連携講座

Collaborative Divisions

環境適合材料創製学分野（日本製鉄株式会社） Process Engineering for Environmentally Adapted Materials( Nippon Steel Corporation)

安全・安心な高機能鉄鋼の製造技術を通して、持続可能な社会に貢献
Development of manufacturing technology for safe and securehigh performance steels contributing to sustainable society
高機能鉄鋼製品は主原料として鉄鉱石から製造される。これらの製品は使用した後に、スクラップにされて、再度鉄原料に戻される。鉄は何度も再使用が可能な環境にやさしい材料である。同時に鉄鋼製造工程は大量の資源とエネルギーが必要で、地球環境に大きく関わるので、環境負荷を低減することが必要である。最近ではさらに建築物や自動車の軽量化のため高強度鉄鋼材料が要求されている。私たちは持続可能な社会や産業を構築することを使命として、この講座では環境に適応する特に安全・安心な高機能な金属材料とその製造プロセスと社会制度を探究し、計算科学を用いた基礎研究から企業研究のメリットを生かした大規模実験に基づく応用研究と高度な教育を行っている。
High-performance steels are made primarily from iron ore. At the end of steel products’ lives, they are scrapped and recycled as raw iron resources. Iron istherefore a reusable and environmentally friendly material. The steel manufacturing process, however, requires large amounts of resources and energy andaffects the environment worldwide. It is therefore necessary to reduce its environmental impact at all stages of production. Additionally, demand for highstrength steels are increasing for weight reduction of infrastructure or automobiles. We aim to establish a sustainable society and industry, so we are studying
safe, secure, environmentally adaptable materials and their production processes, as well as related social systems. We undertake education and research via
a fundamental study that applies computational science and application research to large-scale experiments owing to resources of the company.

客員教授 森口 晃治

客員教授 松村 勝

客員教授 大村 朋彦

客員教授 成木 紳也

Professor

Professor

Professor

Professor

Koji Moriguchi

Masaru Matsumura

Tomohiko Omura

子間ポテンシャルの開発に成功した。このポテンシャルを利用した一般化積層欠陥 (GSF) エネルギー曲線は、2H や 3C 構造を基底状態とする相互作用モデル系とは異なる振る舞いを示すため、独特な転位運動が観察できる可能性がある (Fig.2）。

鉄鉱石焼結プロセスにおけるマグネタイト鉱石利用
高鉄品位な微粉鉄鉱石およびバイオマスを使用することが環境負荷低減に結び付く。特に、微粉鉱石としてマグネタイト鉱石を使用すると、その酸化熱を利用できるため、従来熱源である粉コークスを削減できる。本研究では、マグネタイト鉱石の酸化促進のための温度条件最適化を目的として、タブレット電気炉焼成実験を行った。
なお、タブレットは焼結原料組成に試薬で調整した。その結果、最高社会の安全・安心を担う環境配慮型構造用鉄鋼材料
私たちは、水素用途や建 築・自動車用高強 度鋼などのように、地球環境に配慮した高機能鉄鋼材料の研究開発を行っている。これは国連で定めた SDGs（Sustainable Development Goals、持続可能な開発目標）にも整合する。クリーンエネルギーである水素を燃料として走行する燃料電池自動車（FCV）や FCV に水素を供給する圧水素システムに使われる鋼材には高強度かつ優れた耐水素脆化特性が要求される。また、建築物や自動車の軽量化のため高強度鋼の需要が増しているが、高強度鋼では水素による脆化が問題となる。
本研究室では鋼中の主要合金元素（Mn,Ni,Cr,Mo）の影響を検討している。焼入れままマルテンサイト鋼において、これらの合金元素は水素脆化を防止するための最適鋼材の選定や新規鋼材の開発に活用できる。とが有効であると結論つけられた（Fig.3）。

We have conducted research and development of high-performancesteels from the blast furnace process, such as high-strength steels forhydrogen systems, infrastructure, or automobiles, which are friendly to
the global environment. This complies with the United Nations’Sustainable Development Goals. High-pressure gaseous hydrogen, aclean energy carrier, is used in fuel cell vehicles (FCVs) and hydrogenstations that supply hydrogen to FCVs. Steels used for highly pressurizedhydrogen systems should have both high strength and sufficientresistance to hydrogen embrittlement (HE). Additionally, demand forhigh-strength steels is increasing for weight reduction of infrastructure
and automobiles. An increase in strength may cause embrittlement due
to hydrogen absorption. In this study, the effects of the main alloying
elements (Mn, Ni, Cr, and Mo) in steel were investigated. Our work
clarified that these alloying elements decrease the hydrogen diffusion
coefficient D in water-quenched martensitic steels. Furthermore, we
confirmed that Mn, Cr, and Mo promote HE along grain boundaries.
These results led to the selection of appropriate steels or development of
new steels that are resistant to HE.

Predicting polytype phase stability such as synchronized long-period
stacking-ordered (LPSO) structures has been a long-standing challenge
in condensed matter physics and/or materials science. This situation
stems from the fact that the atomistic interactions on polytype energetics
are quite complex and delicate despite the simplicity of their geometry.
Although the molecular dynamics (MD) method is a powerfulcomputational tool for tracking dynamical processes, the most serious
problem in applying the MD method to such polytypism has been thelack of interatomic-interaction models with longer-periodic polytype
structures as the ground state. Considering this situation, we havesuccessfully developed an interatomic potential with the 4H groundstate using the La polytype energetics as a reference system. Uniquedislocation motions might be observed using this potential because thegeneralized-stacking-fault (GSF) energy curves within the potential
model developed here behaves differently from those based on the 2H
and 3C ground state models (Fig.2).

Utilization of magnetite ore
in the iron ore sintering process
Using high-grade fine iron ore and biomass is effective to reduce
environmental load. In particular, when magnetite ore is used as the fineiron ore, the heat of oxidation can be utilized, so coke breeze, which is aconventional heat source, can be reduced.
In this study, with the aim of optimizing the temperature profile forpromoting the oxidation of magnetite ore, a sintering tablet test in theelectric furnace was performed. Here, the tablet was adjusted to a sinterraw material composition by use of chemical reagent. As a result, it has
been concluded that the increasing temperature up to 1300 °C andkeeping temperature at 1167 °C, at which no liquid phase was generated,
during the cooling stage was effective for promoting oxidation (Fig.3).

金属系ポリタイプの形成機構に関する理論物性研究
シンクロ型 LPSO 構造などのポリタイプ系の相安定性予測は、物性物理学や材料科学における永年の課題となっている。これは、ポリタイプの原子論的相互作用が、その幾何学的構造の単純さにもかかわらず、驚くほど複雑で繊細であることに由来する。分子動力学 (MD) 法は様々な動的プロセスを追跡するための強力な計算ツールとして今日知られるが、ポリタイプ現象に MD 法を適用する際の深刻な問題は、長周期ポリタイプ構造を基底状態とする原子間相互作用モデルが開発されていないことであった。我々は、La 系のポリタイプエネルギー論を参照系として、4H 構造を基底状態とする原Fig.1 Hydrogen diffusion coefficient D as function of alloy concentration.

60 Coexistence Activity Report 2022

Fig.2 The GSF energy curves based on some potential models. The curve
marked with La is by the model constructed in the present work.

Department of Frontier Sciences for Advanced Environment

水素拡散係数 D を低下させること（Fig.1）や、さらには Mn,Cr,Moは粒界の水素脆化を促進することを明らかにした。これらの結果は、

温度 1300℃で液相が生成しない条件（1167℃）で温度保持するこTheoretical study on formation mechanismsof metallic polytypes

先端環境創成学専攻

水素ステーションでは高圧の水素ガスが用いられるが、これらの高Adapting structural steels to the environment
for a safe and secure society

Shinya Nariki

Fig.3 Effect of holding temperature on FeO concentration.
Coexistence Activity Report 202261