高压氢气容器用铝合金材及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高压氢气容器用铝合金材及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，作为清洁能源，作为燃料电池的燃料的氢受到关注。但是，氢会带来铁和 铝等金属材料的氢脆化，因此在汽车等所搭载的储气瓶等金属制的高压气体储藏容器中， 高压下的氢气有效率的储藏一般存在困难。
[0003] 这一点不仅在铁制的高压氢气容器中，在为了轻量化而使用铝合金制内衬的高压 氢气容器中也同样，为了提高作为高压氢气容器的可靠性，要求耐氢脆化性优异的材料。
[0004] 作为改善耐氢脆化性的容器，开发出一种高压氢气储藏复合容器。高压氢气储藏 复合容器分类为在强化塑料容器上卷绕有强化纤维的结构（TYPE4)、和在铝合金或铁等的 金属内衬的外表面卷绕纤维强化树脂或强化纤维的结构（TYPE3)。在该容器中，为了安装用 于气体的填充、放出的喷嘴而设有管头。TYPE4 -般是将金属制的管头构件与强化塑料容器 一起用强化纤维卷绕，而使之一体化。另一方面，TYPE3因为会对于内衬的端部实施颈缩加 工，作为管头部成形，所以不需要另行设置管头构件。
[0005] 作为管头构件的材料，例如专利文献1所示那样，使用的是铝合金（6061合金）和 不锈钢。在车载用容器中，为了加大一次氢填充下的行驶距离，高压氢气容器的压力正在从 35MPa升高至70MPa。另外，从供氢站用容器向车载用容器填充氢时，因为利用两者的差压， 所以供氢站用容器的压力更高。
[0006] 在专利文献2中，有高压氢气容器的结构的说明，在储罐主体上设有金属制的管 头部，在管头部的开口部安装有一体组装有阀等配管要素的金属制的阀组件等的各种储罐 零件。对管头部的阀组件的安装是通过将阀组件拧进管头部而进行的。填充压力的增大， 会加大在螺钉头发生的应力，也有可能成为破损的原因，因此为了确保安全性，应用高强度 材料的效果明显。特别是如果为高强度的铝合金，则可推定也会带来制品的轻量化。
[0007] 在专利文献3中提出，作为面向高压氢气容器构件的高强度的铝6000系合金， 是AA6066合金系组成，是使Mg和Si分别满足Mg彡1.73Si-0. 52%，而且，Mg彡1.5%、 Mg彡0.9%，还有Si彡1.8%的条件的组成。
[0008] 现有技术文献
[0009] 专利文献
[0010] 专利文献1:日本特开2001-349494号公报
[0011] 专利文献2 :日本特开2008-2654号公报
[0012] 专利文献3:日本特开2009-24225号公报
[0013] 非专利文献
[0014] 非专利文献1:《铝的组织和性质》轻金属学会发行，1991年11月，p. 483-484
[0015]非专利文献 2:ALUMINUMALLOYS-CONTEMPORARYRESEARCHANDAPPLICATIONS， AcademicPressInc.，1989 年，p. 13
[0016] 发明所要解决的课题
[0017] 另一方面，关于燃料电池用高压氢气容器的使用环境，供给站用、运输用的高压氢 气容器、乃至车载用的高压氢气容器也会曝露在腐蚀环境中。另外，不仅高压氢气容器的外 部环境，而且由于填充氢的质量不同，或由于连接时的处理方法不同，容器内部也有可能成 为腐蚀环境。
[0018] 因此，高压氢气容器所要求的第一特性就是耐氢脆化性，而为了放心长期使用，还 要求对于耐晶界腐蚀性、耐SCC性（耐应力腐蚀开裂性）等耐腐蚀性也具有优异性能的材 料。
[0019] 若从这样的观点出发进行研宄，则在专利文献3中没有这样的记述。另外，如非专 利文献1所示，AA6066合金的耐腐蚀性低，如非专利文献2所述，该合金因为耐腐蚀性低， 所以显示的是没有在宽广范围内使用。
【发明内容】
[0020] 本发明鉴于这样的状况而形成，本发明的课题在于，提供一种具有优异的耐氢脆 化性，并且高强度，耐腐蚀性也优异的高压氢气储藏容器用铝合金材。
[0021] 用于解决课题的手段
[0022] 为了达成这一目的，本发明人等反复研宄时发现，铝合金的屈服强度和导电率与 耐腐蚀性具有一定的相关关系，如果是满足由屈服强度和导电率构成的特定的数学式的A1 合金，则耐腐蚀性优异，特别是耐晶界腐蚀性、耐SCC性优异。
[0023] 另外，如果是具有接近AA6066合金和AA6069合金的特定的组成的铝合金，则耐氢 脆化性和强度也优异。使用具有这一特定的组成的铝合金，通过特定制造条件加以制造，可 以得到屈服强度和导电率满足上述的特定的关系的铝合金材。本发明人发现，利用这一新 的认知能够解决上述课题，从而完成本发明。
[0024]S卩，本发明的高压氢气容器用铝合金材的特征在于，由如下铝合金构成，其含有 Si:0? 6 ~1. 5 质量％、Mg:0? 6 ~1. 6 质量％、Cu:0? 1 ~1. 0 质量％和Fe:0? 05 ~0? 4 质 量％，并限制为Mn:0. 9质量％以下、Cr:0. 3质量％以下、Zr:0. 15质量％以下、V:0. 2质 量％以下、Zn:0. 25质量％以下和Ti:0. 1质量％以下，余量由A1和不可避免的杂质构成， 所述Mn、所述Cr、所述Zr和所述V的含量的合计为0. 05质量％以上，满足关系到屈服强度 S(MPa)和导电率E(IACS% )的下述式（1)和式（2)，屈服强度S为270MPa以上，导电率E 为36IACS%以上。
[0025]S彡-10. 46XE+801... (1)
[0026]S彡-25XE+1296…（2)
[0027] 根据所述构成，通过使Si、Mg、Cu和Fe以特定量含有，能够保持强度和耐氢脆化 性，并且赋予耐腐蚀性。另外通过限制屈服强度和导电率的关系，能够使耐晶界腐蚀性和耐 SCC性优异。
[0028] 另外，本发明的高压氢气容器用铝合金材的制造方法的特征在于，按顺序进行如 下工序：铸造具有所述组成的铝合金而制作铸块的熔化?铸造工序；对于所述铸块以475~ 575°C实施热处理的均质化热处理工序；以275~575°C，以50%以上的加工率实施热加工 的热加工工序；进行固溶处理和以1°C/秒以上的冷却速度进行淬火处理的调质处理工序； 以160~240°C实施1~48hr热处理的高温时效处理工序。
[0029] 根据所述步骤的制造方法，使用所述组成的铝合金在较高的温度下进行高温时效 处理，由此可以制造耐氢脆化性、强度和耐腐蚀性均兼备的高压氢气容器用铝合金材。
[0030] 发明效果
[0031] 本发明的高压氢气容器用铝合金材的抗拉强度、耐氢脆化性、耐晶界腐蚀性和耐 SCC性的任意一种性能均优异。另外，本发明的高压氢气容器用铝合金材的制造方法能够制 造抗拉强度、耐氢脆化性和耐腐蚀性均优异的高压氢气容器用铝合金材。
【附图说明】
[0032] 图1是表示屈服强度、导电率与耐腐蚀性的关系的图。
【具体实施方式】
[0033] 以下，基于具体的实施方式，对于本发明的高压氢气容器用铝合金材及其制造方 法进行说明。还有，以下有时将为"铝合金"记述为"A1合金"。
[0034] 在本发明中，所谓高压氢气容器用A1合金材，是适用于包括高压氢气储藏容器的 主体部、管头部等高压氢气储藏容器的周边构件、和高压氢气储藏容器所附带的气管的用 途的A1合金材。其中，以管头部等高压氢气储藏容器的周边构件作为主要用途。
[0035]构成本发明的高压氢气容器用A1合金材的A1合金含有Si:0. 6~1. 5质量％、Mg:0? 6~1. 6质量％、Cu:0? 1~1. 0质量％和Fe:0? 05~0? 4质量％，限制为Mn:0? 9质 量％以下、Cr:0. 3质量％以下、Zr:0. 15质量％以下、V:0. 2质量％以下、Zn:0. 25质量％ 以下和Ti:0. 1质量％以下，余量由A1和不可避免的杂质构成，所述Mn、所述Cr、所述Zr和 所述V的含量的合计为0. 05质量％以上。
[0036] 本发明的合金组成，基本上为了维持高强度并赋予耐腐蚀性而使Cu的含量含有 得略少，通过使Si、Mg较多地含有，使高温时效硬化能发挥，实现强度和耐腐蚀性二者的提 高。以下，对于构成本发明的A1合金的各元素及其含量进行说明。
[0037] (Si:0? 6 ~1. 5 质量％ )
[0038]Si与Mg-起，一部分在A1合金基体中固溶，使A1合金固溶强化。另外，发挥着 形成在所述比较高温下的高温时效处理时有助于强度提高的时效析出物等的时效硬化能。 因此，是用于得到具有作为高压氢气储藏容器所需要的作为机械性质的高抗拉强度、高屈 服强度的A1合金所必须的元素。另外，若含有Si，则在均质化热处理时形成成分中含有Si 的分散粒子，能够使制品的晶粒微细。
[0039]Si含量为0.6~1.5质量％，优选为0.6~1.3质量％。如果Si含量在上述范 围内，则在均质化热处理时形成大量的分散粒子，能够实现晶粒的微细化。若Si含量低于 〇. 6质量％，则所述固溶强化和时效硬化能得不到充分地发挥。其结果是，不能获得具有高 强度、高屈服强度的A1合金。另外，若Si含量低于0. 6质量％，则均质化热处理时的分散 粒子的数量也变少，因此晶粒粗大化，机械特性、耐氢脆化性