JP2014109059A

JP2014109059A - 耐水素脆性金属素材および耐水素脆性金属素材の表面処理方法

Info

Publication number: JP2014109059A
Application number: JP2012264019A
Authority: JP
Inventors: Kunihiko Koike; 国彦小池; Goichi Inoue; 吾一井上; Masahiro Furuya; 政博古谷; Atsushi Shigemori; 敦繁森; Hironobu Murakami; 敬宜村上; Saburo Matsuoka; 三郎松岡; Junichiro Yamabe; 純一郎山辺
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Iwatani International Corp
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Iwatani Corp
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2012-12-03
Publication date: 2014-06-12

Abstract

【課題】水素侵入を抑制して水素脆化を防止する耐水素脆性金属素材およびその耐水素脆性金属素材の表面処理方法を提供する。
【解決手段】高圧水素ガス環境下で使用される耐水素脆性金属素材およびその耐水素脆性金属素材の表面処理方法であって、電解研磨を施したオーステナイト系ステンレス鋼からなる被処理素材の表面に、高濃度オゾンガスを大気温環境下で作用させて膜厚４〜４０nmの酸化膜を形成した。
【選択図】図３

Description

本発明は、水素ガス環境下で使用可能な鋼材に関し、より詳しくは、高圧水素ガス環境下に曝されても水素脆化を起こさない耐水素脆性金属素材および金属素材の表面処理方法に関する。

近年、クリーン自動車の一態様として燃料電池自動車が注目されている。燃料電池自動車は、水素と酸素とを燃料とするものであることから、水素ガスを大量に貯留する容器が求められる。

ところが、燃料電池自動車の動力源として使用する水素ガスを大量貯蔵するためには、２５ＭPa以上の高圧で貯蔵されることになるが、水素ガス環境、とりわけ高圧水素ガス環境では、容器を構成している鋼材に水素が侵入して、水素脆化を招来することになる。

そこで従来、オーステナイト系ステンレス素材を水素ガス雰囲気下で一定の水蒸気分圧に制御して７００℃以上１２００℃以下の温度で加熱することで、金属素材表面に酸化物被膜を形成する技術が提案されており、酸化物被膜の膜厚を１００nmから１０００nmに制御することで鋼材への水素侵入を起こさせないようにしている(特許文献１)。

特許４４９２５３７号公報

前記従来のものでは、高温熱処理を行い酸化物皮膜を形成するようにしていることから、表面処理操作に大きな処理エネルギーが必要となるという問題を有することになるし、処理条件も複雑であった。さらに、製造物である金属素材の酸化膜厚はシビアであり、膜厚が１００nmから１０００nmの範囲を外れたものは、耐水素脆性金属素材として使用できないため、製品品質の管理が難しいという問題もあった。

本発明はこのような点に着目して、エネルギー投入が少なく工程が簡易なだけでなく、膜厚の管理が容易な、水素侵入防止効果を有する酸化膜が形成された耐水素脆性金属素材を提供することをを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明は、ステンレス鋼製の高圧水素ガス環境下で使用される被処理素材の表面に、５０Vol％以上の高濃度のオゾンガスを大気温環境下で作用させて膜厚４〜４０nmの酸化膜を形成したことを特徴としている。

本発明では、ステンレス鋼からなる高圧水素ガス環境下で使用される被処理素材の表面に、５０Vol％以上の高濃度のオゾンガスを大気温環境下で作用させることで得られた膜厚４〜４０nmの酸化膜を有する鋼材であり、高圧の水素ガスに曝される環境下で使用しても、被処理素材内に水素が侵入することがなく、被処理素材の水素脆化を抑制することができる。

オゾンガスによる酸化膜形成処理を行ったＳＵＳ３０４での酸化膜厚を示すグラフである。比較例としてのオゾンガスによる酸化膜形成処理を行わないＳＵＳ３０４での酸化膜厚を示すグラフである。ＳＵＳ３０４を１０ＭPaの水素ガスに曝露した状態での水素侵入量を示すグラフである。ＳＵＳ３０４を１００ＭPaの水素ガスに曝露した状態での水素侵入量を示すグラフである。

燃料電池自動車に使用される水素ガス貯蔵容器などの高圧水素ガス環境下に置かれる機器に使用される鋼材の一例としてのＳＵＳ３０４を例に説明する。
オゾンガス濃度５０Vol％のオゾンガスを大気温環境下で電解研磨したＳＵＳ３０４の表面に作用させて、ＳＵＳ３０４(被処理素材)の表面に酸化膜を形成する。

表面を電解研磨したのち、オゾンガスを用いて酸化膜を形成した被処理素材をエッチングして、酸化膜の膜厚を測定した結果を図１に示す。図１から分かるように、電解研磨したＳＵＳ３０４にオゾンガス処理することで形成された酸化膜の膜厚は１１nmであった。

ちなみに、未処理の状態での被処理素材の酸化膜の膜厚は、図２に示すように、約１nmであった。

次に、酸化膜形成処理を施したＳＵＳ３０４の試料(１０mmφ×５０mmL)と、酸化膜処理を施していないＳＵＳ３０４の試料(１０mmφ×５０mmL)とを１０ＭPaの水素ガスに２７０℃で２００時間曝露した場合での水素侵入量を計測した。ＳＵＳ３０４の試料への水素侵入量は、高真空下で加熱して発生する気体を分析して、試料に吸着している物質を解析するガスクロマトグラフ方式の昇温脱離分析装置(TDS)で測定した。その結果を図３に示す。尚、加熱温度は８００℃であった。

図３から分かるように、表面処理を施さない試料では、計測された水素量が２６.３３mass ppmであったのに対し、電解研磨後オゾンによる酸化膜形成を行った試料では、３.５９mass ppmであり、水素侵入量は約７０％程度減少する。尚、表面処理を施さないで水素曝露もしない試料での計測水素量は１.０２mass ppmであった。

また、曝露水素の圧力を１００ＭPaとした他は、同じ条件で侵入水素量を測定した結果を図４に示す。

図４に示すように、表面処理を施さない試料では、計測水素量が１００.６３mass ppmであったのに対し、電解研磨後オゾンによる酸化膜形成を行った試料では、７２.３３mass ppmであり、水素侵入量は約３０％程度減少する。

この結果、本発明の対水素脆性金属素材は、７０ＭPaあるいは１００ＭPa程度の圧力で貯蔵される燃料電池自動車の水素貯蔵容器など、高圧水素貯蔵容器の鋼材としても充分に適用できることが分かった。

尚、上記実施例では、被処理素材として、オーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３０４を使用したが、他の規格のステンレス鋼でも、同様の結果を得ることができた。

また、５０Vol％以上の高濃度オゾンガスを大気温下でステンレス鋼に作用させた場合、複雑な制御を行わずとも、４〜４０nmの酸化膜を得ることができる。大気温下で処理を行うことから、熱処理では達成することのできない緻密な膜となり、１００nm未満であっても、充分な水素侵入防止効果を有する鋼材が得られる。また、酸化膜が１０００nmを超えた鋼材で膜の剥離が起こりうることが報告されているが、大気温下での高濃度オゾンガス処理であれば、１０００nmに達することがないため、従来技術と比べて、膜の剥離が生じにくいと鋼材となり品質の向上が望めるとともに、大量生産にも適している。

本発明に係る素材は、燃料電池自動車の水素貯蔵容器などの高圧水素環境下で使用され耐水素脆性が要求される素材として、有効に利用することができる。

Claims

高圧水素ガス環境下で使用される耐水素脆性金属素材であって、
ステンレス鋼製の被処理素材の表面が、高濃度オゾンガスを大気温環境下で作用させて形成した膜厚４〜４０nmの酸化膜で被覆されていることを特徴とする耐水素脆性金属素材。
高濃度オゾンガスが５０Vol％以上のオゾン濃度を有するオゾンガスである請求項１に記載の耐水素脆性金属素材。
ステンレス鋼が電解研磨を施したオーステナイト系ステンレス鋼である請求項１または２に記載の耐水素脆性金属素材。
高圧水素ガス環境下で使用される耐水素脆性金属素材の表面処理方法であって、
電解研磨を施したステンレス鋼製の被処理素材の表面に、５０Vol％以上のオゾン濃度を有するオゾンガスを大気温環境下で作用させて膜厚４〜４０nmの酸化膜を形成したことを特徴とする耐水素脆性金属素材の表面処理方法。