JP2009221566A - 耐水素脆化特性に優れた高圧ガス容器用アルミニウム合金材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】高圧ガス容器用アルミニウム合金材を、特定組成を有する高強度化させた7000系合金材とするとともに、このアルミニウム合金材組織における分散粒子を水素のトラップサイトとして一定量確保し、ライナー、口金あるいはガス管などの部材として275MPa以上の耐力とした上で、耐水素脆化特性を向上させる。
【選択図】なし
Description
先ず、本発明アルミニウム合金材の化学成分組成について、各元素の限定理由を含めて、以下に説明する。なお、元素の含有量の%表示は全て質量%の意味である。本発明アルミニウム合金材の化学成分組成は、Al−Zn−Mg系合金材ならびにAl−Zn−Mg−Cu系合金材である7000系アルミニウム合金材として、高圧ガス容器のライナーや口金あるいはガス管などの部材として要求される、強度や延性などの機械的な特性を保証するために決定される。また、主要元素の含有量が多い場合や、調質としての過時効処理(T7)に対して、ピーク時効処理(T6)を施した場合では、強度がより高くなる。そして、耐水素脆化性を向上させるには、後述する通り、Fe、Mn、Cr、Zr、Vなどの含有量と調質とによって定まり、導電率によって測定され、水素のトラップ(捕捉)サイトとなる、分散粒子の量をより正確に制御する必要がある。
必須の合金元素であるZn、Mgは、合金材の人工時効処理によって、GPゾーンあるいは中間析出相と呼ばれるη’相、T’相などの微細分散相を形成して強度を向上させる。特にZnは強度−延性のバランス向上効果が高い。Znが4.0未満、Mgが0.75%未満など、Zn、Mgの含有量が少な過ぎると、これら微細分散相が不足して、強度が低下する。
Cuの含有は、強度の向上、耐食性の向上をもたらす。但し、Cuが2.6%を超えて添加されると、強度が高くなり過ぎ、また粗大な晶出物の形成により加工性の低下をもたらす。また、Cu含有量が0.001%未満となると、強度の向上、耐食性の向上の効果は小さくなる。したがって、Cu含有量は0.001〜2.6%の範囲とする。
Tiには、鋳塊の結晶粒を微細化し、鋳造時の割れ防止、熱間加工時の加工性を向上、製品加工時に割れ防止、表面の外観の改善に効果がある。含有量が少なすぎると、このような効果が期待できず、これらの含有量が多すぎると、粗大なTi化合物が形成され、割れ発生、加工性の低下、表面の外観の不良をもたらす。したがって、Tiは0.005〜0.20%の範囲で含有させる。
Siは、鋳造時にAl−Fe−Si系の晶出物を形成し易い。0.40%を超
えるSiの添加は、破壊の起点となる粗大な晶出物の原因となり、加工性、伸び、疲労特性、靱性、耐水素脆化性の低下をもたらす。一方、Siの一部は分散粒子を形成することも期待されるため、0.05%以上の添加が望ましい。したがって、Siは0.05〜0.40%の範囲で含有させる。
Feは0.01〜0.5%の含有を必須とし、更に、Mn:0.01〜0.7%、Cr:0.02〜0.3%、Zr:0.01〜0.25%、V:0.01〜0.10%の一種または二種以上を含有させる。これらFe、Mn、Cr、Zr、Vは、均熱処理時の加熱中に、保持中に水素のトラップサイトとなる分散粒子を形成する。これら分散粒子は、粒界の移動を抑制する作用があり、未再結晶化や再結晶粒の微細化に効果がある。また、これら分散粒子は、ミクロ組織のファイバー化に寄与し、強度を向上させる効果もある。
以上記載した元素以外のその他の元素は不純物であり、本発明の意図する特性を阻害しない範囲において、Al−Zn−Mg系、Al−Zn−Mg−Cu系の7000系アルミニウム合金材に通常含まれる範囲までは許容する。ただ、酸素など、特に介在物を生じやすい不純物元素は、アルミニウム合金材組織中に介在物を生じて、破壊の起点となり、強度や伸びを低下させる可能性が高い。したがって、これらの不純物はできるだけ少なくすることが好ましい。
以上のような7000系アルミニウム合金材組成を前提として、本発明では、特徴的には、耐水素脆化特性を向上させるために、7000系アルミニウム合金材のミクロ組織における、分散粒子の量を制御し、水素のトラップ(捕捉)サイトとして一定量確保する。
したがって、本発明では、水素のトラップサイトとして耐水素脆化特性を向上させる粒内析出物量を、その成分である前記各元素の含有量や合計量、そして7000系アルミニウム合金材の導電率(%IACS)で規定する。また、主要組成の添加量が大きい場合や、過時効処理に対するピーク時効処理で、強度が高い場合で、耐水素脆化性を向上させるには、より多くの分散粒子が必要となる。したがって、規定する導電率も、導電率単独で規定するのではなく、前記した通り、Fe、Mn、Cr、Zr、Vの合計含有量[(Fe+Mn+Cr+Zr+V)で示す、これらの元素の総量(%)]との関係で、導電率(%)≧−4.9×(Fe+Mn+Cr+Zr+V)+40.5を満足させるようにする。また、耐水素脆化性をより確実に向上させるためには、好ましくは、導電率(%)≧−4.9×(Fe+Mn+Cr+Zr+V)+41.5を満足させるようにする。
次ぎに、本発明の、高圧ガス容器用7000系アルミニウム合金材の製造方法について以下に説明する。7000系アルミニウム合金材は、通常の溶解鋳造法により製作した鋳塊を、各々常法により、押出、圧延(熱間、冷間)、鍛造などした、押出材、圧延板材、鍛造材などが適宜選択できる。即ち、高圧ガス容器におけるライナーや口金あるいはガス管などの部材形状や特性を得るために適した製造方法、加工方法が適宜選択できる。ここでは、ライナーの製造方法として汎用的な製造につき、好適な条件を含めて以下に説明する。
先ず、上記7000系成分組成のアルミニウム合金鋳塊をスラブに鋳造する。この溶解、鋳造工程では、上記7000系成分組成範囲内に溶解調整されたアルミニウム合金溶湯を、連続鋳造法、半連続鋳造法(DC鋳造法)等の通常の溶解鋳造法を適宜選択して鋳造する。
次いで、鋳塊(スラブ)を均質化熱処理する。均質化熱処理の温度自体は、常法通り、400℃以上で融点未満の均質化温度範囲、最適には420〜520℃の温度範囲から選択される。この均質化熱処理(均熱処理)は、組織の均質化、すなわち、鋳塊組織中の結晶粒内の偏析をなくし、合金元素や粗大な化合物を十分に固溶させることを目的とする。この均熱処理温度が低いと結晶粒内の偏析を十分に無くすことができず、これが破壊の起点として作用するために、加工性などが低下する。
これら製作した調質後の板材の外寸形状は、各例とも共通して、厚さ1.0mm、幅200mmとした。そして、これら高温時効処理後30日間の室温時効後の板材から、供試材(板状試験片)を切り出し、これら各供試材の導電率、引張特性、耐水素脆化特性を測定、評価した。これらの結果を表2に示す。
前記供試材の板両面の導電率(%IACS)を、市販の渦電流式導電率測定装置により、片面づつそれぞれ5点、計10点測定し、それらの平均値を各供試材の導電率とした。
引張試験は、前記供試材からJISZ2201の号試験片(平行部25mm幅×50mm長さ)を圧延方向に対して試験片長手方向が直角となるように採取し、室温大気中で、クロスヘッド速度5mm/分で引張試験を行った。測定N数は5として、各機械的性質はこれらの平均値とした。
前記供試材の耐水素脆化特性は、歪み速度を1.0×10-6s-1以下として雰囲気条件のみを変えて、このアルミニウム合金材を引張変形させた場合の、10%RH以下の乾燥雰囲気中での伸び値δ1に対する、90%RH以上の高湿潤雰囲気中での伸び値δ2の低下率として、[(δ1−δ2)/δ1]×100%で示されるものを、脆化感受性指標(%)とした。具体的には、前記供試材から幅5mm、長さ12mmの平行部、肩部半径7.5mmの小型引張試験片を、板の圧延方向に対して試験片長手方向が直角となるように採取し、初期歪速度1.4×10−6s−1で、雰囲気条件を10%RH以下の乾燥雰囲気中、90%RH以上の高湿潤雰囲気中との2つの条件で、各々破断まで引張試験を行った。そして、10%RH以下の乾燥雰囲気中の伸び値δ1に対する、90%RH以上の高湿潤雰囲気中の伸び値δ2の低下率を上記式にて算出した。これら伸び値の低下率が10%以下、より好ましくは5%以下と小さいほど、耐水素脆化特性が優れていると評価出来る。
Claims (5)
- 質量%にて、Zn:4.0〜6.7%、Mg:0.75〜2.9%、Cu:0.001〜2.6%、Si:0.05〜0.40%、Ti:0.005〜0.20%、Fe:0.01〜0.5%を各々含み、更に、Mn:0.01〜0.7%、Cr:0.02〜0.3%、Zr:0.01〜0.25%、V:0.01〜0.10%の一種または二種以上を、1.0%≧Fe+Mn+Cr+Zr+V≧0.1%の関係を満足した上で含み、残部がAlおよび不可避不純物からなるアルミニウム合金組成を有するとともに、導電率(%IACS)が、前記Fe、Mn、Cr、Zr、Vの合計含有量との関係で、導電率(%)≧−4.9×(Fe+Mn+Cr+Zr+V)+40.0の関係を満足し、かつ、0.2%耐力が275MPa以上であることを特徴とする耐水素脆化特性に優れた高圧ガス容器用アルミニウム合金材。
- 前記アルミニウム合金材が、ピーク時効処理、過時効処理から選択された調質が施されている、請求項1に記載の耐水素脆化特性に優れた高圧ガス容器用アルミニウム合金材。
- 前記アルミニウム合金材の導電率が、前記Fe、Mn、Cr、Zr、Vの合計含有量との関係で、導電率(%)≧−4.9×(Fe+Mn+Cr+Zr+V)+41.5の関係を満足する請求項1または2に記載の耐水素脆化特性に優れた高圧ガス容器用アルミニウム合金材。
- 前記アルミニウム合金材の耐水素脆化特性が、歪み速度を1.0×10-6s-1以下として雰囲気条件のみを変えて、このアルミニウム合金材を引張変形させた場合の、10%RH以下の乾燥雰囲気中での伸び値δ1に対する、90%RH以上の高湿潤雰囲気中での伸び値δ2の低下率として、[(δ1−δ2)/δ1]×100%で示される脆化感受性指標が10%以下である請求項1乃至3のいずれか1項に記載の耐水素脆化特性に優れた高圧ガス容器用アルミニウム合金材。
- 前記アルミニウム合金材が水素貯蔵用の高圧ガス容器用である請求項1乃至4のいずれか1項に記載の耐水素脆化特性に優れた高圧ガス容器用アルミニウム合金材。
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