高壓氫氣容器用鋁合金材及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高壓氫氣容器用鋁合金材及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，作為清潔能源，作為燃料電池的燃料的氫受到關(guān)注。但是，氫會(huì)帶來(lái)鐵和 鋁等金屬材料的氫脆化，因此在汽車(chē)等所搭載的儲(chǔ)氣瓶等金屬制的高壓氣體儲(chǔ)藏容器中， 高壓下的氫氣有效率的儲(chǔ)藏一般存在困難。
[0003] 這一點(diǎn)不僅在鐵制的高壓氫氣容器中，在為了輕量化而使用鋁合金制內(nèi)襯的高壓 氫氣容器中也同樣，為了提高作為高壓氫氣容器的可靠性，要求耐氫脆化性?xún)?yōu)異的材料。
[0004] 作為改善耐氫脆化性的容器，開(kāi)發(fā)出一種高壓氫氣儲(chǔ)藏復(fù)合容器。高壓氫氣儲(chǔ)藏 復(fù)合容器分類(lèi)為在強(qiáng)化塑料容器上卷繞有強(qiáng)化纖維的結(jié)構(gòu)（TYPE4)、和在鋁合金或鐵等的 金屬內(nèi)襯的外表面卷繞纖維強(qiáng)化樹(shù)脂或強(qiáng)化纖維的結(jié)構(gòu)（TYPE3)。在該容器中，為了安裝用 于氣體的填充、放出的噴嘴而設(shè)有管頭。TYPE4 -般是將金屬制的管頭構(gòu)件與強(qiáng)化塑料容器 一起用強(qiáng)化纖維卷繞，而使之一體化。另一方面，TYPE3因?yàn)闀?huì)對(duì)于內(nèi)襯的端部實(shí)施頸縮加 工，作為管頭部成形，所以不需要另行設(shè)置管頭構(gòu)件。
[0005] 作為管頭構(gòu)件的材料，例如專(zhuān)利文獻(xiàn)1所示那樣，使用的是鋁合金（6061合金）和 不銹鋼。在車(chē)載用容器中，為了加大一次氫填充下的行駛距離，高壓氫氣容器的壓力正在從 35MPa升高至70MPa。另外，從供氫站用容器向車(chē)載用容器填充氫時(shí)，因?yàn)槔脙烧叩牟顗海?所以供氫站用容器的壓力更高。
[0006] 在專(zhuān)利文獻(xiàn)2中，有高壓氫氣容器的結(jié)構(gòu)的說(shuō)明，在儲(chǔ)罐主體上設(shè)有金屬制的管 頭部，在管頭部的開(kāi)口部安裝有一體組裝有閥等配管要素的金屬制的閥組件等的各種儲(chǔ)罐 零件。對(duì)管頭部的閥組件的安裝是通過(guò)將閥組件擰進(jìn)管頭部而進(jìn)行的。填充壓力的增大， 會(huì)加大在螺釘頭發(fā)生的應(yīng)力，也有可能成為破損的原因，因此為了確保安全性，應(yīng)用高強(qiáng)度 材料的效果明顯。特別是如果為高強(qiáng)度的鋁合金，則可推定也會(huì)帶來(lái)制品的輕量化。
[0007] 在專(zhuān)利文獻(xiàn)3中提出，作為面向高壓氫氣容器構(gòu)件的高強(qiáng)度的鋁6000系合金， 是AA6066合金系組成，是使Mg和Si分別滿(mǎn)足Mg彡1.73Si-0. 52%，而且，Mg彡1.5%、 Mg彡0.9%，還有Si彡1.8%的條件的組成。
[0008] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0009] 專(zhuān)利文獻(xiàn)
[0010] 專(zhuān)利文獻(xiàn)1:日本特開(kāi)2001-349494號(hào)公報(bào)
[0011] 專(zhuān)利文獻(xiàn)2 :日本特開(kāi)2008-2654號(hào)公報(bào)
[0012] 專(zhuān)利文獻(xiàn)3:日本特開(kāi)2009-24225號(hào)公報(bào)
[0013] 非專(zhuān)利文獻(xiàn)
[0014] 非專(zhuān)利文獻(xiàn)1:《鋁的組織和性質(zhì)》輕金屬學(xué)會(huì)發(fā)行，1991年11月，p. 483-484
[0015]非專(zhuān)利文獻(xiàn) 2:ALUMINUMALLOYS-CONTEMPORARYRESEARCHANDAPPLICATIONS， AcademicPressInc.，1989 年，p. 13
[0016] 發(fā)明所要解決的課題
[0017] 另一方面，關(guān)于燃料電池用高壓氫氣容器的使用環(huán)境，供給站用、運(yùn)輸用的高壓氫 氣容器、乃至車(chē)載用的高壓氫氣容器也會(huì)曝露在腐蝕環(huán)境中。另外，不僅高壓氫氣容器的外 部環(huán)境，而且由于填充氫的質(zhì)量不同，或由于連接時(shí)的處理方法不同，容器內(nèi)部也有可能成 為腐蝕環(huán)境。
[0018] 因此，高壓氫氣容器所要求的第一特性就是耐氫脆化性，而為了放心長(zhǎng)期使用，還 要求對(duì)于耐晶界腐蝕性、耐SCC性（耐應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性）等耐腐蝕性也具有優(yōu)異性能的材 料。
[0019] 若從這樣的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行研宄，則在專(zhuān)利文獻(xiàn)3中沒(méi)有這樣的記述。另外，如非專(zhuān) 利文獻(xiàn)1所示，AA6066合金的耐腐蝕性低，如非專(zhuān)利文獻(xiàn)2所述，該合金因?yàn)槟透g性低， 所以顯示的是沒(méi)有在寬廣范圍內(nèi)使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020] 本發(fā)明鑒于這樣的狀況而形成，本發(fā)明的課題在于，提供一種具有優(yōu)異的耐氫脆 化性，并且高強(qiáng)度，耐腐蝕性也優(yōu)異的高壓氫氣儲(chǔ)藏容器用鋁合金材。
[0021] 用于解決課題的手段
[0022] 為了達(dá)成這一目的，本發(fā)明人等反復(fù)研宄時(shí)發(fā)現(xiàn)，鋁合金的屈服強(qiáng)度和導(dǎo)電率與 耐腐蝕性具有一定的相關(guān)關(guān)系，如果是滿(mǎn)足由屈服強(qiáng)度和導(dǎo)電率構(gòu)成的特定的數(shù)學(xué)式的A1 合金，則耐腐蝕性?xún)?yōu)異，特別是耐晶界腐蝕性、耐SCC性?xún)?yōu)異。
[0023] 另外，如果是具有接近AA6066合金和AA6069合金的特定的組成的鋁合金，則耐氫 脆化性和強(qiáng)度也優(yōu)異。使用具有這一特定的組成的鋁合金，通過(guò)特定制造條件加以制造，可 以得到屈服強(qiáng)度和導(dǎo)電率滿(mǎn)足上述的特定的關(guān)系的鋁合金材。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，利用這一新 的認(rèn)知能夠解決上述課題，從而完成本發(fā)明。
[0024]S卩，本發(fā)明的高壓氫氣容器用鋁合金材的特征在于，由如下鋁合金構(gòu)成，其含有 Si:0? 6 ~1. 5 質(zhì)量％、Mg:0? 6 ~1. 6 質(zhì)量％、Cu:0? 1 ~1. 0 質(zhì)量％和Fe:0? 05 ~0? 4 質(zhì) 量％，并限制為Mn:0. 9質(zhì)量％以下、Cr:0. 3質(zhì)量％以下、Zr:0. 15質(zhì)量％以下、V:0. 2質(zhì) 量％以下、Zn:0. 25質(zhì)量％以下和Ti:0. 1質(zhì)量％以下，余量由A1和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成， 所述Mn、所述Cr、所述Zr和所述V的含量的合計(jì)為0. 05質(zhì)量％以上，滿(mǎn)足關(guān)系到屈服強(qiáng)度 S(MPa)和導(dǎo)電率E(IACS% )的下述式（1)和式（2)，屈服強(qiáng)度S為270MPa以上，導(dǎo)電率E 為36IACS%以上。
[0025]S彡-10. 46XE+801... (1)
[0026]S彡-25XE+1296…（2)
[0027] 根據(jù)所述構(gòu)成，通過(guò)使Si、Mg、Cu和Fe以特定量含有，能夠保持強(qiáng)度和耐氫脆化 性，并且賦予耐腐蝕性。另外通過(guò)限制屈服強(qiáng)度和導(dǎo)電率的關(guān)系，能夠使耐晶界腐蝕性和耐 SCC性?xún)?yōu)異。
[0028] 另外，本發(fā)明的高壓氫氣容器用鋁合金材的制造方法的特征在于，按順序進(jìn)行如 下工序：鑄造具有所述組成的鋁合金而制作鑄塊的熔化?鑄造工序；對(duì)于所述鑄塊以475~ 575°C實(shí)施熱處理的均質(zhì)化熱處理工序；以275~575°C，以50%以上的加工率實(shí)施熱加工 的熱加工工序；進(jìn)行固溶處理和以1°C/秒以上的冷卻速度進(jìn)行淬火處理的調(diào)質(zhì)處理工序； 以160~240°C實(shí)施1~48hr熱處理的高溫時(shí)效處理工序。
[0029] 根據(jù)所述步驟的制造方法，使用所述組成的鋁合金在較高的溫度下進(jìn)行高溫時(shí)效 處理，由此可以制造耐氫脆化性、強(qiáng)度和耐腐蝕性均兼?zhèn)涞母邏簹錃馊萜饔娩X合金材。
[0030] 發(fā)明效果
[0031] 本發(fā)明的高壓氫氣容器用鋁合金材的抗拉強(qiáng)度、耐氫脆化性、耐晶界腐蝕性和耐 SCC性的任意一種性能均優(yōu)異。另外，本發(fā)明的高壓氫氣容器用鋁合金材的制造方法能夠制 造抗拉強(qiáng)度、耐氫脆化性和耐腐蝕性均優(yōu)異的高壓氫氣容器用鋁合金材。
【附圖說(shuō)明】
[0032] 圖1是表示屈服強(qiáng)度、導(dǎo)電率與耐腐蝕性的關(guān)系的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 以下，基于具體的實(shí)施方式，對(duì)于本發(fā)明的高壓氫氣容器用鋁合金材及其制造方 法進(jìn)行說(shuō)明。還有，以下有時(shí)將為"鋁合金"記述為"A1合金"。
[0034] 在本發(fā)明中，所謂高壓氫氣容器用A1合金材，是適用于包括高壓氫氣儲(chǔ)藏容器的 主體部、管頭部等高壓氫氣儲(chǔ)藏容器的周邊構(gòu)件、和高壓氫氣儲(chǔ)藏容器所附帶的氣管的用 途的A1合金材。其中，以管頭部等高壓氫氣儲(chǔ)藏容器的周邊構(gòu)件作為主要用途。
[0035]構(gòu)成本發(fā)明的高壓氫氣容器用A1合金材的A1合金含有Si:0. 6~1. 5質(zhì)量％、Mg:0? 6~1. 6質(zhì)量％、Cu:0? 1~1. 0質(zhì)量％和Fe:0? 05~0? 4質(zhì)量％，限制為Mn:0? 9質(zhì) 量％以下、Cr:0. 3質(zhì)量％以下、Zr:0. 15質(zhì)量％以下、V:0. 2質(zhì)量％以下、Zn:0. 25質(zhì)量％ 以下和Ti:0. 1質(zhì)量％以下，余量由A1和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，所述Mn、所述Cr、所述Zr和 所述V的含量的合計(jì)為0. 05質(zhì)量％以上。
[0036] 本發(fā)明的合金組成，基本上為了維持高強(qiáng)度并賦予耐腐蝕性而使Cu的含量含有 得略少，通過(guò)使Si、Mg較多地含有，使高溫時(shí)效硬化能發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和耐腐蝕性二者的提 高。以下，對(duì)于構(gòu)成本發(fā)明的A1合金的各元素及其含量進(jìn)行說(shuō)明。
[0037] (Si:0? 6 ~1. 5 質(zhì)量％ )
[0038]Si與Mg-起，一部分在A1合金基體中固溶，使A1合金固溶強(qiáng)化。另外，發(fā)揮著 形成在所述比較高溫下的高溫時(shí)效處理時(shí)有助于強(qiáng)度提高的時(shí)效析出物等的時(shí)效硬化能。 因此，是用于得到具有作為高壓氫氣儲(chǔ)藏容器所需要的作為機(jī)械性質(zhì)的高抗拉強(qiáng)度、高屈 服強(qiáng)度的A1合金所必須的元素。另外，若含有Si，則在均質(zhì)化熱處理時(shí)形成成分中含有Si 的分散粒子，能夠使制品的晶粒微細(xì)。
[0039]Si含量為0.6~1.5質(zhì)量％，優(yōu)選為0.6~1.3質(zhì)量％。如果Si含量在上述范 圍內(nèi)，則在均質(zhì)化熱處理時(shí)形成大量的分散粒子，能夠?qū)崿F(xiàn)晶粒的微細(xì)化。若Si含量低于 〇. 6質(zhì)量％，則所述固溶強(qiáng)化和時(shí)效硬化能得不到充分地發(fā)揮。其結(jié)果是，不能獲得具有高 強(qiáng)度、高屈服強(qiáng)度的A1合金。另外，若Si含量低于0. 6質(zhì)量％，則均質(zhì)化熱處理時(shí)的分散 粒子的數(shù)量也變少，因此晶粒粗大化，機(jī)械特性、耐氫脆化性