JPWO2018123933A1 - アルミニウム合金箔及びその積層体並びにそれらの製造方法 - Google Patents

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Abstract

優れた耐湿熱性及び耐食性を有しつつも、十分な表面硬度を有するアルミニウム合金箔を提供すること。アルミニウム合金箔１００質量％中に、９６．９質量％以上のアルミニウム、０．４質量％以上３質量％以下のマンガン、０．０３質量％以上０．０８質量％以下の鉄、０．００００１質量％以上０．１質量％以下のシリコン、０．００００１質量％以上０．０３質量％以下の銅、０．００００１質量％以上０．０１質量％以下の亜鉛、及び０．００００１質量％以上０．００１質量％以下のマグネシウムを含む、アルミニウム合金箔。

Description

本発明は、アルミニウム合金箔及びそれを用いた積層体、並びにそれらの製造方法に関する。
近年、環境負荷低減の観点から移動手段に使用される航空機、鉄道車両または自動車には、更なる軽量化が望まれている。さらに、取り扱いの観点からも各種機械部品、電気電子関係部材、建材、家庭用途等の幅広い分野において、部材の軽量化が望まれている。
こうした中、これらの部材に金属材料を使用する場合には、比較的密度の大きい鉄鋼材料や銅ではなく、より密度の小さいアルミニウム及び／又はアルミニウム合金を使用することで、部材の軽量化を図ることが行われている。
しかし一般的にアルミニウム合金は、水、湿気、塩水等の影響により腐食しやすいという欠点がある。よって、屋外、特に海洋及び沿岸等の塩水の影響を受ける可能性のある用途及び、塩分を含む薬品及び塩分を含む食品の包装材料などの用途に展開することは困難である。
そこで特許文献１において、マンガンを所定量含有させ、マンガン以外の各種元素含有量を相対的に抑制したアルミニウム合金が提案されている。マンガンを所定量含有させることにより、アルミニウム合金の耐食性を損なうことなく強度を高め、また所定の加工方法を採用することにより、成形性を良好にするための十分な伸びと、薄い箔を得るための高い圧延性を得ることが可能となっている。
しかし、例えば発電施設及び自動車部品のような、より過酷な高温多湿環境に置かれる材料として採用する場合、引用文献１に開示されるアルミニウム合金より作製したアルミニウム合金箔では、高温多湿環境下における耐食性（以下、耐湿熱性という。）及び耐食性、特に耐湿熱性の面で十分な性能が得られない。また、薬品及び食品の包装材料用途に使用する場合も、内容物及び他の材料との接触による傷を十分に抑制し得るだけの表面硬度を有しているとは言えない。
また、例えば電機電子関係部材では、一方の部材と他方の部材との接合及び積層等を行う工程で、より具体的には、ハンダリフローやヒートプレス、及び加熱成型等の工程において、前記部材は熱が掛かる環境にさらされる。こうした部材としてアルミニウム合金箔を採用する場合、熱によってアルミニウム合金箔の強度が低下してしまう。特許文献１には上述の工程中にかかる熱によるアルミニウム合金箔の強度低下が少なく、部材として十分な強度を維持するといった耐熱強度については言及されていない。
このように、より過酷な環境下での耐湿熱性及び耐食性を備えたうえで、十分な表面硬度及び耐熱強度をも有する、アルミニウム合金箔及びそれを用いた積層体が求められていた。
特許第５１１６４０３号公報
上記のような事情に鑑み、本発明の目的とするところは、優れた耐湿熱性及び耐食性を有し、且つ、十分な表面硬度及び耐熱強度を有するアルミニウム合金箔を提供することにある。
本発明者らは上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、アルミニウム合金箔中に、所定量のマンガンと共に所定量の鉄をも含有させることで、耐食性だけでなく耐湿熱性にも優れるとともに、十分な表面硬度及び耐熱強度を有するアルミニウム合金箔を提供できることを見出した。本発明者らは、かかる知見に基づきさらに研究を重ね、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は、以下のアルミニウム合金箔及びその積層体を提供する。
項１．
アルミニウム合金箔１００質量％中に、９６．９質量％以上のアルミニウム、０．４質量％以上３質量％以下のマンガン、０．０３質量％以上０．０８質量％以下の鉄、０．００００１質量％以上０．１質量％以下のシリコン、０．００００１質量％以上０．０３質量％以下の銅、０．００００１質量％以上０．０１質量％以下の亜鉛、及び０．００００１質量％以上０．００１質量％以下のマグネシウムを含む、アルミニウム合金箔。
項２．
厚みが５μｍ以上３００μｍ以下である項１に記載のアルミニウム合金箔。
項３．
項１又は２に記載のアルミニウム合金箔の何れか又は双方の面に、樹脂フィルム層及びコーティング層の何れか又は双方が積層された積層体であり、該積層体の厚みが６μｍ以上３０１μｍ以下である積層体。
項４．
９６．９質量％以上のアルミニウム、０．４質量％以上３質量％以下のマンガン、０．０３質量％以上０．０８質量％以下の鉄、０．００００１質量％以上０．１質量％以下のシリコン、０．００００１質量％以上０．０３質量％以下の銅、０．００００１質量％以上０．０１質量％以下の亜鉛、及び０．００００１質量％以上０．００１質量％以下のマグネシウムを含有する鋳塊を圧延する工程を有する、アルミニウム合金箔の製造方法。
項５．
項４で得られたアルミニウム合金箔の何れか又は双方の面に、樹脂フィルム層及びコーティング層の何れか又は双方を積層する工程を有する、積層体の製造方法。
本発明に係るアルミニウム合金箔及びその積層体によれば、優れた耐湿熱性及び耐食性を有し、且つ、十分な表面硬度及び耐熱強度を有するアルミニウム合金箔及びその積層体を提供することができる。
本発明のアルミニウム合金箔は、該アルミニウム合金箔１００質量％中に、９６．９質量％以上のアルミニウム、０．４質量％以上３質量％以下のマンガン、０．０３質量％以上０．０８質量％以下の鉄、０．００００１質量％以上０．１質量％以下のシリコン、０．００００１質量％以上０．０３質量％以下の銅、０．００００１質量％以上０．０１質量％以下の亜鉛、及び０．００００１質量％以上０．００１質量％以下のマグネシウムを含むことを特徴とする。
アルミニウム
本発明のアルミニウム合金箔において、ＪＩＳ Ｈ ２１０２：２０１１に記載される方法に準じて測定されるアルミニウム純度は９６．９質量％以上である。
マンガン
本発明のアルミニウム合金箔は、該アルミニウム合金箔１００質量％中に、０．４質量％以上３質量％以下のマンガンを含有する。マンガンは、アルミニウム合金の耐食性を大きく低下させることなく、強度を向上させる元素である。マンガンの含有率が０．４質量％未満であると十分な耐湿熱性及び耐食性が得られないだけでなく、表面硬度及び耐熱強度も低下する。また、マンガンの含有率が３．０質量％を超えると、アルミニウム合金表面の硬度は高くなるが、圧延性が低下し、アルミニウム合金箔を得ることができない。アルミニウム合金の耐食性、耐湿熱性、表面硬度、耐熱強度及び圧延性を兼ね備えるためには、マンガンの含有率を０．４質量％以上２．５質量％以下とすることが好ましく、０．５質量％以上１．５質量％以下とすることがより好ましい。
鉄
本発明のアルミニウム合金箔は、該アルミニウム合金箔１００質量％中に、０．０３質量％以上０．０８質量％以下の鉄を含有する。アルミニウム合金箔中に一定量の鉄を加えることにより、高温多湿雰囲気におけるアルミニウム合金箔の耐食性を向上させることができる。アルミニウム合金箔１００質量％中の鉄の含有量が０．０３質量％に満たない場合、高温多湿雰囲気におけるアルミニウム合金箔の耐食性が不十分となる。一方、鉄の含有量が０．０８質量％を超えると、−４０〜６０℃における塩水に対する耐食性が著しく低下する。
アルミニウム合金箔に、鉄及びマンガンが含まれていると、Ａｌ６（Ｆｅ、Ｍｎ）等のアルミニウム−鉄−マンガンの金属間化合物が形成される。アルミニウム−鉄−マンガンの金属間化合物が形成されたアルミニウム合金は、一般的にはアルミニウム−鉄系金属間化合物が形成されたアルミニウム合金と比較して、塩分による耐食性に優れる。また、マンガンのアルミニウム合金箔中の含有量が０．４質量％以上３質量％以下であることにより、アルミニウム−鉄−マンガンの金属間化合物が形成されやすくなる。一方で鉄の含有量が０．０８質量％を越えると、上述のアルミニウム−鉄−マンガンの金属間化合物以外に、アルミニウム−鉄系金属間化合物も形成されるため、−４０〜６０℃における塩水に対するアルミニウム合金箔の耐食性が著しく低下すると考えられる。
また、鉄の含有量が少ないほどアルミニウム合金箔の表面硬度は低くなる。上述の理由を加味すると、鉄の含有量は０．０４質量％以上０．０７質量％以下がより好ましい。さらに好ましくは０．０４質量％以上０．０６質量％以下である。
シリコン
シリコンがアルミニウム合金中に存在すると、酸性の環境ではアルミニウム合金の耐食性が低下し、特に孔食の原因となる。しかしシリコンが含有されることで高温多湿雰囲気における耐食性の低下を抑制することができる。一方、シリコンの含有率を小さくすると、アルミニウム合金の結晶粒径が小さくなる。これにより、アルミニウム合金の伸び、すなわち圧延性をも向上させることができる。これらを考慮すれば、アルミニウム合金箔１００質量％中におけるシリコンの含有率を０．００００１質量％以上０．１質量％以下にする必要があり、０．００１質量％以上０．０８質量％以下が、より好ましい。
銅
銅はアルミニウム合金中に微量に存在してもアルミニウム合金の耐食性を低下させる。そのため、アルミニウム合金箔１００質量％中に、銅の含有率は０．０３質量％以下とする必要がある。銅の含有量の下限値は特に限定されないが、通常０．００００１質量％程度である。銅の含有率を０．００００１質量％未満にするためには、さらに分別結晶法を繰り返すこと等が必要になり、製造コストが著しく高くなる。また、好ましくは、銅の含有率は０．０２質量％以下であり、さらに好ましくは０．０１質量％以下である。
亜鉛
亜鉛はアルミニウム合金内に微量に存在してもアルミニウム合金の耐食性を低下させる。そのため、アルミニウム合金箔１００質量％中における亜鉛の含有率は０．０１質量％以下とする必要がある。亜鉛の含有量の下限値は特に限定されないが、通常０．００００１質量％程度である。亜鉛の含有率を０．００００１質量％未満にするためには、三層電解法を繰り返すこと等が必要になり、製造コストが著しく高くなる。
マグネシウム
マグネシウムは、アルミニウムの表面上に形成された酸化被膜中に濃縮しやすく、被膜欠陥を引き起こすため、アルミニウム合金の耐食性を低下させる。そのため、アルミニウム合金箔１００質量％中におけるマグネシウムの含有率は０．００１質量％以下とする必要がある。マグネシウムの含有量の下限値は特に限定されないが、通常０．００００１質量％程度である。マグネシウムの含有率を０．００００１質量％未満にするためには、三層電解法を繰り返すこと等が必要になり、製造コストが著しく高くなる。
その他
本発明のアルミニウム合金箔は、上述した金属元素以外に、バナジウム（Ｖ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）等の遷移元素、ホウ素（Ｂ）、ガリウム（Ｇａ）、及びビスマス（Ｂｉ）等からなる群より選択される一種以上の元素を含有してもよい。これら各元素の含有量は、アルミニウム合金箔１００質量％中に、それぞれ０．０５質量％以下とすることが好ましい。
なお、本明細書において、アルミニウム合金箔の組成は、誘導結合プラズマ発光分光分析法によって測定するものとする。測定装置としては、サーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製iＣＡＰ６５００ＤＵＯ、もしくは株式会社島津製作所製ＩＣＰＳ−８１００などが挙げられる。
アルミニウム合金箔の厚み
アルミニウム合金箔の厚みは、強度及び製造の容易性の観点から、５μｍ以上であることが好ましい。また、アルミニウム合金箔の軽量化という観点から、アルミニウム合金箔の厚みは３００μｍ以下とすることが好ましい。さらに好ましくは、５μｍ以上２００μｍ以下とすることが好ましい。アルミニウム合金箔の厚みを上記範囲とするには、常法に従って、鋳造、圧延を行えばよい。また、適宜熱処理を行ってもよい。
積層体
また本発明のアルミニウム合金箔の少なくとも一方の面に、樹脂フィルム層及びコーティング層の何れか又は双方を積層させた積層体とするのも好ましい実施態様である。かかる積層体は、塩水に対する耐食性及び高温多湿環境下での耐湿熱性が求められる環境下での使用に好適である。また、高い表面硬度をも有しているため、塩分を含んだ飲料及び食品の包装用、生理食塩水を含む薬品等の包装材用、断熱材や防水シート等の建材用、海洋及び沿岸部に設置される設備（例えば太陽光発電パネル）、船舶、航空、自動車、及び鉄道車両等の機械部品、並びに電気電子関係部材における紫外線、可視光、赤外線、電波等の電磁波、ガス、及び湿気からの遮蔽としての被覆用、家庭用及び装飾用分野にも十分な効果を発揮することができる。
アルミニウム合金箔に積層させる樹脂フィルム層及びコーティング層の積層数及び、積層する順序等は、その積層体の使用用途等に応じ、適宜設定すればよく、限定はない。積層体の厚みは、強度の観点から、６μｍ以上とするのが好ましく、軽量化の観点から３０１μｍ以下とするのが好ましい。さらに好ましくは、１０μｍ以上２０１μｍ以下である。
樹脂フィルム層に使用する樹脂フィルムとしては、公知の樹脂を材料とするフィルムを広く採用することができ、特に限定はない。具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリビニルクロライド、ポリビニリデンクロライド、ポリビニルアルコール、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリアミド、ポリイミド及び塩化ビニルから選ばれる１種以上を用いることができる。樹脂フィルム層の厚みは、積層体の厚みが上記数値範囲内となるように、アルミニウム合金箔の厚み及び後述するコーティング層の厚みも考慮し、適宜設定すればよい。
樹脂フィルム層をアルミニウム合金箔に積層するに際して両者を接着する方法としては、公知の方法を広く採用することができ、特に限定はない。具体的には、ポリエステルウレタン系、ポリエステル系等の２液硬化型接着剤を用いるドライラミネーション法、共押し出し法、押し出しコート法、押し出しラミネート法、ヒートシール法、及びアンカーコート剤を用いるヒートラミネーション法等が挙げられる。
コーティング層には、チタン酸化物、シリコン酸化物、ジルコニウム酸化物、及びクロム組成物などの無機物コート、アクリル、ポリカーボネート、シリコン樹脂、及びフッ素樹脂などの樹脂コートを採用することができる。その他にも、プラズマ処理、脂肪酸、シランカップリング剤などによる表面修飾、並びに、酸及び／又はアルカリなどによって形成される変成物などを好適に用いることができ、特に限定はない。コーティング層の厚みも、積層体の厚みが上記数値範囲内となるように、アルミニウム合金箔及び樹脂フィルム層の厚みを考慮し、適宜設定すればよい。
アルミニウム合金箔の製造方法
本発明のアルミニウム合金箔の製造方法は、９６．９質量％以上のアルミニウム、０．４質量％以上３質量％以下のマンガン、０．０３質量％以上０．０８質量％以下の鉄、０．００００１質量％以上０．１質量％以下のシリコン、０．００００１質量％以上０．０３質量％以下の銅、０．００００１質量％以上０．０１質量％以下の亜鉛、及び０．００００１質量％以上０．００１質量％以下のマグネシウムを含有する鋳塊を圧延する工程を有することを、特徴とする。
鋳塊は、例えば、アルミニウム地金を溶解し、鉄又はアルミニウム−鉄母合金、並びにマンガン又はアルミニウム−マンガン母合金を添加することにより得られる溶湯を凝固させて鋳造することにより、得ることができる。鋳造方法は特に限定されず、半連続鋳造、連続鋳造、及び金型鋳造等からなる群より選択される方法を採用することができる。
得られた鋳塊に、均質化熱処理を行ってもよい。均質化熱処理は、たとえば加熱温度を４００℃以上６３０℃以下、加熱時間を１時間以上２０時間以下とする条件で行うことが好ましい。
圧延するための方法としては、公知の圧延方法を広く採用することが可能であり、特に限定はない。
但し、アルミニウム合金箔の厚みを調整しやすくするという観点から、熱間圧延工程の後に、冷間圧延工程を設けることが好ましい。また、熱間圧延工程における熱間圧延の回数及び冷間圧延工程における冷間圧延の回数は目的とする最終厚みに応じて適宜設定すればよい。
冷間圧延を複数回実施する場合には、中間焼純を実施することも好ましい。この場合、冷間圧延工程を、１回又は複数回の冷間圧延、中間焼純、１回又は複数回の冷間圧延の順に実施することが好ましい。中間焼純は、焼純温度を５０℃以上５００℃以下、焼純時間を１秒以上２０時間以下に設定して実施することが好ましい。かかる構成を採用することにより、アルミニウム合金箔の厚みを容易に調整することができる。
また、熱間圧延工程及び冷間圧延工程の後、さらに、箔圧延工程を設けることも、好ましい。箔圧延工程を設けることにより、アルミニウム合金箔の厚みを調整することが、さらに容易になる。箔圧延工程は、重合圧延により実施してもよい。
箔圧延工程の後に、さらに、５０℃以上４５０℃以下の温度で１秒〜５０時間程度の熱処理を実施する熱処理工程を設けてもよい。熱処理工程を設けることにより、アルミニウム合金箔表面に残留している圧延油の除去による濡れ性向上やアルミニウム合金箔の機械特性を調整できる。
積層体の製造方法
上記で得られたアルミニウム合金箔の何れか又は双方の面に、樹脂フィルム層及びコーティング層の何れか又は双方を積層し、積層体を得ることも好ましい。ここでの積層の方法としては、公知の方法を広く採用することが可能であり、具体的には、ドライラミネート法、押し出しラミネート法、ウエットラミネート法、及びヒートラミネート法等からなる群より選択される方法を採用することができる。また、アルミニウム合金箔の何れか又は双方の面に、樹脂フィルム層及びコーティング層の双方を積層する場合には、コーティング層及び樹脂フィルム層をこの順に積層することが好ましい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
以下、実施例に基づき、本発明の実施形態をより具体的に説明するが、本発明がこれらに限定されるものではない。
表１に示す組成に基づき、アルミニウム合金を、約１０２℃／秒の冷却速度で溶解鋳造することにより厚み６ｍｍのアルミニウム合金の板を得た。得られたアルミニウム合金の板を４００℃にて５時間熱処理を行った。炉から板を取り出した後圧延し、実施例１〜７及び比較例１〜８の、厚み１００μｍのアルミニウム合金箔を得た。
加えて表１に示す組成に基づき、アルミニウム合金を、約１０２℃／秒の冷却速度で溶解鋳造することにより厚み５００ｍｍのアルミニウム合金の板を得た。得られたアルミニウム合金の板を６１０℃にて１０時間、均質化熱処理を行った。炉から板を取り出した後熱間圧延を施し、厚み７ｍｍの熱間圧延板を得た後、冷間圧延を行い、表１に記載の厚みを有する実施例８〜１１及び比較例９のアルミニウム合金箔を得た。
アルミニウム合金箔の組成情報は、アルミニウム合金箔を１．００ｇ測り取り、誘導結合プラズマ発光分析法（装置名：株式会社島津製作所製ＩＣＰＳ−８１００）により測定を行うことにより、得た。
（耐湿熱性評価試験）
各実施例及び比較例のアルミニウム合金箔を、４０ｍｍ×４０ｍｍに切り出しものを試験片とし、温度１２０℃で湿度が１００％になるまで圧力をかけた雰囲気中に１２時間放置し、放置前後の質量を計測し、表面の酸化腐食による質量増加率を算出した。質量増加率が１．０％未満のものを、十分な耐湿熱性を有すると評価した。なお、実施例８〜１１及び比較例９については試験片質量が異なるため、以下の式１で１００μｍ厚みの質量増加率として評価した。
（式１）
質量増加率[％]＝（放置後質量−放置前質量）／（放置前質量×１００／試験片厚み[μｍ]）×１００
（耐食性評価試験）
各実施例及び比較例のアルミニウム合金箔を、４０ｍｍ×４０ｍｍに切り出しものを試験片とし、３質量％の塩化ナトリウムと３質量％の酢酸を含んだ水溶液に４０℃で３３６時間浸漬し、浸漬前後の質量を計測し、溶解腐食による質量減少率を計測・算出した。質量減少率が１２．０％未満のものを、十分な耐食性を有すると評価した。なお、実施例８〜１１及び比較例９については試験片質量が異なるため、以下の式２で１００μｍ厚みの質量減少率として評価した。
（式２）
質量減少率[％]＝（浸漬前質量−浸漬後質量）／（浸漬前質量×１００／試験片厚み[μｍ]）×１００
（ビッカース硬度測定試験）
得られた各実施例及び比較例のビッカース硬度を測定した。ビッカース硬度は、表面の傷付き難さを指標として、島津製作所製ビッカース硬度計ＨＭＶ−１を用い、ダイヤモンド圧子による圧下で、試験力が４９０ｍＮで５秒間押し込んだ後のビッカース硬度測定試験を行った。ビッカース硬度ＨＶ０．０５が５５．０以上のものを、十分な表面硬度を有すると評価した。
（耐熱性試験）
得られた各実施例及び比較例のアルミニウム合金箔を２５０℃で３時間加熱し、加熱前後の引張強度を測定した。引張強度は株式会社東洋精機製作所製オートグラフＶＥＳ５Ｄを使用し、各アルミニウム合金箔を圧延幅方向１５ｍｍ、圧延方向２００ｍｍに切り出し、標点間距離１００ｍｍ、引張速度２０ｍｍ／分で引張試験を行った際の、最大引張強度とした。加熱後の引張強度が１５０Ｎ／ｍｍ２以上あるものを、十分な耐熱性を有すると評価した。
（試験結果）
表１に示すように、各実施例のアルミニウム合金箔は、耐湿熱性、耐食性表面硬度及び耐熱強度の全てにおいて、良好な結果を示した。それに比べて各比較例のアルミニウム合金箔は、耐湿熱性、耐食性及び表面硬度の少なくとも１つ以上において満足のいく結果が得られなかった。
Figure 2018123933

Claims (5)

  1. アルミニウム合金箔１００質量％中に、
    ９６．９質量％以上のアルミニウム、０．４質量％以上３質量％以下のマンガン、０．０３質量％以上０．０８質量％以下の鉄、０．００００１質量％以上０．１質量％以下のシリコン、０．００００１質量％以上０．０３質量％以下の銅、０．００００１質量％以上０．０１質量％以下の亜鉛、及び０．００００１質量％以上０．００１質量％以下のマグネシウムを含む、アルミニウム合金箔。
  2. 厚みが５μｍ以上３００μｍ以下である請求項１に記載のアルミニウム合金箔。
  3. 請求項１又は２に記載のアルミニウム合金箔の何れか又は双方の面に、樹脂フィルム層及びコーティング層の何れか又は双方が積層された積層体であり、
    該積層体の厚みが６μｍ以上３０１μｍ以下である積層体。
  4. ９６．９質量％以上のアルミニウム、０．４質量％以上３質量％以下のマンガン、０．０３質量％以上０．０８質量％以下の鉄、０．００００１質量％以上０．１質量％以下のシリコン、０．００００１質量％以上０．０３質量％以下の銅、０．００００１質量％以上０．０１質量％以下の亜鉛、及び０．００００１質量％以上０．００１質量％以下のマグネシウムを含有する鋳塊を圧延する工程を有する、アルミニウム合金箔の製造方法。
  5. 請求項４で得られたアルミニウム合金箔の何れか又は双方の面に、樹脂フィルム層及びコーティング層の何れか又は双方を積層する工程を有する、積層体の製造方法。
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