JP2003268567A - 導電材被覆耐食性金属材料 - Google Patents

導電材被覆耐食性金属材料

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conductive
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雅宏 清藤
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和彦 中川
Minoru Shirohige
稔 白髭
Masahiro Okahara
正宏 岡原
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Hitachi Cable Ltd
Hitachi Powdered Metals Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐食性と導電性に優れた複合構成基材で、表
面潤滑性や加工時の離型性の良い２次加工用基材として
の特性も併せ持つコンポーネント材として使用すること
ができる導電材被覆耐食性金属材料を提供する。 【解決手段】 金属層１の両面にクラッド層２をクラデ
ィングし、この表面に表面処理層３を形成する。金属層
１は、鉄、アルミニウム、銅、チタン、マグネシウム、
ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、ニッ
ケル、クロムの中から選ばれる金属または何れか１乃至
全てを組み合わせた合金から成り、かつ、その金属の外
表面（クラッド層）２はチタン、ジルコニウム、タンタ
ル、ニオブの中から選ばれる金属または何れか１乃至全
てを組み合わせた合金で形成される。表面処理層３はカ
ーボン、導電性セラミックス、金属粉末の中から選ばれ
る少なくとも１つ以上の導電材と前記導電材を固定する
ための樹脂結着材とで形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気導電材、電気
接点、電磁波遮蔽体、電気化学電極、帯電防止材等にお
いて導電性と耐食性を要するコンポーネント用の材料と
して好適な導電材被覆耐食性金属材料に関し、特に、複
合構成材で、構成材の特性を併せ持ち、さらに、表面潤
滑性や、加工時の離型性も良いことから、２次加工用の
クラッド素材としても使用でき、各種装置の基材として
の応用が期待できる導電材被覆耐食性金属材料に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】電気機器の中には、大気、淡水、海水等
に曝される環境で使用されるものが多数有る。これらの
機器に使用される動力用や信号用接点や導電材は、使用
環境中で腐食し、機器の信頼性、寿命等が損なわれるこ
とがある。
【０００３】電気化学を利用した産業分野では、電気メ
ッキ、溶融塩電気分解、淡水化装置、食塩電解などの電
極として金属が多用されており、コストの観点からステ
ンレス鋼、ニッケル基合金などを電極として、あるいは
電極からの溶解物の発生を抑制するために不溶性電極と
したものが使用される。
【０００４】金属は、構造材としての優れた機能を有す
るものの、鉄系の金属では耐食性が満足できないことが
ある。これを解決するために、高分子の塗料、ライナ
ー、フィルム等を被覆した材料が使用されることがあ
る。しかし使用される環境、機器によっては被覆した高
分子が帯電し、放電の際、周囲の機器に損傷を与えるな
どの悪影響を与えることがある。
【０００５】同様に電磁遮蔽体においても、電磁遮蔽特
性を優先するために基板金属の耐食性が犠牲になること
がある。燃料電池においては、固体電解質型燃料電池、
リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体高分子
型燃料電池、メタノール燃料電池等のセパレータ等に金
属が使用されており、燃料電池のセパレータが金属の場
合、電解現象により表面の不動態被膜が成長して導電性
が減少したり、場合によっては腐食することがある。
【０００６】これらを防ぐために、一般に導電性と防食
性を有する被覆層を金属に形成する手段がとられてい
る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の耐
食、導電性基材としては、ＳＵＳ、Ｔｉ、Ｔｉクラッド
材等があるが、それらは、導電性の点では不十分であ
る。ＳＵＳの場合には、表面に不動態膜ができてしま
い、それが、接触抵抗を大きくし、さらに、Ｔｉの場合
には、抵抗の大きいＴｉ０2が表面を覆ってしまう。導
電性を向上させる手段として、２次加工の後、ＴｉN、
ＴｉC、Ａｕなどの導電性耐食層を被覆することがなさ
れているが、その処理自体もコストが高く、煩雑である
という問題がある。
【０００８】さらに、耐食性の良い、ＳＵＳ、Ｔｉ等の
材料は、２次加工時の潤滑性の悪い材料であり、プレス
加工時に、型に焼付き、大きな変形が与えられないと言
った問題点を含んでいる。この解決のために、通常、加
工時に潤滑剤を用いることになるが、この潤滑剤の塗
布、除去に工数が掛かること、また、その残渣が、性能
に悪影響するといった問題がある。
【０００９】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
であり、耐食性と導電性に優れた複合構成基材で、表面
潤滑性や加工時の離型性の良い２次加工用基材としての
特性も併せ持つコンポーネント材として使用することが
できる導電材被覆耐食性金属材料を提供することを目的
とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の導電材被覆耐食性金属材料は、金属層と、
この金属層の表面を覆う導電性を有する表面処理層から
なる導電材被覆耐食性金属材料であって、前記金属層
は、鉄、アルミニウム、銅、チタン、マグネシウム、ジ
ルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、ニッケ
ル、クロムの中から選ばれる金属または何れか１乃至全
てを組み合わせた合金から成り、かつ、その金属の外表
面はチタン、ジルコニウム、タンタル、ニオブの中から
選ばれる金属または何れか１乃至全てを組み合わせた合
金で形成され、前記表面処理層はカーボン、導電性セラ
ミックス、金属粉末の中から選ばれる少なくとも１つ以
上の導電材と前記導電材を固定するための樹脂結着材と
で形成されることを特徴としている。
【００１１】また、前記金属層は、外層／中間層／外層
の３層構造で形成されており、前記中間層は鉄、銅、ア
ルミニウム、マグネシウムの中から選ばれる金属または
何れか１乃至全てを組み合わせた合金で形成されている
ことを特徴としている。
【００１２】また、前記外層／中間層／外層の各層の間
には、隣り合う金属で構成される金属間化合物が形成さ
れていることを特徴としている。
【００１３】また、前記外層／中間層／外層の３層構造
のうち、前記外層の金属の硬度は、前記中間層の金属の
硬度に対する比が１／３〜３の範囲にあることを特徴と
している。
【００１４】また、前記中間層の露出する部分は、金
属、高分子およびセラミックスの何れかで被覆されてい
ることを特徴としている。
【００１５】また、前記中間層は、アルミニウムまたは
アルミニウム合金から成る金属層であり、前記アルミニ
ウムまたはアルミニウム合金の露出している部位が、ア
ルマイトまたはベーマイト皮膜で被覆されていることを
特徴としている。
【００１６】また、前記金属の外表面は、チタンまたは
チタン合金であり、チタン中の不純物濃度として水素が
０．０５ｐｐｍ以下、酸素が０．２ｐｐｍ以下、鉄が
０．２５ｐｐｍ以下、窒素が０．０５ｐｐｍ以下である
ことを特徴としている。
【００１７】また、前記金属層の外層の厚みは、１０μ
ｍ以上であることを特徴としている。
【００１８】また、前記金属層の外層の粒度は、１０μ
ｍ〜５００μｍの範囲にあることを特徴としている。
【００１９】また、前記金属層の外層の厚みは、金属層
全体の厚みに対して、両面合わせ３０％以下であること
を特徴としている。
【００２０】また、前記金属層の外表面は、酸化層を除
去し、その酸化防止保護膜として、カーボン、導電性セ
ラミックス、金属粉末の中から選ばれる少なくとも１つ
以上の導電材と前記導電材を固定するための樹脂結着材
とで構成される表面処理層が形成されていることを特徴
としている。
【００２１】また、前記表面処理層の導電材としてのカ
ーボンは、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、カ
ーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、フラーレ
ン、炭素繊維の中から選ばれる少なくとも１つ以上のカ
ーボンであり、前記導電性セラミックスは、金属のケイ
化物、炭化物、窒化物、ホウ化物の中から選ばれる少な
くとも１つ以上の導電性セラミックスであり、前記金属
粉末は、銀、ニッケル、アルミニウム、チタン、タンタ
ル、タングステン、金、白金、ロジウム、パラジウムま
たはそれら合金の中から選ばれる少なくとも１つ以上の
粉体を含有する金属粉体であることを特徴としている。
【００２２】また、前記表面処理層の結着剤は、フッ素
系樹脂、シリコン系樹脂、フェノール系樹脂、エポキシ
系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリオ
レフィン系樹脂、フラン系樹脂、ゴム系樹脂の少なくと
も１つを含むことを特徴としている。
【００２３】また、前記結着剤の組成は、ポリフッ化ビ
ニリデン（ＰＶＤＦ）またはポリフッ化ビニリデンと六
フッ化プロピレン（ＨＦＰ）との共重合体（ＰＶＤＦ−
ＨＦＰ共重合体）であり前記六フッ化プロピレンが０〜
３０体積％の範囲にあることを特徴としている。
【００２４】また、前記表面処理層は、カーボン、導電
性セラミックス、金属粉末の中から選ばれる少なくとも
１つ以上の導電材と前記導電材を固定するための樹脂結
着材とで構成され、前記導電材と前記樹脂結着材との配
合比率が体積比で１０：９０〜９０：１０であり、前記
カーボンに黒鉛とカーボンブラックが含まれる場合に
は、黒鉛とカーボンブラックの配合比率が体積比で２
５：７５〜９０：１０であることを特徴としている。
【００２５】また、前記表面処理層は、膜厚が３〜１０
０μｍの範囲にあることを特徴としている。
【００２６】また、前記表面処理層は、金属材を圧延、
プレス、鍛造および絞りの何れかを行う２次加工により
繊密化されていることを特徴としている。
【００２７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して詳細に説明する。
【００２８】（第１の実施の形態）図１は、本発明の第
１の実施の形態に係る導電材被覆耐食性金属材料の一例
である導電性黒鉛を被覆した導電性黒鉛被覆チタンクラ
ッド材の断面構成図である。
【００２９】この図１に示す板状の導電性黒鉛被覆チタ
ンクラッド材は、コア金属（金属層）１の両面にチタン
クラッド層２をクラディングし、この表面に導電性黒鉛
被膜層（導電材表面処理層）３を形成したものである。
【００３０】このような導電材表面処理層を被覆した耐
食金属・クラッド板と言っても、各種の構成があり得る
ので、コア金属１として、銅、アルミニウム、鉄の３種
の材料を用い、その両面に、耐食性金属として、金属チ
タン２をクラディング（チタンクラッド層２）し、さら
に、その表面に導電性黒鉛３を被覆した３種のケースを
試作した。
【００３１】本導電性黒鉛被覆チタンクラッド材の幅
は、１００ｍｍで、その厚さは０．３ｍｍとした。ま
た、チタンクラッド層２の厚さは２０〜３０μｍ、その
上の導電性黒鉛被膜層３は２０μｍ厚さとした。チタン
表面の酸化被膜は、製造工程において除去し、数ｎｍの
オーダーに抑えてある。
【００３２】本導電性黒鉛被覆チタンクラッド材の特徴
は、チタン表面の酸化被膜を、極微小厚さにし、更なる
酸化防止のために導電性黒鉛を被覆することで、界面の
電気抵抗は小さいが、防食性には優れている２次加工用
の原板とした点にある。
【００３３】本導電性黒鉛被覆チタンクラッド材の構成
例と耐食特性を下記表１に示す。但し、ＮＯ．１〜１１
は実施例のナンバーである。また、面抵抗、金属面酸化
変色は、後述するＰＣＴ後のデータである。
【００３４】
【表１】 この表１に示すように、チタン層を片面２０〜３０μｍ
被覆し、その上に、導電性黒鉛を２０μｍ被覆してい
る。表１中には、比較用として、Ｃｕ、ＳＵＳ単体材、
チタンクラッド材の導電性黒鉛を塗布しないもの、塗布
前のチタン面の酸化物除去研磨をしていないものも付記
している。耐食性の試験としては、２種行い、一つ目は
ＰＣＴ（プレッシャークッカー試験１２０℃、２ａｔ
ｍ、水蒸気）後の面抵抗、金属面・黒鉛面の状態観察、
二つ目は、電気化学を利用した機器条件を模擬し、ＪＩ
ＳＧ０５９１に準拠して、硫酸中での分極特性の測定結
果から耐食性を評価した。面抵抗は、供試材を軟質金属
で鋏み、４端子法により測定した。
【００３５】この結果、比較用として示したＣｕ単体材
は、界面抵抗の点では良いが、耐食性の点で問題であ
る。一方、ＳＵＳ材は、表面の不動態膜が影響している
と推測するが、界面抵抗の点で大きく問題であり、ま
た、耐食性でも、完全ではない。単体材では、導電・耐
食性は×である。
【００３６】一方、導電性黒鉛被覆チタンクラッド材の
耐食性は、構成によらず、表面チタンの状態、研磨の有
無、黒鉛の塗布の有無により決まる。
【００３７】黒鉛塗布がない物は、面抵抗の変化が大き
く、ＰＣＴ試験前は、黒鉛塗布有りと同等以上の特性で
あったが、ＰＣＴ後は、面抵抗は大きく、チタン面は酸
化し紫色となっていたが、金属面の劣化はなかった。分
極特性上は、異常はなく、耐食性は○であるが、面抵抗
より評価した導電性を加味した導電・耐食性は、△であ
る。
【００３８】黒鉛塗料を塗布し、表面研磨のあるもの
は、面抵抗も小さく、チタン面の変色もなく、分極特性
も良好で、導電・耐食性は○である。
【００３９】黒鉛塗料を塗布し、表面研磨のない物は、
面抵抗も大きく、電池特性もあまり良くない。この様
に、本導電性黒鉛被覆チタンクラッド材で、表面酸化被
膜除去処理をした、すなわち研磨材は、コア材の材質に
よらず、導電・耐食性は良好であった。
【００４０】また、下記表２は、実施例Ｎｏ．２の黒鉛
系塗料を用いた例に対し、導電材料として導電性セラミ
ックス、金属粉末と樹脂結合材とで構成される塗料を塗
布した特性の評価結果である。
【００４１】
【表２】 この表２に示すＮｏ．１２〜１５の評価結果より、導電
性セラミックスであるＷＣ、ＴｉＮ、金属粉末としてＡ
ｇ、Ｎｉ、Ｐｔを用いた塗料を表面処理層として用いた
場合、導電性、耐食性ともに良好であった。
【００４２】Ｐｔ等の金属をカーボン系塗料に分散させ
た塗料は、水素分子を水素イオンに分離する効果も認め
られており、触媒作用を持った耐食材料などの特殊用用
途などへの検討も期待することができる。即ち、本発明
の導電材被覆耐食性金属材料である導電性黒鉛被覆チタ
ンクラッド材は、耐食性と導電性に優れた複合構成基材
で、表面潤滑性や加工時の離型性の良い２次加工用基材
としての特性も併せ持つコンポーネント材として使用す
ることができる。従って、電気導電材、電気接点、電磁
波遮蔽体、電気化学電極、帯電防止材等において導電性
と耐食性を要するコンポーネント用の材料に好適であ
る。
【００４３】（第２の実施の形態）本発明の第２の実施
の形態に係る導電性黒鉛被覆チタンクラッド材は、導電
材表面処理層３として、黒鉛層を緻密化したものであ
る。
【００４４】黒鉛被膜層の性能を向上する方法として、
級密化する処理工程を付加した。この方法は２種あり、
一つ目は、導電性黒鉛被覆チタンクラッド材の製造工程
において、黒鉛被膜形成の後、圧延またはプレス工程を
付加するもので、既に緻密化した導電性黒鉛被覆チタン
クラッド材の２次加工用素材を提供できることになる。
２つ目は、２次加工により緻密化するもので、２次加工
の条件と関係する。このような導電性黒鉛被覆チタンク
ラッド材の構成と耐食特性を下記表３に示す。
【００４５】
【表３】 この表３に示すＮｏ．１６〜２１の評価結果おいては、
上記表１と同じ０．３ｔのＴｉ／Ｃｕ／Ｔｉ、Ｔｉ／Ｆ
ｅ／Ｔｉのクラッド材の両面に、２０μｍの黒鉛層を被
覆乾燥し、その後、圧延を行い、トータル厚０．３ｔに
仕上げた。この材料を、表１と同様に、ＰＣＴ試験後、
面抵抗を測定した結果、０．６〜０．９mΩ・cm2で、改
善しており、金属面の酸化変色もなく、電池特性を測定
した結果も良好であった。また、同様に、導電性黒鉛被
覆のクラッド材を、２次加工を模擬して、プレス加工を
行った所、付加圧延材と同様な特性が得られ、２次加工
によっても、耐食性が、改善することが分かった。
【００４６】（第３の実施の形態）図２は、本発明の第
３の実施の形態に係る導電材被覆耐食性金属材料の一例
である中間層露出材を端面処理した導電性黒鉛被覆チタ
ンクラッド材の外観図である。
【００４７】この図２に示す板状の導電性黒鉛被覆チタ
ンクラッド材は、図１に示したコア中間層の良導電層が
露出する場合の例であり、板状のコア金属１の表面に導
電性黒鉛＋Ｔｉクラッド層４を被覆した後、この板材の
コア金属１が露出するように、中央に貫通した穴５を形
成すると共に、板材の周囲をコア金属１が露出するよう
にした。
【００４８】また、露出部の対策としては、Ｔｉ／Ａｌ
合金／Ｔｉについては、アルマイト処理、Ｔｉ／Ｃｕ／
Ｔｉについては、ネオプレーンゴム被覆を行った。ここ
に示すＡｌ系クラッド材は、長尺安定性として、Ａｌ／
Ｍｇ系の合金を用いた。Ｃｕ系の材料は、上記表１，２
と同じ、純銅を用いた。０．３ｔのＴｉ／Ａｌ合金／Ｔ
ｉとＴｉ／Ｃｕ／Ｔｉのクラッド材の両面に、２０μｍ
の導電性黒鉛の被膜層を形成した。
【００４９】この図２に示す構成の導電性黒鉛被覆チタ
ンクラッド材の導電性及び耐食性の評価試験の結果を下
記表４に示す
【００５０】
【表４】 この表４に示すＮｏ．２２〜２５の評価結果おいて、端
面処理のないものは、面抵抗に異常はないが、コア金属
が腐食し、耐食性に問題がでる。一方、端面処理をした
ものは、面抵抗、耐食性の両面で問題はない。ここで示
したアルマイト処理、ネオプレーンゴム被覆が、適切で
あることが分かる。
【００５１】即ち、以上説明した第１〜第３の実施の形
態では、次の（１）〜（１７）に記述する導電材被覆耐
食性金属材料が構成されることを特徴としている。
【００５２】（１）導電材被覆耐食性金属材料は、金属
層と、この金属層の表面を覆う導電性を有する表面処理
層からなる導電材被覆耐食性金属材料であって、金属層
は、鉄、アルミニウム、銅、チタン、マグネシウム、ジ
ルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、ニッケ
ル、クロムの中から選ばれる金属または何れか１乃至全
てを組み合わせた合金から成り、かつ、その金属の外表
面はチタン、ジルコニウム、タンタル、ニオブの中から
選ばれる金属または何れか１乃至全てを組み合わせた合
金で形成され、表面処理層はカーボン、導電性セラミッ
クス、金属粉末の中から選ばれる少なくとも１つ以上の
導電材と導電材を固定するための樹脂結着材とで構成さ
れている。
【００５３】（２）金属層は、外層／中間層／外層の３
層構造で形成されており、中間層は鉄、銅、アルミニウ
ム、マグネシウムの中から選ばれる金属または何れか１
乃至全てを組み合わせた合金で構成されている。
【００５４】この（１）と（２）の構成において、金属
層の金属基材としては、表面を耐食性金属（チタン、ジ
ルコニウム、タンタル、ニオブの中から選ばれる金属あ
るいはこれらの合金）のクラッド材とし、コア金属とし
ては、良導電性金属（銅）および銅合金、アルミニウム
およびアルミニウム合金、マグネシウムおよびマグネシ
ウム合金、または、鉄及び鉄合金）を用いる。さらに、
最外層（表面処理層）には、カーボン、導電性セラミッ
クス、金属粉末の中から選ばれる少なくとも１つ以上の
導電材と導電材を固定するための樹脂結着材とで形成さ
れる導電性表面処理層を被覆した。
【００５５】耐食性の基盤は、この耐食性金属クラッド
層であり、この金属が本来持つ耐食性が発揮している。
正確には、これら耐食性金属の上には、ｎｍオーダーで
生成する半導体の酸化物が安定した被膜を形成してお
り、それが絶対的な防食効果を持つ。その上の導電性表
面処理層は、耐食性金属を酸化させない効果があり、過
酷な環境下でも、界面の酸化被膜を成長させずｎｍオー
ダーに留めておく効果がある。その結果、導電性の優れ
た基材となる。
【００５６】上記の耐食性金属材は、一般に高価である
が、安価な材料とクラッドすることで、コストメリット
は、生じ、クラッドコア材として、軽量（Ａｌ，Ｍ
ｇ）、高導電性（Ｃｕ），高強度（Ｆｅ）の特性を持っ
良導電性素材を使用することで、その特性を持ったクラ
ッド材を製造することができる。
【００５７】このような導電材被覆耐食性金属材料は、
耐食性と導電性に優れた複合構成基材で、表面潤滑性や
加工時の離型性の良い２次加工用基材としての特性も併
せ持つコンポーネント材に用いることができる。
【００５８】上記の微粒子の配合と、樹脂結着材の選定
で、離型効果は発揮できるが、潤滑性に優れた黒鉛系の
カーボンを構成材とするものは、良質の樹脂結着材であ
り、２次加工時に、特別の潤滑剤を使用すること無し
に、そのままで加工することができ、潤滑剤の塗布、除
去といった工程を省略することができる。
【００５９】（３）外層／中間層／外層の各層の間に
は、隣り合う金属で構成される金属間化合物が形成され
ている。
【００６０】これは、外層の耐食性金属とコア（中間
層）の良導電金属の界面に、酸化層、汚れ等がなく、金
属的に良くクラッド接合していることを意味する。本発
明では、外層／中間層／外層の金属被覆法については、
特に規定してない。クラッド、気相、液層メッキ、溶射
等種々あり、どのような方法でも良いが、一様な金属間
化合物ができていることが条件である。上記した表１，
２は、クラッド接合したもので、金属間化合物が、サブ
ミクロン〜ミクロンオーダー形成したものである。
【００６１】（４）外層／中間層／外層の３層構造のう
ち、外層の金属の硬度は、中間層の金属の硬度に対する
比が１／３〜３の範囲にある構成とした。
【００６２】この構成では、構成金属の硬度比が、１／
３〜３としているが、これは、クラッド接合を想定し
て、接合可能な条件を示したもので、この条件の範囲外
では、良好な複合構成材が形成できない。
【００６３】（５）中間層の露出する部分は、金属、高
分子およびセラミックスの何れかで被覆されている構成
とした。
【００６４】（６）中間層は、アルミニウムまたはアル
ミニウム合金から成る金属層であり、アルミニウムまた
はアルミニウム合金の露出している部位が、アルマイト
またはベーマイト皮膜で被覆されている構成とした。
【００６５】（７）金属の外表面は、チタンまたはチタ
ン合金であり、チタン中の不純物濃度として水素が０．
０５ｐｐｍ以下、酸素が０．２ｐｐｍ以下、鉄が０．２
５ｐｐｍ以下、窒素が０．０５ｐｐｍ以下である構成と
した。
【００６６】この構成では、耐食金属として、チタンあ
るいはチタン合金のケースを示すが、これは、耐食性金
属として、安定した金属特性を示す条件範囲を示すもの
で、特に、水素が０．０５ｐｐｍ以下でないと、水素脆
化を示し、実用的な加工ができない。
【００６７】（８）金属層の外層の厚みは、１０μｍ以
上である構成とした。
【００６８】（９）金属層の外層の粒度は、１０μｍ〜
５００μｍの範囲にある構成とした。
【００６９】（１０）金属層の外層の厚みは、金属層全
体の厚みに対して、両面合わせ３０％以下である構成と
した。
【００７０】この（８）と（１０）の構成では、金属層
の外層厚みを１０μｍ以上としたが、これより薄いと、
クラディング加工が難しく、健全な加工ができず、ピン
ホール、微小クラックが発生する。つまり、１０μｍ以
上が限界である。外層の厚みが金属層全体の厚みに対し
て両面合わせ３０％以下であることとしたが、これは、
工業的材料のコストからくる条件で、３０％より多い場
合には、高価な耐食性金属材を多量に使うこととなり、
クラッド材自体が高くなってしまう。耐食性金属材と比
較し、コストメリットが出せる条件となる。
【００７１】（１１）金属層の外表面は、酸化層を除去
し、その酸化防止保護膜として、カーボン、導電性セラ
ミックス、金属粉末の中から選ばれる少なくとも１つ以
上の導電材と導電材を固定するための樹脂結着材とで構
成される表面処理層が形成されている構成とした。
【００７２】この構成によれば、金属層の外表面は、酸
化層を除去し、その酸化防止保護膜として、導電材表面
処理層を被覆することにしているが、金属外層の耐食性
金属の酸化層は、半導体か絶縁材で電気抵抗はきわめて
高く、それを除去して極限まで薄くする（トンネル効果
がでるｎｍオーダーが望ましい）ことがポイントであ
る。上記の表１，２では、金属外表面の酸化被膜を除去
し、導電材表面処理層を被覆した。
【００７３】（１２）表面処理層の導電材としてのカー
ボンは、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、カー
ボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、フラーレ
ン、炭素繊維の中から選ばれる少なくとも１つ以上のカ
ーボンであり、導電性セラミックスは、金属のケイ化
物、炭化物、窒化物、ホウ化物の中から選ばれる少なく
とも１つ以上の導電性セラミックスであり、金属粉末
は、銀、ニッケル、アルミニウム、チタン、タンタル、
タングステン、金、白金、ロジウム、パラジウムまたは
それら合金の中から選ばれる少なくとも１つ以上の粉体
を含有する金属粉体である構成とした。
【００７４】この構成において、導電材表面処理層は、
導電性を有し、耐食性金属の表面の酸化被膜を成長させ
ず、金属表面と表面処理層との界面抵抗を増加させない
性能が必要になる。従って、導電材としては導電性、耐
食性のある材料が必要であり、導電材としては、体積固
有抵抗値として、１０-1Ω・ｃｍ以下の耐食性のある材
料が適当である。この場合、カーボン材料は、体積固有
抵抗値が１０-1〜１０ -4Ω・ｃｍの天然黒鉛、人造黒
鉛、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボ
ンナノファイバ、フラーレン、炭素繊維の中から選ばれ
る少なくとも１つ以上のカーボンが使用でき、導電性セ
ラミックスでは、体積固有抵抗値が１０-1〜１０-4Ω・
ｃｍの金属のケイ化物、炭化物、窒化物、ホウ化物の中
から選ばれる少なくとも１つ以上の導電性セラミックス
であり、金属粉末では導電性がよく耐食性もよい、銀、
ニッケル、アルミニウム、チタン、タンタル、タングス
テン、金、白金、ロジウム、パラジウムまたはそれら合
金の中から選ばれる少なくとも１つ以上の粉体を含有す
る金属粉体が導電材として適している。また、Ｐｔ等の
貴金属をカーボン系塗料に分散させた塗料は、水素分子
を水素イオンに解離する効果も認められており、触媒作
用を持った耐食材料などの特殊用途への適応が図れる。
【００７５】（１３）表面処理層の結着剤は、フッ素系
樹脂、シリコン系樹脂、フェノール系樹脂、エポキシ系
樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリオレ
フィン系樹脂、フラン系樹脂、ゴム系樹脂の少なくとも
１つを含む構成とした。
【００７６】この構成において、樹脂結着材としては、
耐食性、耐候性、耐熱性、電気化学的安定性に優れてい
ること、また、圧延や２次加工時に剥離しないだけの密
着性を持つ樹脂が必要であり、これらの条件を満たす樹
脂はフッ素系樹脂、シリコン系樹脂、フェノール系樹
脂、エキシポ系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリアミド系
樹脂、ポリオレフィン系樹脂、フラン系樹脂、ゴム系樹
脂の少なくとも１つを含む樹脂である。
【００７７】例えば、フッ素系樹脂としては、フッ化ビ
ニリデン、四フッ化エチレン、フッ化ビニリデンと四フ
ッ化エチレンとの共重合体、フッ化ビニリデンと六フッ
化エチレンとの共重合体、エチレンと塩化四フッ化エチ
レンとの共重合体、四フッ化エチレンとパーフルオロメ
チルビニルエーテル共重合体、四フッ化エチレンとパー
フルオロプロピルビニルエーテル共重合体などが上げら
れる。
【００７８】シリコン系樹脂としては、シリコン樹脂、
シリコンエポキシ樹脂、シリコンフェノール系樹脂など
が上げられる。フェノール系樹脂としては、フェノール
系樹脂、フェノールエポキシ樹脂などが上げられる。エ
キシポ系樹脂としては、ポリアミドエキシポ系樹脂な
ど、ポリアミド系樹脂としては、ポリアミドエポキシ樹
脂など、フラン系樹脂としては、フルフリルアルコール
またはフルフラルケトン樹脂などが上げられる。
【００７９】ゴム系樹脂としては、天然ゴム、塩化ゴ
ム、環化ゴム、ブタジェン・アクリルニトリルゴム、ブ
タジェン・スチレンゴム、ブチルゴム、ネオプレンゴ
ム、チオコール（多硫化ゴム）、チオコール・エポキシ
などが上げられる。
【００８０】（１４）結着剤の組成は、ポリフッ化ビニ
リデン（ＰＶＤＦ）またはポリフッ化ビニリデンと六フ
ッ化プロピレン（ＨＦＰ）との共重合体（ＰＶＤＦ−Ｈ
ＦＰ共重合体）であり六フッ化プロピレンが０〜３０体
積％の範囲にあるようにした。
【００８１】このような範囲とした理由を、下記表５を
参照して説明する。
【００８２】
【表５】 この表５に示すように、密着性の向上には、ＰＶＤＦに
ＨＦＰを共重合させることが必要であるが、その含有量
を３０体積％以上にすると結晶性の低下が顕著になり、
耐熱性の低下を招くためである。
【００８３】（１５）表面処理層は、カーボン、導電性
セラミックス、金属粉末の中から選ばれる少なくとも１
つ以上の導電材と導電材を固定するための樹脂結着材と
で構成され、導電材と樹脂結着材との配合比率が体積比
で１０：９０〜９０：１０であり、カーボンに黒鉛とカ
ーボンブラックが含まれる場合には、黒鉛とカーボンブ
ラックの配合比率が体積比で２５：７５〜９０：１０で
ある構成とした。
【００８４】このような構成とした理由を、下記表６を
参照して説明する。
【００８５】
【表６】 この表６に示すように、導電材と結着剤の配合比率が体
積比で１０：９０〜９０：１０である理由は、導電材が
少ないと、導電性が低下し、クラッド材の面抵抗が高く
なる為で、その下限値が１０：９０である。また、導電
材が多いと、逆に結着剤は減少し、被膜自体の強度が低
下するとともに、母材との密着性が低下してしまう。そ
の上限値が、９０：１０である。
【００８６】また、前記のカーボン系導電材の黒鉛は潤
滑性に優れ、導電性も良好であるが、導電性に異方性が
ある。たとえば、黒鉛の縦方向の体積固有抵抗が１０-1
Ω・ｃｍに対し、横方向の体積固有抵抗は１０-4Ω・ｃ
ｍ以下程度であり、１０００倍の違いがある。また、黒
鉛粒子は塗膜中で配向を生じやすく、塗膜中での縦方向
（厚さ方向）の導電性を向上させるためには、黒鉛粒子
間の導電ネットワークを緻密にする必要がある。そこで
黒鉛にカーボンブラックを配合することにより、黒鉛間
の隙間がカーボンブラックで埋まリ電気的接触点が増加
することで導電性をさらに向上させることができる。ま
た、カーボンブラックの配合で、塗膜強度、密着性が向
上する傾向にあり、緻密性、導電性と耐食性を考慮する
と、黒鉛とカーボンブラックの配合比率が体積比で２
５：７５〜９０：１０で良好な条件である。
【００８７】つまり、黒鉛が２５：７５より少なくて
も、また、黒鉛が９０：１０より多くても抵抗値が高
く、また黒鉛層の塗膜強度や潤滑性を考慮すると黒鉛と
カーボンブラックの配合量は体積比で２５：７５〜９
０：１０が良好である。
【００８８】（１６）表面処理層は、膜厚が３〜１００
μｍの範囲にある構成とした。
【００８９】この表面処理層を３〜１００μｍ厚とした
のは、３μｍより薄いと、保護被膜を通して、反応が進
み、酸化防止の被覆効果が薄れ、導電性を悪くする為で
あり、上限を１００μｍとしたのは、酸化防止の為に
は、それ以上の厚さを必要としないとともに、逆に、ク
ラック等の不均一性が生じ、特性を逆に劣化させる為で
ある。
【００９０】（１７）表面処理層は、金属材を圧延、プ
レス、鍛造および絞りの何れかを行う２次加工により繊
密化されている構成とした。
【００９１】この他の実施の形態として、導電性黒鉛被
覆チタンクラッド材は、コイル状のものなどでも良く形
状を問うものではない。また、ここでのクラッド材の構
成は、上下両面に、チタンまたはチタン合金、およびそ
の外側に導電性黒鉛を両面被覆したものとしたが、使用
環境によっては、片面のみチタンと導電性黒鉛の被覆層
でも良く、他の面は、導電性黒鉛が無い物、場合によっ
ては、コア層がむき出しのものでも良い。
【００９２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の導電材被
覆耐食性金属材料は、電気導電材、電気接点、電磁波遮
蔽体、電気化学電極、帯電防止材等において導電性と耐
食性を要するコンポーネント用の材料として使用するこ
とができる。特に、耐食性環境の厳しい条件下で、導電
性を要求されるコンポーネント材に最適である。
【００９３】また、本導電材被覆耐食金属材料は、特に
厳しい腐食環境下、管理系以外に析出イオンが出てはい
けないようなクリーン環境下で、使用することが可能で
あり、燃料電池用のセパレータ材への適用も最適な応用
分野である。具体的には、固体電解質型燃料電池、リン
酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体高分子型型
燃料電池、メタノール燃料電池等のセパレータ等への適
用が可能である。
【００９４】また、本導電材被覆耐食性金属材料は、複
合構成材で、構成材の特性を併せ持ち、さらに、表面潤
滑性や、加工時の離型性も良いことから、２次加工用の
素材としても使用でき、各種装置の基材としての応用が
期待できる。
【００９５】また、導電材表面処理層として黒鉛系の被
膜を用いた場合、導電材２次加工性の極めて良好な素材
が提供できるようになり、２次加工の作業効率が大幅に
改善できることになる。通常、２次加工では、油性の潤
滑剤を使用するが、本導電材被覆耐食性金属材料を使え
ば、黒鉛被膜自体に潤滑性が有ることから、追加の潤滑
剤は必要無く、潤滑剤の塗布および除去作業が必要なく
なる。その分、作業性が改善されるとともに、作業環境
もクリーンになる。また、品質面でも、２次加工した材
料に導電性黒鉛を塗布するケースと比較すると、コイル
材で、被覆してある素材の場合、被覆層の密着性は、均
一で、良好な特性が得られる。まして、ここで使う導電
性黒鉛の場合、２次加工することで緻密化し、その耐食
性が改善されることから、２次加工の後に導電性黒鉛を
塗付するよりも、本質的に、品質が改善する。同時に、
コスト的に見ても２次加工の作業性を改善することか
ら、素材としては多少高くはなるが、トータル的に安価
な製品ができることになる。
【００９６】クラッド材としては、外面が、導電性黒鉛
被覆の耐食性金属とした構成としており、コア材は導電
性金属としているが、コア材の選択により種々の特性を
持ち、導電性と耐食性を併せ持った２次成形素材を提供
できることになる。コア材として、アルミニウムまたは
マゲネシュウム系の材料を用いれば、軽量な素材ができ
るし、銅系の材料を使えば、導電性、熱伝導性が特に良
い素材となる。また、鉄系の材料を用いれば高強度の素
材ができることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る導電材被覆耐
食性金属材料の一例である導電性黒鉛を被覆した導電性
黒鉛被覆チタンクラッド材の断面構成図である。
【図２】本発明の第３の実施の形態に係る導電材被覆耐
食性金属材料の一例である中間層露出材を端面処理した
導電性黒鉛被覆チタンクラッド材の外観図である。
【符号の説明】
１ コア金属１ ２ チタンクラッド層 ３ 導電性黒鉛被膜層 ４ 導電性黒鉛＋Ｔｉクラッド層 ５ 穴
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 外木 達也 東京都千代田区大手町一丁目６番１号 日 立電線株式会社内 (72)発明者 中川 和彦 東京都千代田区大手町一丁目６番１号 日 立電線株式会社内 (72)発明者 白髭 稔 千葉県香取郡多古町水戸１番地 日立粉末 冶金株式会社内 (72)発明者 岡原 正宏 千葉県香取郡多古町水戸１番地 日立粉末 冶金株式会社内 Ｆターム(参考） 4F100 AA37C AB01A AB01B AB01C AB02A AB02D AB09A AB09D AB10A AB10D AB12A AB12B AB13A AB16A AB17A AB17D AB19A AB19B AB31A AB31D AD00C AD11C AK01C AK03C AK17C AK19C AK19J AK33C AK46C AK49C AK52C AK53C BA03 BA04 BA07 BA10A BA10C DE01C DG01C EJ17 EJ19 GB41 JG01C YY00A YY00C 4K044 AA02 AA06 BA02 BA06 BA08 BA10 BA11 BA18 BA19 BA21 BB03 BB08 BB09 BB11 5H026 AA04 AA05 AA06 AA08 BB02 BB04 CX02 EE02 EE05 EE06 EE08 EE11 EE18 EE19 HH01 HH03 HH05

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 金属層と、この金属層の表面を覆う導電
    性を有する表面処理層からなる導電材被覆耐食性金属材
    料であって、 前記金属層は、鉄、アルミニウム、銅、チタン、マグネ
    シウム、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステ
    ン、ニッケル、クロムの中から選ばれる金属または何れ
    か１乃至全てを組み合わせた合金から成り、かつ、その
    金属の外表面はチタン、ジルコニウム、タンタル、ニオ
    ブの中から選ばれる金属または何れか１乃至全てを組み
    合わせた合金で形成され、前記表面処理層はカーボン、
    導電性セラミックス、金属粉末の中から選ばれる少なく
    とも１つ以上の導電材と前記導電材を固定するための樹
    脂結着材とで形成されることを特徴とする導電材被覆耐
    食性金属材料。
  2. 【請求項２】 前記金属層は、外層／中間層／外層の３
    層構造で形成されており、前記中間層は鉄、銅、アルミ
    ニウム、マグネシウムの中から選ばれる金属または何れ
    か１乃至全てを組み合わせた合金で形成されていること
    を特徴とする請求項１に記載の導電材被覆耐食性金属材
    料。
  3. 【請求項３】 前記外層／中間層／外層の各層の間に
    は、隣り合う金属で構成される金属間化合物が形成され
    ていることを特徴とする請求項２に記載の導電材被覆耐
    食性金属材料。
  4. 【請求項４】 前記外層／中間層／外層の３層構造のう
    ち、前記外層の金属の硬度は、前記中間層の金属の硬度
    に対する比が１／３〜３の範囲にあることを特徴とする
    請求項２に記載の導電材被覆耐食性金属材料。
  5. 【請求項５】 前記中間層の露出する部分は、金属、高
    分子およびセラミックスの何れかで被覆されていること
    を特徴とする請求項２に記載の導電材被覆耐食性金属材
    料。
  6. 【請求項６】 前記中間層は、アルミニウムまたはアル
    ミニウム合金から成る金属層であり、前記アルミニウム
    またはアルミニウム合金の露出している部位が、アルマ
    イトまたはベーマイト皮膜で被覆されていることを特徴
    とする請求項２に記載の導電材被覆耐食性金属材料。
  7. 【請求項７】 前記金属の外表面は、チタンまたはチタ
    ン合金であり、チタン中の不純物濃度として水素が０．
    ０５ｐｐｍ以下、酸素が０．２ｐｐｍ以下、鉄が０．２
    ５ｐｐｍ以下、窒素が０．０５ｐｐｍ以下であることを
    特徴とする請求項１に記載の導電材被覆耐食性金属材
    料。
  8. 【請求項８】 前記金属層の外層の厚みは、１０μｍ以
    上であることを特徴とする請求項２に記載の導電材被覆
    耐食性金属材料。
  9. 【請求項９】 前記金属層の外層の粒度は、１０μｍ〜
    ５００μｍの範囲にあることを特徴とする請求項２に記
    載の導電材被覆耐食性金属材料。
  10. 【請求項１０】 前記金属層の外層の厚みは、金属層全
    体の厚みに対して、両面合わせ３０％以下であることを
    特徴とする請求項２に記載の導電材被覆耐食性金属材
    料。
  11. 【請求項１１】 前記金属層の外表面は、酸化層を除去
    し、その酸化防止保護膜として、カーボン、導電性セラ
    ミックス、金属粉末の中から選ばれる少なくとも１つ以
    上の導電材と前記導電材を固定するための樹脂結着材と
    で構成される表面処理層が形成されていることを特徴と
    する請求項１に記載の導電材被覆耐食性金属材料。
  12. 【請求項１２】 前記表面処理層の導電材としてのカー
    ボンは、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、カー
    ボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、フラーレ
    ン、炭素繊維の中から選ばれる少なくとも１つ以上のカ
    ーボンであり、前記導電性セラミックスは、金属のケイ
    化物、炭化物、窒化物、ホウ化物の中から選ばれる少な
    くとも１つ以上の導電性セラミックスであり、前記金属
    粉末は、銀、ニッケル、アルミニウム、チタン、タンタ
    ル、タングステン、金、白金、ロジウム、パラジウムま
    たはそれら合金の中から選ばれる少なくとも１つ以上の
    粉体を含有する金属粉体であることを特徴とする請求項
    １１に記載の導電材被覆耐食性金属材料。
  13. 【請求項１３】 前記表面処理層の結着剤は、フッ素系
    樹脂、シリコン系樹脂、フェノール系樹脂、エポキシ系
    樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリオレ
    フィン系樹脂、フラン系樹脂、ゴム系樹脂の少なくとも
    １つを含むことを特徴とする請求項１１に記載の導電材
    被覆耐食性金属材料。
  14. 【請求項１４】 前記結着剤の組成は、ポリフッ化ビニ
    リデン（ＰＶＤＦ）またはポリフッ化ビニリデンと六フ
    ッ化プロピレン（ＨＦＰ）との共重合体（ＰＶＤＦ−Ｈ
    ＦＰ共重合体）であり前記六フッ化プロピレンが０〜３
    ０体積％の範囲にあることを特徴とする請求項１１に記
    載の導電材被覆耐食性金属材料。
  15. 【請求項１５】 前記表面処理層は、カーボン、導電性
    セラミックス、金属粉末の中から選ばれる少なくとも１
    つ以上の導電材と前記導電材を固定するための樹脂結着
    材とで構成され、前記導電材と前記樹脂結着材との配合
    比率が体積比で１０：９０〜９０：１０であり、前記カ
    ーボンに黒鉛とカーボンブラックが含まれる場合には、
    黒鉛とカーボンブラックの配合比率が体積比で２５：７
    ５〜９０：１０であることを特徴とする請求項１１に記
    載の導電材被覆耐食性金属材料。
  16. 【請求項１６】 前記表面処理層は、膜厚が３〜１００
    μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１１に記載の
    導電材被覆耐食性金属材料。
  17. 【請求項１７】 前記表面処理層は、金属材を圧延、プ
    レス、鍛造および絞りの何れかを行う２次加工により繊
    密化されていることを特徴とする請求項１１に記載の導
    電材被覆耐食性金属材料。
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