ISSN0913-0020

The Japan Research and Development Center for Metals

一般財団法人

金属系材料研究開発センター

2015.5

No.343

TODAY

我が国伸銅業の現況とロードマップの策定
一般社団法人 日本伸銅協会
専務理事

伸銅業の将来ビジョンについては、国際競争力、海外展開等を含めて総合的な検討を行い、将来の産業の姿を明らかにする。
将来の需要については、自動車、電気、電子・半導体、住宅、エアコン等の主要分野に加え、新たに拡大する需要分野の将来予測を行うとともに、将来必要とされるであろう性能スペックの予測を行う。
技術課題については、前述の性能スペックを満足するための技術開発課題を明確化し、その解決に向けての具体的アイデアを整理する。

亀井 隆徳（ＪＲＣＭ評議員）

１．伸銅業の現況
平成 26 年度の我が国伸銅品の需要は、対前年比2.5％増の 81 万 4900 トンの見込みである。リーマンショック以前は 100 万トンの水準にあったが、円高による需要業界の海外移転、部品の軽薄短小化、他素材への代替の進展等により、その後の国内需要回復の足取りは重い。内訳としては、自動車関連、電子・半導体関連等を中心とした板・条製品が５割強を占め、続いて建設、住宅、水道等向けの棒・線製品が３割強、そしてエアコンやプラント向けが中心の管製品が２割弱となっている。最近の円安傾向もあり、平成 26 年度の上記需要のうち 17.5％が輸出関連である。
我が国伸銅業は、中国、米国、ドイツについで世界第四位の規模であり、平成 27 年度は対前年微増の 81 万 6900 トンの見通しとなっている。
伸銅業の経営上の主要な課題を挙げれば次の通りである。
・原料である地金価格の変動が激しい。
・副原料としてのリサイクル品の安定的確保が必要。
・製造コストに占めるエネルギーコストの割合が高く、その上昇が収益に大きな影響を与える。
・中国、韓国等との競合が激しい。

３．技術開発プロジェクトの実現に向けて2015 年末の完成を目途にロードマップの策定作業を実施しているが、その結果を踏まえて、伸銅業界が共同で実施する技術開発プロジェクトの立ち上げを想定している。その実現までには次にあげる多くの課題がある。
① 伸銅業は歴史的に、技術情報を開示しない傾向が強いため、その壁をある程度崩すことが必要となる。
② 日本銅学会などの「学」との密接な連携が必要である。
③ 政府の財政的支援を得るためには、政策的優先度を高める必要がある。
④ 世界トップ水準の技術開発テーマを構築する必要がある。
⑤ 需要サイドとの適切な連携を行う必要がある。
一年後には、本構想が具体化していることを祈念して本稿を終わる。

２．ロードマップの策定
このような状況の伸銅業の、将来の発展への道筋を明らかにすべく、日本伸銅協会及び会員各社は、ロードマップの策定作業を昨年末から開始した。
ロードマップの内容としては、① 伸銅業の将来ビジョン② 将来の主要な需要分野と目標性能③ 目標性能を達成するための具体的な技術課題と対応策の三本柱である。
1

JRCM REPORT

蓄圧器用部材の水素助長割れ下限界応力拡大係数の評価
株式会社 日本製鋼所 室蘭研究所 柳沢 祐介
1. はじめに平成 26 年 6 月に経済産業省より、水素社会の実現に向けた取組の加速として、「水素・燃料電池戦略ロードマップ」が示された。このなかで、水素ステーションの整備・運営コストの低減に向けて、規制見直しを推進することが述べられている。
水素ステーションは蓄圧器、圧縮機、配管、ディスペンサー、バルブ、安全弁、シール材などで構成され、その多くに金属材料が使用される。しかしながら、現在、水素ステーション用に基準化された金属材料は水素の影響を受けにくい SUS316Lなどに限定されている。
蓄圧器などの大型機器に SUS316L を用いた場合、極厚となり経済的でないため、Cr-Mo 鋼などの高強度低合金鋼の使用が望ましい。Cr-Mo 鋼は水素の影響によって水素ガス中の引張延性や切欠強度が低下することが知られている 1) が、その耐性に応じて最大限使用する手法があれば、ステーションの安全性と低コストを同時に満足する有効な技術となる。
また、水素ステーション用蓄圧器には繊維強化プラスチック（FRP）を用いた複合圧力容器も考えられている。ライナー材として高強度鋼を使用することができれば、ライナーが荷重分担することで炭素繊維の低減化、低コスト化に寄与する。
さらに、ライナーの疲労限度以下での使用と確立された検査技術により、高寿命と高信頼性が期待できる。
新 エ ネ ル ギ ー・ 産 業 技 術 総 合 開 発 機 構 (NewEnergy and Industrial Technology DevelopmentOrganization, NEDO) のプロジェクト「水素利用技術研究開発事業」において、( 株 ) 日本製鋼所はJRCM グループ (JRCM、新日鐵住金、新日鐵住金
ステンレス、愛知製鋼、物質・材料研究機構 ) に参画し、上記の要望に対して低合金鋼（特に蓄圧器）の評価方法の基準化、標準化に関する検討を進めてきた。本報ではその概要を報告する。

蓄圧器の安全性評価として、高圧水素ガス中で
図 1 に示す各種試験を実施し、疲労評価及び疲労き裂進展評価を行っている 3)。疲労き裂進展評価は、
図 2 に示すように①非破壊検査で検出できる欠陥寸法を基に初期欠陥寸法を設定し、②高圧水素ガス雰囲気における疲労き裂進展速度 da /dN と、③き裂進展解析における打ち切り点である限界き裂寸法を用いて行う。限界き裂寸法に到達する繰り返し数に安全率を加味して、許容繰り返し数が求まる。
大気環境においては、限界き裂寸法の設定に破壊靱性値 K IC を用いる。一方、水素環境では K IC より低い K I 値（水素助長割れ下限界応力拡大係数 :K IH）からき裂が進展を開始するため、この点をき裂進展解析における打ち切り点＝容器の破壊限界とみなして、評価する必要がある。
K IH の測定法はいくつか提案されており、本報ではライジングロード法 4) と、定変位遅れ割れ試験法 5) の 2 通りについて比較を行った。

NiNfda/dN(a) ⑂ປヨ㦂(b) ⑂ປ䛝⿣ఏ᧛ヨ㦂᭱⤊◚ቯ㡿ᇦ4᭱⤊◚ቯ㡿ᇦ4KIH-RKIH-HKICఱ䜜䛛䛾᭱ᑠ್䜘䜚◚ቯ㝈⏺acr䜢⟬ᐃ( ) 䝷䜲䝆䞁䜾䝻䞊䝗ヨ㦂(c)䝷䜲䝆䞁䜾䝻 䝗ヨ㦂 (d) 㐜䜜๭䜜ヨ㦂(◚ቯ㠎ᛶヨ㦂䠅

図1

蓄圧器の安全性評価試験
㻌㻌䛝⿣῝䛥㝈⏺䛝⿣῝䛥㻔㻷㻌㻩㻷㻵㻴㻕

2. 蓄圧器の安全性評価方法
水素ステーションに用いられる蓄圧器は、燃料電池自動車への充てん時の減圧と蓄圧のための加圧が繰り返され、疲労破壊が問題となる。また、蓄圧器からの水素漏洩事故 2) においては、高圧で数日間保持されたことによる遅れ破壊が原因とされており、遅れ破壊に対しても十分な対策を取る必要がある。
JRCM NEWS No.343

ఏ᧛
㡿ᇦ3Ⓨ⏕
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⑂ປ䛝⿣㐍ᒎ㏿ᗘ䠄㼐㼍㻛㼐㻺㻌䠅
ึᮇḞ㝗チᐜ⧞䜚㏉䛧ᩘ⧞䜚㏉䛧ᩘ
図22

疲労き裂進展評価の模式図

Nf(a) ⑂ປヨ㦂

NiNf(a) ⑂ປヨ㦂᭱⤊◚ቯ㡿ᇦ4᭱⤊◚ቯ㡿ᇦ4

da/dN

Designation(b) ⑂ປ䛝⿣ఏ᧛ヨ㦂(b) ⑂ປ䛝⿣ఏ᧛ヨ㦂᭱⤊◚ቯ㡿ᇦ4᭱⤊◚ቯ
㡿ᇦ4
KIH-H

KIH-R

⾲1౪ヨᮦ䛾ᘬᙇ≉ᛶTempering 0.2%Y.S.
T.S.
EL.
R.A.
Temp.(oC)

(MPa)

(MPa)

(%)

(%)

Tempering
0.2%Y.S.
T.S.
Designation 570
T57
Temp.(oC) 844 (MPa) 992 (MPa) 15

EL.
(%) 59R.A.
(%)

T61 T5715 64

59

610 570

813 844 960 992 18

表 1 供試材の引張特性
3. 蓄圧器部材のKK IH ఱ䜜䛛䛾
評価
T65 T61
650 610725 813 890 960 21 18 64 64
K ᭱ᑠ್K䜘䜚◚ቯ
試 験 に 用 い たK材㝈⏺a料ఱ䜜䛛䛾
はJIS
SNCM439鋼であり、䜢⟬ᐃ
Tempering
0.2%Y.S.
T.S.
EL.21
R.A.64
T65650725890᭱ᑠ್
Designation
850 ℃ (c)で䝷䜲䝆䞁䜾䝻䞊䝗ヨ㦂
2 時 間 加 熱䜘䜚◚ቯ後㐜䜜๭䜜ヨ㦂に 30 ℃ /min で 冷 却 し、(d)(MPa)
(MPa)
(%)
(%)
Temp.(oC)㝈⏺a䜢⟬ᐃ(◚ቯ㠎ᛶヨ㦂䠅(d) 㐜䜜๭䜜ヨ㦂䝷䜲䝆䞁䜾䝻䞊䝗ヨ㦂
570℃～(c)650℃で4 時間の焼戻しを行った。熱処理
T575700
8844992
115599(◚ቯ㠎ᛶヨ㦂䠅
T61
610
813
960
1864
後の引張試験結果を表 1 に示す。引張強さは 890
T65650725890
2164～ 992MPaである。
ᅗ1⵳ᅽჾ䛾Ᏻ඲ᛶホ౯ヨ㦂
図 3 に K IH 測定法の模式図を示す。ライジング㻌ロード試験は、低速度で荷重を負荷してき裂の進㻌展開始を評価する手法である。1T-C(T) 試験片を用いて、疲労予き裂を導入後に大気中及び 90MPa 水኱Ẽ୰1000h㝈⏺䛝⿣῝䛥㻔㻷㻌㻩㻷㻵㻴㻕኱Ẽ୰
1000h
素ガス中で、開口変位速度が0.0002mm/s（dK /dt㝈⏺䛝⿣῝䛥㻔㻷㻌㻩㻷㻵㻴㻕
1/2=0.06MPa·m /s）となるように制御して実施した。
Ỉ⣲୰Ỉ⣲୰Ỉ⣲୰
大気中及び水素中の荷重 - 変位曲線を比較し、両曲 P PỈ⣲୰⑂ປ䛝⿣㐍ᒎ㏿ᗘホ౯Ⅼ
線の分岐点が水素の影響が認められ始める（き裂進⑂ປ䛝⿣㐍ᒎ㏿ᗘ
ホ౯Ⅼ䠄㼐䠄㼐㼍㻛㼐㻺㻌䠅㻺㻌䠅㼍㻛㼐ホ౯Ⅼホ౯Ⅼ展の開始）点と判断し、そのときのき裂長さと荷重᫬㛫 ᫬㛫チᐜ⧞䜚㏉䛧ᩘチᐜ⧞䜚㏉䛧ᩘึᮇḞ㝗ึᮇḞ㝗㛤ཱྀኚ఩からK IH を求めた。
㛤ཱྀኚ఩定変位遅れ割れ試験は、アメリカ機械学会で制⧞䜚㏉䛧ᩘ⧞䜚㏉䛧ᩘ
䠄a䠅䝷䜲䝆䞁䜾䝻䞊䝗䠄b䠅ᐃኚ఩㐜䜜๭䜜ヨ㦂䠄a䠅䝷䜲䝆䞁䜾䝻䞊䝗䠄b䠅ᐃኚ఩㐜䜜๭䜜ヨ㦂
定された高圧水素ガスの輸送と貯蔵用容器に対す:ASME Sec. Ⅷ Div.3 KD105) に採図 3 K IHK測定法の模式図ᅗ3ᐃἲ䛾ᶍᘧᅗ
ᅗ2 る特別な要求事項⑂ປ䛝⿣㐍ᒎホ౯䛾ᶍᘧᅗIH IH
用されている試験法である。1T-MC(W) 試験片を用いて、酸素量を 0.3ppm 以下となるように制御したグローブボックス内でボルトロードにより荷重を㻝㻞㻜䝷䜲䝆䞁䜾䝻䞊䝗
䝷䜲䝆䞁䜾䝻
䝗
負荷した。初期に負荷する K I 値は 70 ～ 140MPa・㻌ᐃኚ఩㐜䜜๭䜜㻝㻜㻜
m1/2 とし、90MPa 水素ガス中に 1000h 保持した。
㻤㻜保持中にき裂が進展した場合は、き裂進展に伴って荷重が減少し、き裂先端の K I 値が減少すること㻢㻜でき裂が停止する。1000h 保持後に試験片のき裂
㻠㻜進展を観察し、き裂の進展がそれ以上進まない（止まる）点におけるき裂長さと開口変位量から K IH を㻞㻜㻿㻺㻯㻹㻠㻟㻥㻥㻜㻹㻼㼍 㻴㻞㻥㻜㻹㻼㼍㻌㻴求めた。なお、予き裂先端からき裂が進展しない試㻜験片については評価から除外した。
㻤㻡㻜㻥㻜㻜㻥㻡㻜㻝㻜㻜㻜㻝㻜㻡㻜ᘬᙇᙉ䛥䠄㻹㻼㼍䠅
各試験法により測定した K IH と引張強さの関係を
図 4 に示す。高強度材（T.S.992MPa）では両測定
図 4 引張強さと K IH の関係法による K IH はほぼ同等であり、K IH は約 30MPa・1/2m である。大気中における破壊じん性値 K IC は約150MPa・m1/2 であり、大気中に比べて水素中では㻌㻌ᐃኚ఩㻌㻌㻌䝷䜲䝆䞁䜾㻌㻌㻌㻌㼀㻚㻿㻚
より小さい K I 値からき裂が進展する。両試験法と㐜䜜๭䜜㻌㻌䚷䝻䞊䝗㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻔㻹㻼㼍㻕㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻥㻥㻞㻌㻌㻌も強度の低下に伴って K IH は上昇するが、測定法の㻝㻞㻜㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌
㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻥㻢㻜㻥㻢㻜㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻤㻥㻜違いによる影響が大きくなり、ライジングロード試
㻝㻜㻜験法は定変位遅れ割れ試験法に比べて K IH が小さい㻤㻜傾向である。
㻢㻜
蓄圧器に用いる他の鋼種においても同様の傾向
㻠㻜が見られており、ライジングロード試験で得られるK IH を用いることで、より安全な評価ができる可能
㻞㻜
性がある。
㻜㻜㻡㻝㻜
㻝㻡
㻞㻜
試験方法によって K IH が異なる要因として、ライ'㼍㻴㻌䠄㼙㼙䠅
ジングロード試験ではき裂の進展開始時を評価し
図 5 水素中き裂進展量と K IH の関係ているのに対して、定変位遅れ割れ試験ではき裂のIC

IH-R
IC

IH-H

crcrⲴ㔜

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Ⲵ㔜Ⲵ㔜

㻌

㻌

ᅗ3 Kᐃἲ䛾ᶍᘧᅗ㻝㻛㻞㻷㻵㻴䠄㻹㻼㼍䞉䞉㼙 䠅ᅗ2 ⑂ປ䛝⿣㐍ᒎホ౯䛾ᶍᘧᅗ㻷㻵㻴䠄㻹㻼㼍䞉㼙㼙㻝㻛㻞䠅㻌䛝⿣῝䛥䛝⿣῝䛥

ᅗ1 ⵳ᅽჾ䛾Ᏻ඲ᛶホ౯ヨ㦂3JRCM NEWS No.343

進展停止時を評価している違いが挙げられる。進展き裂の評価においては、き裂周りに生じる塑性変形領域が影響することが指摘されており 4)、このため、定期的なき裂の検査を行い、検査毎に（検出可能な）き裂がないことを確認して継続的に使用することで、経済性と安全性の両立が可能になると考えられる。

れらの影響はき裂進展量が大きいほど大きくなると推察される。図 5 に本測定結果を水素中での進展き裂長さΔa H と K IH の関係で整理した結果を示す。Δa H>0 領域にプロットしたのが定変位遅れ割れ試験の結果であり、初期に負荷する K I 値を変えることで、き裂進展量を変化させている。定変位遅れ割れ試験では、き裂進展量の増加に伴って K IHが高く評価される傾向が見られる。Δa H=0 にライジングロード試験の結果をプロットしている。定変位遅れ割れ試験結果をΔa H=0 に外挿した値はライジングロード試験の結果と一致する傾向であり、これらをき裂進展に伴う影響を含まない K IH と見なせば、ライジングロード試験と定変位遅れ割れ試験は同等の K IH を評価している可能性が考えられる。
以上の結果から、水素蓄圧器の K IH の把握にお4.

おわりに蓄圧器用部材である SNCM439 鋼を用いて、K IHに及ぼす試験方法の影響について検討した結果を紹介した。水素蓄圧器の K IH の把握においては、ライジングロード試験を用いることで評価を簡略化できる可能性が示された。
今後も水素環境中における低合金鋼の評価を進め、基準化・標準化に資するデータを蓄積したいと考えている。
参考文献
1) 大西敬三ら , 金属学会会報 , Vol.8, No.9 (1969),5762) 経済産業省 , 水素充填設備における水素の漏えい事故に係る蓄圧器のき裂貫通原因調査結果報
告書 , 20153) 和田洋流ら , 日本製鋼所技報 , No.65, 20144) 日本圧力容器研究会議 (JPVRC) 材料部会水素脆化専門委員会 Task Group V, 日本鉄鋼協会 ,1989.105) ASME Boiler & Pressure Vessel Code, Sec.VIII
Div.3, ARTICLE KD10, 2013

いては、1000h 以上かかる定変位遅れ割れ試験ではなく、ライジングロード試験を用いることで評価を簡略化できる可能性が示された。しかし、遅れ破壊挙動についてはよく判っていない点も多く、詳細なき裂進展挙動の把握などが課題である。
今後、燃料電池自動車の普及によって、蓄圧器に要求される寿命も増加すると予想される。上記の疲労き裂進展評価は初期き裂が存在することを仮定した機器の寿命であり、想定するサイズのき裂が存在しても安全を確保できる寿命である。そお知らせ【人事異動】○平成 27 年 3 月 31 日付け
村木 峰男[ 旧 ] 磁性材料研究部 部長[ 新 ]JFE スチール株式会社○平成 27 年４月 1 日付け中丸 裕樹[ 旧 ]JFE スチール株式会社[ 新 ] 磁性材料研究部 部長［新人紹介］① 出生地 ② 生年月日 ③ 最終学歴
④ 職歴 ⑤ 仕事に対する期待 ⑥ 趣味、特技、資格等

中丸裕樹 （なかまる ひろき）
①東京都三鷹市② 1958 年 9 月生れ③北海道大学理学部化学科修士卒④ 1986 年 川 崎 製 鉄（現 JFE スチール）に入社。技術研究所表面処理研究室に配属。以
後一貫して、自動車・家電・建材・The Japan Research and Development Center for Metals

JRCM NEWS ／第 343 号

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容器等、薄鋼板の表面処理技術開発を担当。1993 年より 2 年間英国マンチェスター理工化大学博士課程留学。2012 年より缶ラミネート材料研究部長。
⑤これまで一企業としての利益に繋がる開発研究に取り組んできた。今回、より広く社会全般に貢献し得る技術開発に関わることにやりがいを感じる。全力で取り組みたい。
⑥ 1995 年学位取得（Ph.D.）。ス
ポーツ全般と PC-DIY。

2015 年 5 月 1 日
小紫 正樹
一般財団法人 金属系材料研究開発センター〒 105-0003 東京都港区西新橋一丁目 5 番 11 号 第 11 東洋海事ビル 6 階

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