JP4189447B2 - Mg−Ti系水素吸蔵合金及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、Mg−Ti系水素吸蔵合金及びそれらの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
水素吸蔵合金は、水素と直接反応して速やかに大量の水素を吸蔵する一方、吸蔵した水素を放出する特性を有し、水素の吸蔵・放出が可逆的に行えるという特徴を有する。また、従来、水素ガスの貯蔵に用いられてきたボンベに比べ、水素吸蔵合金は貯蔵性、輸送性、安全性等に優れることからエネルギー技術分野を中心としてその利用・改良技術に関する開発が盛んに行われている。
【0003】
特に近年、自動車等の輸送機械への利用の観点から、水素ガス吸蔵媒体は高圧水素ガスボンベの水素貯蔵量の4〜5wt%以上の水素吸蔵能力を実現するための研究も行われている。
【0004】
優れた水素吸蔵合金の一つに、Mg−Ti系合金が挙げられる。Mg−Ti系水素吸蔵合金に関しては、多様な研究がなされている。例えば、特開昭57−91736号公報には、Mg−Ti系合金をロール急冷法で非晶質化する技術が開示されている。また、特開2000−219927号公報には、反応焼結法を利用したMg−Ni−Ti系水素吸蔵合金も開示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のMg−Ti系合金の製法は、溶融や焼結といった加熱プロセスを必要とするものであった。特に溶融プロセスを必要とする場合、Mgの融点は648.8℃と比較的低温であるのに対し、Tiの融点は1660℃と非常に高温であり、しかもMgの沸点が1090℃とTiの融点より低いことから、両者を溶融状態で合金化するためには超高圧環境を実現しなければならないといった問題があった。
【0006】
焼結プロセスを用いる場合には、工程数が増加して製造コストが上昇する反面、Ti相へのMgの分散が不均一化するおそれがあった。更に、いずれの製法においても、加熱プロセスを要するため、消費エネルギーの面からも不利な製法であった。また、これら従来からある合金製造方法では、MgとTiからなる実用的な合金の生成には到らなかった。
【0007】
そこで、本発明の解決課題は、Mg−Ti系水素吸蔵合金において、MgとTiの組成割合、合金の相構造などを規定することで実用的な体心立方構造を有するMg−Ti系水素吸蔵合金を提供することである。
【0008】
また、Mg−Ti系水素吸蔵合金の製造方法に関し、困難であったMgとTiの合金化の問題を解消し、低コストでMg−Ti系水素吸蔵合金の製造方法を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、Mg−Ti系水素吸蔵合金を得るためにメカニカルアロイング法を用いることで、従来のMg−Ti系状態図には存在しない新規な体心立方構造を有する相が生成することを見いだした。このMg−Ti系水素吸蔵合金は、Mgの理論水素吸蔵量が7.6wt%であること、及びTiの理論水素吸蔵量が4.2wt%であることから5.0wt%以上の水素吸蔵能力を有すると推測される。そこで、この新規なMg−Ti系金属間化合物の組成を解明した。
【0010】
すなわち、本発明に係るMg−Ti系水素吸蔵合金は、一般式 Mg1−xTixにおいて、0.34≦x≦0.62あって、MgとTiが体心立方構造を構成するMg−Ti系金属間化合物を、質量百分率で47%〜79%含有することを特徴とするMg−Ti系水素吸蔵合金である。
【0011】
ここで、Mg−Ti系金属間化合物とは、Mg原子とTi原子とが結合した化合物であって、固有の結晶構造を有するものをいう。これらMgとTiの成分原子比は、必ずしも化学量論比とはならない。また、本発明に係るMg−Ti系水素吸蔵合金の体心立方構造は、結晶格子の四隅にMgかTiのいずれかが配位し、それら4つの原子の中心に他の元素の原子が配位したCsCl(塩化セシウム)型構造か、結晶格子の四隅と中心にそれらの元素がランダムに配位したW(タングステン)型構造のいずれかである。いずれの結晶構造を採る場合であっても、金属結晶の格子間位置にH(水素)原子が侵入固溶することにより、合金が水素吸蔵能力を発現する。
【0012】
本発明に係るMg−Ti系水素吸蔵合金の好適な製造方法として、メカニカルアロイング法が採用される。
【0013】
すなわち、MgとTiをメカニカルアロイング法で合金化することにより、一般式 Mg1−xTixにおいて、0.34≦x≦0.62であって、MgとTiが体心立方構造を構成するMg−Ti系金属間化合物を、質量百分率で47%〜79%含有するMg−Ti系水素吸蔵合金を低コストで得ることができる。
【0014】
メカニカルアロイング法とは、例えば、ステンレス製円筒型ポットに原料金属粉末と所定の大きさのステンレス製ボールを適量投入し、強制的に攪拌することにより固相状態のまま合金化する方法である。攪拌により原料が、ボールとボールの間あるいはボールとポット壁面との間に挟まれて、粉砕され、圧縮され、練り合わされることにより合金化が進む。この合金化のプロセス中にMg原子とTi原子が結合し、体心立方構造を有するMg−Ti系金属間化合物が生成するものと考えられる。
【0015】
この場合、Mg−Ti系金属間化合物の組成は、必ずしも化学量論比とならないため、ポット内にはMg−Ti系金属間化合物以外にも、原料金属粉やMg−Ti固溶体が混在する。従って、目的とする体心立方構造を有するMg−Ti系金属間化合物を多く含有する合金を得るためには、MgとTiの原料仕込み組成比を適当に調整する必要がある。
【0016】
そこで、本発明者は、Mg−Ti系金属間化合物を高収率で得るための原料仕込み組成比を解明するために、その組成比を変えて種々実験を行い、MgとTiの原料仕込み組成比がある一定の範囲において極めて高収率で得られることを見いだした。
【0017】
すなわち、上記メカニカルアロイング法によるMg−Ti系水素吸蔵合金製造方法において、MgとTiの原料仕込み組成比(原子比)Mg/Tiが、0.3≦Mg/Ti≦1.7であるとき、体心立方構造を有するMg−Ti系金属間化合物の生成量が47wt%以上79wt%以下と極めて高収率で得られる。
【0018】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によればMg−Ti系水素吸蔵合金において、メカニカルアロイング法によりMgとTiを合金化することで、5wt%以上の水素吸蔵能力を有する実用的なMg−Ti系水素吸蔵合金を得ることができる。
【0019】
また、本発明によればMg−Ti系水素吸蔵合金の製造方法に関し、メカニカルアロイング法を採用し、原料仕込み組成比を最適化することで、困難であったMgとTiの合金化の問題を解消することができる。更に、水素吸蔵能力の向上に寄与する体心立方構造を有するMg−Ti系金属間化合物の含有率が極めて大きいMg−Ti系水素吸蔵合金を低コストで製造することができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【0021】
<試料の調製>
本発明に係るMg−Ti系水素吸蔵合金を高収率で得るために、MgとTiの原料仕込み組成Mg/Tiの最適化を図るため、原料仕込み組成を変えた試料を8種類調製した。ここで、Mg/Tiは、原料中のTi原子に対するMg原子の原子比を表わす。各試料金属として純Mg金属粉末と純Ti金属粉末を用い、合計2gとなるように秤量した。
各試料の原料仕込み組成を表1に示す。
【0022】
【表1】
【0023】
<メカニカルアロイング法>
メカニカルアロイング法には、遊星型ボールミル(FRITSCH社製 P5)を用いて、以下の条件で行った。
【0024】
本実施形態に用いられるポットは、素材がSUS306製であって、大きさが直径74mm、高さ30mmのものである。表1に示す各試料とSUS306製で直径10mmのボールを10個(40g)をポットに投入する。このポットを真空引きした後、アルゴンガスを充填する。ボールミルを回転数200rpm、遠心加速度5Gとして200時間駆動させ合金化処理を行った。
【0025】
<合金の回収率と粒径>
表1に示す原料仕込み組成比(以下、「Mg/Ti」と表わす。)で調製された各試料を上記メカニカルアロイング法により処理した際、生成した合金の回収率及び粒径を表2に示す。なお、合金の粒径は、SEM(走査電子顕微鏡)写真より観測した値である。
【0026】
【表2】
【0027】
表2に示すように、上記メカニカルアロイング法により得られるMg−Ti系合金の回収率は、Mg/Tiが1.7を越えると大幅に減少する。これは、Mgの比率が相対的に大きいと金属間反応が起こる前に、延性の大きいMgの大部分がポットの内壁面に付着してしまい、しかも内壁面に付着したMgにTiが固溶したり付着することにより、結果的に回収率が低下するものと考えられる。従って、Mg−Ti系合金の回収率の観点から、Mg/Tiは少なくとも1.7より小さいことが必要であることが分かる。
【0028】
上記メカニカルアロイング法により得られる各合金の粒径は、小さいほど相対的な表面積が大きくなり、水素吸蔵合金に適するといえる。また、合金の粒径は、合金粒子間の凝集に大きく依存する。
【0029】
表2に示すように、Mg−Ti系合金の粒径は、Mg/Tiが1.7以上であるとき30μm以上であるのに対し、Mg/Tiが1.5以下であるとき20μm以下である。これは、Mgの比率が相対的に大きい場合、Mgの延性により粒子が凝集し、粒径が大きくなるためである。
【0030】
<合金のX線回折等による相同定>
上記メカニカルアロイング法により得られる各Mg−Ti系合金のX線回折測定の結果を図1に示す。また、X線回折測定から得られた結果よりX線リートベルト法(RIETAN2000)を用いて、生成した各合金の相を定量的に解析した結果を表3に示す。
【0031】
【表3】
【0032】
図1に示すように、Mg/Tiが2より大きい場合、Mg単一相、Ti単一相、MgO相に起因するピークがそれぞれ観察される。しかし、体心立方構造を有するMg−Ti系金属間化合物(以下、「BCC相」という。)は観察されない。一方、Mg/Tiが1.7以下の場合、BCC相のピークが観察され始める。更にTiの比率が大きくなるに従って、BCC相に加えてMgが固溶したTi相が観察される。
【0033】
このように、Mg/Tiが1.7以下の場合に、BCC相が形成され始める正確な理由は不明であるが以下のように推測される。すなわち、Mg/Tiの比率が高いとMgの延性により、メカニカルアロイング中にTi粒子がMgにカバーされてしまう。MgにカバーされたTi粒子は互いに凝集してしまい、TiとMgの粉末が完全に混じり合うことができない。従って、粒子間の衝突が起こりにくくなり、金属間反応が起こらずBCC相がほとんど生成されない。一方、Mg/Tiが1.7以下になると、MgがTi粒子の表面をカバーできないため粒子の流動性が保たれる。そのため、メカニカルアロイング中にMg粒子とTi粒子の衝突が繰り返し起こり、その間に金属間反応が起こってBCC相が生成するものと推測される。
【0034】
表3に示すように、Mg/Tiが2以上の場合、BCC相は全く生成されない。Mg/Ti=3の場合、BCC相は全く生成されず、Mgが固溶したTi相が30%、MgO相が27%、Mg単一相が40%、Fe2%という組成物の割合である。
【0035】
Mg/Ti=2の場合、BCC相は全く生成されず、MgO相が56%、Mgが固溶したTi相が20%、Mg単一相が22%、Feが2%という組成物の割合である。
【0036】
ここで、MgOが生成するのは、ポットの真空引きの際に残留した空気中のO2(酸素)がMgと反応したものと考えられる。Mgの仕込み組成が大きい場合、MgはTiと反応して金属間化合物を生成する前に、すべて酸素と反応してしまうことが分かる。これは、Mgが非常に酸化されやすい性質を有することに由来する。
【0037】
Mg/Ti=1.7の場合、MgO相及びMgが固溶したTi相は全く生成されず、BCC相は79%、Mg単一相が20%、Feが1%という組成物の割合である。このように、BCC相が79%という高収率で生成される。
【0038】
Mg/Ti=1.5の場合、BCC相が75%、Mgが固溶したTi相が25%、Mg/Ti=1の場合、BCC相が63%、Mgが固溶したTi相が37%、Mg/Ti=0.5の場合、BCC相が61%、Mgが固溶したTi相が39%というようにBCC相の生成割合が漸減してゆく。そして、Mg/Ti=0.33の場合、BCC相が47%、Mgが固溶したTi相が53%とその生成割合が逆転し、Mg/Ti=0.25の場合、BCC相は1%とほとんど生成されない。
【0039】
従って、メカニカルアロイング法によりMg−Ti系合金を生成するとき、MgとTiの原料仕込み組成は、0.3≦Mg/Ti≦1.7のとき、BCC相を有するMg−Ti系金属間化合物を高収率で生成することができることが分かる。特に、0.3≦Mg/Ti≦1.5の範囲において、Mg単一相を全く含まないBCC相とMgが固溶したTi相の2相のみからなる合金を高収率で生成することができる。
【0040】
なお、図1及び表3に表われるFe成分は、ボールミルに由来する不純物である。
【0041】
ここで、上記Mgが固溶したTi相について、その組成を明らかにしておく。
【0042】
純Tiのa軸及びc軸の格子定数は、それぞれ0.29506(nm)と0.46835(nm)であり、本実施形態におけるメカニカルアロイング法により生成したTi相の格子定数は、表3よりいずれもこの値より大きいことが分かった。これは、a軸及びc軸の格子定数が、それぞれ0.32094(nm)と0.52107(nm)であって、純Tiの格子定数より大きいMgがTi固溶しているからである。そこで、Ti中にランダムにMgが固溶しており、固溶後の格子定数はそれぞれの原子比に比例すると仮定して計算すると、Ti中にMgが約10at%(原子百分率)固溶していることが判明した。この値はMg/Tiに関わらずほぼ一定である。
【0043】
次に、BCC相とMgが固溶したTi相の構成割合から0.33≦Mg/Ti≦1.5におけるBCC相を構成するMg−Ti系金属間化合物の組成を算出した結果を表4に示す。
【0044】
【表4】
【0045】
表3及び表4より、BCC相が高収率で生成される場合、各Mg/Tiで生成するMg−Ti系合金は、一般式 Mg1−xTixにおいて、0.34≦x≦0.62であることが分かる。
【0046】
<メカニカルアロイング時間の影響>
本実施形態において、BCC相の生成に対するメカニカルアロイング処理を施す時間(メカニカルアロイング時間という。)の影響を検討する。
【0047】
メカニカルアロイング法には、遊星型ボールミル(FRITSCH社製 P5)を用いて、以下の条件で行った。
【0048】
直径74mm、高さ30mmのSUS306製ポットに、前記Mg/Ti=1の試料2gを仕込み、直径10mmのSUS306製ボールを10個(40g)を投入する。このポットを真空引きした後、アルゴンガスを充填する。ボールミルの回転数を200rpm、遠心加速度5Gとして、1時間、70時間、150時間及び200時間とメカニカルアロイング時間を変えて合金化処理を行った。
【0049】
このようにメカニカルアロイング時間を変化させて得られた生成物のX線回折分析図を図2に示す。
【0050】
図2に示すように、メカニカルアロイング時間が70時間以下では、BCC相は全く生成していないことが分かる。一方、メカニカルアロイング時間が150時間を超えるとMg単一相とTi単一相のピークはほとんどなくなり、BCC相のピークが発現し始める。更に、メカニカルアロイング時間が200時間を超えると、BCC相のピークが鮮明に表われているのが分かる。
【0051】
従って、本実施形態では、少なくともメカニカルアロイング時間は150時間以上必要なことが分かる。ただし、このメカニカルアロイング時間は、本発明に係るMg−Ti系水素吸蔵合金製造方法を限定するものではない。すなわち、ボールミルの回転速度、ボールの大きさや個数、ポットの大きさなどによって、最適なメカニカルアロイング時間が決定される。
【0052】
<処理雰囲気の影響>
次に、本実施形態において、メカニカルアロイング法の処理雰囲気の影響について検討する。
【0053】
メカニカルアロイング法には、遊星型ボールミル(FRITSCH社製 P5)を用いて、以下の条件で行った。
【0054】
直径74mm、高さ30mmのSUS306製ポットに、前記Mg/Ti=1の試料2gを仕込み、直径10mmのSUS306製ボールを10個(40g)を投入する。このポットを真空引きした後、アルゴンガス(Ar)を充填する。
【0055】
ボールミルの回転数を200rpm、遠心加速度5Gとして200時間の合金化処理を行った。次に同様の条件で、アルゴンガスを空気(Air)に置き換えて合金化処理を行った。
【0056】
このようにメカニカルアロイング法の処理雰囲気を変化させて得られた生成物のX線回折分析図を図3に示す。
【0057】
図3から分かるように、アルゴンガス雰囲気下では、BCC相とMgが固溶したTi相の混合相が得られるが、空気雰囲気下では、BCC相もMgが固溶したTi相も生成されず、MgOが生成するのみであることが分かる。これは、Mgが非常に酸化されやすい性質を有することに由来する。
【0058】
従って、本発明に係るMg−Ti系水素吸蔵合金を製造する際にその処理雰囲気は、アルゴンガスその他不活性ガス雰囲気で処理しなければならないことが分かる。
【0059】
<本発明に係るMg−Ti系水素吸蔵合金の効果>
本発明に係るMg−Ti系水素吸蔵合金は、一般式 Mg1−xTixにおいて、0.34≦x≦0.62であって、MgとTiが体心立方構造を構成するMg−Ti系金属間化合物を、質量百分率で47%〜79%含有するものである。
【0060】
一般に体心立方構造を有し実用的な水素吸放出特性を有する3元素系合金にV(バナジウム)系合金がある。例えば、Ti60−xCrxV40合金は、x=30、又はx=35の場合、格子定数はそれぞれ0.3051(nm)と、0.3024(nm)となり、水素放出圧は、40℃でそれぞれ0.1(Mpa)と、0.5(Mpa)である。このように、体心立方構造を有する合金は、格子定数の僅かな変化により水素放出圧が大きく変化する。本発明に係る体心立方構造を有するMg−Ti系金属間化合物の格子定数は、表3より約0.34(nm)であって、上記V系水素吸蔵合金の格子定数よりかなり大きい。格子定数が大きい場合、吸蔵された水素は、合金中で水素化物として安定に存在し、低温では放出されない場合が多い。従って、本発明に係るMg−Ti系合金においても、本合金単体では低温での水素放出特性は小さい。
【0061】
しかし、Mg及びTiの原子半径がそれぞれ0.1602(nm)と、0.1462(nm)であることを考慮すると、これらの原子半径より小さいB(ホウ素)などの元素を適当な方法でドープすることにより、容易に格子定数を低下させることができる。ここで、原子半径の小さい元素をドープする方法としては、メカニカルアロイング法、スパッタリング法など適宜選択することができる。
【0062】
このように本発明に係るMg−Ti系水素吸蔵合金の格子定数を低下させることにより、実用的な水素吸蔵合金を低コストで得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 メカニカルアロイング法により得られる各Mg−Ti系合金のX線回折図である。
【図2】 メカニカルアロイング時間を変化させて得られる各Mg−Ti系合金のX線回折図である。
【図3】 メカニカルアロイングの処理雰囲気を変化させて得られる各Mg−Ti系合金のX線回折図である。
Claims (3)
- 一般式 Mg1−xTixにおいて、0.34≦x≦0.62であって、MgとTiが体心立方構造を構成するMg−Ti系金属間化合物を、質量百分率で47%〜79%含有することを特徴とするMg−Ti系水素吸蔵合金。
- MgとTiをメカニカルアロイング法で合金化することにより、一般式 Mg1−xTixにおいて、0.34≦x≦0.62であって、MgとTiが体心立方構造を構成するMg−Ti系金属間化合物を、質量百分率で47%〜79%含有するMg−Ti系水素吸蔵合金を得ることを特徴とするMg−Ti系水素吸蔵合金製造方法。
- 請求項2に記載のMg−Ti系水素吸蔵合金製造方法において、MgとTiの原料仕込み組成比(原子比)Mg/Tiが0.3≦Mg/Ti≦1.7であることを特徴とするMg−Ti系水素吸蔵合金製造方法。
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