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鉄鋼材料において水素による異常な変態抑制効果を発見 ~鉄の構造を水素で制御する~

 九州大学と九州工業大学は2018年11月1日,九州工業大学大学院生命体工学研究科の飯久保 智准教授ら,および九州大学大学院工学研究院の小山 元道助教,津﨑 兼彰教授らが,九州大学大学院理学研究院の光田 暁弘准教授らと共同で,立方晶fcc構造を有する鉄鋼において,水素含有量が増加するほど六方晶hcp相の生成が抑制されることを世界で初めて発見した,と発表した.本研究は,国立研究開発法人 科学技術振興機構(JST)産学共創基礎基盤研究プログラム「革新的構造用金属材料創製を目指したヘテロ構造制御に基づく新指導原理の構築」,独立行政法人 日本学術振興会(JSPS)科学研究費補助金の支援により遂行され,成果は,英国学術誌Scientific Reportsのオンライン版に掲載された(注).

 水素は次世代のクリーンなエネルギー源として期待され,高圧水素の貯蔵や輸送容器には高強度で安価な鉄鋼でタンクが作られる.鉄は構造材料として広く用いられ,結晶構造は立方晶の面心立方(fcc)から六方晶の六方稠密(hcp)に低温で転移する.その結晶状態の安定性は,鉄に加えられた格子間原子によって制御され,格子間原子となる水素は鉄の延性や靭性を低下させて水素脆性を引き起こす.すなわち,水素はfccからhcpへの変態を促進することが定説になっていた.これに対し,本研究は,鉄鋼に溶け込んだ水素がfcc-hcp変態を抑制するという,定説に反する結果を見出した.

 鉄鋼材料として鉄(Fe)に15%のマンガン(Mn),10%のクロム(Cr),8%のNiを含むfcc単相合金Fe-15Mn-10Cr-8Niを陰極に用い,チオシアン酸アンモニウムが3g/l添加された3%塩化ナトリウム水溶液中で電気分解を行って,合金に水素を溶け込ませた.合金中に溶け込む水素の量は水溶液の温度と電気分解の時間で調整した.水溶液を80℃にすると室温に比べ,約5倍の水素が溶け込んでいた.

 水素が溶け込んだ合金を冷却すると,fcc-hcp相変態が起こり,室温で水素を溶け込ませた合金は低温ほどhcpの割合(相分率)が増し-150℃で35%を超えた.水素を添加しない合金も同様の振る舞いを示す.これに対し,80℃で水素を溶け込ませた合金は,-30℃付近までhcpの割合がほぼゼロで,-150℃において3%程度に過ぎなかった.また鉄鋼材料中に溶け込んだ水素は,時間経過に伴い外部に抜け出る.80℃で水素を溶け込ませた合金を45℃で一週間放置し,X線回折測定を行ったところhcpの相分率が増加していた.これらの実験結果より,試料中の水素量が増えるとともにfcc-hcp変態が抑制されていると結論づけた.その原因は,水素により結晶構造の変態の際に生じる局所的な乱れを引き起こすのに必要な力(摩擦応力)が増大し,fccからhcpへの転移温度を低下させることにあると,引っ張り試験結果が示唆しているという.

 本研究結果は,水素の含有によりfcc鉄の水素脆化に影響を与えるfcc-hcp変態を抑制できることを意味する.水素脆性メカニズム解明に新しい知見を与え,水素関連施設に使用される鋼材の高品質化・高強度 化に向けた研究開発に貢献することを期待している.

(注)Motomichi Koyama, Kenji Hirata, Yuji Abe, Akihiro Mitsuda, Satoshi Iikubo & Kaneaki Tsuzaki, "An unconventional hydrogen effect that suppresses thermal formation of the hcp phase in fcc steels", Scientific Reports Vol. 8, Article number: 16136 (2018), doi: 10.1038/s41598-018-34542-0; Published 31 October 2018