(57)【要約】【課題】水素は容易に金属材料中に侵入して静的強度や疲労強度などを低下させる水素脆化を生じる。水素の侵入は金属表面の金属組織や応力状態などに依存しており、引張り残留応力が存在すると水素脆化を生じやすい。【解決手段】水中に高速水噴流を噴射してキャビテーション気泡を発生させるキャビテーション噴流を用いて、キャビテーション気泡を発生させて、このキャビテーション気泡の崩壊時に生じるキャビテーション気泡の崩壊衝撃力により、金属表面に局所的な塑性変形を付与して圧縮残留応力を導入することにより、金属材料表面に水素が侵入しにくい耐水素層を生成して金属材料の耐水素脆化特性を改善した。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルから水中に高速水噴流を噴射してキャビテーション気泡を発生させる工程と、
金属材料の表面で前記キャビテーション気泡を圧潰させ、前記金属材料の表面に圧縮残留応力を導入する工程とを、
有することを特徴とする耐水素脆化特性に優れた金属材料の製造方法。
【請求項２】
前記ノズルの直径が０．３ｍｍから３ｍｍであることを、特徴とする請求項１記載の耐水素脆化特性に優れた金属材料の製造方法。
【請求項３】
前記高速水噴流の噴射圧力が１０ＭＰａから１００ＭＰａであることを、特徴とする請求項１または２記載の耐水素脆化特性に優れた金属材料の製造方法。
【請求項４】
前記金属材料は、前記金属材料の表面と前記ノズルの噴射方向とが略垂直となり、前記金属材料の表面と前記ノズルの先端との距離が、前記ノズルの直径の３０倍から８０倍となるよう設置されていることを、特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の耐水素脆化特性に優れた金属材料の製造方法。
【請求項５】
前記金属材料の表面に直径０．１ｍｍから３ｍｍ、および／または、深さ２μｍから１００μｍの複数の凹みを付与することを、特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の耐水素脆化特性に優れた金属材料の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の耐水素脆化特性に優れた金属材料の製造方法によって得られることを、特徴とする耐水素脆化特性に優れた金属材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池車用のタンクや水素の配管などの水素環境で使われる金属材料の耐水素脆化特性を改善するための、耐水素脆化特性に優れた金属材料の製造方法および耐水素脆化特性に優れた金属材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
水中に高速水噴流を噴射してキャビテーション気泡を発生させ、このキャビテーション気泡を金属材料表面で圧潰させることにより、金属材料表面に局所的な塑性変形を付与して圧縮残留応力を導入することが可能である（例えば、特許文献１または２参照）。また、水中高速水噴流により水素脆化が起きにくくなるとの示唆もあるが、その原因と効果は全く不明である（例えば、特許文献３参照）。
【０００３】
従来技術では、金属球などのショットを金属材料表面に打ちつけて局所的な塑性変形をもたらして、金属材料表面に圧縮残留応力を導入するショットピーニングがある。なお、ショットピーニングにより耐水素侵入性を改善できるとの報告（例えば、特許文献４参照）もあるが、ショットの衝突により転位などが増大するために転位などに水素が侵入しやすくなり、ショットピーニングでは耐水素侵入性を改善できない、との報告（例えば、非特許文献１参照）がある。
【０００４】
また、本発明者等により、キャビテーション気泡の崩壊衝撃力を用いて圧縮残留応力を導入した場合には、圧縮残留応力が増大しながら、転位などに起因するミクロ歪が低減したとの報告（例えば、非特許文献２参照）がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２８７８５２９号公報
【特許文献２】特許第４２４０９７２号公報
【特許文献３】特許第３４２６９４３号公報
【特許文献４】特開平７−２９２４１２号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】A.M.Brassand J.Chene, “Role of Shot-Peening on Hydrogen Embrittlement of a Low-CarbonSteel and a 304 Stainless Steel”, Journal of Materials Science, 1991年, Vol.26, p.4517-4526
【非特許文献２】H.Soyama, N.Yamada, “Relieving Micro-Strain by Introducing Macro-Strain in aPolycrystalline Metal Surface by Cavitation Shotless Peening”, Materials Letters, 2008年, Vol.62, No.20, p.3564-3566
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、非特許文献１に記載された、ショットピーニングでは耐水素侵入性を改善できない、との課題に着目してなされたもので、耐水素脆化特性に優れた金属材料の製造方法および耐水素脆化特性に優れた金属材料を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、非特許文献２の報告をさらに発展させて得られた、水素が凝集する転位の蓄積を避けながら、キャビテーション気泡により圧縮残留応力が導入された、水素が侵入しにくい耐水素層を生成でき、耐水素脆化特性を改善できる、という知見に基づくものである。また、本発明は、キャビテーション気泡により、水素が凝集する転位の蓄積を避けるばかりでなく、転位を減らしながら圧縮残留応力を導入した、水素が侵入しにくい耐水素層を生成できる、という知見に基づくものである。
【０００９】
本発明に係る耐水素脆化特性に優れた金属材料の製造方法は、ノズルから水中に高速水噴流を噴射してキャビテーション気泡を発生させる工程と、金属材料の表面で前記キャビテーション気泡を圧潰させ、前記金属材料の表面に圧縮残留応力を導入する工程とを、有することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る耐水素脆化特性に優れた金属材料の製造方法は、前記ノズルの直径が０．３ｍｍから３ｍｍであることが好ましい。また、前記高速水噴流の噴射圧力が１０ＭＰａから１００ＭＰａであることが好ましい。
【００１１】
本発明に係る耐水素脆化特性に優れた金属材料の製造方法で、前記金属材料は、前記金属材料の表面と前記ノズルの噴射方向とが略垂直となり、前記金属材料の表面と前記ノズルの先端との距離が、前記ノズルの直径の３０倍から８０倍となるよう設置されていることが好ましい。略垂直とは、金属材料の表面とノズルの噴射方向との成す角度が、概ね７５度〜１０５度の範囲をいう。
【００１２】
本発明に係る耐水素脆化特性に優れた金属材料の製造方法は、前記金属材料の表面に直径０．１ｍｍから３ｍｍ、および／または、深さ２μｍから１００μｍの複数の凹みを付与することが好ましい。
【００１３】
本発明に係る耐水素脆化特性に優れた金属材料は、本発明に係る耐水素脆化特性に優れた金属材料の製造方法によって得られることを、特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、耐水素脆化特性に優れた金属材料の製造方法および耐水素脆化特性に優れた金属材料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態の耐水素脆化特性に優れた金属材料の製造方法を示す側面図である。
【図２】本発明の実施の形態の耐水素脆化特性に優れた金属材料の製造方法の、密閉可能な水槽を用いた場合の実施例を示す側面図である。
【図３】本発明の実施の形態の耐水素脆化特性に優れた金属材料の製造方法の、水素貯蔵用タンクへの実施例を示す側面図である。
【図４】本発明の実施の形態の耐水素脆化特性に優れた金属材料の製造方法により耐水素層を導入した場合（図中の黒丸印）および耐水素層を導入しない場合（図中の三角印）の、疲労回数とき裂進展長さとの関係を示すグラフである。
【図５】図４に示す結果を、応力拡大係数ΔＫと１サイクル当たりの疲労き裂進展速度ｄａ／ｄＮとの関係として示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
図１に示すように、使用する形状に加工済みの金属材料１を、水を満たした水槽２内に設置して、ノズル３を通して高速水噴流を噴射してキャビテーションを発生させたキャビテーション噴流４を、金属材料（以下、「対象物」ともいう）１の表面に対して垂直（９０度）あるいは７５度〜１０５度（略垂直）の範囲内で噴射し、対象物１の表面でキャビテーション気泡を圧潰させて、キャビテーション気泡の崩壊衝撃力により転位の蓄積を減らしながら、対象物表面に多数の局所的塑性変形を生じさせて圧縮残留応力を導入した、水素が侵入しにくい耐水素層を生成する。
【００１７】
なお、高速水噴流を噴射するノズル３は、直径が０．３から３ｍｍであることが好ましい。このような直径を有するノズル３を用いることで、耐水素脆化特性に優れた金属材料１を製造するために好適なキャビテーション気泡を発生させることができる。また、ノズル３から噴射される高速水噴流の噴射圧力は、１０ＭＰａから１００Ｍｐａであることが好ましい。さらに、水槽２内に設置される対象物１は、対象物１の表面とノズル３の先端との距離が、ノズル３の直径の３０倍から８０倍となるように設置されることが好ましい。このような噴射圧力および／または距離とすることで、耐水素脆化特性に優れた金属材料１を製造するために好適な圧縮残留応力を得ることができる。さらに、このような噴射圧力とすることで、対象物１の表面に直径０．１ｍｍから３ｍｍ、および／または、深さ２μｍから１００μｍの複数の凹みを付与することができ、これにより耐水素脆化特性に優れた金属材料１を製造することができる。
【００１８】
図２に示すように、水槽２を密閉可能な水槽として、水槽２から流出する流路に流量調節弁５を設置して、流出する流量を制御することにより水槽２内の圧力を高め、キャビテーション気泡の崩壊衝撃力を増大して圧縮残留応力を導入した、水素が侵入しにくい耐水素層を生成する。
【００１９】
図３に示すように、水素貯蔵用のタンク１では、タンク１内に水を貯留し、タンク１内に取り付けたノズル３から高速水噴流を噴射してキャビテーションを発生させて、対象物の表面でキャビテーション気泡を圧潰させ、キャビテーション気泡の崩壊衝撃力により対象物１の表面に多数の局所的塑性変形を生じさせて圧縮残留応力を導入した耐水素層を生成する。タンク１から流出する流路に流量調節弁５を設置して、流出する流量を制御することによりタンク１内の圧力を高め、キャビテーション気泡の崩壊衝撃力を高めて対象物１の表面に圧縮残留応力を導入した、水素が侵入しにくい耐水素層を厚く生成する。
【００２０】
タンク１でノズル３が回転および平行移動できるようにして、ノズル３をタンク１内で回転させながら、平行に移動して、タンク１内に一様に圧縮残留応力を導入した耐水素層を生成する。小型のタンク１の場合には、ノズル３をタンク１の外部に設置してキャビテーション噴流４をタンク１の内部に流し込むことにより、タンク１の内面に水素が侵入しにくい耐水素層を導入できる。
【００２１】
図４に、水中に設置したステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌに、直径２ｍｍのノズルから噴射圧力３０ＭＰａで高速水噴流を噴射して、加工速度３．７５ｍｍ／ｍｉｎでステンレス鋼に水素が侵入しにくい耐水素層を導入した後、電解チャージ法により水素チャージし、機械加工により長さ５ｍｍの予き裂を導入して、疲労き裂進展試験を行って得た疲労回数とき裂の長さとの関係を示す。電解チャージ法による水素チャージは、陰極にＮｉワイヤ、陽極にＰｔワイヤを用いて、陰極に試験片を装着し、５０℃の１Ｎ規格硫酸４００ｍｌ、電流密度１０００Ａ／ｍ２、の条件で７２時間行った。疲労き裂進展試験では、初期負荷応力３５０ＭＰａでの変位制御の平面曲げ疲労試験を行い、光学顕微鏡でき裂進展長さを計測した。
【００２２】
図４に示すように、耐水素層を導入しない場合には、疲労回数１００００回で予き裂長さ５ｍｍを除いて、約４．５ｍｍのき裂が発生しており、その後、急速に疲労き裂が進展し、１３５００回で破断に至っている。水素が侵入しにくい耐水素層を導入した場合には、疲労回数１００００回でそれぞれ約１．１ｍｍのき裂発生に留まっており、疲労回数の増加とともに緩やかに疲労き裂が進展し、３４０００回まで破断に至っていない。耐水素層を導入していないステンレス鋼に比べて、水素が侵入しにくい耐水素層を導入することにより、き裂の進展が遅延している。すなわち、本方法によって金属材料の耐水素脆化特性を改善できることが、始めて実証された。
【００２３】
図５には、図４に示した結果を、応力拡大係数DＫと、１サイクル当たりの疲労き裂進展速度ｄａ／ｄＮとの関係として示す。パリス則に従って安定にき裂が進展しているとみられるΔＫ＝２４〜２７ＭＰａｍ１／２における平均き裂進展速度ｄａ／ｄＮが、耐水素層を導入しない場合には、２．９４×１０−７ｍ／ｃｙｃｌｅであるのに対し、水素が侵入しにくい耐水素層を導入した場合には、１．０８×１０−７ｍ／ｃｙｃｌｅであり、キャビテーション気泡の崩壊衝撃力によりき裂進展速度を約７０％低下できた。
【符号の説明】
【００２４】
１  対象物（金属材料、タンク）
２  水槽
３  ノズル
４  キャビテーション噴流
５  流量調節弁
【図４】
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【図５】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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