技術紹介

アンモニア曝露試験の紹介
江部

郁仁 *1

Ebe Fumito

則定和志 *2

Norisada Kazushi

当社ではさまざまなガスを用いた実験室規模での反応試験を実施している。ここでは、近年クリーンエネルギーとして注目されているアンモニアを用いた金属への曝露試験を紹介する。
キーワード：高温反応、アンモニア、窒化、耐性試験、SEM-EDS、XRD

どの環境条件によって変化するため、実際の使用

1. はじめに環境を模擬した試験により材料への影響を確認す

近年、アンモニアは燃焼により二酸化炭素などる必要がある。しかしながらアンモニアは毒性がの温室効果ガスを排出しないことから（4NH3 + 3O2

高く、排気や処理設備などの大型機材が必要とな→ 2N2 + 6H2O）、カーボンフリーな燃料として注り、安全面や設備面で試験実施が困難な場合があ目されている。火力発電用ボイラ設備を利用しる。当社では多くのアンモニア曝露試験を実施し（1）た、石炭や天然ガスとアンモニアの混焼 、自動てきたので、ここで一例を紹介する。

（2）（3）車や船舶用燃料としての活用、燃料電池への2. 試験（4）利用 など、技術開発が盛んに行われている。ま
2.1 試料た、アンモニアは -34℃程度という比較的温和な条件で液化が可能であるため（メタン：-162℃、水試料は市販の 4 種類（SUS304、SUS316L、S45C、素：-235℃）運搬に必要なエネルギーが少なくてInconel 600 製）のナットを使用した。試料はアセ済むという利点がある。アンモニアは分解によりトンを用いて洗浄後、真空乾燥させて試験に供し水素を生じるため、同じくカーボンフリーな燃料た。ナットの材質については PMI（Positive Materialとして注目されている水素のキャリア物質としてIdentification）を用いて確認した（表 1）。PMI の詳細も利用可能であり、カーボンニュートラル社会実については過去の IIC REVIEW を参照願いたい 。

（7）

現のためには欠かせない物質であるといえる。
2.2 試験方法

一方で、アンモニアはその塩基性や分解によって窒素原子が生じるため、高分子材料や金属材料試験装置の概略図を図 1 に示す。反応管には石を腐食または窒化させ、破損させる。金属材料に

英管（管内体積 3 L 程度）を使用した。装置内部においてはニッケルやケイ素が耐窒化性に寄与する試料を設置した後、窒素を 500 mL/min で 30 分間（5）（6）供給して内部を置換した。窒素流量を 100 mL/min

ことが知られているが、窒化度合いは温度な*1：元計測事業部 化学・材料部 福浦グループ （現株式会社 IHI 技術開発本部 技術基盤センター 物理・化学グループ）*2：計測事業部 化学・材料部 福浦グループ 博士（工学）—19—

IIC REVIEW/2022/04. No.67

C

試料表1

試料の成分（％）

AlPSCrMnFe

NiMo

SUS304 製ナット

0.04-

0.04

0.02

18.1

1.15-

8.070.30

SUS316L 製ナット

0.02-

0.040.01

16.91.71-

12.02.02

S45C 製ナット

0.45-

0.01

<0.01

0.040.72-

0.02--

0.17--

15.70.279.32

73.90.08

Inconel 600 製ナット

図1

装置概略図に切り替え、10℃ /min で 500℃まで昇温後、ガス研磨によりこれら試料の断面を出し、SEM-EDSを窒素から高純度アンモニア（100 mL/min）に切り（エネルギー分散型 X 線分光分析装置付き走査型替えた。各試料をアンモニアに 60 時間曝露後、ガ電子顕微鏡）により観察した結果を表 3 に示す。

スを窒素へ切り替えて加熱を停止した。室温まで

表中の画像の左側は反射電子像であり、右側は同放冷後、試料を取り出し、各種分析に供した。

一箇所にて EDS 面分析を行い、窒素の分布を示した。面分析は、色が濃いほど窒素の存在量が多い

3. 結果ことを表している。SUS304 および SUS316L 製のアンモニアに曝露させた試料の外観は、金属光ナットについては、窒化層が 100 ～ 200 mm にわ沢が失われ、黒みがかった色へと変化した（表 2）。

たっており、S45C 製ナットは窒素濃度の高い 20 mm

表2SUS304 製ナット

アンモニア曝露前後の試料外観写真

SUS316L 製ナット

S45C 製ナット

曝
露前

曝
露後

—20—

Inconel 600 製ナット

表3SEM-EDS 観察画像
窒素のマッピング

Inconel 600 製ナット

S45C 製ナット

SUS316L 製ナット

SUS304 製ナット

反射電子像程度の窒化層が形成されていた。一方で耐窒化性形成された SUS304、SUS316L、S45C 製ナットにの高い Inconel 600 製ナットは他の試料と比較してついて XRD（X 線回折）を実施した。表 4 に示すよ濃度が低く薄い層であった。

うに、窒化鉄（Fe4N、Fe3N）や窒化クロム（CrN）の生成が確認された。

EDS 面分析の結果より、測定に可能な窒化層が—21—

IIC REVIEW/2022/04. No.67

表4XRD 測定結果

試料（2） 京都大学ホームページ：https://www.kyoto-u.
ac.jp/sites/default/files/embed/jaresearchresearch_

同定された窒化物

SUS304 製ナット

Fe4N，Fe3N，CrN

SUS316L 製ナット

Fe4N，Fe3N，CrN

S45C 製ナット

Fe3N

results2017documents170703_201.pdf（3） 小池誠、宮川浩、鈴置哲典、小笠原和人：水素エネルギキャリアとしてのアンモニアとレシプロエンジン燃焼への適用、日本燃焼学会
誌、第 58 巻、184 号、2016、pp.99-106

4. おわりに（4） 株 式 会 社 IHI ホ ー ム ペ ー ジ：https://www.ihi.

近年注目されているカーボンフリー燃料の 1 つco.jp/ihi/all_news/2021/resources_energy_

として、アンモニアを取り上げ、各種金属のアン

environment/1197563_3345.html

モニア曝露試験を実施し、SEM-EDS による試料（5） J. J. Moran, J. R. Mihalisin and E. N. Skinner :表面における窒素分布の確認や、XRD で窒化物をB e h av i o r o f S t a i n l e s s S t e e l s a n d O t h e r

同定した。

Engineering Alloys In Hot Ammonia Atmospheres,

本試験では SEM-EDS による面分析により金属

Corrosion, Vol.16, 1960, pp.191t-195t

中の窒素分布を確認したが、EPMA（電子線マイク（6） 手嶋鎮博、飯泉省三、衣笠雅普：高温アンモロアナライザー）を用いたより微細なマッピング

ニア雰囲気中におけるステンレス鋼の耐窒測定も可能であり、さらには硬さ試験、引張試験

化性、日新製鋼技報、第 36 号、1977、pp.19-や寸法計測など、各種材料試験装置も取り揃えて29いる。試験条件では、数百時間の連続したアンモ（7） 沢本拓也、永瀬成世：PMI 検査 ～現地材質判

ニア曝露試験や ppm オーダーの希薄アンモニア雰

定 ～、IIC REVIEW、No.65、2021/04、pp.45-

囲気での曝露も可能であり、アンモニア以外に

47

（8）
（9）

や触媒性能評（8） 則定和志、江部郁仁：高温ガス反応試験の紹なども実施している。試験でお困りの際

介、IIC REVIEW、No.63、2020/04、pp.38-44

も、各種ガスを用いた反応試験
（10）

価試験

（9） 江部郁仁、則定和志：ガスを用いた触媒試験には是非ご相談いただきたい。

および腐食試験の紹介、IIC REVIEW、No.65、

参考文献

2021/04、pp.38-40（1） 花岡亮：アンモニアでカーボンニュートラル火力（10）則定和志、茂田潤一：触媒性能評価技術、IIC

発電へ、IHI 技報、Vol.61、No.2、2021、pp.20-23

REVIEW、No.57、2017/04、pp.36-41

元計測事業部 化学・材料部
福浦グループ （現株式会社 IHI
技術開発本部 技術基盤センター
物理・化学グループ）

計測事業部 化学・材料部
福浦グループ
博士（工学）

江部 郁仁

則定 和志

TEL. 045-791-3516
FAX. 045-791-3541

TEL. 045-791-3516
FAX. 045-791-3541—

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