JP5159196B2 - 高圧水素ガス貯蔵容器用アルミニウム合金 - Google Patents
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Description
Mg≦1.73Si−0.52% ・・・(1)
Mg≦1.5% ・・・(2)
Mg≧0.9% ・・・(3)
Si≦1.8% ・・・(4)
を満たす範囲内で含有し、さらにFe0.01〜0.7%を含有し、残部がアルミニウムおよび不可避的不純物よりなり、Si量が、Mg 2 Si生成のためのMg−Si平衡組成よりも0.3%以上過剰であって、しかも1.4%以上、2.4%以下のMg 2 Siが生成されるようにMg量およびSi量が定められていることを特徴とするものである。
MgおよびSiは、いずれもこの発明の高圧水素ガス貯蔵容器用アルミニウム合金において必須かつ重要な基本成分であり、製造されたライナーについて溶体化処理を施してMg、Siをアルミニウムマトリックス中に固溶させた後、水焼き入れまたは強制空冷により急冷して室温において過飽和に固溶させ、その後人工時効を行うことにより、マトリックス中にMg2Si析出物を密に析出させ、ライナーの強度を高めることができる。このようにMgとSiを主成分として含有するアルミニウム合金はAl−Mg−Si系合金と称されるものであり、MgとSiのそれぞれの添加量を調整することにより種々の特性の合金が得られるが、この発明においては、MgとSiの添加量を次の(1)〜(4)の不等式を満たす範囲とする必要がある。
Mg≦1.73Si−0.52% ・・・(1)
Mg≦1.5% ・・・(2)
Mg≧0.9% ・・・(3)
Si≦1.8% ・・・(4)
Feは、容器の素材となるアルミニウム合金を溶解して鋳造する段階において、Al―Fe―Si系金属間化合物晶出相を形成し、成形後の容器では粒径数μm程度のAl―Fe―Si系粒子として存在する。このAl―Fe―Si系粒子は、溶体化処理時に材料が再結晶する際に再結晶の核生成サイトとして機能して、材料中の再結晶核の数密度を増大させ、結果的に再結晶後の結晶粒の微細化を図ることができ、これにより疲労特性が向上するばかりでなく、水素脆化の影響をもより軽減することが可能となる。ここでFe量が0.01%未満では、充分な上述の効果を得ることができず、一方Fe量が0.7%を越えて添加されれば、材料中のAlFeSi粒子が粗大になりすぎ、容器を成形する段階においてその粗大粒子が破壊の起点となるため、容器の成形性が低下してしまう。したがってFe添加量は0.01〜0.7%の範囲内とした。
Cuは、溶体化処理後に人工時効した際に得られる強度をさらに高める効果があり、また人工時効時に粒界上に形成され粒界破壊の起点となるMg2Si析出物およびSiを主成分とする析出物を微細化する効果を有し、これにより粒界の破壊抵抗を高めて、水素脆化による粒界割れ感受性を低減する効果を奏する。またCuは、材料の冷間加工性を高めて、容器の成形性を高める効果も有する。ここで、Cuを積極的に添加する場合のCu量が0.1%未満のCu量では、上述のCu添加の効果を充分に得ることができず、一方Cu量が1.5%を越えれば材料の耐食性が大幅に低下してしまい、容器として使用することができなくなるから、Cuを積極添加する場合のCu量は0.1〜1.5%の範囲内とした。なおCuを積極添加しない場合でも、0.1%未満のCuが不可避的不純物として含まれる場合があることはもちろんである。
Mn、Cr、Zr、Sc、Vは、いずれも容器の素材となるアルミニウム合金を溶解して鋳造する段階において、鋳塊中に過飽和に固溶され、引き続き行なわれる均質化処理または熱間加工前の加熱処理中に、各元素とAlよりなる粒子径0.01〜1μmの金属間化合物粒子を生成する。このような微細な金属間化合物粒子は、マトリクス中に均一に分散することによって、アルミニウム合金素材から容器を熱間加工により成形する段階またはその後の溶体化処理中における結晶粒組織を安定化させ、結晶粒が異常に粗大化することを防止する作用をもたらす。ここで、結晶粒組織が異常に粗大化した場合には、水素脆化感受性が高まって、粒界割れが生じやすくなるため、疲労寿命が著しく低下し、高圧容器として使用することは困難になる。ここで、それぞれの元素の添加量がMn0.05%未満、Cr0.01%未満、Zr0.01%未満、Sc0.01%未満、V0.01%未満であれば、前述のような微細な金属間化合物の分布密度が不充分となるため、結晶粒を安定化する効果が乏しく、粗大粒の発生を防止する効果が充分に得られない。またそれぞれの元素の添加量が、Mn1.2%、Cr0.4%、Zr0.3%、Sc0.5%、V0.3%を越えた場合には、過剰に添加されたこれらの元素が鋳造時に粗大な金属間化合物として晶出し、その後の容器の成形段階において割れの起点となるため、容器成形性が大幅に低下してしまうおそれがある。そこでMnは0.05〜1.2%、Crは0.01〜0.4%、Zrは0.01〜0.3%、Scは0.01〜0.5%、Vは0.01〜0.3%の範囲内とした。なおこれらの元素を積極的に添加しない場合でも、それぞれの元素が不可避的不純物として下限未満の量含有される場合があることはもちろんである。
水素脆化感受性指数=(ε1%−ε98%)/ε1%
Claims (5)
- MgおよびSiを、質量%で次の(1)〜(4)式
Mg≦1.73Si−0.52% ・・・(1)
Mg≦1.5% ・・・(2)
Mg≧0.9% ・・・(3)
Si≦1.8% ・・・(4)
を満たす範囲内で含有し、さらにFe0.01〜0.7%(質量%、以下同じ)を含有し、残部がアルミニウムおよび不可避的不純物よりなり、Si量が、Mg 2 Si生成のためのMg−Si平衡組成よりも0.3%以上過剰であって、しかも1.4%以上、2.4%以下のMg 2 Siが生成されるようにMg量およびSi量が定められていることを特徴とする、高圧水素ガス貯蔵容器用アルミニウム合金。
- 請求項1に記載の高圧水素ガス貯蔵容器用アルミニウム合金において、
さらにCu0.1〜1.5%を含有することを特徴とする、高圧水素ガス貯蔵容器用アルミニウム合金。 - 請求項1もしくは請求項2に記載の高圧水素ガス貯蔵容器用アルミニウム合金において、
さらにMn0.05〜1.2%、Cr0.01〜0.4%、Zr0.01〜0.3%、Sc0.01〜0.5%、V0.01〜0.3%のうちから選ばれた1種または2種以上を含有することを特徴とする、高圧水素ガス貯蔵容器用アルミニウム合金。 - 請求項1から請求項3のいずれかの請求項に記載のアルミニウム合金によりなる高圧水素ガス貯蔵容器用アルミニウム合金製ライナー。
- 請求項4に記載のアルミニウム合金製ライナーの外側に繊維強化樹脂を巻き付けることにより補強してなる高圧水素ガス貯蔵容器。
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