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、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

金属系ポリタイプの形成機構に関する理論物性研究

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、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。

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.

かかわらず、驚くほど複雑で繊細であることに由来する。我々は、La系のポリタイプエネルギー論を参照系として、二体原子間作用モデル系を詳細考察し、フリーデル振動に似た長距離相互作用の変調が、LPSO 相の相安定性に重要な役割を果たすことを見出した（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
高鉄品位なマグネタイト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。本研究では、マグネタイト鉱石の酸化促

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。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、これらの高圧水素システムに使われる鋼材に鋼中の主要合金元素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、合金元素によっては水素拡散係数 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、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。

66 Coexistence Activity Report 2023

Fig. 2 The pair potential profile constructed for La system incorporating subtle
perturbations reminiscent of Friedel oscillations in the long-range region.

討した。その結果、低温焼結 (1300℃ ) が酸化促進に有効であり、酸化促進されるほど還元性が良好となることが判明した（Fig. 3）。

高信頼性セラミックス - 金属複合材料の開発
ファインセラミックス材料の機械特性と信頼性向上を目的として、新規のセラミックス - 金属複合材料に関する研究開発を行っている。
炭窒化チタン（Ti(C, N)）とステンレス鋼（SUS316L）の焼結複合材料においては、SUS 添加量や Ti (C, N) 中の窒素含有量などにより、微細組織や機械特性が変化し、Ti(C 0.5N 0.5) 組成の原料粉を用いた場合には 1000 MPa を超える高い曲げ強度が得られた（Fig. 4）。

Fig. 3 Effect of holding temperature and CaO concentration on sinter reducibility.

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 because theatomistic interactions on polytype energetics are quite complex anddelicate despite the simplicity of their geometry. We have extensively
examined the two-body atomic interaction models using the La-basedpolytype energetics as a reference system and discovered that themodulation of long-range interactions resembling Friedel oscillations
plays a crucial role for the phase stability of LPSO structures (Fig. 2).

Utilization of magnetite ore
in the iron ore sintering process
Using magnetite iron ore and biomass is effective in reducing
environmental load. In this study, optimizing the temperature profile topromote the oxidation of magnetite ore and sinter reducibility has been
examined through the electric furnace experiment. Low-temperature
sintering (1300°C) is effective for oxidation in sintering, which results inhigh reducibility (Fig. 3).

Development of high-reliability
ceramics-metal composites
For the purpose of improving the mechanical properties and reliabilityof fine ceramic materials, we studied novel ceramics and metalcomposites. In the sintered Ti(C, N)-SUS316L composites, themicrostructure and mechanical properties were affected by the amountof SUS and the nitrogen content in Ti(C, N), and high-bending strength
exceeding 1,000 MPa could be obtained when a raw powder with aTi(C0.5N0.5) composition was used (Fig. 4).

Department of Frontier Sciences for Advanced Environment

Fig. 1 Hydrogen diffusion coefficient D as function of alloy concentration.

We have conducted research and development of high-performance steel
from the blast furnace process, such as high-strength steel for hydrogensystems, infrastructure, or automobiles, which are friendly totheenvironment. High-pressure gaseous hydrogen, a clean energy
carrier, is used in fuel cell vehicles (FCVs) and hydrogen stations that
supply hydrogen to FCVs. Steel used for highly pressurized hydrogensystems should have both high strength and sufficient resistance tohydrogen embrittlement (HE). In this study, the effects of the main
alloying elements in steel were investigated. Our work clarified thatseveral 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 steel or development of new steel resistant
to HE.

進および被還元性向上のための温度条件最適化を電気炉実験で検Theoretical study on formation
mechanisms of metallic polytypes

先端環境創成学専攻

は高強度かつ優れた耐水素脆化特性が要求される。本研究室ではAdapting structural steels to the environment
for a safe and secure society

Shinya Nariki

Fig. 4 Bending strength and microstructure ofTi (C1-xNx)-SUS316L composites.

Coexistence Activity Report 202367