(57)【要約】【課題】鋼材における添加物の状態を変更することなく、鋼材における水素脆化が抑制できるようにする。【解決手段】第１工程Ｓ１０１で、対象とする鋼材を形成する。次に、第２工程Ｓ１０２で、水素イオンが還元される電位より貴な電位で還元される酸化物からなる表面層を鋼材の表面に形成する。表面層は、鋼材の表面に接した状態で形成する。この方法によれば、鋼材の表面近傍で発生する電子が、表面層を構成する酸化物の還元に消費されるようになる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材を形成する第１工程と、
水素イオンが還元される電位より貴な電位で還元される酸化物からなる表面層を前記鋼材の表面に接して形成する第２工程と
を少なくとも備えることを特徴とする鋼材表面における水素発生を抑制する方法。
【請求項２】
請求項１記載の鋼材表面における水素発生を抑制する方法において、
前記表面層は、鉄の酸化物から構成されたものであることを特徴とする鋼材表面における水素発生を抑制する方法。
【請求項３】
請求項２記載の鋼材表面における水素発生を抑制する方法において、
前記表面層は、前記鋼材の表面の熱酸化により形成されたものであることを特徴とする鋼材表面における水素発生を抑制する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材の強度低下を招く水素の侵入を抑制するための鋼材表面における水素発生を抑制する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
建造物などの構造物では、遅れ破壊が問題となる。遅れ破壊とは、静的な負荷を受けているある条件下で使用している鋼材などが、ある時間の経過後、外見上ではほぼ塑性変形を伴うことなく、突然脆性的に破壊する現象である。この遅れ破壊のメカニズムは十分に解明されていないが、鋼材に水素が侵入して延性が失われることによる水素脆化によるものと考えられている。
【０００３】
この水素脆化は、多くの研究者により着目され、水素脆化に強い金属の開発がなされてきた。水素脆化に強い金属として、例えば、表面にニッケルを濃化させた鋼材がある。ニッケルには、水もしくは水素イオンの還元により金属表面に吸着した水素の再結合反応を促進し、外部環境に放出する効果がある。このため、表面にニッケルを濃化させた鋼材では、吸着した水素が鋼材内部に侵入する量を低減することができる（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】白神  哲夫、「鉄鋼材料における水素脆化」、材料と環境、ｖｏｌ．６０、Ｎｏ．５、２３６−２４０頁、２０１１年。
【非特許文献２】中間  一夫、春名  靖志、「析出硬化型ステンレス鋼の被削性その他諸特性に及ぼすＳ，Ｔｉ添加の影響」、Sanyo Technical Report、Ｖｏｌ．１２、Ｎｏ．１、４６−５１頁、２００５年。
【非特許文献３】POURBAIX, ATLAS OF ELECTROCHEMICAL EQUILIBRIA IN AQUEOUS SOULUTION, p312.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したように、添加物を加えると、鋼材の所期の機能が得られない場合が発生する。例えば、鋼材は、チタンや硫黄などの添加物を加えると破断応力強度や耐食性が変化することが知られている（非特許文献２参照）。このため、鋼材に対する添加物の量を変えることなく、耐水素脆化特性を向上させる技術が重要となる。
【０００６】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、鋼材における添加物の状態を変更することなく、鋼材における水素脆化が抑制できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る鋼材表面における水素発生を抑制する方法は、鋼材を形成する第１工程と、水素イオンが還元される電位より貴な電位で還元される酸化物からなる表面層を鋼材の表面に接して形成する第２工程とを少なくとも備える。例えば、表面層は、鉄の酸化物から構成されたものである。例えば、表面層は、鋼材の製造過程で加えられた熱による鋼材の表面の熱酸化により形成されたものである。
【発明の効果】
【０００８】
以上説明したことにより、本発明によれば、鋼材における添加物の状態を変更することなく、鋼材における水素脆化が抑制できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における鋼材表面における水素発生を抑制する方法を説明するためのフローチャートである。
【図２】図２は、水素の鋼材への侵入の過程を説明するための説明図である。
【図３】図３は、表面層が形成された鋼材への水素の侵入の過程を説明するための説明図である。
【図４】図４は、熱酸化により鋼材表面に表面層を形成した鋼材の水素透過電流の測定結果を示す特性図である。
【図５】図５は、表面層が形成されていない鋼材の水素透過電流の測定結果を示す特性図である。
【図６】図６は、鉄−水系の電位−ｐＨ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における鋼材表面における水素発生を抑制する方法を説明するためのフローチャートである。この方法は、まず、第１工程Ｓ１０１で、対象とする鋼材を形成する。次に、第２工程Ｓ１０２で、水素イオンが還元される電位より貴な電位で還元される酸化物からなる表面層を鋼材の表面に形成する。表面層は、鋼材の表面に接した状態で形成する。
【００１１】
上述した方法によれば、鋼材の表面近傍で発生する電子が、表面層を構成する酸化物の還元に消費されるようになる。これにより、鋼材の表面近傍における、水もしくは水素イオンが、鋼材表面に吸着する水素に還元される反応が抑制されるようになり、鋼材表面に吸着し、結果として脆性の原因となる水素の量が抑制できるようになる。この結果、鋼材における水素脆化が抑制できるようになる。
【００１２】
より詳細に説明すると、まず、水素脆化のもととなる水素の鋼材への侵入の過程は、図２に示すように考えることができる。図２に示すように、気体の水素分子２０１は、鋼材２０２の表面への水素２０３の吸着過程を経て、鋼材２０２の内部に侵入すると考えられる。
【００１３】
また、図２に示すように、雰囲気の水素イオン２０４もしくは水分が鋼材２０２の表面で還元されて生成した水素イオン２０４が、鋼材２０２で発生した電子２０５により還元され、還元により生成された水素２０３が、鋼材２０２の表面に吸着し、この吸着した水素２０３が、鋼材２０２の内部に侵入するという過程もある。水素は、空気中にはほとんど存在していないので、水素脆化は、付着している水や水素イオンの還元などにより鋼の表面で発生した水素が吸着する過程から始まるものと考えられる。
【００１４】
これに対し、本実施の形態によれば、図３に示すように、鋼材２０２の表面に表面層２１１が形成されているため、鋼材２０２で発生した電子２０５は、表面層２１１を構成している酸化物の還元にも消費されるようになる。特に、この酸化物は、水素イオンが還元される電位より貴な電位で還元されるので、鋼材２０２で発生した電子２０５は、表面層１１１の還元により多く消費されるようになる。このため、雰囲気の水素イオン２０４もしくは水分が鋼材２０２の表面で還元されることが抑制され、還元により生成される水素２０３の量が低下する。この結果、鋼材２０２に侵入する水素２０３の量も抑制されるようになり、鋼材における水素脆化が抑制できるようになる。
【００１５】
次に、本実施の形態における表面層を備える鋼材と、表面層が形成されていない鋼材とについて、侵入する水素量を測定した結果について説明する。侵入した水素量は、電気化学的水素透過法により測定した。電気化学的水素透過法では、参照電極および対向電極を、所定濃度のＮａＯＨ水溶液からなる電解質溶液とともに収容した電気化学セルを用いる。測定では、試料となる鋼材の表面が電解質溶液に接触する状態とし、鋼材を作用電極とする。この状態で、ポテンショスタットを用い、作用電極の電位を参照電極に対して一定に制御して作用電極と対向電極（対極）との間に流れる電流（水素透過電流）を測定することで、鋼材に侵入した水素を測定する。実験では、０．２ＭのＮａＯＨ水溶液中で−１ｍＡ／ｃｍ2の電流を流し，鋼材表面において還元反応を起こし，水素を発生させている。
【００１６】
図４は、熱酸化により鋼材表面に表面層を形成した鋼材の実験結果（測定結果）を示し、図５は、表面層を形成していない鋼材の実験結果を示している。表面層を形成していない鋼材は、表面層を形成した鋼材より、表面層を研磨紙で研磨して除去したものである。鋼材の製造過程では様々な熱が加えられるが、このような加熱の過程で熱酸化により鉄の酸化物から構成された表面層が形成される。
【００１７】
図４に示すように、表面層を形成した鋼材では、０．６５μＡ／ｃｍ2の水素透過電流が測定された。一方、図５に示すように、表面層を形成しない鋼材では、１．０４μＡ／ｃｍ2の水素透過電流が観測された。このように、表面層を形成した鋼材では、水素透過電流が抑制されることがわかる。
【００１８】
この結果は、表面層を構成している酸化鉄（酸化物）が、水素イオンが還元される電位より貴な電位で還元されるＦｅ2Ｏ3など組成や、Ｆｅ（ＯＨ）3などの組成であったため、前述したように、水素ガスの発生よりも優先して酸化物の還元が進行し、結果として水素の侵入量を抑制させた可能性を示している。例えば、Ｆｅ2Ｏ3は、図６の鉄−水系の電位−ｐＨ図において、電位０となる標準電極電位（水素イオンの還元電位）より、主に正の側にあり、水素イオンが還元される電位より貴な電位で還元されることがわかる。なお、図６の電位−ｐＨ図は、標準水素電極を基準電極としたＳＨＥ基準である。
【００１９】
以上に説明したように、本発明によれば、水素イオンが還元される電位より貴な電位で還元される酸化物からなる表面層を鋼材の表面に接して形成するようにしたので、鋼材における添加物の状態を変更することなく、鋼材における水素脆化が抑制できるようになる。表面層は、鋼材の表面を酸化することで形成してもよく、また、鋼材の表面に付着させることで形成してもよい。また、以上に説明したことから明らかなように、本発明は、表面層自体で水素の侵入を遮断するものではないため、表面層は、鋼材表面の全域に形成する必要はなく、また、表面層が水素ガスの侵入を阻害する緻密な構造となっている必要もない。
【００２０】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、鋼材は、鉄筋コンクリート構造に用いられる鉄筋であってもよく、また、鉄骨であってもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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