JP6960672B2 - Aluminum alloy material with high strength and high corrosion resistance, its manufacturing method, and surface treatment method for aluminum alloy material - Google Patents

Aluminum alloy material with high strength and high corrosion resistance, its manufacturing method, and surface treatment method for aluminum alloy material Download PDF

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Description

本発明は、耐食性が向上されたアルミニウム合金材及びその製造方法に関する。詳しくは、防食効果が高い皮膜を有し、同時に、基材となるアルミニウム合金についての強度改善がなされたアルミニウム合金材に関する。そして、かかるアルミニウム合金材の製造方法に関する。 The present invention relates to an aluminum alloy material having improved corrosion resistance and a method for producing the same. More specifically, the present invention relates to an aluminum alloy material having a film having a high anticorrosion effect and at the same time having an improved strength of an aluminum alloy as a base material. Then, the present invention relates to the manufacturing method of such an aluminum alloy material.

アルミニウムを主成分とするアルミニウム合金は、鉄鋼材料よりも軽量であり、樹脂等の有機材料に比べて高剛性である上に、リサイクル可能である等の多くの利点を有する。そのため、近年、鉄鋼材料に代替すべく自動車や航空機等の輸送機器の構成材料としても多く利用されている。 Aluminum alloys containing aluminum as a main component are lighter than steel materials, have higher rigidity than organic materials such as resins, and have many advantages such as being recyclable. Therefore, in recent years, it has been widely used as a constituent material for transportation equipment such as automobiles and aircraft in order to replace steel materials.

これらのアルミニウム合金が使用される環境は、融点の比較的低いアルミニウム合金にとっては高温であり、表面の酸化による腐食が懸念される。また、アルミニウムは空気中に放置すると自然酸化膜が生成され不動態化するが、酸化皮膜は数ナノメートルと非常に薄いため、極度の湿気、酸またはアルカリ環境化において腐食し易い。そのため、アルミニウム合金の耐食性を向上させるための表面処理方法が古くから検討されてきた。現在では、使用環境に応じてアルマイト処理、クロメート処理、ベーマイト処理、めっき処理等の化成処理が知られている。これら各種の化成処理では、HSO4等の酸やアルカリ、Cr等の重金属イオンを含む処理液に、被処理材となるアルミニウム合金を接触・浸漬して合金表面に防食皮膜を形成する。The environment in which these aluminum alloys are used is high for aluminum alloys having a relatively low melting point, and there is concern about corrosion due to surface oxidation. Further, when aluminum is left in the air, a natural oxide film is formed and becomes passivated, but since the oxide film is very thin at several nanometers, it is easily corroded in an extreme humidity, acid or alkaline environment. Therefore, a surface treatment method for improving the corrosion resistance of an aluminum alloy has been studied for a long time. Currently, chemical conversion treatments such as alumite treatment, chromate treatment, boehmite treatment, and plating treatment are known depending on the usage environment. In these various chemical conversion treatments , an aluminum alloy to be treated is contacted and immersed in a treatment liquid containing an acid such as H 2 SO 4 or a heavy metal ion such as an alkali or Cr to form an anticorrosion film on the alloy surface.

特開平6−192888号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-192888 特開平5−005185号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 5-005185 特開平6−128753号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-128753

これまで知られている化成処理等の耐食性付与の方法では、処理液を調整するための原料コストや廃液処理、そして効率の面で不利となることがある。また、酸・アルカリや重金属を扱う化成処理は、環境に対する負荷が高いこともネックとなり、従来から厳格となっている環境基準への適応が困難となる。 Conventionally known methods for imparting corrosion resistance such as chemical conversion treatment may be disadvantageous in terms of raw material cost for adjusting the treatment liquid, waste liquid treatment, and efficiency. In addition, chemical conversion treatment that handles acids / alkalis and heavy metals has a high burden on the environment, which makes it difficult to comply with the strict environmental standards.

更に、従来から知られている皮膜形成を主体とする耐食性付与処理は、形成した皮膜を保護する観点から、アルミニウム合金材に対する最終段階での処理の意味合いがあった。そのため、皮膜形成処理後には、加工・変形処理や熱処理等の追加的処理が困難であった。この点、アルミニウム合金の適用範囲の更なる拡大に際しては、合金基材の特性改善、特に、強度の向上が望まれるが、耐食性の改善と共に合金基材の改質を図ることができる処理法はこれまで知られていない。 Further, the conventionally known corrosion resistance imparting treatment mainly for forming a film has the meaning of treating an aluminum alloy material at the final stage from the viewpoint of protecting the formed film. Therefore, after the film forming treatment, it is difficult to perform additional treatment such as processing / deformation treatment and heat treatment. In this regard, when further expanding the scope of application of aluminum alloys, it is desired to improve the characteristics of the alloy base material, especially the strength, but there is a treatment method that can improve the corrosion resistance and modify the alloy base material. Until now unknown.

本発明は以上のような背景のもとになされたものであり、簡易で低コストでありながらアルミニウム合金の耐食性を向上させることができ、同時に合金基材の強度改善を図り得る処理方法を提供すると共に、この方法により見出された新規な構成のアルミニウム合金の構成を明らかにすることを目的とするものである。 The present invention has been made based on the above background, and provides a treatment method capable of improving the corrosion resistance of an aluminum alloy while being simple and low cost, and at the same time improving the strength of an alloy base material. At the same time, the purpose is to clarify the composition of the aluminum alloy having a novel composition found by this method.

本発明者は、上記課題を解決するため鋭意検討を行い、処理条件、特に温度条件を厳密に管理した水蒸気でアルミニウム合金を処理することで、耐食性の向上が可能となることを見出した。この水蒸気処理の詳細については、後述するが、本発明者等はこの処理後のアルミニウム合金材の構成について、更なる検討を行った結果、アルミニウム合金基材上にこれまでにない構成の皮膜を形成することができるとして本発明に係るアルミニウム合金基材を見出した。 The present inventor has conducted diligent studies to solve the above problems, and found that the corrosion resistance can be improved by treating the aluminum alloy with steam whose treatment conditions, particularly temperature conditions are strictly controlled. The details of this steam treatment will be described later, but as a result of further studies on the composition of the aluminum alloy material after this treatment, the present inventors have formed a film having an unprecedented structure on the aluminum alloy base material. We have found an aluminum alloy base material according to the present invention as being capable of forming.

即ち、本発明は、アルミニウム合金からなる基材と、前記基材の少なくとも一方の表面上に形成された皮膜とからなるアルミニウム合金材において、基材となる前記アルミニウム合金は、アルミニウム以外の元素である溶質元素を少なくとも1種含み、前記皮膜は、一水和アルミニウム酸化物(AlO(OH))と、次式で示されるAl系層状複水酸化物とからなり、前記皮膜についてなされるX線回折の回折ピークについて、一水和アルミニウム酸化物(AlO(OH))の200反射のピーク強度(X)と、Al系層状複水酸化物の003反射のピーク強度(Y)との比(Y/X)が、0.1〜0.5であることを特徴とするアルミニウム合金材である。

Figure 0006960672
That is, in the present invention, in an aluminum alloy material composed of a base material made of an aluminum alloy and a film formed on at least one surface of the base material, the aluminum alloy used as a base material is an element other than aluminum. The film contains at least one solute element, and the film is composed of a monohydrated aluminum oxide (AlO (OH)) and an Al-based layered double hydroxide represented by the following formula, and X-rays formed on the film. Regarding the diffraction peak of diffraction, the ratio (Y) of the peak intensity (X) of 200 reflection of monohydrated aluminum oxide (AlO (OH)) and the peak intensity (Y) of 003 reflection of Al-based layered double hydroxide. / X) is an aluminum alloy material characterized by being 0.1 to 0.5.
Figure 0006960672

本発明に係るアルミニウム合金材は、合金基材の表面上に一水和アルミニウム酸化物(AlO(OH))をベースとする皮膜を有する。一水和アルミニウム酸化物は、ベーマイトとも称されており、上記従来技術から分かるように、アルミニウム合金材で形成される耐食皮膜の構成要素としては一般的な成分である。本発明では、一水和アルミニウム酸化物をベースとしつつ、皮膜の耐食性を更に向上させる構成要素としてAl系の層状複水酸化物(Layered Double Hydroxide:以下、場合によりLDHと称することがある。)を添加している。 The aluminum alloy material according to the present invention has a film based on monohydrated aluminum oxide (AlO (OH)) on the surface of the alloy base material. The monohydrated aluminum oxide is also called boehmite, and as can be seen from the above-mentioned prior art, it is a general component as a component of a corrosion-resistant film formed of an aluminum alloy material. In the present invention, an Al-based layered double hydroxide (hereinafter, may be referred to as LDH in some cases) is used as a component that further improves the corrosion resistance of the film while being based on monohydrated aluminum oxide. Is added.

ここで、層状複水酸化物とは、2価の金属(M)の水酸化物に3価の金属であるAlのイオンが固溶した複水酸化物が積層構造を形成してなる化合物である。この層状複水酸化物の一般式は、上記化1で示されるが、式中の[M2+ 1−xAl3+ (OH)]を複水酸化物基本層と称することがある。また、化1の式中の[An− x/n・yHO]を中間層と称することがある。そして、層状複水酸化物の積層構造においては、複水酸化物基本層が正の電荷を持つことから、層間に負の電荷の陰イオンである中間層を挟んだ構造を維持している。Here, the layered double hydroxide is a compound formed by forming a laminated structure of a double hydroxide in which ions of Al, which is a trivalent metal, are solid-dissolved in a hydroxide of a divalent metal (M). be. The general formula of this layered double hydroxide is shown in the above formula 1, but [M 2+ 1-x Al 3+ x (OH) 2 ] in the formula may be referred to as a double hydroxide basic layer. Further, [An- x / n · yH 2 O] in the formula of Chemical formula 1 may be referred to as an intermediate layer. In the layered double hydroxide laminated structure, since the basic double hydroxide layer has a positive charge, the structure in which the intermediate layer, which is a negatively charged anion, is sandwiched between the layers is maintained.

層状複水酸化物は、他の陰イオンや分子(ゲスト物質)が近接したとき、複水酸化物基本層(ホスト層)の構造を維持しつつ、中間層の陰イオンとゲスト物質とを交換し、ゲスト物質をホストの層間に取り込むことができるとされている。この作用は、ホスト−ゲスト反応による陰イオン交換能と称する。本発明において、層状複水酸化物が皮膜の耐食性を向上させる要因としては、上記の陰イオン交換能が挙げられる。皮膜が塩水等の腐食環境に曝されたとき、環境中の陰イオンを取り込むことで皮膜の侵食を抑制できると考えられるからである。 Layered double hydroxides exchange guest substances with anions in the intermediate layer while maintaining the structure of the basic layer of double hydroxides (host layer) when other anions or molecules (guest substances) are in close proximity. However, it is said that guest substances can be taken in between the layers of the host. This action is referred to as the ability to exchange anions by the host-guest reaction. In the present invention, the above-mentioned anion exchange ability can be mentioned as a factor that the layered double hydroxide improves the corrosion resistance of the film. This is because when the film is exposed to a corrosive environment such as salt water, it is considered that erosion of the film can be suppressed by taking in anions in the environment.

本発明に係るアルミニウム合金材は、一水和アルミニウム酸化物(AlO(OH))とAl系層状複水酸化物(LDH)とを好適に複合化された皮膜をその表面に形成しており、これにより一水和アルミニウム酸化物のみで構成された皮膜よりも好適な耐食性を有することとなる。以下、本発明に係るアルミニウム合金材について、その構成を詳細に説明する。 The aluminum alloy material according to the present invention forms a film on the surface of which a monohydrated aluminum oxide (AlO (OH)) and an Al-based layered double hydroxide (LDH) are suitably composited. As a result, it has more suitable corrosion resistance than a film composed of only monohydrated aluminum oxide. Hereinafter, the structure of the aluminum alloy material according to the present invention will be described in detail.

基材となるアルミニウム合金は、アルミニウムを主成分としつつ添加元素(以下、場合により溶質元素(溶質原子)と称することがあるが同義である。)を加えた合金である。添加元素としては、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、ケイ素(Si)、銅(Cu)、マンガン(Mn)、リチウム(Li)、鉄(Fe)の少なくとも1種以上の元素が添加されたアルミニウム合金が基材となる。添加元素は、上記各種の元素をいずれか1種含んでいれば良いが、Alと共に層状複水酸化物を形成するため、2価の金属イオンを生成できる金属元素(Zn、Mg、Cu、Fe、Ni等)を少なくとも1種以上含んでいることが好ましい。また、2種類以上の金属元素を含むアルミニウム合金には、それぞれの金属元素を含むAl系層状複水酸化物が皮膜中に形成される。例えば、ZnとMgを含む場合、Zn-Al系層状複水酸化物とMg-Al系層状複水酸化物が皮膜中に同時に形成される。これらの添加元素の添加量については、合計で0.01質量%以上50質量%未満とするのが好ましい。 The aluminum alloy as the base material is an alloy containing aluminum as a main component and an additive element (hereinafter, it may be referred to as a solute element (solute atom), but it is synonymous). As the additive element, at least one or more elements such as zinc (Zn), magnesium (Mg), silicon (Si), copper (Cu), manganese (Mn), lithium (Li), and iron (Fe) were added. Aluminum alloy is the base material. The additive element may contain any one of the above-mentioned various elements, but since it forms a layered double hydroxide together with Al, it is a metal element (Zn, Mg, Cu, Fe) capable of generating divalent metal ions. , Ni, etc.) is preferably contained at least one kind. Further, in an aluminum alloy containing two or more kinds of metal elements, an Al-based layered double hydroxide containing each metal element is formed in the film. For example, when Zn and Mg are contained, a Zn—Al-based layered double hydroxide and an Mg-Al-based layered double hydroxide are simultaneously formed in the film. The total amount of these additive elements added is preferably 0.01% by mass or more and less than 50% by mass.

具体的なアルミニウム合金としては、国際アルミニウム合金名で規定されているアルミニウム合金が挙げられる。例えば、2000番台のAl−Cu系合金(ジュラルミン、超ジュラルミン)、6000番台のAl−Mg−Si系合金、Al−Mg−Si−Cu系合金、7000番台のAl−Zn−Mg系合金、Al−Zn−Mg−Cu系合金(超々ジュラルミン)等の各種のアルミニウム合金が適用できる。但し、これらのような規格化された合金系に限られることはなく、広範な組成の合金系が適用できる。 Specific examples of the aluminum alloy include aluminum alloys specified by the international aluminum alloy name. For example, 2000 series Al-Cu based alloys (duralmin, super duralmin), 6000 series Al-Mg-Si based alloys, Al-Mg-Si-Cu based alloys, 7000 series Al-Zn-Mg based alloys, Al. Various aluminum alloys such as −Zn−Mg—Cu based alloy (ultra-ultramin) can be applied. However, the present invention is not limited to standardized alloy systems such as these, and alloy systems having a wide range of compositions can be applied.

本発明に係るアルミニウム合金材の防食皮膜は、上記の通り、一水和アルミニウム酸化物(AlO(OH))とAl系層状複水酸化物(LDH)とで構成される。いずれも、アルミニウム合金基材について所定の水蒸気処理により形成される。一水和アルミニウム酸化物は、皮膜の主たる構成要素であるが、一水和アルミニウム酸化物は、化学的に安定であり本来的に防食皮膜として有用である。 As described above, the anticorrosion film of the aluminum alloy material according to the present invention is composed of monohydrated aluminum oxide (AlO (OH)) and Al-based layered double hydroxide (LDH). Both are formed by a predetermined steam treatment on an aluminum alloy base material. Aluminum monohydrate oxide is the main component of the film, but aluminum monohydrate oxide is chemically stable and inherently useful as an anticorrosion film.

そして、本発明における皮膜の特徴は、Al系層状複水酸化物を含有することであり、これにより更なる防食効果が期待される。Al系層状複水酸化物は、上記化1で示した一般式で表される。Al系層状複水酸化物の構成元素は、アルミニウム合金基材と水蒸気から供給される。Al系層状複水酸化物中のAlイオン(Al3+)、金属イオン(M2+)は、アルミニウム合金基材から供給される。特に、金属イオン(M2+)は、アルミニウム合金に含まれる溶質元素(添加元素)に由来する。また、陰イオンであるAn−は、水酸化物イオン(OH)、炭酸イオン(CO 2−)、硝酸イオン(NO )、硫酸イオン(SO 2−)、フッ素イオン(F)、塩素イオン(Cl)の少なくともいずれかであるが、これらのアニオンは、皮膜形成処理の水蒸気から供給される。例えば、純水から水蒸気を生成し、この水蒸気で皮膜形成処理を行った場合、空気中の二酸化炭素が水蒸気中に含まれているので、主に炭酸イオン(CO 2−)がアニオンとして供給される。The feature of the film in the present invention is that it contains an Al-based layered double hydroxide, which is expected to have a further anticorrosion effect. The Al-based layered double hydroxide is represented by the general formula shown in Chemical formula 1 above. The constituent elements of the Al-based layered double hydroxide are supplied from the aluminum alloy base material and water vapor. Al ions (Al 3+ ) and metal ions (M 2+ ) in the Al-based layered double hydroxide are supplied from the aluminum alloy base material. In particular, the metal ion (M 2+ ) is derived from a solute element (additional element) contained in the aluminum alloy. Also, A n-it is an anion, hydroxide ion (OH -), carbonate ions (CO 3 2-), nitrate ion (NO 3 -), sulfate ion (SO 4 2-), fluorine ion (F - ), At least one of chlorine ions (Cl ), but these anions are supplied from the steam of the film forming treatment. For example, when water vapor is generated from pure water and the film formation treatment is performed with this water vapor, carbon dioxide in the air is contained in the water vapor, so carbonic acid ions (CO 3 2- ) are mainly supplied as anions. Will be done.

本発明者等らが見出したアルミニウム合金材においては、皮膜中のAl系層状複水酸化物の含有量が所定範囲内あると考えられる。本発明では、Al系層状複水酸化物の含有量として、皮膜表面についてなされるX線回折の回折ピークを基に規定した。具体的には、一水和アルミニウム酸化物(AlO(OH))の200反射のピーク強度(X)と、前記Al系層状複水酸化物の003反射のピーク強度(Y)との比(Y/X)が、0.1〜0.5であることを特徴とするアルミニウム合金材である。Al系層状複水酸化物は、上記した陰イオン交換能により皮膜を保護し、アルミニウム合金材の耐食性を向上させるが、ピーク強度比Y/Xが0.1未満の場合、その量が少なすぎるため皮膜が有効に保護されず侵食を受けるおそれがある。一方、ピーク強度比Y/Xの上限を0.5とするのは、一水和アルミニウム酸化物(AlO(OH))に比べて密度の低いAl系層状複水酸化物の量が多いために皮膜の平均密度が低下し、結果として皮膜の耐食性が損なわれるからである。このピーク強度比Y/Xのより好ましい範囲は、0.15〜0.40である。 In the aluminum alloy material found by the present inventors, it is considered that the content of the Al-based layered double hydroxide in the film is within a predetermined range. In the present invention, the content of the Al-based layered double hydroxide is defined based on the diffraction peak of the X-ray diffraction performed on the film surface. Specifically, the ratio (Y) of the peak intensity (X) of 200 reflection of the monohydrated aluminum oxide (AlO (OH)) and the peak intensity (Y) of 003 reflection of the Al-based layered double hydroxide. / X) is an aluminum alloy material characterized by being 0.1 to 0.5. The Al-based layered double hydroxide protects the film by the above-mentioned anion exchange ability and improves the corrosion resistance of the aluminum alloy material, but when the peak intensity ratio Y / X is less than 0.1, the amount is too small. Therefore, the film is not effectively protected and may be eroded. On the other hand, the upper limit of the peak intensity ratio Y / X is set to 0.5 because the amount of Al-based layered double hydroxide having a lower density than that of monohydrated aluminum oxide (AlO (OH)) is large. This is because the average density of the film is reduced, and as a result, the corrosion resistance of the film is impaired. A more preferable range of this peak intensity ratio Y / X is 0.15 to 0.40.

本発明において、Al系層状複水酸化物の含有量をX線回折におけるピーク強度比で規定したのは、微細な化合物であり顕微鏡等で直接的に観察することが困難であるからである。X線回折は比較的簡易な分析手段であり、Al系層状複水酸化物という微量物質の定量性についても一定の信頼性があるからである。ここで、一水和アルミニウム酸化物(AlO(OH))の200反射のピークは、最大ピーク強度を示し、かつ独立したピークであり、ピーク強度比算出の基準として最適である。基準となる一水和アルミニウム酸化物(AlO(OH))の200反射のピークは、2θ=48〜49°付近でみられる。一方、Al系層状複水酸化物の回折ピークとして003反射の回折ピークを適用するのは、Al系層状複水酸化物のピークとしては、これが最大のピーク強度を示すからである。そして、Al系層状複水酸化物の回折ピークの位置は、包含する金属イオンと陰イオンによって相違するが、2θ=9〜12°付近で見られる。 In the present invention, the content of the Al-based layered double hydroxide is defined by the peak intensity ratio in X-ray diffraction because it is a fine compound and it is difficult to directly observe it with a microscope or the like. This is because X-ray diffraction is a relatively simple analytical means, and there is a certain degree of reliability in the quantification of a trace substance called an Al-based layered double hydroxide. Here, the peak of 200 reflections of monohydrated aluminum oxide (AlO (OH)) shows the maximum peak intensity and is an independent peak, which is optimal as a reference for calculating the peak intensity ratio. The peak of 200 reflections of the reference monohydrated aluminum oxide (AlO (OH)) is observed in the vicinity of 2θ = 48 to 49 °. On the other hand, the diffraction peak of 003 reflection is applied as the diffraction peak of the Al-based layered double hydroxide because it shows the maximum peak intensity as the peak of the Al-based layered double hydroxide. The position of the diffraction peak of the Al-based layered double hydroxide differs depending on the included metal ion and anion, but is observed in the vicinity of 2θ = 9 to 12 °.

本発明について、一水和アルミニウム酸化物とAl系層状複水酸化物とからなる皮膜は、その厚さとして1〜100μmであるものが好ましい。1μm未満では、微小な傷が生じた場合、そこから基材の侵食が発生することになる。また、100μmを超えると、応力や熱衝撃により皮膜に割れ、剥離が生じることがあり、却って耐食性が劣る場合があるからである。 Regarding the present invention, the film composed of the monohydrated aluminum oxide and the Al-based layered double hydroxide preferably has a thickness of 1 to 100 μm. If it is less than 1 μm, if a minute scratch is generated, erosion of the base material will occur from the scratch. On the other hand, if it exceeds 100 μm, the film may be cracked or peeled due to stress or thermal shock, and the corrosion resistance may be inferior.

ところで、本発明者等の検討によれば、本発明者等による水蒸気処理を経たアルミニウム合金材は、これまで説明した防食皮膜を供えた材料であるが、同時にアルミニウム合金基材に強度の増加が生じていることが確認されている。この材料強化の要因について検討したところ、水蒸気処理による熱によってアルミニウム合金の溶質原子(添加元素の原子)が移動し、析出物が形成されていることがわかった。そして、この析出物が分散粒子として機能し、アルミニウム合金基材を強化していると考察した。もっとも、本発明者等は、析出物が材料強化に適切に寄与するためには、サイズ(粒径)と分散性(形成密度)の双方について好適範囲があると考えた。 By the way, according to the study by the present inventors, the aluminum alloy material subjected to the steam treatment by the present inventors is a material provided with the anticorrosion film described above, but at the same time, the strength of the aluminum alloy base material is increased. It has been confirmed that it has occurred. When the factors for strengthening the material were examined, it was found that the solute atoms (atoms of the additive elements) of the aluminum alloy were moved by the heat generated by the steam treatment, and precipitates were formed. Then, it was considered that this precipitate functions as dispersed particles and reinforces the aluminum alloy base material. However, the present inventors considered that there is a suitable range for both size (particle size) and dispersibility (formation density) in order for the precipitate to appropriately contribute to material strengthening.

本発明者等によると、本発明に係るアルミニウム合金材において、基材中の析出物のサイズは、平均径が2nm以上7nm以下のものである。このサイズ未満の析出物では全く強化作用を発揮しない。また、粗大な析出物も強化作用の度合いを低下させる。この範囲内のサイズの原子の集合体が最大の分散強化効果を有する。尚、全ての析出物が均等なサイズであることは要求されないが、析出物のサイズは揃っていることが好ましい。析出物のサイズの測定については、電子顕微鏡等で観察可能な析出物であれば、直接測定しても良い。また、析出物を構成する溶質原子の原子数とその元素の原子半径から析出物の相当径を算出しても良い。 According to the present inventors, in the aluminum alloy material according to the present invention, the size of the precipitates in the base material has an average diameter of 2 nm or more and 7 nm or less. Precipitates smaller than this size do not exert any strengthening effect. Coarse precipitates also reduce the degree of strengthening action. Aggregates of atoms of a size within this range have the greatest dispersion-enhancing effect. It is not required that all the precipitates have the same size, but it is preferable that the sizes of the precipitates are the same. Regarding the measurement of the size of the precipitate, any precipitate that can be observed with an electron microscope or the like may be directly measured. Further, the equivalent diameter of the precipitate may be calculated from the number of atoms of the solute atom constituting the precipitate and the atomic radius of the element.

そして、析出物がアルミニウム合金基材の強化因子として作用するためには、その分散性も要求される。具体的には、析出物の形成数密度が2×1023個/nm以上15×1023個/nm以下で分散することが好ましい。以上の析出物が好適に分布する領域としては、基材全体で発現しても良いが、基材の一部(表面付近等)だけで析出物が分布していても良い。In order for the precipitate to act as a reinforcing factor for the aluminum alloy base material, its dispersibility is also required. Specifically, it is preferable that the number density of precipitates formed is 2 × 10 23 / nm 3 or more and 15 × 10 23 / nm 3 or less. The region in which the above precipitates are preferably distributed may be expressed in the entire base material, but the precipitates may be distributed only in a part of the base material (near the surface or the like).

以上の説明の通り、本発明に係るアルミニウム合金材は、有効な防食皮膜を具備していることから耐食性に優れると共に、アルミニウム合金基材のミクロ組織も改良されており強化が図られている。尚、本発明に係るアルミニウム合金材について、その形状は限定されることはなく、板状、管状等あらゆる形状のものが適用できる。また、寸法についても制限はない。後述のように、本発明に係るアルミニウム合金材の製造方法で行われる表面処理方法においては、形状的制限・寸法的制限なく皮膜を形成することができるからである。更に、皮膜の形成は部分的なものであってもよく、片面又は両面のいずれでも良い。 As described above, the aluminum alloy material according to the present invention is excellent in corrosion resistance because it has an effective anticorrosion film, and the microstructure of the aluminum alloy base material is also improved and strengthened. The shape of the aluminum alloy material according to the present invention is not limited, and any shape such as a plate shape and a tubular shape can be applied. In addition, there are no restrictions on the dimensions. This is because, as will be described later, in the surface treatment method performed in the method for producing an aluminum alloy material according to the present invention, a film can be formed without any shape limitation or dimensional limitation. Further, the formation of the film may be partial and may be either single-sided or double-sided.

次に、本発明に係るアルミニウム合金材の製造方法について説明する。上記の通り、本発明はアルミニウム合金材に、一水和アルミニウム酸化物とAl系層状複水酸化物とからなる皮膜を形成した材料である。本発明者等は、好適な皮膜形成の手段を検討した結果、厳密な温度範囲を設定した水蒸気処理を見出した。即ち、本発明に係るアルミニウム合金材の製造方法は、アルミニウム合金からなる基材と、150℃以上200℃未満の水蒸気とを接触させ、前記基材表面上に皮膜を形成する工程を含む方法である。 Next, a method for producing an aluminum alloy material according to the present invention will be described. As described above, the present invention is a material in which a film composed of a monohydrated aluminum oxide and an Al-based layered double hydroxide is formed on an aluminum alloy material. As a result of examining suitable film forming means, the present inventors have found steam treatment in which a strict temperature range is set. That is, the method for producing an aluminum alloy material according to the present invention is a method including a step of bringing a base material made of an aluminum alloy into contact with water vapor of 150 ° C. or higher and lower than 200 ° C. to form a film on the surface of the base material. be.

本発明におけるアルミニウム合金基材に対する皮膜形成処理においては、水蒸気の温度や圧力の厳密な制御を必須構成とする。本発明者の検討によると150℃未満の水蒸気処理では、Al系層状複水酸化物の生成が認められず皮膜に十分な耐食性を付与することができない。一方、200℃以上での水蒸気処理でもAl系層状複水酸化物を有効に存在させることができない。 In the film forming treatment on the aluminum alloy base material in the present invention, strict control of the temperature and pressure of water vapor is an essential configuration. According to the study by the present inventor, in the steam treatment at less than 150 ° C., the formation of Al-based layered double hydroxide is not observed, and sufficient corrosion resistance cannot be imparted to the film. On the other hand, the Al-based layered double hydroxide cannot be effectively present even in the steam treatment at 200 ° C. or higher.

また、本発明の水蒸気処理は、アルミニウム合金に対して防食皮膜を形成することに加えて、基材のミクロ組織を変化させる。水蒸気の熱により、合金中の溶質原子の移動を促して析出物を形成する。この析出物の好適な分布状態によって、アルミニウム合金基材の強度向上を図ることができる。即ち、本発明の水蒸気処理は、皮膜形成による耐食性向上の効果と、アルミニウム合金の強度向上の効果の2つの材料特性改善効果を有し、同時にそれらの効果を発揮させることができる。 Further, the steam treatment of the present invention changes the microstructure of the base material in addition to forming an anticorrosion film on the aluminum alloy. The heat of water vapor promotes the movement of solute atoms in the alloy to form precipitates. The strength of the aluminum alloy base material can be improved by the suitable distribution state of the precipitate. That is, the steam treatment of the present invention has two material property improving effects, that is, the effect of improving the corrosion resistance by forming the film and the effect of improving the strength of the aluminum alloy, and at the same time, these effects can be exhibited.

そして、析出物については、上記したように、好適なサイズと形成数密度がある。そして、析出物の分布状態を好適なものとするためには、水蒸気処理の温度は、150℃以上200℃未満とすることが好ましい。150℃以下では、強化作用を有する析出物ではなく、強度改善効果に寄与し難い小サイズの析出物(溶質原子の集合体)が優先的に生成する状態にあるからである。一方、200℃以上では、析出物が粗大化しすぎる事により強度低下が生じるからである。より好ましい温度は、170以上190℃以下である。 Then, as described above, the precipitate has a suitable size and formation number density. The temperature of the steam treatment is preferably 150 ° C. or higher and lower than 200 ° C. in order to make the distribution state of the precipitates suitable. This is because at 150 ° C. or lower, small-sized precipitates (aggregates of solute atoms) that are difficult to contribute to the strength improving effect are preferentially generated instead of the precipitates having a strengthening effect. On the other hand, at 200 ° C. or higher, the precipitate becomes too coarse and the strength is lowered. A more preferable temperature is 170 or more and 190 ° C. or less.

水蒸気処理については、上記の温度範囲の規定が必須となり、他の条件については任意に調整可能である。水蒸気の圧力は、0.1〜10MPaの範囲が好ましい。圧力は、より好ましくは0.2〜5MPa、更に好ましくは0.5〜2MPaとする。加圧により、飽和蒸気と亜臨界水の2相平衡状態となり、前記耐食性皮膜の形成に対する反応性を促進させることが可能であるからである。圧力は、一定に保持することで、均一な皮膜を形成することができる。 For steam treatment, the above temperature range must be specified, and other conditions can be adjusted arbitrarily. The pressure of water vapor is preferably in the range of 0.1 to 10 MPa. The pressure is more preferably 0.2 to 5 MPa, still more preferably 0.5 to 2 MPa. This is because the pressurization brings about a two-phase equilibrium state of saturated steam and sub-critical water, and it is possible to promote the reactivity to the formation of the corrosion-resistant film. By keeping the pressure constant, a uniform film can be formed.

水蒸気は、水の加熱・気化により生成するが、水蒸気源として用いる水は、純水の他適宜に水溶液を使用する。純水は、電気伝導率が1mS/m以下のイオン交換水、蒸留水、超純水が好ましい。また、水溶液としては、陰イオンを含む炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、フッ化物塩の水溶液の蒸気を利用することができる。 Water vapor is generated by heating and vaporizing water, but water used as a water vapor source is pure water or an aqueous solution as appropriate. The pure water is preferably ion-exchanged water, distilled water, or ultrapure water having an electric conductivity of 1 mS / m or less. Further, as the aqueous solution, the vapor of an aqueous solution of an anion-containing carbonate, nitrate, sulfate, or fluoride salt can be used.

水蒸気とアルミニウム合金基材との接触の方法については特に限定はない。水蒸気処理は、所定の反応器・容器等の閉空間内の水蒸気に処理材となるアルミニウム合金を暴露して処理を行っても良い。具体的手法として、容器に基材を水と共に配置し、温度・圧力を制御して発生した水蒸気雰囲気中に基材を曝露することで処理が可能である。また、水蒸気を処理材に直接的に噴射して処理を行っても良い。 The method of contact between the water vapor and the aluminum alloy base material is not particularly limited. The steam treatment may be performed by exposing an aluminum alloy as a treatment material to steam in a closed space such as a predetermined reactor or container. As a specific method, the treatment is possible by arranging the base material together with water in a container and exposing the base material to the water vapor atmosphere generated by controlling the temperature and pressure. Further, the treatment may be performed by directly injecting water vapor onto the treatment material.

処理雰囲気は、大気中で行っても良いし、不活性ガスでパージされた容器内で処理しても良い。皮膜のAl系層状複水酸化物の生成の際、処理雰囲気から陰イオンを取り込まれる。大気中で水蒸気処理する場合、大気から炭酸イオンが取り込まれてAl系層状複水酸化物が生成する。 The treatment atmosphere may be the air or the treatment may be carried out in a container purged with an inert gas. When the Al-based layered double hydroxide of the film is formed, anions are taken in from the treatment atmosphere. When steaming in the atmosphere, carbonic acid ions are taken in from the atmosphere to form an Al-based layered double hydroxide.

処理液の水蒸気による処理時間については、特に限定されることはないが、好適な膜厚の皮膜を形成する観点で0.5時間以上の処理が好ましい。また、水蒸気処理は、皮膜生成と同時に基材の強度を向上させる。基材全体を強化する場合には、基材のサイズにより処理時間を調整することができる。 The treatment time of the treatment liquid with water vapor is not particularly limited, but the treatment of 0.5 hours or more is preferable from the viewpoint of forming a film having a suitable film thickness. In addition, the steam treatment improves the strength of the base material at the same time as forming the film. When strengthening the entire base material, the processing time can be adjusted according to the size of the base material.

以上の処理がなされたアルミニウム合金材については、洗浄等の後処理を適宜に行っても良いし、行わなくても良い。処理液中の塩濃度は低いことから、処理後のアルミニウム合金材表面の不純物吸着量は低減されているからである。また、処理後のアルミニウム合金材については、塗装を行っても良い。 For the aluminum alloy material that has been subjected to the above treatment, post-treatment such as cleaning may or may not be appropriately performed. This is because the salt concentration in the treatment liquid is low, so that the amount of impurities adsorbed on the surface of the aluminum alloy material after the treatment is reduced. Further, the treated aluminum alloy material may be painted.

本発明における水蒸気処理は、既存の皮膜のないアルミニウム合金部材に対する表面処理方法としても有用である。例えば、未処理の建材や構造材等を基材として、上記の水蒸気処理を行うことで、好適な皮膜を形成し耐食性を向上させると共に、基材の強度向上を図ることができる。この表面処理方法は、温度管理は必要であるが、水蒸気を基材に接触させることのみ実行可能であるから、被処理材に形状的制限・寸法的制限はなく、その有用性は高いといえる。 The steam treatment in the present invention is also useful as a surface treatment method for an existing aluminum alloy member without a film. For example, by performing the above steam treatment using an untreated building material, structural material, or the like as a base material, a suitable film can be formed to improve corrosion resistance and the strength of the base material can be improved. Although this surface treatment method requires temperature control, it can only be carried out by bringing water vapor into contact with the base material. Therefore, there are no shape or dimensional restrictions on the material to be treated, and it can be said that its usefulness is high. ..

以上説明したように、本発明に係るアルミニウム合金材は、一水和アルミニウム酸化物とAl系層状複水酸化物とが複合した皮膜を有し、この皮膜により好適な耐食性を有する。また、皮膜生成と同時に基材のミクロ組織に特異な変化が生じており、これによって強度向上も図られている。 As described above, the aluminum alloy material according to the present invention has a film in which a monohydrated aluminum oxide and an Al-based layered double hydroxide are composited, and the film has more suitable corrosion resistance. In addition, at the same time as the film is formed, a peculiar change occurs in the microstructure of the base material, which also improves the strength.

本発明に係るアルミニウム合金材の製造方法及び処理方法は、温度と圧力を厳密に管理した水蒸気を適用する方法である。この水蒸気処理は、従来の化成処理のような酸・アルカリ・重金属等の薬液による処理と相違し、低コストで実施可能であり、環境負荷も低い。そして、この水蒸気処理は、効果的な防食皮膜の形成と、アルミニウム合金基材の強化という性質が相違する材料特性を同時に改善することができる。本発明は、簡易でありながら有効性が高く、大型の部材や構造物に対応できるので広範な利用が期待できる。 The method for producing and treating an aluminum alloy material according to the present invention is a method for applying water vapor in which the temperature and pressure are strictly controlled. This steam treatment is different from the conventional chemical conversion treatment using chemical solutions such as acids, alkalis, and heavy metals, and can be carried out at low cost and has a low environmental load. Then, this steam treatment can simultaneously improve the material properties having different properties of forming an effective anticorrosion film and strengthening the aluminum alloy base material. The present invention is simple but highly effective, and can be applied to large members and structures, so that it can be expected to be widely used.

本実施形態で使用した水蒸気処理装置の構成を概略説明する図。The figure which outlines the structure of the steam treatment apparatus used in this embodiment. 各温度で水蒸気処理したアルミニウム合金材表面のSEM写真。SEM photograph of the surface of aluminum alloy material steam-treated at each temperature. 各温度で水蒸気処理したアルミニウム合金材のXRD分析結果。XRD analysis results of aluminum alloy material steam-treated at each temperature. 各温度で水蒸気処理したアルミニウム合金材の分極曲線。Polarization curve of aluminum alloy material steam-treated at each temperature.

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
第1実施形態:本実施形態では、アルミニウム合金基材として、7000番台のアルミニウム合金であるAl−Zn−Mg−Cu合金(組成:5.6質量%Zn、2.6質量%Mg、1.8質量%Cu、残部Al)を用意し、この基材に水蒸気処理を行った。前記組成の市販材を20×20mm、厚さ1.5mmに切り出したものを試験片とした。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.
First Embodiment : In the present embodiment, as the aluminum alloy base material, an Al-Zn-Mg-Cu alloy (composition: 5.6 mass% Zn, 2.6 mass% Mg, 1.) Which is an aluminum alloy in the 7000 series. 8 mass% Cu, the balance Al) was prepared, and this base material was subjected to steam treatment. A commercially available material having the above composition cut out to a size of 20 × 20 mm and a thickness of 1.5 mm was used as a test piece.

上記試験片について、水蒸気処理装置を用いて皮膜形成のための表面処理を行った。図1の水蒸気処理装置は、横型のオートクレーブであり、下部に水蒸気源となる純水(電気伝導率0.1mS/m以下)が注入されている。また、装置上部から試験片を複数吊り下げられるようになっている。蒸気処理は、温度100℃、170℃、180℃、240℃を設定し、各温度で圧力1MPaとして処理時間を0.5時間として温度及び圧力を保持して表面処理した。 The above test piece was surface-treated for film formation using a steam treatment device. The steam treatment apparatus of FIG. 1 is a horizontal autoclave, and pure water (electrical conductivity of 0.1 mS / m or less) as a steam source is injected into the lower part. In addition, a plurality of test pieces can be hung from the upper part of the device. For the steam treatment, the temperatures were set to 100 ° C., 170 ° C., 180 ° C., and 240 ° C., the pressure was 1 MPa at each temperature, the treatment time was 0.5 hours, and the surface treatment was performed while maintaining the temperature and pressure.

そして、表面処理後のアルミニウム合金試験片について、表面の皮膜観察(FE−SEM)を行った後、試験片表面についてXRD分析を行った。XRDはX線源Cu−Kαとして電圧50kV、電流300mAで測定した。そして、水蒸気処理の効果を確認するために耐食性の評価を行った。耐食性評価としては、分極曲線の測定を行った。分極曲線は、電解液を5質量%NaCl溶液とした。測定前に溶液を窒素でバブリングした後に分極測定した。 Then, the surface film of the aluminum alloy test piece after the surface treatment was observed (FE-SEM), and then the XRD analysis was performed on the surface of the test piece. XRD was measured as an X-ray source Cu-Kα at a voltage of 50 kV and a current of 300 mA. Then, the corrosion resistance was evaluated in order to confirm the effect of the steam treatment. As an evaluation of corrosion resistance, the polarization curve was measured. As for the polarization curve, the electrolytic solution was a 5 mass% NaCl solution. Before the measurement, the solution was bubbled with nitrogen and then the polarization was measured.

更に、本実施形態で行った水蒸気処理のアルミニウム合金基材に対する効果を確認するために、基材内部の溶質原子の分布状態を分析した。この分析として、3次元アトムプローブ分析(3DAP:CAMECA製、製品名Oxford NanoScience Three-Dimensional Atom Probe)を行った。3次元アトムプローブ分析は、針状の試料に強電解を印加し、それにより試料表面の原子をイオン化脱離させ(電解蒸発)、イオンを2次元検出器で一つ一つ分析して原子配列を特定することで試料の3次元の原子分布を得る方法である。 Furthermore, in order to confirm the effect of the steam treatment performed in this embodiment on the aluminum alloy base material, the distribution state of solute atoms inside the base material was analyzed. As this analysis, three-dimensional atom probe analysis (3DAP: manufactured by CAMECA, product name Oxford NanoScience Three-Dimensional Atom Probe) was performed. In three-dimensional atom probe analysis, strong electrolysis is applied to a needle-shaped sample, thereby ionizing and desorbing atoms on the sample surface (electrolytic evaporation), and the ions are analyzed one by one with a two-dimensional detector to form an atomic arrangement. This is a method of obtaining a three-dimensional atomic distribution of a sample by specifying.

本実施形態では、各試料について、先端の曲率半径30〜80nmの寸法の針状試料を作成し、温度30K、パルスフラクション20%の条件にて、10−8Pa以下の超高真空下において3次元アトムプローブ分析を行い、溶質原子であるMg、Siの3次元分布を分析した。そして得られたプロファイルから、析出物の径、形成数密度を算出した。析出物の数密度は、分析領域(nm)に対して存在する析出物の数をカウントした。また、析出物径は、捕捉した個々の析出物を構成する溶質原子の計数することで、相当径を決定した。本実施形態では、試料ごとに100個以上の析出物を捕捉し、上記方法で個々の径を測定してそれらの平均値を得た。In the present embodiment, for each sample, a needle-shaped sample having a tip radius of curvature of 30 to 80 nm is prepared, and under the conditions of a temperature of 30 K and a pulse fraction of 20%, 3 under an ultra-high vacuum of 10-8 Pa or less. Dimensional atom probe analysis was performed to analyze the three-dimensional distribution of solute atoms Mg and Si. Then, from the obtained profile, the diameter of the precipitate and the density of formed numbers were calculated. For the number density of precipitates, the number of precipitates present in the analysis region (nm 3) was counted. Further, the precipitate diameter was determined by counting the solute atoms constituting the captured individual precipitates. In this embodiment, 100 or more precipitates were captured for each sample, and the individual diameters were measured by the above method to obtain an average value thereof.

また、本実施形態では、水蒸気処理後のアルミニウム合金基材の強度を確認するため、基材表面についての硬度測定を行った。硬度の測定は、マイクロビッカース硬さ試験機(HM−103、株式会社ミツトヨ製)を使用し、測定前に皮膜を機械研磨して除去した試料表面について測定した。測定条件としては、試験荷重2.94N、荷重時間15sとした。 Further, in the present embodiment, in order to confirm the strength of the aluminum alloy base material after the steam treatment, the hardness of the base material surface was measured. The hardness was measured using a Micro Vickers hardness tester (HM-103, manufactured by Mitutoyo Co., Ltd.) on the sample surface from which the film was mechanically polished and removed before the measurement. The measurement conditions were a test load of 2.94 N and a load time of 15 s.

各温度で水蒸気処理したアルミニウム合金材についての評価結果に関し、以下説明する。まず、図2は、試料表面(皮膜)の形態観察結果である。170℃、180℃で処理した試料において針状結晶の生成が認められる。この針状結晶は、一水和アルミニウム酸化物(AlO(OH))であると考えられる。一方、100℃で処理した試料では、基材表面を被覆する皮膜の存在自体は確認できるが、針状結晶の形成は認められない。また、240℃で処理した試料も厚みのある皮膜が形成されていたが、針状結晶は消失している。 The evaluation results of the aluminum alloy material steam-treated at each temperature will be described below. First, FIG. 2 shows the morphological observation results of the sample surface (film). The formation of acicular crystals is observed in the samples treated at 170 ° C and 180 ° C. The acicular crystals are considered to be monohydrated aluminum oxide (AlO (OH)). On the other hand, in the sample treated at 100 ° C., the presence of the film itself covering the surface of the base material can be confirmed, but the formation of needle-like crystals is not observed. A thick film was also formed on the sample treated at 240 ° C., but the acicular crystals disappeared.

図3は、各温度で水蒸気処理したアルミニウム合金材のXRD分析結果を示す。170℃、180℃で処理した試料においては、一水和アルミニウム酸化物(AlO(OH))に由来するピークが観察され、特に2θ=14°付近、48°付近で明確に現れている。そして、これに加えて層状複水酸化物(ZnAl−LDH)に由来するピークが見られる(2θ=10.5°付近、19.5°付近)。これらに対して、100℃及び240℃の処理温度では、AlO(OH)のピークもLDHのピークもいずれも観察されなかった。 FIG. 3 shows the XRD analysis results of the aluminum alloy material steam-treated at each temperature. In the samples treated at 170 ° C. and 180 ° C., peaks derived from monohydrated aluminum oxide (AlO (OH)) were observed, and particularly clearly appeared near 2θ = 14 ° and 48 °. In addition to this, a peak derived from layered double hydroxide (ZnAl-LDH) is observed (2θ = around 10.5 °, around 19.5 °). On the other hand, at the treatment temperatures of 100 ° C. and 240 ° C., neither the peak of AlO (OH) nor the peak of LDH was observed.

170℃、180℃で処理した試料についてのXRDプロファイルから、一水和アルミニウム酸化物(AlO(OH))の200反射のピーク強度(X)と、Al系層状複水酸化物の003反射のピーク強度(Y)との比(Y/X)を算出した。その結果、170℃でY/X=0.17となり、180℃でY/X=0.37であった。特に、180℃の処理でLDHのピークが明瞭に観察でき、この温度でLDHの成長が顕著となっていると思われる。 From the XRD profile of the samples treated at 170 ° C and 180 ° C, the peak intensity (X) of 200 reflections of monohydrated aluminum oxide (AlO (OH)) and the peak of 003 reflections of Al-based layered double hydroxides. The ratio (Y / X) to the intensity (Y) was calculated. As a result, Y / X = 0.17 at 170 ° C. and Y / X = 0.37 at 180 ° C. In particular, the peak of LDH can be clearly observed by the treatment at 180 ° C., and it is considered that the growth of LDH is remarkable at this temperature.

そして、図4はポテンショ/ガルバノスタット(VersaSTAT3、Princeton Applied Research製)を使用して得られた、各温度で水蒸気処理したアルミニウム合金材の分極曲線を示す。図4には、水蒸気処理のないアルミニウム合金の分極曲線も記載している。図4から、100℃の水蒸気処理は未処理の試料と殆ど差異がなく、この温度の水蒸気処理では防食作用は殆どないと考えられる。170℃、180℃、240℃で処理した試料は、腐食電流密度が低下しているが、240℃で処理した試料は、−0.3V付近で孔食発生による電流密度の急激な増大が観察されている。240℃の処理は一応の皮膜形成はなされていても十分な防食作用をする皮膜ではないことがわかる。腐食電流密度の低下は180℃で処理した試料は、腐食電流密度の大幅な低下及び不働態領域の拡大が見られると共に、孔食発生による電流密度の急激な増大もなく有効な防食効果が確認できる。170℃の処理も腐食電流密度の低下幅は180℃より小さいものの、防食効果は認められる。各試料における上記の耐食性の差異は、皮膜についてのXRDの結果と符合する。即ち、AlO(OH)及びLDHの生成によって、皮膜の防食効果が大きく増大することが分かる。 Then, FIG. 4 shows the polarization curves of the aluminum alloy material steam-treated at each temperature obtained by using Potence / Galvanostat (VersaSTAT3, manufactured by Princeton Applied Research). FIG. 4 also shows the polarization curve of the aluminum alloy without steam treatment. From FIG. 4, it is considered that the steam treatment at 100 ° C. is almost the same as that of the untreated sample, and the steam treatment at this temperature has almost no anticorrosion effect. The corrosion current density of the samples treated at 170 ° C, 180 ° C, and 240 ° C decreased, but the sample treated at 240 ° C observed a rapid increase in current density due to pitting corrosion at around -0.3V. Has been done. It can be seen that the treatment at 240 ° C. does not provide a sufficient anticorrosion effect even if a film is formed. The decrease in corrosion current density was confirmed in the sample treated at 180 ° C, which showed a significant decrease in corrosion current density and expansion of the non-active region, and an effective anticorrosion effect without a rapid increase in current density due to pitting corrosion. can. Although the decrease in corrosion current density is smaller than 180 ° C even in the treatment at 170 ° C, the anticorrosion effect is recognized. The above difference in corrosion resistance in each sample is consistent with the XRD results for the coating. That is, it can be seen that the anticorrosion effect of the film is greatly increased by the formation of AlO (OH) and LDH.

次に、アルミニウム合金基材に関する分析・評価結果について述べる。表1は、各温度で水蒸気処理したアルミニウム合金材の基材について行った3次元アトムプローブ分析に基づく析出物測定の結果である。また、表2に各試料の硬度測定の結果を示す。 Next, the analysis / evaluation results of the aluminum alloy base material will be described. Table 1 shows the results of precipitate measurement based on three-dimensional atom probe analysis performed on the base material of the aluminum alloy material steam-treated at each temperature. Table 2 shows the results of hardness measurement of each sample.

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本実施形態で行った水蒸気処理について、100℃の処理では、析出物が多数形成されているが、その平均径は微小であり強化作用に乏しい。これは、温度が低く溶質原子の移動がまだ活発に生じていないためである。逆に、240℃の処理では、溶質原子の移動が促進され析出物間の結合も生じたため、粗大な析出物が低密度で生じているといえる。これらに対して、170℃、180℃の処理では、溶質原子の移動が適度に生じており、好適なサイズで強化作用を最大限発揮し得る析出物が高密度で生成していると考えられる。 Regarding the steam treatment performed in the present embodiment, a large number of precipitates are formed in the treatment at 100 ° C., but the average diameter thereof is very small and the strengthening action is poor. This is because the temperature is low and the movement of solute atoms has not yet occurred actively. On the contrary, in the treatment at 240 ° C., the movement of solute atoms is promoted and bonds between the precipitates are formed, so that it can be said that coarse precipitates are generated at a low density. On the other hand, in the treatments at 170 ° C. and 180 ° C., the solute atoms move appropriately, and it is considered that precipitates having a suitable size and capable of maximizing the strengthening action are produced at high density. ..

そして、各試料の硬度測定の結果から、処理温度を170℃、180℃とした試料で、未処理材に対して20Hv以上増加することが確認された。特に、180℃で処理したときの硬度は、未処理材の150%以上の硬度(35Hv増大)を示す。240℃の水蒸気処理では、未処理材に対しての硬度上昇は認められるがその幅は小さい。 Then, from the results of hardness measurement of each sample, it was confirmed that the sample having the treatment temperature of 170 ° C. and 180 ° C. increased by 20 Hv or more with respect to the untreated material. In particular, the hardness when treated at 180 ° C. shows a hardness of 150% or more (35 Hv increase) of the untreated material. In the steam treatment at 240 ° C., the hardness of the untreated material is increased, but the width is small.

第2実施形態:本実施形態では、アルミニウム合金基材として、2000番台のアルミニウム合金であるAl−Cu合金(組成:3.94質量%Cu、残部Al)と、6000番台のアルミニウム合金であるAl−Mg−Si(組成:0.96質量%Mg、0.59質量%Si、残部Al)、及び、Al−Mg−Si−Cu合金(組成:0.74質量%Mg、0.65質量%Si、0.85質量%Cu、残部Al)を用意し、20×20mm、厚さ1.5mmに切り出したものを試験片とした。そして、この基材に第1実施形態と同様の水蒸気処理を行った。 Second Embodiment : In the present embodiment, as the aluminum alloy base material, an Al—Cu alloy (composition: 3.94% by mass Cu, balance Al) which is an aluminum alloy in the 2000s and Al which is an aluminum alloy in the 6000s. -Mg-Si (composition: 0.96% by mass Mg, 0.59% by mass Si, balance Al) and Al-Mg-Si-Cu alloy (composition: 0.74% by mass Mg, 0.65% by mass) Si, 0.85 mass% Cu, and the balance Al) were prepared, and a piece cut out to a size of 20 × 20 mm and a thickness of 1.5 mm was used as a test piece. Then, this base material was subjected to the same steam treatment as in the first embodiment.

水蒸気処理は、第1実施形態と同じ水蒸気処理装置を用い、温度100℃、170℃、180℃、240℃を設定し、各温度で圧力1MPaとして処理時間を0.5時間として温度及び圧力を保持して表面処理した。 For steam treatment, the same steam treatment apparatus as in the first embodiment is used, the temperatures are set to 100 ° C., 170 ° C., 180 ° C., and 240 ° C., the pressure is 1 MPa at each temperature, the treatment time is 0.5 hours, and the temperature and pressure are set. Retained and surface treated.

そして、水蒸気処理後の各アルミニウム合金試験片について、XRD分析、耐食性評価(分極曲線測定)、3次元アトムプローブ分析、硬度測定を行った。これらの分析、試験における条件は、第1実施形態と同様とした。 Then, XRD analysis, corrosion resistance evaluation (polarization curve measurement), three-dimensional atom probe analysis, and hardness measurement were performed on each aluminum alloy test piece after the steam treatment. The conditions in these analyzes and tests were the same as in the first embodiment.

第2実施形態で水蒸気処理した2つのアルミニウム合金材についての評価結果を以下説明する。まず、XRD分析について、3つのアルミニウム合金材の分析結果は、いずれも第1実施形態のアルミニウム合金材と同様の傾向を示した。即ち、170℃、180℃で処理した試料においては、一水和アルミニウム酸化物(AlO(OH))と層状複水酸化物(LDH)のそれぞれに由来するピークが観察された。一方、100℃及び240℃の処理温度では、AlO(OH)のピークもLDHのピークもいずれも観察されなかった。180℃で処理した2つのアルミニウム合金試料における一水和アルミニウム酸化物(AlO(OH))の200反射のピーク強度(X)と、Al系層状複水酸化物の003反射のピーク強度(Y)との比(Y/X)を算出した結果を表3に示す。 The evaluation results of the two aluminum alloy materials treated with steam in the second embodiment will be described below. First, regarding the XRD analysis, the analysis results of the three aluminum alloy materials all showed the same tendency as the aluminum alloy materials of the first embodiment. That is, in the samples treated at 170 ° C. and 180 ° C., peaks derived from each of monohydrated aluminum oxide (AlO (OH)) and layered double hydroxide (LDH) were observed. On the other hand, at the treatment temperatures of 100 ° C. and 240 ° C., neither the peak of AlO (OH) nor the peak of LDH was observed. The peak intensity (X) of 200 reflection of monohydrated aluminum oxide (AlO (OH)) and the peak intensity (Y) of 003 reflection of Al-based layered double hydroxide in two aluminum alloy samples treated at 180 ° C. The results of calculating the ratio (Y / X) with and to are shown in Table 3.

Figure 0006960672
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耐食性評価の結果について説明すると、この評価項目においても、第2実施形態のアルミニウム合金材について、170℃、180℃で処理した試料で腐食電流密度の低下が発現し、有効な防食作用があることが確認された。一方、で100℃の水蒸気処理した試料には防食作用が認められなかった。 Explaining the result of the corrosion resistance evaluation, also in this evaluation item, the aluminum alloy material of the second embodiment shows a decrease in corrosion current density in the sample treated at 170 ° C. and 180 ° C., and has an effective anticorrosion effect. Was confirmed. On the other hand, no anticorrosion effect was observed in the sample treated with steam at 100 ° C.

そして、表4は、各アルミニウム合金基材の3次元アトムプローブ分析に基づく析出物測定の結果である。また、表5には硬度測定の結果を示した。 Table 4 shows the results of precipitate measurement based on the three-dimensional atom probe analysis of each aluminum alloy base material. Table 5 shows the results of hardness measurement.

Figure 0006960672
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これらの表から、第2実施形態で使用したアルミニウム合金(Al−Cu合金、Al−Mg−Si合金、Al−Mg−Si−Cu合金)の水蒸気処理による効果は、第1実施形態のアルミニウム合金と同様の傾向がみられることが分かる。即ち、硬度測定の結果から、処理温度を170℃、180℃とした試料において、未処理材と対比すると明確な強度向上効果がある。特に、180℃で処理した試料が好ましい結果であった。そして、240℃の水蒸気処理は、未処理材に対して硬度上昇は認められるが、100℃での処理結果と同等であり効果は小さい。そして、3次元アトムプローブ分析から把握される析出物の状態は、この硬度に関する結果を裏付けている。100℃の処理では析出物は微小であり、240℃の処理では析出物は粗大化し密度が低くなる。これに対して、170℃、180℃の処理では、適切な溶質原子の移動・集合により、強化作用を有効に発揮し得る析出物が高密度で生成することが確認できる。 From these tables, the effects of steam treatment of the aluminum alloys (Al-Cu alloy, Al-Mg-Si alloy, Al-Mg-Si-Cu alloy) used in the second embodiment are shown in the aluminum alloy of the first embodiment. It can be seen that the same tendency can be seen. That is, from the result of hardness measurement, in the sample in which the treatment temperature is 170 ° C. and 180 ° C., there is a clear effect of improving the strength as compared with the untreated material. In particular, the sample treated at 180 ° C. was a preferable result. The steam treatment at 240 ° C. shows an increase in hardness with respect to the untreated material, but is equivalent to the treatment result at 100 ° C. and the effect is small. And the state of the precipitate ascertained from the three-dimensional atom probe analysis supports the result regarding this hardness. In the treatment at 100 ° C., the precipitates are minute, and in the treatment at 240 ° C., the precipitates become coarse and the density becomes low. On the other hand, it can be confirmed that in the treatments at 170 ° C. and 180 ° C., precipitates capable of effectively exerting the strengthening action are produced at a high density by appropriate movement and aggregation of solute atoms.

尚、本実施形態では、上記の3つのアルミニウム合金の他、6000番台のアルミニウム合金であるAl−Mg−Siに関して、Mgが0.59〜0.96質量%、Siが0.59〜0.96質量%の範囲となる合金について水蒸気処理を行い、耐食性、硬度、析出物の検討を行った。そして、この組成範囲においても上記と同様の効果があったことを確認している。 In this embodiment, in addition to the above three aluminum alloys, Mg is 0.59 to 0.96% by mass and Si is 0.59 to 0. With respect to Al-Mg-Si, which is an aluminum alloy in the 6000 series. The alloys in the range of 96% by mass were subjected to steam treatment, and the corrosion resistance, hardness, and precipitates were examined. It has been confirmed that the same effect as described above was obtained in this composition range as well.

以上説明したように、本発明に係るアルミニウム合金材は、一水和アルミニウム酸化物にAl系層状複水酸化物を複合させた防食皮膜により好適な耐食性を発揮する。そして、これと同時に基材についての強度向上も図られている。このアルミニウム合金材を製造するための水蒸気処理は、水による処理であるので、低コストで環境負荷も低い処理方法である。また、この水蒸気処理は、防食皮膜形成と同時にアルミニウム合金基材の強化を生じさせることができる。本発明は、自動車や航空機等の輸送機器の構成材料の他、アルミニウム合金の各種用途に応用できる技術である As described above, the aluminum alloy material according to the present invention exhibits suitable corrosion resistance due to an anticorrosion film in which an Al-based layered double hydroxide is compounded with a monohydrated aluminum oxide. At the same time, the strength of the base material is also improved. Since the steam treatment for producing this aluminum alloy material is a treatment with water, it is a treatment method with low cost and low environmental load. Further, this steam treatment can cause the aluminum alloy base material to be strengthened at the same time as forming the anticorrosion film. The present invention is a technique that can be applied to various uses of aluminum alloys as well as constituent materials of transportation equipment such as automobiles and aircraft.

Claims (6)

アルミニウム合金からなる基材と、前記基材の少なくとも一方の表面上に形成された皮膜とからなるアルミニウム合金材において、
基材となる前記アルミニウム合金は、アルミニウム以外の元素である溶質元素を少なくとも1種含む、国際アルミニウム合金名の規定による2000番台、6000番台、7000番台のアルミニウム合金のいずれかよりなり、
前記皮膜は、一水和アルミニウム酸化物(AlO(OH))と、下記化1で示されるAl系層状複水酸化物とからなり、
前記皮膜についてなされるX線回折の回折ピークについて、一水和アルミニウム酸化物の200反射のピーク強度(X)と、前記Al系層状複水酸化物の003反射のピーク強度(Y)との比(Y/X)が、0.1〜0.5であることを特徴とするアルミニウム合金材。
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In an aluminum alloy material composed of a base material made of an aluminum alloy and a film formed on the surface of at least one of the base materials.
The aluminum alloy as the base material is at least 1 Tane含no solute element is an element other than aluminum, 2000 series according to the provisions of international aluminum alloy name, 6000 series, becomes more or 7000 series aluminum alloy,
The film is composed of monohydrated aluminum oxide (AlO (OH)) and Al-based layered double hydroxide shown in Chemical formula 1 below.
Regarding the diffraction peak of X-ray diffraction performed on the film, the ratio of the peak intensity (X) of 200 reflection of the monohydrated aluminum oxide and the peak intensity (Y) of 003 reflection of the Al-based layered double hydroxide. An aluminum alloy material having (Y / X) of 0.1 to 0.5.
Figure 0006960672
基材であるアルミニウム合金は、溶質元素の原子が集合してなる析出物が分散しており、
前記析出物は、2nm以上7nmであり、
前記析出物の形成数密度が2×1023個/nm以上15×1023個/nm以下である請求項1記載のアルミニウム合金材。
In the aluminum alloy as the base material, precipitates formed by the aggregation of solute element atoms are dispersed.
The precipitate is 2 nm or more and 7 nm.
The aluminum alloy material according to claim 1, wherein the number density of the precipitates formed is 2 × 10 23 / nm 3 or more and 15 × 10 23 / nm 3 or less.
溶質元素は、亜鉛、マグネシウム、ケイ素、銅、マンガン、リチウム、鉄の少なくともいずれかである請求項1又は請求項2記載のアルミニウム合金材。 The aluminum alloy material according to claim 1 or 2, wherein the solute element is at least one of zinc, magnesium, silicon, copper, manganese, lithium, and iron. 皮膜の厚さは、1〜100μmである請求項1〜請求項3のいずれかに記載のアルミニウム合金材。 The aluminum alloy material according to any one of claims 1 to 3, wherein the thickness of the film is 1 to 100 μm. 請求項1〜請求項4のいずれかに記載のアルミニウム合金材の製造方法であって、アルミニウム合金からなる基材と、170℃以上190℃以下の水蒸気とを0.5時間以上接触させ、前記基材表面上に皮膜を形成する工程を含むアルミニウム合金材の製造方法。 The method for producing an aluminum alloy material according to any one of claims 1 to 4, wherein a base material made of an aluminum alloy and water vapor at 170 ° C. or higher and 190 ° C. or lower are brought into contact with each other for 0.5 hours or longer. A method for producing an aluminum alloy material, which comprises a step of forming a film on the surface of a base material. アルミニウム以外の元素である溶質元素を少なくとも1種含む、国際アルミニウム合金名の規定による2000番台、6000番台、7000番台のアルミニウム合金からなるアルミニウム合金材の表面上に皮膜を形成する表面処理方法において、
前記アルミニウム合金材を170℃以上190℃以下の水蒸気に0.5時間以上接触させることで前記皮膜を形成する工程を含む、アルミニウム合金材の表面処理方法。
In a surface treatment method for forming a film on the surface of an aluminum alloy material composed of aluminum alloys in the 2000s, 6000s, and 7000s according to the regulations of the international aluminum alloy name, which contains at least one solute element which is an element other than aluminum.
A method for surface-treating an aluminum alloy material, which comprises a step of forming the film by contacting the aluminum alloy material with water vapor of 170 ° C. or higher and 190 ° C. or lower for 0.5 hours or longer.
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