| 研究課題/領域番号 |
22K03816
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| 研究機関 | 広島工業大学 |
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研究代表者 |
日野 実 広島工業大学, 工学部, 教授 (70510486)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| キーワード | アルミニウム合金 / 水素脆性 / 表面処理 / 疲労試験 / 水素分析 |
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| 研究実績の概要 |
政府が掲げる2050年までのカーボンニュートラルに向け、水素を2次エネルギーとして活用する動きが活発化しており、今後、水素の貯蔵・運搬・利用の各工程において、構造金属材料と水素との接触するケースが増加すると予想される。そのため、水素環境で優れた機械的特性を発揮する金属材料の開発が重要な課題となっている。軽量金属材料であるアルミニウム合金は、鉄鋼材料と比較し、環境由来の水素脆性に対して高い耐性をもつ構造金属材料として位置づけられている。しかし、これまで特定のめっきによってアルミニウム合金中に吸蔵された内在水素が疲労強度を大幅に低下させることを明らかにした。
そこで、本研究では、アルミニウム合金の機械的特性に及ぼすめっきによる内在水素の影響を明らかにするとともに、水素脆性のメカニズムを解明する。さらに水素脆性の生じない表面処理を開発し、水素社会構築を実現し、カーボンニュートラルの達成を目指す。2022年度の研究では、各種展伸材用アルミニウム合金に対して無電解ニッケル－リンめっきおよび電気亜鉛めっきを行い、疲労強度に及ぼす各種めっきの影響を調査した。また、めっきによる内在水素について、昇温脱離水素分析装置を用い、めっき前後の放出水素を測定し、水素脆性へ関与する水素の存在状態を明らかにすることによって疲労強度の低下メカニズムの解明を行った。その結果、各種アルミニウム合金に対して無電解ニッケル－リンめっきおよび電気亜鉛めっきを施すことによってアルミニウム合金中に水素が吸蔵されることがわかった。アルミニウム合金の疲労強度に及ぼす各種めっきの影響は、アルミニウム合金の種類およびめっき種類によって大きく異なることが明らかになった。疲労強度の低下にはアルミニウム合金中の水素の存在状態が大きく関わっていることが判明した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
4種類の展伸材用アルミニウム合金（2017-T4、5052-H14、6061-T6、7075-T6511）に対して、3種類の無電解ニッケル－リンめっき（低リンタイプ;リン含有量1.6mass%、中リンタイプ;リン含有量8.5mass%、高リンタイプ;リン含有量11.0mass%）および電気亜鉛めっき（硫酸酸性浴）を平均膜厚が10μmになるよう施した。なお、アルミニウム合金は直ぐに酸化皮膜が形成されるため、めっき皮膜の密着性向上を目的とし、めっき前処理にはダブルジンケート処理を適用した。めっき処理前後の試験片について、回転曲げ疲労試験および半導体水素センサーガスクロマトグラフィー型昇温脱離水素分析装置による水素測定を行った。
回転曲げ疲労試験の結果、中リンタイプおよび高リンタイプの無電解ニッケル－リンめっきを行った全てのアルミニウム合金の疲労強度は、未処理のそれよりも低下し、特に高リンタイプの疲労強度は大幅に低下した。一方、低リンタイプの無電解ニッケル－リンめっきを行った全てのアルミニウム合金の疲労強度は、未処理のそれよりも向上した。その他、亜鉛めっきを行った全てのアルミニウム合金の疲労強度は、未処理のそれよりも僅かに低下し、アルミニウム合金の種類に関わらず、めっきの種類によって疲労強度が大きく変化することが判明した。
水素測定の結果、無電解ニッケル－リンめっきでは皮膜のリン量の違いに関わらず、アルミニウム基材に水素が取込まれ、電気亜鉛めっきも同様に水素が取込まれた。無電解ニッケル－リンめっきによるアルミニウム合金の疲労強度の低下は、めっきによって基材中に取込まれた水素に基づくことを明らかにした。なお、合金の種類およびめっきの種類により水素放出挙動は異なることから、めっきによって取込まれた水素の存在状態が疲労強度に強く影響することが予想された。
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| 今後の研究の推進方策 |
2022年度の研究において、中リンタイプおよび高リンタイプの無電解ニッケル－リンめっきを各種アルミニウム合金に施すことによって疲労強度が低下することを明らかにした。また、水素測定の結果から、めっきによって基材中に取込まれた水素が疲労強度の低下を誘引し、アルミニウム合金も水素脆性が生じることを示した。
2023年度の研究では、各種アルミニウム合金に対して高リンタイプおよび低リンタイプの無電解ニッケルめっきならびに電気亜鉛めっきを行い、低ひずみ速度三点曲げ試験による水素脆性評価を行い、水素脆性に及ぼす無電解ニッケルめっきの影響を明らかにする。2022年度の研究で得られた疲労結果と比較し、機械的特性に及ぼすめっきによって基材に取込まれた水素の影響について、低ひずみ速度三点曲試験の静的な荷重と疲労試験の動的荷重の違いを明らかにし、アルミニウム合金の水素脆性メカニズムを解明する。特に2022年度の研究において、鉄鋼材料に対して水素脆性を誘引する亜鉛めっきが、アルミニウム合金の疲労強度への影響は僅かであった結果は水素脆性のメカニズムの解明に役立つものと期待している。
2024年度の研究では、2023年度の研究において明らかにする水素脆性メカニズムに基づき、アルミニウム合金に対して水素脆性フリー、高耐食性表面処理技術を確立する。具体的に、アルミニウム合金に対してリン含有量の異なる無電解ニッケルめっき、亜鉛系めっき、複合めっきおよび陽極酸化処理等を行い、最適な水素脆性フリー、高耐食性表面処理技術を確立する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
予定していたベーキング炉が低額で購入できたため。また、予定していた切断機は既存の設備で対応できたため購入しなかったが、何時、使用ができなくなるかわからない状態であり、2023年度、購入予定である。
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