水素による金属材料の劣化に抗うための取り組み〜水素脆化〜

2022年10月4日 07:00

皆さんは「水素脆化」という言葉をご存知ですか？

金属内部に存在する水素が何らかの悪影響を起こし、金属の破壊形態が「延性破壊」から「脆性破壊」に遷移することを言います。

実は、水素脆化の詳しいメカニズムはまだ解明されていません。何とも厄介な現象ではありますが、金属（構造物）の安全性に大きく関わる問題であるため、現場では様々な対策が取られています。

今回は水素脆化の特徴と対応策について説明します。

延性破壊と脆性破壊

本題に入る前に、延性破壊と脆性破壊について説明します。ポイントは「どれだけ塑性変形が進行するか」ということです。

金属材料の変形は、荷重（外力）を解放すると元の形状に戻る「弾性変形」と、解放しても元に戻らない「塑性変形」の２種類があります。

荷重を与えた直後は弾性変形の範囲であり、応力とひずみの関係を表すグラフは線形（直線）です。これがある段階（降伏など）を迎えると、塑性変形の範囲に遷移します。このとき、応力とひずみの関係を表すグラフは非線形（曲線）になります。

この「降伏」を迎えた時の応力を以て「強度」と表します。強度は金属材料の特性を表す重要な指標ですが、それと同じくらい重要なのが「延性」です。

延性は先ほどの「どれだけ塑性変形が進行するか」を表したものであり、延性が高い状態（塑性変形を十分に伴いながら破断すること）を延性破壊と言います。

一方で、延性が低い状態（塑性変形をあまり伴わずに破断すること）を脆性破壊と言います。

一般的に金属は粘り強さがあり、ガラスのように砕け散ることはありません。このような破壊形態こそが、延性破壊のひとつの特徴です。

水素脆化は構造物のメッキ工程において水素が金属材料に吸収されたり、環境中の硫化物による触媒的作用を介して金属材料に水素が吸収されたりすることで、引き起こされます。

水素脆化により、塑性変形を伴わずに構造物は破壊します。これは、静的な荷重を受けている場合に突然破断することを意味します。前兆も現れないので、想定外の破断を起こすことで、大変なトラブルにつながります。

製品の製造工程でこの現象が発生すると、製品の品質の低下を招き、不良率が増加します。最も怖いのは、水素脆化で一部が壊れたことに気づかずに納品したり、納品した製品が突然壊れて事故を引き起こすケースです。

顧客に納品した製品でこのような事態が起これば、企業に対する信頼の低下は避けられず、受注量の減少や減益にもつながりかねません。

水素脆化は強度の高い金属材料ほど影響があり、強度が比較的に高いとされるハイテン材で発生しやすいことが報告されています。

この水素脆化を抑制する方法のひとつに「ベーキング処理」というものがあります。

ベーキング処理とは高温でメッキ部品を加熱する処理のことで、メッキ後の脱水素処理を指します。適切な温度や加熱時間はメッキの処理内容や鋼種などで、大きく異なります。

例えば、メッキ皮膜の水素透過性や皮膜の厚みなどで水素の抜けやすさは変わりますし、高温を加えると強度が低下する場合は、あまり高い温度で処理することができません。

温度が低いと水素を抜く効率が下がるため、そのような金属材料の場合は、長時間の加熱が必要となります。

一般的には、190℃～220℃で2時間～24時間の加熱を行うとされています。

今回は金属材料が内部に水素を伴うことで発生する「水素脆化」について説明しました。

金属材料の破壊がどのようなメカニズムで発生するのかという問題は、機械や構造物を設計する上で根幹となる部分です。

現場では現場ならではのノウハウはありますが、体系的に理解されていない経験則に近いです。やはり、水素脆化のメカニズムの解明が急がれます。

同時に機械や構造物を設計するにあたり、様々な破壊のメカニズムを理解しておくことで、より安全性の高い設計が可能になるのです。

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