食金属材、並びに、それらを製造する製造方法に関する。

アルミニウムには、軽量、導電性が良好、耐食性に優れているなどの特長があることから、アルミ缶、アルミサッシなどの建材、電線材料などに広く使用されている。アルミニウムの耐食性は、純度が高くなるほど良好であるが、高純度のアルミニウムは機械的強度や耐熱性に劣るという欠点がある。一方、純度の低いアルミニウムは耐食性に劣るという欠点がある。例えば、アルミニウムの代表的な不純物である鉄は、腐食電位の違い（表１参照）からアルミニウム中でカソードとなり、耐食性を著しく低下させる。

アルミニウムの機械的強度を確保しつつ耐食性を確保する方法として、少量のマンガンを添加する方法がある。マンガンの添加により機械的強度が向上すると同時に、アルミニウム中にＡl_６Ｍnが形成され、このＡl_６Ｍnが鉄を取込みＡl_６Ｍn・Ｆeとなることで耐食性の低下を抑制することができる。つまり、Ｆe_３ＡlはＡlに対して貴でありＡlを腐食させるが、Ａl_６Ｍn・Ｆe
となることで腐食電位がＡlに近づき、Ｆeの影響を軽減する。
特開平５−２７９７７８

前述のとおり、腐食電位の観点からはマンガンの添加が効果的であるが、アルミニウム中でＡl_６Ｍnは析出しやすく、また、析出物は腐食の基点となりやすい。このため、単にアルミニウムにマンガンを添加しただけでは、必ずしも耐食性向上の効果が十分得られないという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、マンガン添加による耐食性向上の効果が有効に実現される高耐食アルミマンガン合金、及び高耐食金属材、並びにそれらを製造する製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する請求項１の発明の高耐食アルミマンガン合金は、マンガン０．３〜３．０重量％を含有し残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成であり、かつ、４００℃以上の温度に加熱した後、急冷したこと特徴とする。

請求項２の高耐食アルミマンガン合金の製造方法は、マンガン０．３〜３．０重量％を含有し残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成のアルミマンガン合金を、４００℃以上の温度に加熱した後、急冷することを特徴とする。

請求項３の高耐食アルミマンガン合金は、マンガン０．３〜３．０重量％を含有し残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成であり、かつ、少なくとも表面温度が４００℃以上となるまでアークまたはレーザ照射により加熱し次いで放冷したことを特徴とする。

請求項４の高耐食アルミマンガン合金の製造方法は、マンガン０．３〜３．０重量％を含有し残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成であり、かつ、少なくとも表面温度が４００℃以上となるまでアークまたはレーザ照射により加熱し次いで放冷することを特徴とする。

請求項５の高耐食金属材は、金属材の表面に、マンガン０．３〜３．０重量％を含有し残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成のアルミマンガン合金を溶射法により被覆したことを特徴とする。

請求項６の高耐食金属材の製造方法は、金属材の表面に、マンガン０．３〜３．０重量％を含有し残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成のアルミマンガン合金を溶射法により被覆することを特徴とする。

請求項７の高耐食金属材は、線状の金属芯材の表面に、マンガン０．３〜３．０重量％を含有し残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成のアルミマンガン合金を、溶融金属浴中に金属芯材を連続的に通し冷却するディップフォーミング法により、被覆したことを特徴とする。

請求項８は、線状の金属芯材の表面に、マンガン０．３〜３．０重量％を含有し残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成のアルミマンガン合金を、溶融金属浴中に金属芯材を連続的に通し冷却するディップフォーミング法により、被覆することを特徴とする。

請求項９の高耐食金属材は、金属材の表面に、マンガン０．３〜３．０重量％を含有し残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成のアルミマンガン合金を押出し法により被覆し、かつ押出し直後に急冷したことを特徴とする。

請求項１０の高耐食金属材の製造方法は、金属材の表面に、マンガン０．３〜３．０重量％を含有し残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成のアルミマンガン合金を押出し法により被覆し、かつ押出し直後に急冷することを特徴とする。

請求項１１の高耐食アルミマンガン合金は、マンガン０．３〜３．０重量％を含有し残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成であり、かつ、４００℃以上の温度に加熱した後、急冷してなり、かつ、導電率が３８．５％ＩＡＣＳ以下であるであること特徴とする。

請求項１、２又は１１の発明によれば、Ａl_６Ｍnの析出が少ないアルミマンガン合金が得られるので、添加したマンガンによる耐食性向上の効果が実際に有効に実現される。また、マンガンの添加で機械的強度が向上する。したがって、機械的強度及び耐食性が共に良好なアルミマンガン合金が得られる。

請求項３のように、アルミマンガン合金の表層のみを熱処理することでも、金属の表面から内部へと進行する通常の腐食を防止する効果は十分期待できる。

また、請求項４〜１０の発明によれば、高耐食アルミマンガン合金からなる被覆がベースの金属材の腐食を有効に防止するので、耐食性に優れた高耐食金属材が得られる。

以下、本発明を実施した高耐食アルミマンガン合金、及び高耐食金属材、並びにそれらを製造する製造方法について、図面を参照して説明する。

本発明はアルミマンガン合金についてのものであるが、図４にＡl-Ｍn合金の二元系状態図（その一部（Ｍn成分が０〜５重量％の範囲））を示す。Ａl-Ｍn合金の温度とマンガン固溶量の関係が示されているが、マンガンの固溶量は温度と相関があり、Ａl-Ｍn合金を加熱した後、マンガンがＡl_６Ｍnとして析出する前に急冷することにより、Ａl_６Ｍnの析出を抑制することができる。

まず、Ａl-Ｍn合金のマンガン固溶量と熱処理温度及び耐食性との関係について述べる。図１はその調査結果を示す。アルミニウムに１．６重量％のマンガンを添加したＡl-Ｍn合金の板を試作し、さらに熱処理によりマンガンの固溶量を各種変化させ試料とした。熱処理温度は図中に示したとおりであり、加熱は電気炉で、冷却は水冷で行った。なお、マンガン固溶量を直接定量的に測定することは難しいため、固溶量と相関のある導電率（％ＩＡＣＳ）を固溶量の指標とするのが適切である。試験は供試品を塩酸中に５００時間浸漬し、腐食による重量の減少量を測定することにより行った。なお、導電率％ＩＡＣＳは、国際標準軟銅の電気抵抗値に相当する導電率を１００とした相対比で表したものである。
同図から明らかな通り、２００℃や３００℃程度の温度による熱処理では、Ａl_６Ｍnの析出量が多いＡl-Ｍn合金となりかつ腐食減量が多く（耐食性が低く）なるが、４００℃以上の温度で熱処理をした場合は、Ａl_６Ｍnの析出量が少ないＡl-Ｍn合金となりかつ腐食減量が０．０８ｇ／ｃｍ^２以下と十分少なく（耐食性が高く）なることが分かる。なお、図１の試験結果は、添加したマンガンが１．６重量％の場合であるが、マンガンの添加量が若干異なっても、図１の曲線と概ね同じパターンが得られる。
このように、熱処理温度については、４００℃以上の温度で熱処理してマンガンを固溶させることで、Ａl_６Ｍnの析出量が少ないＡl-Ｍn合金が得られ、４００℃以下の温度の熱処理によるＡl_６Ｍn析出量の多いＡl-Ｍn合金に比べ、はるかに優れた耐食性が得られることが分かる。
図１から明らかな通り、４００℃以上の温度で熱処理することは、導電率が３８．５％ＩＡＣＳ以下となることに対応している。したがって、熱処理温度４００℃以上という条件とともに、熱処理後の合金の導電率が３８．５％ＩＡＣＳ以下であることを条件にすると、製造に際して所望の品質を確保することが容易である。
なお、熱処理温度の上限については、特に制限はないが、通常は完全溶融しない程度とする。しかし、アークやレーザ照射で表面熱処理する場合には、通常、表面付近で部分的に溶融する。

一般にアルミマンガン合金においては、アルミニウム中に形成されたＡl_６Ｍnが、アルミニウム中の代表的な不純物である鉄を取込みＡl_６Ｍn・Ｆeとなることで耐食性の低下を抑制する。つまり、Ｆe_３ＡlはＡlに対して貴でありＡlを腐食させるのに対して、Ａl_６Ｍn・Ｆe
となることで腐食電位がＡlに近づき、Ｆeの影響が軽減されることで、耐食性の低下を抑制するが、本発明の高耐食アルミマンガン合金は、Ａl_６Ｍnの析出が少なく、ＡlとＡl_６Ｍn固溶体との共晶としてのＡl_６Ｍn固溶体が多く形成されるので、Ｆeの影響を軽減する効果が大きく発揮され、耐食性向上の効果を実際に有効に実現している。また、析出物は腐食の基点となり易いが、Ａl_６Ｍnの析出が少ないことが、この点でも耐食性向上の効果を有効にしている。
そして、上記の高耐食アルミマンガン合金は、マンガンの添加により機械的強度が向上しているので、機械的強度及び耐食性が共に良好なアルミマンガン合金となっている。

次に、マンガン添加率について述べる。図２はマンガン添加率と耐食性の関係を塩酸浸漬試験により調査した結果である。
同図（イ）は試料を４００℃で、同図（ロ）は試料を６００℃でそれぞれ熱処理することにより、マンガンの固溶化処理を行った。塩酸濃度はｐＨ＝０．５とし、浸漬時間は４８時間とした。
同図から明らかな通り、マンガン濃度が０．３重量％（図ではｗｔ％）以下では、腐食減量が０．２５ｇ/ｃｍ^２以上（４００℃熱処理）あるいは０．２０ｇ/ｃｍ^２以上（６００℃熱処理）であり、マンガン添加による耐食性向上効果はあまり期待できない。なお、架空送電線に適用する場合では、著しい腐食環境であっても、腐食減量０．２５ｇ/ｃｍ^２以下の耐食性があれば、通常の耐用年数以上の寿命がある。
一方、添加量を３．０重量％より増やしても、耐食性向上効果はあまり変らない。Ａl_６Ｍnの析出を抑えるためには、不要なマンガンの添加は避けるべきであるから、添加量は０．３〜３．０重量％が適切である。なお、架空送電線に適用する場合、本来の性能として導電率が高い方が望ましいという点では添加物は少ない方がよいので、その面からも、それ以上マンガン添加量を増しても腐食減量が変わらない３重量％という上限値は適切である。なお、マンガン添加率が６重量％の場合についても試験したが、３重量％の場合と殆ど差がなかった（図２（イ）、（ロ）中への記載は省略した）。

上記の高耐食アルミマンガン合金は、種々の用途の供することができるが、鋼心アルミ撚線（ＡＣＳＲ）の導体素線その他の電線材料として用いることができ、また、アルミ缶、アルミサッシその他の用途に用いることができる。

上述の実施例では、熱処理を対象物全体に対して行っているが、対象物表層のみを熱処理することもできる。腐食は金属の表面から内部へと進行するので、対象物表層のみを熱処理することによっても、耐食性向上効果は期待できる。
この場合、例えば、アーク（電弧）又はレーザ照射によりＡl-Ｍn合金（マンガン０．３〜３．０重量％を含有し残部がアルミニウム及び不可避的不純物）の表面を瞬間的に加熱した後放冷することにより、表層熱処理を行うことができる。電気炉などを用いて対象物全体を加熱する場合、熱容量が大きく冷却に時間がかかるが、表層のみを加熱する場合、水などを用いなくても放冷により比較的短時間に冷却される。
アークによる熱処理の一例を上げると、例えば、マンガン添加率１．６重量％のＡl-Ｍn合金の板に、温度８００℃のアークを０．２秒間吹き付ける熱処理をすると、例えば約０．１５ｍｍ厚さ程度の部分が有効に熱処理されて、耐食性の高いアルミマンガン被覆が形成される。

また、金属材の表面に、アルミマンガン合金（マンガン０．３〜３．０重量％を含有し残部がアルミニウム及び不可避的不純物）を、溶射法により被覆することで、耐食性の良好な高耐食金属材を得ることができる。
溶射法とは、溶融した金属粒子を吹きつけて対象物表面に被覆を形成する方法であるが、この場合、６６０℃（アルミニウムの融点）以上の高温で溶融したＡl-Ｍn合金粒子を金属材表面に吹き付けると、Ａl-Ｍn合金は金属材表面に付着した瞬間に熱を奪われ固まり、被膜が形成される。この溶射法では、高温のＡl-Ｍn合金が瞬時に冷却されるので、マンガン（Ａl_６Ｍn）を十分に固溶させることが可能である。したがって、表面に高耐食被膜を持つ高耐食金属材が得られる。
この場合のベースの金属材は、アルミマンガン合金自体であってもよいし、また、鉄、その他の金属、ないし合金等任意である。

また、線状の金属芯材の表面に、アルミマンガン合金（マンガン０．３〜３．０重量％を含有し残部がアルミニウム及び不可避的不純物）を、ディップフォーミング法により被覆することで、耐食性の良好な高耐食金属材を得ることができる。
ディップフォーミング法とは、溶融金属浴中に芯材を連続的に通し次いで冷却することにより、芯材の表面に被覆を形成する方法であるが、この場合、図３に示すように、６６０℃以上の高温で溶融したＡl-Ｍn合金浴１中に金属芯材２を高速で連続的に通し、例えば冷却水槽３を通過させて冷却することにより、金属芯材２の表面にＡl-Ｍn合金被覆を形成する。このディップフォーミング法においても、高温のＡl-Ｍn合金が瞬時に冷却されるので、マンガン（Ａl_６Ｍn）を十分に固溶させることが可能である。したがって、表面に高耐食被膜を持つ高耐食金属材が得られる。
この場合の金属芯材も、アルミマンガン合金自体であってもよいし、また、鉄、その他の金属、ないし合金等任意である。
さらに、ディップフォーミング法の代りに、押出法により被覆することも可能である。押出法では押出時に被覆材の温度が４００℃程度まで上昇する。そこで、アルミマンガン合金を押出した直後に水槽などで急冷することにより、表面に高耐食被膜を持つ高耐食金属材が得られる。
この場合の金属芯材も、アルミマンガン合金自体であってもよいし、また、鉄、その他の金属、ないし合金等任意である。

本発明を説明するための図で、Ａl-Ｍn合金の導電率（固溶量の指標）と耐食性との関係を調査した結果を示すグラフである。本発明を説明するための図で、マンガン添加量と耐食性との関係を調査した結果を示すグラフであり、（イ）は試料を４００℃で熱処理、（ロ）は試料を６００℃でそれぞれ熱処理した場合のものである本発明で用いるディップフォーミング法を説明する図である。本発明で用いるＡl-Ｍn合金の二元系状態図である。

Claims

マンガン０．３〜３．０重量％を含有し残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成であり、かつ、４００℃以上の温度に加熱した後、急冷したこと特徴とする高耐食アルミマンガン合金。
マンガン０．３〜３．０重量％を含有し残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成のアルミマンガン合金を、４００℃以上の温度に加熱した後、急冷することを特徴とする高耐食アルミマンガン合金の製造方法。
マンガン０．３〜３．０重量％を含有し残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成であり、かつ、少なくとも表面温度が４００℃以上となるまでアークまたはレーザ照射により加熱し次いで放冷したことを特徴とする高耐食アルミマンガン合金。
マンガン０．３〜３．０重量％を含有し残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成であり、かつ、少なくとも表面温度が４００℃以上となるまでアークまたはレーザ照射により加熱し次いで放冷することを特徴とする高耐食アルミマンガン合金の製造方法。
金属材の表面に、マンガン０．３〜３．０重量％を含有し残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成のアルミマンガン合金を溶射法により被覆したことを特徴とする高耐食金属材。
金属材の表面に、マンガン０．３〜３．０重量％を含有し残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成のアルミマンガン合金を溶射法により被覆することを特徴とする高耐食金属材の製造方法。
線状の金属芯材の表面に、マンガン０．３〜３．０重量％を含有し残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成のアルミマンガン合金を、溶融金属浴中に金属芯材を連続的に通し冷却するディップフォーミング法により、被覆したことを特徴とする高耐食金属材。
線状の金属芯材の表面に、マンガン０．３〜３．０重量％を含有し残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成のアルミマンガン合金を、溶融金属浴中に金属芯材を連続的に通し冷却するディップフォーミング法により、被覆することを特徴とする高耐食金属材の製造方法。
金属材の表面に、マンガン０．３〜３．０重量％を含有し残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成のアルミマンガン合金を押出し法により被覆し、かつ押出し直後に急冷したことを特徴とする高耐食金属材。
金属材の表面に、マンガン０．３〜３．０重量％を含有し残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成のアルミマンガン合金を押出し法により被覆し、かつ押出し直後に急冷することを特徴とする高耐食金属材の製造方法。
マンガン０．３〜３．０重量％を含有し残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成であり、かつ、４００℃以上の温度に加熱した後、急冷してなり、かつ、導電率が３８．５％ＩＡＣＳ以下であるであること特徴とする高耐食アルミマンガン合金。