JP2017020804A - 試料作製方法および試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】資材として使用する時の形状を維持したまま金属材料の水素透過試験を行うこと。【解決手段】金属材料２１を資材として使用する時の形状を維持した水素侵入面２１ａと対向する水素検出面２１ｂを平面状に切り出して、該金属材料２１の該水素侵入面２１ａおよび該水素検出面２１ｂ以外の側面２１ｃを、リード線２４の一方の端を取り付けた後に絶縁し、絶縁材料で形成され上下面が開口した筒状のアクリル容器２２の内側に、金属材料２１を水素検出面２１ｂを下に向けて設置し、リード線２４の他方の端を、該アクリル容器２２の側面に形成された穴から該アクリル容器２２の外側に取り出し後に該穴が塞ぎ、アクリル容器２２に、金属材料２１の水素侵入面２１ａが露出するように硬化性樹脂２３を流し込み、該硬化性樹脂２３が固化した後に、該硬化性樹脂２３の下面を研磨して金属材料２１の水素検出面２１ｂを露出させる。【選択図】図１

Description

本発明は、試料作製方法および試験装置に関する。

近年、建築資材として高強度鋼材の需要が高まっているが、強度が１１８０ＭＰａ以上の高強度鋼材には、水素脆化感受性が高く、水素脆化による遅れ破壊が生じやすい。水素脆化は、水素が侵入した金属材料に引張応力がかかることにより進行する。そのため、金属中に侵入する水素量を把握することが重要である。

従来、水素侵入量の評価を行う水素透過試験は、図６に例示する試験装置１０を用いて、カソード分極で水素を発生するカソード槽１１と、アノード分極で水素が引き抜かれるアノード槽１２との間に、平板状の試料すなわち金属材料２１を挟み込むことにより行われている。具体的に、金属材料２１のカソード槽１１側の面で水素を発生させて金属中に水素を侵入させ、アノード槽１２側の面で水素元素を引き抜ける電位を付与して金属中を透過した水素酸化する際の電流を検出して測定し、水素の侵入のしやすさや拡散係数等の評価が行われている（非特許文献１，非特許文献２参照）。

M.A.V.Devanathan，Z.Stachurski，"The adsorption and diffusion of electrolytic hydrogen in palladium"，Proc.Roy.Soc.London，Ser.A，1962年，第270，pp.90-102 多田英司，水流徹，"鋼中への水素吸収の電気化学と水素脆化"ふぇらむ，2012年，巻17，pp.573-580

しかしながら、上記の従来手法では、金属材料２１を試験装置１０に設置する際、Ｏリング状のガスケット３を用いてカソード槽１１とアノード槽１２との間に挟み込んで密接させる必要があるため、平板形状の試料に限定されていた。そのため、表面に溝加工された試料や、例えば円柱状等の平板形状ではない試料を試験装置１０に設置できず、平板形状に研削加工する必要があった。したがって、表面形状や表面の皮膜状態が水素侵入に及ぼす影響の評価ができないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、資材として使用する時の形状を維持したまま金属材料の水素透過試験を行うことを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る試料作製方法は、金属材料の水素侵入面で発生して該金属材料に侵入した水素を該金属材料の水素検出面で検出する水素透過試験に使用する試料を作製する試料作製方法であって、前記金属材料を資材として使用する時の形状を維持した前記水素侵入面と対向する前記水素検出面を平面状に切り出して、該金属材料の該水素侵入面および該水素検出面以外の側面を、リード線の一方の端を取り付けた後に絶縁する第１工程と、絶縁材料で形成され上下面が開口した筒状の容器の内側に、前記金属材料を前記水素検出面を下に向けて設置して、前記リード線の他方の端を、該容器の側面に形成された穴から該容器の外側に取り出した後に該穴を塞ぐ第２工程と、前記容器に、前記金属材料の前記水素侵入面が露出するように硬化性樹脂を流し込み、該硬化性樹脂が固化した後に、該容器の下面を研磨して前記金属材料の前記水素検出面を露出させる第３工程と、を含んだことを特徴とする。

本発明によれば、資材として使用する時の形状を維持したまま金属材料の水素透過試験を行うことができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る試験装置の概略構成を示す模式図である。 図２Ａは、第１の実施形態の試料作製処理手順を説明するための図である。 図２Ｂは、第１の実施形態の試料作製処理手順を説明するための図である。 図２Ｃは、第１の実施形態の試料作製処理手順を説明するための図である。 図２Ｄは、第１の実施形態の試料作製処理手順を説明するための図である。 図２Ｅは、第１の実施形態の試料作製処理手順を説明するための図である。 図２Ｆは、第１の実施形態の試料作製処理手順を説明するための図である。 図３は、実施例の結果を示す図である。 図４Ａは、第２の実施形態の試料作製処理手順を説明するための図である。 図４Ｂは、第２の実施形態の試料作製処理手順を説明するための図である。 図４Ｃは、第２の実施形態の試料作製処理手順を説明するための図である。 図５は、第２の実施形態の試験装置の概略構成を示す模式図である。 図６は、従来の試験装置の概略構成を例示する模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。

［第１の実施形態］
［試験装置の構成］
図１は、第１の実施形態に係る試験装置の概略構成を示す模式図である。図１に示すように、試験装置１は、カソード槽１１、アノード槽１２、ポテンショスタット（Ｐｏｔｅｔｉｏｓｔａｔ）／ガルバノスタット（Ｇａｌｂａｎｏｓｔａｔ）１３、ＰＣ１４、対極１５、および参照極１６を備える。そして、水素透過試験が実施される際には、カソード槽１１とアノード槽１２との間に試料２がガスケット３を介して密接に挟み込まれる。

カソード槽１１では、カソード分極により水素が発生する。アノード槽１２では、アノード分極で金属の表面に到達した水素が引き出される。ポテンショスタット（Ｐｏｔｅｎｔｉｏｓｔａｔ）１３は、ＰＣ１４の制御により、作用極である金属試料２１の電位を参照極１６に対して一定に制御する。ガルバノスタット（Ｇａｌｂａｎｏｓｔａｔ）１３は、作用極から対極１５に流れる電流を一定に制御する。

試料２は、金属材料２１、アクリル容器２２、硬化性樹脂２３、リード線２４を備え、試験対象の金属材料２１が円筒状あるいは角筒状等の筒状のアクリル容器２２の内部に硬化性樹脂２３で固定されている。アクリル容器２２の両端面は、肉厚部分がＯリング等のガスケット３によりカソード槽１１およびアノード槽１２に密着される。リード線２４は、一方の端が金属材料２１にはんだ付けまたは溶接により取り付けられており、試験装置１に設置された際、他方の端がポテンショスタット／ガルバノスタット１３に接続される。これにより、金属材料２１が作用極となる。

このように構成され試料２が設置された試験装置１では、金属材料２１のカソード槽１１側の面すなわち水素侵入面２１ａで発生した水素が金属材料２１中に吸収される。また、金属材料２１のアノード槽１２側の面すなわち水素検出面２１ｂで、水素元素を引き出せる電位が付与され、金属材料２１中を透過した水素が酸化する。試験装置１は、酸化した水素を電流として検出して測定し、測定された水素透過電流値が水素吸収量や水素拡散係数の推定に利用される。

なお、後述するように、試料２のアノード槽１２側では、金属材料２１が平面状に露出している。一方、試料２のカソード槽１１側すなわち水素侵入側では、金属材料２１を資材とし使用する時の形状すなわち製品の形状や表面状態が維持されている。これにより、金属材料２１を資材として使用する時の形状を維持したまま試験装置１に設置して水素透過試験を行うことができる。

［試料作製処理］
次に、図２Ａ〜図２Ｆを参照して、第１の実施形態の試料作製処理手順について説明する。試料作製処理は、第１工程と、第２工程と、第３工程とを含む。

［第１工程］
第１工程では、金属材料２１を資材として使用する時の形状を維持した水素侵入面２１ａと対向する水素検出面２１ｂが平面状に切り出され、該金属材料２１の該水素侵入面２１ａおよび該水素検出面２１ｂ以外の側面２１ｃが、リード線２４の一方の端を取り付けた後に絶縁される。

具体的に、まず、金属材料２１が切り出される（図２Ａ）。本実施形態では、柱状鋼材が長さ方向に切断される。この場合に、平面状の切断面が水素検出面２１ｂとなり、柱状鋼材の周面が水素侵入面２１ａとなる。すなわち、水素侵入面２１ａでは、金属材料２１を資材として使用する時の形状が維持されている。

次に、金属材料２１の水素侵入面２１ａでも水素検出面２１ｂでもない側面２１ｃに、リード線２４の一方の端がはんだ付けや溶接等により取り付けられる（図２Ｂ）。そして、リード線２４が取り付けられた面を含む側面２１ｃが、樹脂等を塗布して絶縁される（図２Ｃ）。

［第２工程］
第２工程では、絶縁材料で形成され上下面が開口した筒状のアクリル容器２２の内側に、金属材料２１が水素検出面２１ｂを下に向けて設置されて、リード線２４の他方の端が、該アクリル容器２２の側面に形成された穴２５から該アクリル容器２２の外側に取り出された後に該穴２５が塞がれる。

具体的に、円筒状または角筒状等の筒状のアクリル容器２２の内側に、金属材料２１が平面状に切り出された水素検出面２１ｂを下に向けて設置される。次に、アクリル容器２２の側面に形成されたリード線２４取り出し用の穴２５から、リード線２４の他方の端すなわち解放端がアクリル容器２２の外側に取り出される。その後、リード線２４取り出し用の穴２５が樹脂等で塞がれる（図２Ｅ）。

［第３工程］
第３工程では、アクリル容器２２に、金属材料２１の水素侵入面２１ａが露出するように硬化性樹脂２３が流し込まれ、該硬化性樹脂２３が固化した後に、該硬化性樹脂２３の下面が研磨され金属材料２１の水素検出面２１ｂが露出する（図２Ｅ）。

具体的に、アクリル容器２２に硬化性樹脂２３が流し込まれる。その際、硬化性樹脂２３を流し込んだ後に露出している水素侵入面２１ａが所定の表面積になるように、流し込む硬化性樹脂２３の量が調整される。本実施形態では、流し込む硬化性樹脂２３の量は、目視等により容易に調整可能である。

その後、硬化性の樹脂２３が固化したら、硬化性樹脂２３の底面が研磨され、金属材料２１の水素検出面２１ｂが露出させられる（図２Ｆ）。

なお、図２Ｄに例示するように、アクリル容器２２の内側に先に硬化性樹脂２３を流し込んでおいてもよい。その場合には、その後にリード線２４が取り付けられた金属材料２１を水素検出面２１ｂを下に向けて浸漬した際に、露出している水素侵入面２１ａが所定の表面積になるように、流し込んでおく硬化性樹脂２３の量が調整される。

また、露出した水素侵入面２１ａの表面積は、幾何学上の計算により算出、あるいは光学走査等により測定すればよい。アクリル容器２２へ設置する前に算出あるいは測定された表面積から、硬化性樹脂２３注入量から算出される浸漬部分の表面積を減じることにより求めてもよい。

以上、説明したように、本実施形態の試料作製処理では、まず、金属材料２１を資材として使用する時の形状を維持した水素侵入面２１ａと対向する水素検出面２１ｂが平面状に切り出され、該金属材料２１の該水素侵入面２１ａおよび該水素検出面２１ｂ以外の側面２１ｃが、リード線２４の一方の端を取り付けた後に絶縁される。次に、絶縁材料で形成され上下面が開口した筒状のアクリル容器２２の内側に、金属材料２１が水素検出面２１ｂを下に向けて設置され、リード線２４の他方の端が、該アクリル容器２２の側面に形成された穴２５から該アクリル容器２２の外側に取り出された後に該穴２５が塞がれる。次に、アクリル容器２２に、金属材料２１の水素侵入面２１ａが露出するように硬化性樹脂２３が流し込まれ、該硬化性樹脂２３が固化した後に、該硬化性樹脂２３の下面が研磨されて金属材料２１の水素検出面２１ｂが露出させられる。

これにより、本実施形態の試料作製処理によれば、金属材料２１の水素侵入面２１ａを資材として使用する時の形状を維持したまま試験装置１に設置する試料２を作製することができる。また、本実施形態の試験装置１では、金属材料２１の水素侵入面２１ａを資材として使用する時の形状を維持したまま設置して、水素透過試験を行うことができる。

［実施例］
図３は、以下に示す条件下における実施例の結果を例示する図である。本実施例では、直径９ｍｍの丸棒鋼材を縦に半分に切断したものを金属材料２１として、試料２を作製した。この金属試料２１を作用極とし、参照極１６は銀塩化銀電極、対極１５は白金電極として、水素透過試験を行った。また、水素侵入側の電位は−１２００ｍＶ ｖｓ Ａｇ／ＡｇＣｌ、水素検出側の電位は＋１００ｍＶ ｖｓ Ａｇ／ＡｇＣｌとした。

図３において、侵入側電圧とは、金属試料２１の水素侵入面２１ａで水素を発生させるための電位を示す。また、検出電流とは、金属材料２１中に侵入し水素検出面２１ｂに到達した水素を検出した電流値を示す。本実施例において、検出電流が時間とともに増加しているのは、ｐＨの変化や、表面の酸化被膜の状態変化等によるものと考えられる。なお、本実施例では、侵入側電圧が４０ｈ過ぎに負荷されなくなったことに伴って、水素の侵入量が低下し検出電流が低下している。

本実施例の結果を、図示しない従来の試験装置１０による結果と比較すると、検出電流の値が小さく増加も遅い。これは、金属材料２１の水素侵入面２１ａの表面に残る黒皮の影響によるもの、また、金属試料２１の形状が半円柱状であり、水素侵入面２１ａから水素検出面２１ｂまでの水素侵入経路の距離に分布があるためと考えられる。このように、本実施例では、柱状鋼材の表面状態や表面形状が水素侵入に及ぼす影響を確認できることがわかった。

［第２の実施形態］
上記した第１の実施形態のアクリル容器２２の代わりに、型枠を用いて上記した第３工程まで実行した後に、この型枠を外してもよい。この場合の試料作製処理手順について、図４Ａ〜図４Ｃを参照して説明する。なお、型枠は、硬化性樹脂２３から剥がし易いシリコン等を素材とする。また、第１工程は第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。

第２工程では、絶縁材料で形成され上下面が開口した筒状の型枠２２０の内側に、金属材料２１が水素検出面２１ｂを下に向けて設置される（図４Ｂ）。

本実施形態では、リード線２４の他方の端すなわち解放端が、該型枠２２０の側面に形成された穴２５から該型枠２２０の外側に取り出される。その際、後述する第３工程で型枠２２０を取り外すために、リード線２４の解放端を型枠２２０の外側に取り出した後に、型枠２２０にリード線２４取り出し用の穴２５を樹脂等で塞ぐことはしない。また、第１工程で取り付けられるリード線２４の取り付け位置は、第３工程で型枠２２０に流し込まれる硬化性樹脂２３に浸漬する位置とする。

なお、穴２５は必ずしも必要ではない。型枠２２０に穴２５が形成されていない場合には、後述する第３工程で硬化性樹脂２３を流し込む場合に、リード線２４の解放端が硬化性樹脂２３に浸漬しないようにする。

第３工程では、型枠２２０に、金属材料２１の水素侵入面２１ａおよびリード線２４の他方の解放端が露出するように硬化性樹脂２３が流し込まれ、該硬化性樹脂２３が固化した後に、該型枠２２０が取り外され、硬化性樹脂２３の下面が研磨され金属材料２１の水素検出面２１ｂが露出する（図４Ｃ）。

流し込む硬化性樹脂２３の量の調整は、上記した第１の実施形態と同様に行われる。これにより、硬化性樹脂２３と金属材料２１とが一体化した、よりコンパクトな試料２０が作製される。

なお、第１の実施形態の図２Ｄと同様に、図４Ａに例示するように、型枠２２０の内側に金属材料２１が設置される前に硬化性樹脂２３を流し込んでおいてもよい。この場合にも、流し込む硬化性樹脂２３の量の調整は、上記第１の実施形態と同様に行われる。

作製された試料２０は、図５に例示するようにして試験装置１に設置される。すなわち、硬化性樹脂２３の両面がＯリング等のガスケット３によりカソード槽１１およびアノード槽１２に密着される。なお、ガスケット３の代わりに接着剤等を用いて、硬化性樹脂２３の両面をカソード槽１１およびアノード槽１２に密着させてもよい。

上記の第１の実施形態の試料２が試験装置１に設置された場合に、カソード槽１１で水素の発生量が多いと、アクリル容器２２の内側に水素の気泡が残留して液面が低下する場合がある。これに対し、第２の実施形態では、カソード槽１１で水素の発生量が多い場合にも、水素の気泡がカソード槽１１に排出されるので、水素侵入面２１ａでの液面の低下のおそれがない。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述および図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、実施例および運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

１ 試験装置
１１ カソード槽
１２ アノード槽
１３ ポテンショスタット／ガルバノスタット
１４ ＰＣ
１５ 対極
１６ 参照極
２，２０ 試料
２１ 金属材料
２１ａ 水素侵入面
２１ｂ 水素検出面
２１ｃ 側面
２２ アクリル容器
２２０ 型枠
２３ 硬化性樹脂
２４ リード線
２５ 穴
３ ガスケット

Claims (5)

1. 金属材料の水素侵入面で発生して該金属材料に侵入した水素を該金属材料の水素検出面で検出する水素透過試験に用いられる試料を作製する試料作製方法であって、
   前記金属材料を資材として使用する時の形状を維持した前記水素侵入面と対向する前記水素検出面を平面状に切り出して、該金属材料の該水素侵入面および該水素検出面以外の側面を、リード線の一方の端を取り付けた後に絶縁する第１工程と、
   絶縁材料で形成され上下面が開口した筒状の容器の内側に、前記金属材料を前記水素検出面を下に向けて設置して、前記リード線の他方の端を、該容器の側面に形成された穴から該容器の外側に取り出した後に該穴を塞ぐ第２工程と、
   前記容器に、前記金属材料の前記水素侵入面が露出するように硬化性樹脂を流し込み、該硬化性樹脂が固化した後に、該硬化性樹脂の下面を研磨して前記金属材料の前記水素検出面を露出させる第３工程と、
   を含んだことを特徴とする試料作製方法。
2. 前記第２工程に先立って前記容器に前記硬化性樹脂を流し込み、
   前記第２工程は、前記硬化性樹脂が流し込まれた容器の内側に、前記金属材料を前記水素検出面を下に向けて設置して、前記リード線の他方の端を、該容器の側面に形成された穴から該容器の外側に取り出した後に該穴を塞ぎ、
   前記第３工程は、前記硬化性樹脂が固化した後に、該硬化性樹脂の下面を研磨して前記金属材料の前記水素検出面を露出させることを特徴とする請求項１に記載の試料作製方法。
3. 金属材料の水素侵入面で発生して該金属材料に侵入した水素を該金属材料の水素検出面で検出する水素透過試験に用いられる試料を作製する試料作製方法であって、
   前記金属材料を資材として使用する時の形状を維持した前記水素侵入面と対向する前記水素検出面を平面状に切り出して、該金属材料の該水素侵入面および該水素検出面以外の側面を、リード線の一方の端を取り付けた後に絶縁する第１工程と、
   上下面が開口した筒状の型枠の内側に、前記金属材料を前記水素検出面を下に向けて設置する第２工程と、
   前記型枠に、前記金属材料の前記水素侵入面および前記リード線の他方の端が露出するように硬化性樹脂を流し込み、該硬化性樹脂が固化した後に、該型枠を取り外し、該硬化性樹脂の下面を研磨して前記金属材料の前記水素検出面を露出させる第３工程と、
   を含んだことを特徴とする試料作製方法。
4. 前記第２工程に先立って前記型枠に前記硬化性樹脂を流し込み、
   前記第２工程は、前記硬化性樹脂が流し込まれた型枠の内側に、前記金属材料を前記水素検出面を下に向けて設置し、
   前記第３工程は、前記硬化性樹脂が固化した後に、該型枠を取り外し、該硬化性樹脂の下面を研磨して前記金属材料の前記水素検出面を露出させることを特徴とする請求項３に記載の試料作製方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の試料作製方法により作製された試料を用いて水素透過試験を行うことを特徴とする試験装置。

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