WO2007125762A1 - 冷却系用低溶出性アルミニウム合金材料 - Google Patents

冷却系用低溶出性アルミニウム合金材料 Download PDF

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Inventor
Yoshihiro Taguchi
Ken Ebihara
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Nippon Light Metal Company, Ltd.
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent

Definitions

  • the present invention constitutes a cooling system in a fuel cell, an electronic device or the like, and contacts a coolant and cools a heat exchanger, a pipe, or the like that is required to have excellent low conductivity with respect to the coolant.
  • the present invention relates to a low-elution aluminum alloy material for a cooling system that is useful for forming a rejection component.
  • the cooling system is a cooling plate for cooling the stack that cools the stack, and the external heat that is supplied to the cooling plate again after adjusting the temperature of the coolant exchanged by the cooling plate to a certain temperature range. It consists of a cooling system component such as an exchanger, piping connecting between these cooling plates and an external heat exchanger, and a circulation pump for circulating the coolant.
  • the coolant used in such a fuel cell is required to have high insulation properties in order to prevent leakage to the outside of the stack and energy loss, in general, pure water or pure water and ethylene are required. Since mixed solutions with alcohols such as glycols are used, and cooling system components are required to have excellent thermal conductivity and high protection against these cooling liquids, stainless steel materials are mainly used. Used.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-164,244
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-167,782
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-183,015
  • a current of approximately 0.65 V and 0.3 A / cm 2 is generally generated between a positive electrode and a negative electrode facing each other with an interval of approximately 150 ⁇ m.
  • the resistance value is calculated as approximately 2 ⁇ / cm 2 and the specific resistance is calculated as 145 ⁇ 'cm. Therefore, when this specific resistance is converted into conductivity, the conductivity is the reciprocal of the specific resistance, so it is about 7 mS / cm.
  • the conductivity power S of the coolant is When the value is reached, that is, about 7 mS / cm, the battery is short-circuited and current leakage to the cooling system occurs.
  • the conductivity of the coolant is set to about 0.01% of this value (7 mS / cm), that is, about 0.7 S / cm. It was decided to consider it. When the conductivity exceeds 0.7 ⁇ S / cm, the voltage drops.
  • the saturation solubility of high-purity aluminum exceeding 99.99% by mass is 6.3 X 10 " 6 mol / L, which is 0.3 / z S / cm when converted to conductivity, If such high-purity aluminum is used as the aluminum material that forms the cooling system component of the fuel cell, the increase in conductivity due to the aluminum ions eluted into the coolant is theoretically 0.3 S / In other words, the above-mentioned conductivity increase limit value is 0.7 ⁇ S / cm or less, and the low conductivity of the coolant can be sufficiently achieved.
  • the cooling system component of the fuel cell must be an aluminum material suitable for workability such as microfabrication of the coolant flow path and forgeability to a complicated shape, etc.
  • excellent strength especially tensile strength
  • alloy composition elements is required. Is essential.
  • alloying elements such as magnesium (Mg) and iron (Fe), which are the most common for imparting workability, forgeability, and strength to high-purity aluminum, are added, the resulting aluminum alloy material strength is obtained.
  • the present inventors are lightweight and excellent in thermal conductivity, and in particular, to workability such as microfabrication of a coolant flow path required for a cooling system component of a fuel cell, complicated shapes, and the like. While the vitality of the aluminum material itself, which is also suitable for the forgery of the steel, has become vigorous, there are problems when the cooling system components of the fuel cell are formed from this aluminum material, especially when various elements are eluted in the coolant. We examined how to solve the problem of low electrical conductivity.
  • the object of the present invention is lightweight and excellent in heat conductivity, workability and forgeability, and elution of alloy composition elements in a coolant such as pure water is possible.
  • the cooling liquid itself is imparted with a protection property, or the inner surface of the cooling system component is coated for the purpose of prevention. It is an object of the present invention to provide a low-elution aluminum alloy material for a cooling system that does not need to be processed. Means for solving the problem
  • the first invention of the present application relates to Al Mn and
  • (Mn) is contained in the range of 0.5 to 2.0 mass%, and the elution coefficient [the ratio of conductivity determined from the saturation solubility in pure water at 25 ° C, with aluminum (A1) set to 1. Value) 0.001 (Si), elution coefficient 0.31 titanium (Ti), elution coefficient 0.03 copper (Cu), elution coefficient 0.84 nickel (Ni), elution coefficient One selected from cobalt (Co) of 0.84, zinc (Zn) of dissolution coefficient 0.33, chromium (Cr) of dissolution coefficient 0.12, and zirconium (Zr) force of dissolution coefficient 0.0003 or It is a low elution aluminum alloy material for cooling systems, characterized in that it contains two or more alloy composition elements in a range where the total elution coefficient does not exceed 1.1.
  • the second invention of the present application contains, as a key element, silicon (Si) in a range of 0.5 to 20% by mass, and an elution coefficient [from saturation solubility in pure water at 25 ° C. Ratio of required conductivity when aluminum (A1) is set to 1.
  • manganese (Mn) added as an alloy composition element must be present in aluminum by forming Al Mn or an Al Mn compound.
  • the amount of added metal is usually 0.5% by mass or more and 2.0% by mass or less as manganese metal (Mn), and the strength and strength are preferably 0.8% by mass or more. Must be less than mass%. If the amount of manganese added is less than 0.5% by mass, the strength becomes insufficient. If it exceeds more than%, it will be low due to manganese (Mn) other than Al Mn or Al Mn.
  • silicon (Si) having an elution coefficient of 0.001 and titanium having an elution coefficient of 0.31 ( Ti), elution coefficient 0.03 copper (Cu), elution coefficient 0.84 nickel (Ni), elution coefficient 0.84 cobalt (Co), elution coefficient 0.33 zinc (Zn), elution coefficient 0
  • silicon (Si) having an elution coefficient of 0.001 and titanium having an elution coefficient of 0.31 ( Ti), elution coefficient 0.03 copper (Cu), elution coefficient 0.84 nickel (Ni), elution coefficient 0.84 cobalt (Co), elution coefficient 0.33 zinc (Zn), elution coefficient 0
  • the elution amount of metal ions increases, and the upper limit of the conduct
  • the "elution coefficient" is a ratio of conductivity ⁇ determined from saturation solubility in pure water at 25 ° C, and is a value when aluminum (A1) is 1. .
  • ⁇ indicates the ultimate molar dielectric constant (S * cm 2 / mol) of each additive element, and C indicates the saturation solubility (mol / 1000 cm 3 ) of each additive element.
  • these alloy composition elements are preferably from the surface of the aluminum alloy material from the viewpoint of low elution.
  • the total thickness of the surface layer up to a depth of 5 ⁇ m (up to 5 ⁇ m below the surface) should be 0.05% by mass or less, more preferably 0.03% by mass or more and more than 0.05% by mass. If it is contained, there is a possibility that a problem of increased conductivity due to elution of metal ions may occur. From the viewpoint of strength, it is desirable to add copper (Cu), and the addition amount is preferably in the range of 0.03 mass% to 2.5 mass%.
  • the silicon (Si) added as the alloy composition element must be present in the aluminum as a simple substance without forming a compound,
  • the addition amount is usually 0.5% by mass or more and 20% by mass or less, preferably 8% by mass or more and 15% by mass or less. If the amount of added silicon is less than 0.5% by mass, there is a problem that the strength is insufficient. On the other hand, if it exceeds 20% by mass, workability such as elongation is deteriorated.
  • Nickel (Ni) with an elution coefficient of 0.84, cobalt (Co) with an elution coefficient of 0.84, Zinc (Zn) with an output coefficient of 0.33, Chromium (Cr) with an elution coefficient of 0.12, and Zirconium (Zr) force with an elution coefficient of 0.0003 Selected one or more alloy composition elements Can be contained in such a range that the total elution coefficient does not exceed 1.1. If the total elution coefficient exceeds 1.1, the elution amount of metal ions increases and the upper limit of the conductivity of the coolant may not be maintained.
  • the alloy composition element when an alloy composition element other than silicon (Si) is contained, the alloy composition element is preferably an aluminum alloy material from the viewpoint of low elution.
  • the total amount of the surface layer up to 5 m below the surface is 0.05 mass% or less, more preferably 0.03 mass% or less.
  • copper copper
  • the amount of applied force should be in the range of 0.03 mass% to 2.5 mass%.
  • Pb is an impurity element that should be removed as much as possible. From the viewpoint of low elution, these impurity elements are preferably formed in a surface layer up to 5 ⁇ m below the surface of the aluminum alloy material. The total should be 20 mass ppm or less, more preferably 10 mass ppm or less. If these impurity elements are present in a surface layer of up to 5 ⁇ m below the surface in excess of 20 ppm by mass, there may be a problem of increased conductivity due to elution of metal ions.
  • the aluminum material used as a raw material when producing the aluminum alloy material of the present invention may be high-purity aluminum that can achieve the composition of the alloy elements required for the above-described aluminum alloy material of the present invention.
  • alloy number 1N99 JIS H4170
  • impurities such as iron ( Fe ) may be adjusted.
  • the method of adding the necessary alloy composition element to the aluminum material of such raw material for example, the above-mentioned raw material aluminum material and A1-10% Mn alloy, etc. at an appropriate ratio.
  • the method include blending and producing by DC fabrication, die fabrication, and the like.
  • the low-elution aluminum alloy material for a cooling system of the present invention is lightweight and has thermal conductivity, workability, and performance. It has excellent forgeability and has the advantages unique to aluminum, such as ru, and it can be used for a long period of time with respect to a cooling liquid in which the elution of alloy composition elements in the cooling liquid such as pure water is extremely small.
  • This material is suitable for forming cooling system components such as heat exchangers and pipes that are required to exhibit excellent low electrical conductivity.
  • High purity aluminum ingot JIS H4170: 1N99
  • manganese (Mn), silicon (Si), copper (Cu), nickel (Ni), and zinc (Zn) are shown in Table 1 as alloy composition elements. It is added so that the content is increased, and DC forging is performed to produce an aluminum ingot (slab ingot). Then, the aluminum ingot is soaked at 300 to 500 ° C. and then hot-rolled and then cold-rolled. Rolled to produce an aluminum alloy sheet with a thickness of 5 mm.
  • this aluminum alloy sheet was chamfered and processed to a thickness of 3 mm, and a piece of 100 mm long x 50 mm wide x 3 mm thick was cut out and placed in a 200 g / L nitric acid aqueous solution. Immerse under the treatment conditions of immersion temperature of 25 ° C and immersion time of 5 minutes, then degrease, and then soak in a 50 g / L aqueous sodium hydroxide solution at an immersion temperature of 50 ° C and immersion time of 3 minutes.
  • a test piece made of an aluminum alloy material was prepared.
  • test pieces of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 were subjected to the following dissolution test and workability evaluation test, and the strength (JIS Z2241) was measured.
  • [0035] [Dissolution test] 1 L of 95 ° C ultrapure water was put in a borosilicate glass container, and each test piece of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 was immersed in this 95 ° C ultrapure water for 2 weeks. Measure the conductivity of ultrapure water after immersion of the test piece according to JIS K0400-13-10, and subtract the conductivity of the ultrapure water blank after measuring the measured conductivity of the ultrapure water after immersion of the test piece. The elution properties of the test pieces of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 were evaluated based on the difference in conductivity obtained. The results are shown in Table 2.
  • the aluminum alloy materials of Examples 1 to 4 all have an elution property that is less than the limit of increase in conductivity of 0.7 Sm, and has an excellent low elution property. In addition to this, it was found that it was excellent in strength and workability.
  • the aluminum alloy materials of Comparative Examples 1 to 3 have a problem of low elution because all the elution properties exceed the limit of increase in electrical conductivity of 0.7 S / cm, and low elution is necessary. It has been found that the aluminum alloy material is suitable as an aluminum alloy material for cooling system members.
  • the low-eluting aluminum alloy material for cooling system of the present invention is lightweight and excellent in thermal conductivity, workability and forgeability, and the strength of the alloy composition element in the cooling liquid such as pure water. Elution is extreme It is possible to maintain excellent low electrical conductivity over a long period of time with respect to a small amount of cooling liquid, for example, to form cooling system components such as fuel cells, heat exchangers of electronic devices, piping, etc. It is a suitable material and very useful industrially.

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Abstract

　軽量で熱伝導性、加工性及び鋳造性に優れていると共に、純水等の冷却液中への合金組成元素の溶出が可及的に抑制されており、例えば燃料電池の冷却系構成部材として使用する際に、特に冷却液それ自体に防錆性を付与したり、あるいは、冷却系構成部材の内面に防錆目的のコーティング処理をする必要のない冷却系用低溶出性アルミニウム合金材料を提供する。 　Al4Mn及び／又はAl6Mnの化合物としてマンガン（Mn）を０．５～２．０質量%の範囲で、又は、ケイ素元素としてケイ素（Si）を０．５～２０質量%の範囲で含有すると共に、溶出係数の合計が１．１を超えない範囲でその他の合金組成元素を含有する冷却系用低溶出性アルミニウム合金材料である。

Description

明 細 書
冷却系用低溶出性アルミニウム合金材料
技術分野
[0001] この発明は、燃料電池、電子機器等においてその冷却系を構成し、冷却液が接触 すると共にこの冷却液に対して優れた低電導性が要求される熱交換器、配管等の冷 却系構成部材を形成するのに有用な冷却系用低溶出性アルミニウム合金材料に関 する。
背景技術
[0002] 例えば、燃料電池においては、発電の際に、発電を実行しているスタック（単電池） が発熱して温度が上昇するが、高い発電効率を保っためには最適な運転温度範囲 に維持する必要があり、その冷却系は、一般に、スタックを冷却するスタック冷却用の 冷却板、この冷却板で熱交換した冷却液を一定温度範囲に温度調節して再び冷却 板に供給する外部熱交換器、これら冷却板と外部熱交換器等の間を接続する配管、 及び、冷却液を循環させる循環ポンプ等の冷却系構成部材で構成されて 、る。
[0003] そして、このような燃料電池で用いられる冷却液については、スタック外部への漏電 やエネルギーロスを防止するために高い絶縁性が要求されるために、一般に、純水 や純水とエチレングリコール等のアルコール類との混合溶液が用いられており、また 、冷却系構成部材については、優れた熱伝導性とこれらの冷却液に対する高い防鲭 性が要求されることから、主としてステンレス材料が用いられて ヽる。
[0004] 一方、電子機器等の発熱を抑えるための冷却システムにおいては、漏電、電蝕を 防止することが要求されるため、冷却液としては純水が使用され、また、冷却系構成 部材につ ヽては熱伝導性に優れた銅材が用いられて ヽる。
[0005] しかるに、例えば車両搭載用等の特定の用途の燃料電池においては、車両軽量 化等の観点から、この車両に搭載される燃料電池についてもその軽量ィ匕が求められ ていることから、燃料電池の冷却系構成部材として、軽量で熱伝導性に優れたアルミ -ゥム又はアルミニウム合金力 なるアルミニウム材料を用いることが検討されて 、る [0006] 例えば、特開 2001-164,244号公報においては、一般にアルミニウム材料等の軽金 属がステンレス材料に比べて防鲭性に劣ることから、冷却液にエタノールアミン系物 質やトリァゾール類等カゝらなる防鲭添加剤を添加して冷却液それ自体に防鲭性を付 与することが提案されており、また、特開 2001-167,782号公報ゃ特開 2005-183,015 号公報においては、冷却液が接触する熱交換器、配管等の冷却系構成部材の内面 に有機材料カゝらなるコーティング剤をコーティングして防鲭性を付与することが提案さ れている。
[0007] し力しながら、防鲭添加剤を添加して冷却液それ自体に防鲭性を付与する方法に おいては、防鲭添加剤そのもののイオン解離による冷却液の導電率増加という問題 があり、また、冷却系構成部材の内面をコーティングして防鲭性を付与する方法にお V、ては、冷却系の製造工程が複雑になると 、う問題がある。
特許文献 1：特開 2001-164,244号公報
特許文献 2：特開 2001-167,782号公報
特許文献 3：特開 2005-183,015号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0008] ところで、燃料電池では、通常約 150 μ mの間隔を隔てて相対面する正極と負極と の間で概ね 0. 65V、0. 3A/cm2の電流が発電されており、この間の抵抗値は約 2 Ω / cm2と計算され、また、比抵抗は 145 Ω ' cmと計算される。そこで、この比抵抗を導電 率に換算すると、導電率は比抵抗の逆数なので、約 7mS/cmとなり、燃料電池の冷却 液として純水を用いた場合には、冷却液の導電率力 Sこの値、すなわち約 7mS/cmに なると電池がショートし、冷却系への電流リークが発生する。
[0009] そして、この際に、この冷却系への電流リークを抑制するため、冷却液の導電率を この値（7mS/cm)の約 0. 01%、即ち約 0. 7 S/cmに設定して検討することとした。導 電率が 0. 7 μ S/cmを超えると、電圧の低下が発生してしまう。
それ故、冷却系構成部材から冷却液中に溶出するイオンによる導電率の上昇を、 上記の上限として設定した 0. S/cm以下の範囲内に抑えれば（以下、この 0. 7 μ S/cmを導電率上昇限界値という。）、冷却液の導電率上昇に基く燃料電池のショート を十分に抑制できることになる。
[0010] 更に、 99. 99質量％を超える高純度アルミニウムの飽和溶解度は 6. 3 X 10"6mol/ Lであり、これを導電率に換算すると 0. 3 /z S/cmになり、燃料電池の冷却系構成部材 を形成するアルミニウム材料としてこのような高純度アルミニウムを用いれば、冷却系 構成部材力 冷却液に溶出するアルミニウムイオンによる導電率の上昇は理論的に は 0. 3 S/cm以下に抑えられることになり、これは上記の導電率上昇限界値 0. 7 μ S/cm以下であって、冷却液の低導電性を十分に達成できる。
[0011] し力しながら、燃料電池の冷却系構成部材は、冷却液流路の微細加工等の加工性 や複雑な形状等への铸造性にも適したアルミニウム材料でなければならず、また、車 両等に搭載した場合に十分に耐えられるだけの優れた強度 (特に、引張強度)も求 められ、これら所望の加工性、铸造性、及び強度を得るためには合金組成元素の添 加が不可欠になる。しかるに、高純度アルミニウムにその加工性、铸造性、及び強度 を付与する上で最も一般的なマグネシウム (Mg)、鉄 (Fe)等の合金組成元素を添カロ すると、得られたアルミニウム合金材料力 これらの合金組成元素が冷却液中に溶出 し、この冷却液の導電率を上昇させてしまい、このことがステンレス材料に代えてアル ミニゥム材料を燃料電池の冷却系構成部材として使用できない主たる原因になって いたものである。
[0012] そこで、本発明者らは、軽量で熱伝導性に優れており、特に燃料電池の冷却系構 成部材に求められる冷却液流路の微細加工等の加工性や複雑な形状等への铸造 性にも適したアルミニウム材料そのものの特長を生力しつつ、このアルミニウム材料に より燃料電池の冷却系構成部材を形成した場合の問題点、特に冷却液中に種々の 元素が溶出して低電導性が損なわれるという問題を解消することについて検討した。
[0013] この結果、驚くべきことには、合金組成元素としてのマンガン (Mn)を Al Mn及び
4 Z 又は Al Mnとして 0. 5〜2. 0質量％の範囲で含有せしめることにより、あるいは、ケィ
6
素（Si)をケィ素元素として 0. 5〜20質量％の範囲で含有せしめることにより、軽量で 熱伝導性、加工性及び铸造性に優れていると共に、純水等の冷却液中への合金組 成元素の溶出を可及的に抑制し、燃料電池の冷却系構成部材として要求される低 電導性を維持できることを見出し、本発明を完成した。 [0014] すなわち、本発明の目的は、軽量で熱伝導性、加工性及び铸造性に優れて!/ヽると 共に、純水等の冷却液中への合金組成元素の溶出が可及的に抑制されており、例 えば燃料電池の冷却系構成部材として使用する際に、特に冷却液それ自体に防鲭 性を付与したり、あるいは、冷却系構成部材の内面に防鲭目的のコーティング処理を する必要のない冷却系用低溶出性アルミニウム合金材料を提供することにある。 課題を解決するための手段
[0015] すなわち、本願の第一の発明は、 Al Mn及び
4 Z又は Al Mnの化合物としてマンガン
6
(Mn)を 0. 5〜2. 0質量％の範囲で含有すると共に、溶出係数〔25°Cの純水に対する 飽和溶解度から求められる導電率の比であってアルミニウム (A1)を 1としたときの値〕 0. 001のケィ素（Si)、溶出係数 0. 31のチタン（Ti)、溶出係数 0. 03の銅（Cu)、溶 出係数 0. 84のニッケル（Ni)、溶出係数 0. 84のコバルト（Co)、溶出係数 0. 33の亜 鉛（Zn)、溶出係数 0. 12のクロム（Cr)及び溶出係数 0. 0003のジルコニウム（Zr)力 ら選ばれた 1種又は 2種以上の合金組成元素をその溶出係数の合計が 1. 1を超え ない範囲で含有することを特徴とする冷却系用低溶出性アルミニウム合金材料であ る。
[0016] また、本願の第二の発明は、ケィ素元素としてケィ素 (Si)を 0. 5〜20質量 %の範囲 で含有すると共に、溶出係数〔25°Cの純水に対する飽和溶解度から求められる導電 率の比であってアルミニウム (A1)を 1としたときの値〕 0. 31のチタン (Ή)、溶出係数 0 . 03の銅（Cu)、溶出係数 0. 84のニッケル（Ni)、溶出係数 0. 84のコバルト（Co)、溶 出係数 0. 33の亜鉛（Zn)、溶出係数 0. 12のクロム（Cr)及び溶出係数 0. 0003のジ ルコ -ゥム (Zr)力 選ばれた 1種又は 2種以上の合金組成元素をその溶出係数の合 計が 1. 1を超えない範囲で含有することを特徴とする冷却系用低溶出性アルミ-ゥ ム合金材料である。
[0017] そして、本願の第一の発明において、合金組成元素として添加されるマンガン (Mn )は、 Al Mnあるいは Al Mnの化合物の形成してアルミニウム中に存在する必要があり
4 6
、その添カ卩量は、金属マンガン (Mn)として、通常 0. 5質量％以上 2. 0質量％以下、強 度やカ卩ェ性の観点力も好ましくは 0. 8質量 %以上 1. 5質量 %以下である必要がある。 このマンガン添加量が 0. 5質量 %より少ないと強度が不十分になり、反対に、 2. 0質 量％より多くなると、 Al Mnあるいは Al Mnとして存在する以外のマンガン (Mn)により低
4 6
溶出性に悪影響を及ぼし、伸び性等の加工性にも悪影響が生じる。
[0018] この第一の発明においては、必要により、あるいは、原材料として使用する高純度 アルミニウム由来の不可避的成分として、溶出係数 0. 001のケィ素（Si)、溶出係数 0 . 31のチタン（Ti)、溶出係数 0. 03の銅（Cu)、溶出係数 0. 84のニッケル（Ni)、溶出 係数 0. 84のコバルト（Co)、溶出係数 0. 33の亜鉛（Zn)、溶出係数 0. 12のクロム（C r)及び溶出係数 0. 0003のジルコニウム (Zr)から選ばれた 1種又は 2種以上の合金 組成元素をその溶出係数の合計が 1. 1を超えない範囲で含有することができる。こ れら合金組成元素の溶出係数の合計が 1. 1を超えると、金属イオンの溶出量が増加 し、冷却液の導電率の上限値を維持できなくなる場合がある。
[0019] ここで、本発明において「溶出係数」とは、 25°Cの純水に対する飽和溶解度から求 められる導電率 κの比であってアルミニウム (A1)を 1としたときの値である。目標とす る導電率の上限値 0. 7 S/cmが許容できる金属イオン溶出による導電率の増加分 となり、また、純アルミニウム (A1)の飽和溶解による導電率増加分が 0. 33 /z S/cmで あることから、他の添加元素の飽和溶解による導電率増加の上限値はその差 0. 37 ^ 8/οπι ( = 0. 7-0. 33)以下となる。従って、この"他の添加元素の飽和溶解による 導電率増加の上限値 (0.37 S/cm) "は、純アルミニウム (A1)の飽和溶解による導電 率増加分 (0.33 S/cm)を溶出係数 1としたときの溶出係数に換算すると、 0. 37 S/ cm÷0. 33 ^ 8/οπι= 1. 1となる。
[0020] 各添加元素 (合金組成元素）の溶出係数は、上記の導電率 Κを求める以下の式に 各元素の飽和溶解度を代入して導電率 κを求め、純アルミニウム (A1)の導電率 κの 値 (0.33 S/cm)を 1として計算することにより、以下の表 1に示すように、固有の値と して求められる。
κ = A 'C' 10— 3 S/cm)
〔但し、 Λは各添加元素の極限モル誘電率 (S*cm2/mol)を示し、 Cは各添加元素の 飽和溶解度 (mol/1000cm3)を示す。〕
[0021] [表 1] 元素種 飽和溶解度 ZM 導電率（<u Sん m) 溶出係数
Al 6. 30E-06 0. 3339 1
Fe 1. 29 E- 05 0. 6837 2. 0
Si 6. 00E-09 0. 0003 0. 001
Mg 2. 14E-04 11. 3420 34
Mn 1. 02E-04 5. 4060 16
Ti 1. 95E-06 0. 1034 0. 31
Cu 1. 78E-07 0. 0094 0. 03
Ni 5. 30E-06 0. 2809 0. 84
Co 5. 30E-06 0. 2809 0. 84
Zn 2. 09E-06 0. 1108 0. 33
Pb 8. 09E-06 0. 4288 1. 3
Cr 7. 59E-07 0. 0402 0. 12
Zr 1. 86E-09 0. 0001 0. 0003
[0022] この第一の発明にお 、て、マンガン (Mn)以外の合金組成元素が含有される場合、 これら合金組成元素は、低溶出性の観点から、好ましくはアルミニウム合金材料の表 面から 5 μ mの深さまで (表面下 5 μ mまで)の表面層にその合計で 0. 05質量 %以下 、より好ましくは 0. 03質量％以下であるのがよ 0. 05質量％を超えて含有されると金 属イオンの溶出による導電率の増加という不具合が生じる虞がある。なお、強度の観 点からは、銅 (Cu)を添加することが望ましぐその添加量は 0. 03質量 %以上 2. 5質 量％以下の範囲がよい。
[0023] また、本願の第二の発明にお!ヽて、合金組成元素として添加されるケィ素（Si)は、 化合物を形成することなくケィ素単体としてアルミニウム中に存在する必要があり、そ の添加量は、通常 0. 5質量 %以上 20質量 %以下、好ましくは 8質量 %以上 15質量 %以 下である。このケィ素添加量が 0. 5質量 %より少ないと強度が不十分となるという問題 があり、反対に、 20質量 %より多くなると伸び性等の加工性が低下するという問題が生 じる。
[0024] この第二の発明においては、必要により、あるいは、原材料として使用する高純度 アルミニウム由来の不可避的成分として、溶出係数 0. 31のチタン (Ti)、溶出係数 0. 03の銅（Cu)、溶出係数 0. 84のニッケル (Ni)、溶出係数 0. 84のコバルト（Co)、溶 出係数 0. 33の亜鉛（Zn)、溶出係数 0. 12のクロム（Cr)及び溶出係数 0. 0003のジ ルコ -ゥム (Zr)力 選ばれた 1種又は 2種以上の合金組成元素をその溶出係数の合 計が 1. 1を超えない範囲で含有することができる。この溶出係数の合計が 1. 1を超 えると、金属イオンの溶出量が増加し、冷却液の導電率の上限値を維持できなくなる 場合がある。
[0025] 更に、この第二の発明にお 、て、ケィ素（Si)以外の合金組成元素が含有される場 合、これら合金組成元素は、低溶出性の観点から、好ましくはアルミニウム合金材料 の表面下 5 mまでの表面層にその合計で 0. 05質量％以下、より好ましくは 0. 03質 量 %以下であるのがよぐ 0. 05質量 %を超えて含有されると金属イオンの溶出による 導電率の増加という不具合が生じる虞がある。なお、強度の観点力 は、銅 (Cu)を添 加することが望ましぐその添力卩量は 0. 03質量％以上 2. 5質量％以下の範囲がよい。
[0026] そして、上記の第一及び第二の発明にお 、て、鉄 (Fe)、マグネシウム (Mg)及び鉛
(Pb)は可及的に除去されることが望ましい不純物元素であり、これらの不純物元素 については、低溶出性の観点から、好ましくはアルミニウム合金材料の表面下 5 μ m までの表面層にその合計で 20質量 ppm以下、より好ましくは 10質量 ppm以下である のがよい。これらの不純物元素が表面下 5 μ mまでの表面層に 20質量 ppmを超えて 存在すると、金属イオンの溶出による導電率の増加という問題が生じる虞がある。
[0027] 本発明のアルミニウム合金材料を製造する際にその原材料として用いられるアルミ -ゥム材料については、上述した本発明のアルミニウム合金材料に求められる合金 元素の組成を達成できる高純度アルミニウムであればよぐ特に好適なものとしては、 例えば、 JIS規格で合金番号 1N99 (JIS H4170)を挙げることができ、これ以外にも、 鉄 (Fe)等の不純物が調整されて 、ればよ 、。
[0028] また、このような原材料のアルミニウム材料に必要な合金組成元素を添加する方法 についても、特に制限はなぐ例えば上記の原材料のアルミニウム材料と A1— 10%M n合金等を適当な比率で配合し、 DC铸造ゃ金型铸造等の手段で製造する、等の方 法を例示することができる。
発明の効果
[0029] 本発明の冷却系用低溶出性アルミニウム合金材料は、軽量で熱伝導性、加工性及 び铸造性に優れて 、る等のアルミニウム特有の利点を備えて 、るだけでなぐ純水等 の冷却液中への合金組成元素の溶出が極めて少なぐ冷却液に対して長期間に亘 つて優れた低電導性を発現することが要求される熱交換器、配管等の冷却系構成部 材を形成するのに適した材料である。
発明を実施するための最良の形態
[0030] 以下、実施例及び比較例に基づいて、本発明の好適な実施の形態を具体的に説 明する。
[0031] [実施例 1〜4及び比較例 1〜2]
高純度アルミニウム地金 (JIS H4170 : 1N99)を溶解し、合金組成元素としてマンガン (Mn)、ケィ素（Si)、銅 (Cu)、ニッケル (Ni)、及び亜鉛 (Zn)を表 1に示す含有量となる ように添加し、 DC铸造を行ってアルミニウム铸塊 (スラブ铸塊）を製造し、次いでこの アルミニウム铸塊を 300〜500°Cで均熱処理した後、熱間圧延した後に冷間圧延し 、板厚 5mmのアルミニウム合金板材を作製した。
[0032] 次に、このアルミニウム合金板材を面削して板厚 3mmに加工し、縦 100mm X横 50 mm X厚さ 3mmの大きさの板片を切り出し、 200g/L濃度の硝酸水溶液中に浸漬温度 25°C、浸漬時間 5分の処理条件で浸漬して脱脂処理し、次いで 50g/L濃度の水酸 化ナトリウム水溶液中に浸漬温度 50°C、浸漬時間 3分の処理条件で浸漬してエッチ ング処理し、更に、 150g/L濃度の硝酸水溶液中に浸漬温度 30°C、浸漬時間 3分の 処理条件で浸漬してデスマット処理し、実施例 1〜4及び比較例 1〜2のアルミニウム 合金材料カゝらなる試験片を調製した。
[0033] [比較例 3]
また、市販のアルミニウム合金（JIS H4170 :A3003; Si:0.6mass%、 Fe:0.7mass%、 Cu:0 .05- 0.20mass%、、 Mn:1.0- 1.5mass%、 Zn:0.10mass%)を用いて比較例 3の板厚 3mmの アルミニウム合金板材を調製した。次に、このアルミニウム合金板材を用いて、上記 実施例と同様にして比較例 3のアルミニウム合金材料力もなる試験片を調製した。
[0034] 上記の実施例 1〜4及び比較例 1〜3の各試験片について、以下の溶出試験及び 加工性評価試験を行うと共に、強度 (JIS Z2241)の測定を行った。
[0035] 〔溶出試験〕 ホウ珪酸ガラス製の容器に 95°C超純水 1Lを入れ、この 95°C超純水中に実施例 1 〜4及び比較例 1〜3の各試験片を 2週間浸漬し、得られた試験片浸漬後の超純水 の導電率を JIS K0400-13-10に従って測定し、この測定された試験片浸漬後の超純 水の導電率力 超純水のブランクの導電率を差し引き、求められた導電率の差により 実施例 1〜4及び比較例 1〜 3の各試験片の溶出性を評価した。結果を表 2に示す。
[0036] 〔加工性評価試験〕
燃料電池内の冷却系部材として冷却液流路をプレス加工で成形することを想定し、 長さ 30mm X幅 2mm X深さ 0. 5mmの溝のプレス加工性を評価した。評価の基準は、 〇：問題なく成形できる、 X：亀裂が起こり成形性に問題がある、の 2段階とした。 結果を表 2に示す。
[0037] [表 2]
Figure imgf000010_0001
[0038] 表 2に示す結果から明らかなように、実施例 1〜4のアルミニウム合金材料は溶出性 がいずれも導電率上昇限界値 0. 7 Sん m以下であって優れた低溶出性を示すと共 に、強度や加工性にも優れていることが判明した。これに対して、比較例 1〜3のアル ミニゥム合金材料は溶出性がいずれも導電率上昇限界値 0. 7 S/cmを超えて低溶 出性に問題があり、低溶出性が必要とされる冷却系部材用のアルミニウム合金材料 として適して 、な 、ことが判明した。
産業上の利用可能性
[0039] 本発明の冷却系用低溶出性アルミニウム合金材料は、軽量で熱伝導性、加工性及 び铸造性に優れており、し力も、純水等の冷却液中への合金組成元素の溶出が極 めて少なぐ冷却液に対して長期間に亘つて優れた低電導性を維持することができ、 例えば燃料電池、電子機器等の熱交換器、配管等の冷却系構成部材を形成するの に適した材料であって、工業的に極めて有用なものである。

Claims

請求の範囲
[1] Al Mn及び Z又は Al Mnの化合物としてマンガン（Mn)を 0. 5〜2. 0質量％の範囲で
4 6
含有すると共に、溶出係数〔25°Cの純水に対する飽和溶解度から求められる導電率 の比であってアルミニウム (A1)を 1としたときの値〕 0. 001のケィ素（Si)、溶出係数 0. 31のチタン（Ti)、溶出係数 0. 03の銅（Cu)、溶出係数 0. 84のニッケル（Ni)、溶出 係数 0. 84のコバルト（Co)、溶出係数 0. 33の亜鉛（Zn)、溶出係数 0. 12のクロム（C r)及び溶出係数 0. 0003のジルコニウム (Zr)から選ばれた 1種又は 2種以上の合金 組成元素をその溶出係数の合計が 1. 1を超えない範囲で含有することを特徴とする 冷却系用低溶出性アルミニウム合金材料。
[2] 表面下 5 μ mまでの表面層に存在するマンガン (Mn)以外の合金組成元素の合計 が 0. 05質量 %以下である請求項 1に記載の冷却系用低溶出性アルミニウム合金材 料。
[3] 表面下 5 μ mまでの表面層に存在する鉄 (Fe)、マグネシウム (Mg)及び鉛 (Pb)の合 計が 20質量 ppm以下である請求項 1又は 2に記載の冷却系用低溶出性アルミニウム 合金材料。
[4] ケィ素元素としてケィ素 (Si)を 0. 5〜20質量 %の範囲で含有すると共に、溶出係数 〔25°Cの純水に対する飽和溶解度から求められる導電率の比であってアルミニウム（ A1)を 1としたときの値〕 0. 31のチタン (Ή)、溶出係数 0. 03の銅（Cu)、溶出係数 0. 84のニッケル（Ni)、溶出係数 0. 84のコバルト（Co)、溶出係数 0. 33の亜鉛（Zn)、 溶出係数 0. 12のクロム（Cr)及び溶出係数 0. 0003のジルコニウム（Zr)から選ばれ た 1種又は 2種以上の合金組成元素をその溶出係数の合計が 1. 1を超えない範囲 で含有することを特徴とする冷却系用低溶出性アルミニウム合金材料。
[5] 表面下 5 μ mまでの表面層に存在するケィ素（Si)以外の合金組成元素の合計が 0 . 05質量 %以下である請求項 4に記載の冷却系用低溶出性アルミニウム合金材料。
[6] 表面下 5 μ mまでの表面層に存在する鉄 (Fe)、マグネシウム (Mg)及び鉛 (Pb)の合 計が 20質量 ppm以下である請求項 4又は 5に記載の冷却系用低溶出性アルミニウム 合金材料。
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