JP5808017B2

JP5808017B2 - 金属部品および金属部品の製造方法

Info

Publication number: JP5808017B2
Application number: JP2012194603A
Authority: JP
Inventors: 保花形; 渡辺正美
Original assignee: 株式会社ニステック
Priority date: 2012-09-04
Filing date: 2012-09-04
Publication date: 2015-11-10
Anticipated expiration: 2032-09-04
Also published as: JP2014051685A

Description

この発明は、高温雰囲気下で使用することのできる高温電気伝導性を備えた金属部品に係り、特に燃料電池の電流取り出し端子や高温用の電気伝導ワイヤとして使用するのに有効な金属部品および金属部品の製造方法に関する。

高温雰囲気下で使用する電気伝導体として、従来では、主に白金やパラジウムが用いられてきた。白金やパラジウムは、融点が高く、耐酸化性があり、電気伝導度も高いからである。

しかし、白金やパラジウムは高価であり、特に大電流を流す場合にはジュール熱による溶融のおそれを排除するためにワイヤ（リード線）の断面を大きくしなくてはならないから、使用するのが困難なことが多かった。
また、Ｎｉ基合金やＣｏ基合金は、６００℃以上の高温酸化雰囲気下で表面に酸化被膜（錆）が生成し表面の電気伝導性が低下するため、２つの部材の表面を接触させて導通をとる場合に導通性能が悪化するという問題があった。

そこで、特開２００３−２９３１７０号公報（特許文献１参照）において、５００℃〜９６０℃の範囲の高温酸化雰囲気下において使用される高温電気伝導体であって、フェライト系ステンレス鋼製の金属母材の表面にＮｉメッキを施し、その上で銀メッキを施すことにより、上記金属母材の表面に銀被膜を形成してなる高温電気伝導体が提案されている。
それによって大電流を流す用途にも、断面を大きくして容易に対応することができ、しかも、高温雰囲気下で使用しても表面の電気伝導度が低下することがなく、それにより相手部材と接触導通を図る場合にも高い電気導通度を維持することの可能な実用的な高温電気伝導体の提供を可能としている。

特開２００３−２９３１７０号公報

しかしながら上記従来の発明においては、フェライト系ステンレス鋼製の金属母材の表面にＮｉメッキを施し、その上で銀メッキを施すことにより、上記金属母材の表面に銀被膜を形成しているため、ＳＯＦＣタイプの燃料電池のように７００〜９００℃で１０年間にも及ぶ長期間の雰囲気に暴露される場合には、以下のような課題が存在していた。
１）酸素原子が熱拡散によりＡｇめっき層を透過し、下地のＮｉめっき層を酸化させることで絶縁性の酸化ニッケルが生成され電気抵抗が増加する欠点があった。
２）母材のＳＵＳ部材の成分であるＣｒが銀めっき層を熱拡散により通過してＣｒ酸化物が蒸発しセル内を汚染することで特性が劣化するという、所謂Ｃｒによる被毒問題があった。
３）高温下８００℃以上の使用では、銀の蒸発による電池内部の銀汚染による絶縁性低下や短絡事故のおそれがあった。

そこでこの発明は、前記従来技術の課題を解決しようとするものであり、フェライト系ステンレス鋼製の金属母材の表面にＣｏメッキを施し、その上で銀メッキを施すことにより、上記金属母材の表面に銀被膜を形成し、大電流を流す用途にも断面を大きくして容易に対応することができ、しかも高温雰囲気下で使用しても表面の(1)電気伝導度が低下することがなく、それにより相手部材と接触導通を図る場合にも高い電気導通性を維持することが可能でかつ(2)Ｃｒによる燃料電池の被毒を解消した。(3)更に銀の蒸発防止により短絡事故防止を計り実用的な金属部品を提供することをその目的とするものである。

すなわちこの発明の金属部品は、ステンレス鋼の母材と、前記ステンレス鋼の上に設けた第１のＣｏメッキ層と、前記第１のＣｏメッキ層の上に設けた銀被膜と、前記銀被膜の上に第２のＣｏメッキ層とを設けたことを特徴とするものである。

この発明の金属部品は、前記第１のＣｏメッキ層の厚さが０．０３〜２０μｍであることをも特徴とするものである。

この発明の金属部品は、前記第１のＣｏメッキ層、または前記第２のＣｏメッキ層は、スピネル構造の四酸化三コバルト（Ｃｏ ₃ ０ ₄ ）を含むことをも特徴とするものである。

この発明の金属部品は、前記ステンレス鋼は、フェライト系であることをも特徴とするものである。

この発明の金属部品の製造方法は、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の金属部品に対し、８００℃〜９６０℃の高温処理を施して、前記第１のＣｏメッキ層、または前記第２のＣｏメッキ層の一部を、スピネル構造の四酸化三コバルト（Ｃｏ ₃ ０ ₄ ）に変えることを特徴とするものである。

この発明の金属部品は、表面が銀の被膜で覆われているため、高温酸化雰囲気下（ただし、銀の融点９６０℃以下）で使用しても、表面が酸化されることがなく、表面の電気伝導性が落ちることもない。したがって、高温酸化雰囲気下において２つの部材の表面を接触させても電気的導通性能が落ちる心配がなく、そのような用途に使用することができる。

また、下地めっきのコバルト及び銀メッキ上トップコートのコバルトめっき層が酸化することにより導電性のあるスピネル構造になるため、電気抵抗の増加を抑制するとともに、酸化したコバルトめっき層がＣｒ拡散のバリヤー層の役目を果たし、さらに８００℃以上の高温環境で使用する場合は、銀の蒸発防止を図るための銀の飛散防止のバリヤー層として機能することになり、長期にわたって安定しためっき皮膜を提供することが可能となった。

この発明の金属部品の１実施例を示す概略断面図である。他の実施例の概略断面図である。

以下、この発明の実施形態を図面に基いて説明する。
図１に示すように、本実施形態の金属部品１１は、Ｆｅ（鉄）基合金、Ｎｉ（ニッケル）基合金、Ｃｏ（コバルト）基合金等の高融点の金属母材（例えばステンレス鋼等）１２の表面に、銀メッキにより銀被膜１３を形成してなるものである。この場合、銀メッキを施す前に予めＣｏメッキを施してＣｏメッキ層１４を下地層として形成しておき、その上で銀メッキを施すことにより銀被膜１３が形成されている。

このように本実施形態の金属部品１１は、部材の表面が銀被膜１３で覆われているため、例えば５００℃〜９６０℃（銀の融点）の範囲の高温酸化雰囲気下で使用しても、表面が酸化されることがなく、表面の電気伝導性が落ちることがない。
したがって、高温酸化雰囲気下において２つの金属部品１１同士の表面を接触させて相互の導通を図った場合も、電気的導通性能が落ちる心配がなく、そのような用途に使用することができる。
また、金属母材１２として、安価に入手可能なＦｅ基、Ｎｉ基、Ｃｏ基合金等を使用しているため、大電流を流すために伝導体の断面積を大きくする場合でも、コストの上昇を抑えることができる。

図２は、この金属部品の他の実施例を示している。
本実施形態の金属部品２１は、高融点の金属母材（例えばステンレス鋼等）２２の表面に、銀メッキにより銀被膜２３を形成してなるものである。この場合、銀メッキを施す前に予めＣｏメッキを施してＣｏメッキ層２４を下地層として形成しておき、その上で銀メッキを施すことにより銀被膜２３が形成されている。
さらに、その表面にはＣｏメッキを施して第２のＣｏメッキ層２５が施されている。この銀被膜２３上の第２のＣｏメッキ層２５は、高温酸化雰囲気中で四酸化三コバルト（Ｃｏ₃Ｏ₄）を形成し、スピネル構造となって導電性が付与されている。
したがって、金属部品２１の下地母材からのクロム汚染の拡散防止バリヤー層として機能するとともに、８００℃以上の高温で使う場合の銀の蒸発防止バリヤー膜としても機能させるこができる。また、酸化コバルトのスピネル構造により表面コンタクトにおいて導通確保を保ことが可能になっている。

本実施形態の金属部品２１は、前記銀被膜２３がさらに第２のＣｏメッキ層２５で覆われているため、銀被膜２３中の銀成分が銀蒸発高温酸化雰囲気下で蒸発しようとしてもその蒸発を防止することができ、セル内部の銀汚染による短絡防止が出来る。

本発明の用途としては燃料電池があり、その発電部からの電流取り出し端子として、前記の金属部品１１，２１が使用されている。燃料電池の電流取り出し端子は、その使用条件が、高温酸化雰囲気で大電流が流れるという条件であるから、比較的大径断面に形成されている。しかし、大径断面であるものの、白金のような高価な材料で製作しているものではないから、コスト増加を抑えることができる。また、電流取り出し端子には接続部材が接続されており、接続部材を介して外部に電流が取り出されるようになっている。

上記金属部品１の他の用途としては、高温下で使用可能なリード線（耐熱電気伝導ワイヤ）としての用途や、電気炉ヒータ線を接続するための接続ワイヤ（耐熱電気伝導ワイヤ）としての用途等が挙げられる。

なお、前述の銀被膜１３、２３は、メッキによって形成するのが一番好ましいが、その他の薄膜形成技術によって形成してもよい。

［実施例１〜４］
次に、この発明の実施例を説明する。表１は、この発明の参考例および実施例１〜３と、比較例１〜６について耐熱性等の実験を行った結果を示している。

９００℃／５００時間耐熱テスト結果

（１）実験内容
１）参考例
参考例は、ＳＵＳ４３０製の金属母材の表面にＣｏメッキによる下地層を形成し、その上に銀メッキによる銀被覆を形成したものである。
また、実施例１〜３は、ＳＵＳ４３０製、ＳＵＳ３０４製、ＳＵＳ３１６製、のそれぞれの金属母材の表面に、参考例と同様に、下地Ｃｏメッキ上に銀メッキを行い、次に、銀の蒸発防止バリヤー膜として銀メッキ皮膜上にＣｏメッキしたものである。

２）比較例
比較例１〜３は、ＳＵＳ４３０製、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６製のそれぞれの金属母材の表面にＮｉメッキによる下地めっきを形成し、さらにその上にそれぞれ銀メッキによる銀被覆を形成したものである。
また、比較例４〜６は、ＳＵＳ４３０製、ＳＵＳ３０４製、ＳＵＳ３１６製、母材をメッキを施すことなくそのまま使用したものである。

３）上記金属母材の形状等
金属母材としては、縦×横×厚さが５０×２０×０．４ｍｍの板状の試験片を用いた。
また、メッキは、金属母材の全表面に施した。

４）上記各金属母材の成分組成
ＳＵＳ４３０＝Ｃｒ：１６〜１８ｗｔ％、Ｃ：０．１２ｗｔ％以下、Ｓｉ：１．０ｗｔ％以下、Ｍｎ：２．０ｗｔ％以下、Ｐ（リン）：０．０４５ｗｔ％以下、Ｓ（硫黄）：０．０３ｗｔ％以下、残Ｆｅおよび不可避不純物
ＳＵＳ３０４＝Ｃｒ：１８〜２０ｗｔ％、Ｎｉ：８〜１０．５ｗｔ％、Ｃ：０．０８ｗｔ％以下、Ｓｉ：１．０ｗｔ％以下、Ｍｎ：２．０ｗｔ％以下、Ｐ：０．０４５ｗｔ％以下、Ｓ：０．０３ｗｔ％以下、残Ｆｅおよび不可避不純物
ＳＵＳ３１６＝Ｃｒ：１６〜１８ｗｔ％、Ｎｉ：１０〜１４ｗｔ％、Ｍｏ（モリブデン）：２〜３ｗｔ％、Ｃ：０．０８ｗｔ％以下、Ｓｉ：１．０ｗｔ％以下、Ｍｎ：２．０ｗｔ％以下、Ｐ：０．０４５ｗｔ％以下、Ｓ：０．０３ｗｔ％以下、残Ｆｅおよび不可避不純物

５）加熱条件、実験結果の評価方法等
９００℃の空気雰囲気下において、５００時間保持した後に、表面状態の目視検査、表面の電気抵抗の検査、メッキの密着を見るためのフクレ有無の観察と折り曲げテストによるめっき密着力の検査をした。尚、電気抵抗は、ミリオームメータにより、比電気抵抗（単位：ｍΩ・ｃｍ²）として測定した。
母材ＳＵＳからのクロム酸化物の汚染の有無は蛍光エックス線分析ＸＲＦおよびＥＤＳでメッキ皮膜の最表面の分析を行いクロムの汚染検出を行った。
銀の蒸発については、試験サンプルの表面上にアルミナの板を隙間１ｍｍの空間を空けて載せた状態で耐熱９００℃で５００時間放置し、アルミナ側に蒸発析出した銀を蛍光エックス線分析ＸＲＦで蒸発飛散の状態を調査した。

（２）考察
表１に示した実験結果の通り、各金属母材にＣｏメッキを施した後、銀メッキを施した参考例のものは、加熱試験後においても金属光沢性にすぐれ、電気抵抗が小さく、かつ銀メッキの密着力に優れたものであった。また、母材ＳＵＳ由来のクロムの熱拡散に対しては下地コバルトメッキが四酸化三コバルトに変化し導電性のあるスピネル構造となり、このスピネル層がクロムの固溶を阻むためにクロムの銀表面への拡散は抑制されて銀めっき表面に到達するがことなく、Ｃｒは不検出の結果であった。これにより、セルのＣｒ被毒が防止されることが確認された。また、比電気抵抗値も低く抑えられており高温耐酸化性において極めて優れた特性を有するものであることが確認できた。特にフェライト系のステンレス鋼であるＳＵＳ４３０を金属母材とする参考例、及び実施例１のものは、メッキの密着性、Ｃｒ（クロム）の汚染、および銀の蒸発防止性能効果において、他の実施例のものよりさらに優れたものとなった。

これに対して、ＳＵＳ４３０の金属母材にＮｉメッキおよび銀メッキを施した比較例１のものや、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６の金属母材にＮｉメッキおよび銀メッキを施した比較例２〜３のものは、加熱試験後においてはクロム汚染と銀の蒸発の問題があることが確認された。

また、メッキを施していないステンレス合金の比較例４〜６のものは、当該ステンレス合金の酸化が著しく、黒く焼けこげて酸化スケールが表面に多く付着した状態になっており、電気的導通は無かった。

以上のように、各種ステンレス、の金属母材にＣｏメッキを施した後、銀メッキを施すことによって、高温酸化雰囲気下において銀めっきの下地メッキとしてコバルトめっきを施すことで母材成分のクロムの拡散を防止することが可能であり、当該表面における電気的導通性を高く維持することができることが確認できた。加熱後におけるメッキの金属母材への密着性は中でもフェライト系のステンレス鋼であるＳＵＳ４３０を金属母材とする参考例のものは、銀メッキが最も強固に密着し電気抵抗も低いもので有った。
したがって、フェライト系のステンレス鋼であるＳＵＳ４３０製の金属母材は、Ｃｏメッキおよび銀メッキを施して高温における電気伝導性を良好に維持する金属部品を構成するのに最も適した金属母材であるといえる。
また、フェライト系のステンレス鋼であれば、上記ＳＵＳ４３０以外であっても、Ｃｒを１１〜３２ｗｔ％有し、残部がＦｅおよび不可避不純物となるような成分組成を有するものであれば、フェライト相をもつものとなるので、上記金属母材として用い、Ｃｏメッキおよび銀メッキを施すことにより、上述した参考例と同様の高温耐酸化性を有し、表面の金属光沢性、電気導通性、メッキの密着性の優れたものを得ることができる。

実施例１〜３は銀メッキ層の蒸発防止対策を狙ったもので、７００℃程度の比較的低温度では長期の耐久テストでも銀の飛散は問題にならないレベルにあるが、銀被膜中の銀蒸発が著しくなる温度の８００℃以上〜９６０℃（銀の融点）の高温タイプのＳＯＦＣの使用に耐える仕様として、前記金属部品上の銀皮膜表面に第２のＣｏメッキを施こしたものである。
これにより銀の蒸発を防止することができ、ＳＯＦＣセル内部の絶縁抵抗の劣化や短絡も防止できることが確認された。

また、前記銀被膜上の第２のＣｏメッキ層は、また高温酸化雰囲気中で四酸化三コバルト（Ｃｏ₃Ｏ₄）を形成し、スピネル構造となって導電性が付与されている。
したがって、銀被膜とあいまって金属部品の導電性が大幅に向上し、金属部品の高い導電性にともなって金属部品の高付加価値化、低コスト化を促進させ、またその用途を大きく広げることができる。

以上説明したように、この発明によれば、金属母材の表面に銀被膜（銀メッキ等）を形成しているので、母材にステンレス合金等の安価な金属材料を使用しながら、高温酸化雰囲気下での耐熱性・耐酸化性を有する金属部品を提供することができる。例えば、高温酸化雰囲気下で使用しても、表面が絶縁されることがないため、２つの部材の表面を接触させて導通を図る場合にも全く問題なく使用することができる。

１１金属部品
１２金属母材
１３銀被膜
１４Ｃｏメッキ層
２１金属部品
２２金属母材
２３銀被膜
２４Ｃｏメッキ層
２５第２のＣｏメッキ層

Claims

ステンレス鋼の母材と、前記ステンレス鋼の上に設けた第１のＣｏメッキ層と、前記第１のＣｏメッキ層の上に設けた銀被膜と、前記銀被膜の上に第２のＣｏメッキ層とを設けたことを特徴とする金属部品。
前記第１のＣｏメッキ層の厚さが０．０３〜２０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の金属部品。
前記第１のＣｏメッキ層、または前記第２のＣｏメッキ層は、スピネル構造の四酸化三コバルト（Ｃｏ ₃ ０ ₄ ）を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の金属部品。
前記ステンレス鋼は、フェライト系であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の金属部品。
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の金属部品に対し、８００℃〜９６０℃の高温処理を施して、前記第１のＣｏメッキ層、または前記第２のＣｏメッキ層の一部を、スピネル構造の四酸化三コバルト（Ｃｏ ₃ ０ ₄ ）に変えることを特徴とする金属部品の製造方法。