水中の摩擦を利用したアルミニウムの水素充電

Engineering

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Summary

アルミニウム合金やアルミニウム合金に高い水素を導入する為に、水素の充電方法として水の摩擦と呼ばれる新しい方法が開発されました。

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Horikawa, K., Kobayashi, H. Hydrogen Charging of Aluminum using Friction in Water. J. Vis. Exp. (155), e60711, doi:10.3791/60711 (2020).

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Abstract

アルミニウムの水素充電の新しい方法は、水(FW)手順の摩擦によって開発されました。この手順は、水と非酸化物被覆アルミニウムとの化学反応に基づいて、アルミニウムに大量の水素を容易に導入することができます。

Introduction

一般に、アルミニウム基合金は、鋼よりも環境水素脆化に対する耐性が高い。アルミニウム合金の水素脆化に対する高い耐性は、水素侵入を遮断する合金表面上の酸化膜によるものです。評価し、アルミニウム合金間の高脆化感度を比較するために、水素充電は、通常、機械的試験1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14の前にわれます。 15、1617.しかしながら、水素充電アルミニウムは容易でないことは知られており、カソーディック充電15などの水素充電方法を利用する場合でも、湿気16の下での緩やかな歪み速度変形、または水素プラズマガス充電17。アルミニウム合金を水素充電する難しさも、アルミニウム合金表面の酸化膜によるものです。酸化膜を水中で連続的に除去できれば、より高い量の水素をアルミニウム合金に導入できると仮定しました。熱力学的に18、酸化膜のない純粋なアルミニウムは、水と容易に反応し、水素を生成する。これに基づき、水と非酸化物アルミニウムの化学反応を踏まえたアルミニウム合金の水素充電法を新たに開発しました。この方法は、アルミニウム合金に多量の水素を簡単に添加することができる。

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Protocol

1. 材料の準備

  1. 1質量%Mgと0.8質量%Si(Al-Mg-Si)を含むアルミニウム-マグネシウムシリコン合金で作られた1ミリメートルの厚いプレートを使用してください。
  2. ゲージ長さ10mm、幅5mmのAl-Mg-Si合金板から試験片を作成します。
  3. 試験片を空気炉を用いて1時間520°Cでアニールする。溶液熱処理として水にクエンチ。
  4. 試験片を175°Cで18時間の間でアニールし、ピークエージング熱処理(T6気性)とした。
  5. 水を使わずにシリコン炭化エメリー紙(#2000)を使用して試験片の表面を研磨します。
  6. 電気バランスを使用して0.0001 gの精度に研磨された試料の重量を測定
  7. 光学コンパレータを使用して、試料のゲージ部分の厚さと幅を0.001 mmの精度で測定します。

2. FW手順 (図1)

  1. 接着剤を使用して2つのAl-Mg-Si合金標本を、フルオロカーボンポリマー製の三角形のプリズム型のスターラーに取り付けます。
  2. 反応容器として空の上部を有するシリンダーガラス容器を準備する。
  3. 直径10mmの炭 #2000化ケイ素で作った丸い研磨紙を、容器の底部に両面テープを貼って貼り付けます。
  4. ガラス容器の底面にある研磨紙に2つの標本を持つ三角形のプリズム型のスターラーを置きます。
  5. 100 mLの蒸留水をガラス容器に上から注ぎます。
  6. ガラス容器を丸いゴム片で3つの穴で覆います(ガス入口、ガス出口、およびガラス容器の上部にあるpHプローブ用)。
  7. ガラス容器に高純度(99.999%)ゴムカバーを閉じた後、20 mL/分の一定の流量でアルゴン。
  8. ガス出口を、半導体水素センサー(検出限界:5ppb)でガスクロマトグラフ(GC)に接続します。
  9. 容器内のガスがアルゴンに置き換えられるまで待ちます。
  10. 磁気攪拌機上で2つの標本を用いて三角形のプリズム型の撹拌機を回転させ、室温で一定の回転速度を有する。
  11. GCを使用して攪拌機回転中の水素発生を測定し、2分ごとに1回の測定を行います。
  12. 攪拌機の回転中に容器内の水のpHを測定します。
  13. FWの手順の後、5分間超音波振動でアセトンに浸漬することにより、三角形のプリズム型スターラーから2つの標本を取り除きます。
  14. FW手順後に、電気バランスと光学コンパレータを使用して、試料の重量と厚さを再度測定します。

3. FW法による水素吸収

  1. FWのプロシージャの後、1 x 5 x 10 mmの長方形の形に標本を切り取る。
  2. 半導体水素センサーでGCに接続された直径10mmの石英チューブの中に試料を入れてください。
  3. フロー高純度 (99.999%)一定の流量が20 mL/分の石英チューブ内のアルゴンガス。
  4. 一定の加熱速度、200 °C/hで管状炉を使用して、試料と石英管を加熱します。
  5. GCを使用して、FW手順後の試料の熱水素脱着を測定します。

4. FW手続き後の材料評価

  1. FW手順で処理された試料を使用して、2mm/分のクロスヘッド速度で実験室の空気中で引張試験(少なくとも3倍、反復性を確保するために)を行います。
  2. 引張試験で応力ひずみ曲線から得られる引張特性(例えば、引張強度、ひびひずみ)を測定する。
  3. 引っ張り試験後に二次電子顕微鏡(SEM)で破壊挙動を観察する。

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Representative Results

FW法による水素発生・吸収
図2は、鉄の量が0.1質量%から0.7質量%までの鉄を含むAl-Mg-Si合金のFW法における水素発生挙動を示す。攪拌機が回転し始めると、試料は連続して大量の水素を放出した。これは、合金表面と水との摩擦によって生じた化学反応によって水素が発生したことを示唆している。さらに、FW手順中の水の pH 値は、図 3 に示すように 6.5 ~ 7.5 とわずかに増加しました。FW手順によるpHの変化は、Pourbaix19によって提案された電気化学図に基づく腐食性反応に影響を及ぼさない。

図4は、Al-Mg-Si合金のFW手順による水素充電の有無にかかわらず、TDAの結果を示す。試料の合金組成にかかわらず、FW手順後の水素濃度は元の非荷電状態に比べて増加した。FW法の後のすべてのサンプルにおいて、水素の進化は400°C以上で起こった。水素を帯びたサンプルでは、水素の小さなピークが300°C~400°C前後で見えました。水素の進化ピークは300°C~400°Cの周りにあり、転位や粒界20、21などの格子欠陥による水素捕捉に関連している。水素放出速度と25°C~625°Cの温度を積算して算出した水素濃度を図5に示します。FW法の後の水素濃度が元の状態から約4倍増加していることは明らかである。

図6は、0.1%鉄検体中の相対湿度90%の湿度で、湿度の高い空気雰囲気下で0.1の前菌によるFW手順と水素充電との水素濃度の比較を示す。また、FW法による水素充電により、湿気の多い空気下での予菌による充電に比べて大量の水素導入が可能であったことも明らかである。

FW手順後の機械的性能
図7は、水素未充電サンプルと水素荷電サンプルの両方の引張試験結果を示す。FW法の直後に0.1%の鉄を有するAl-Mg-Si合金では延性の低下が認められた。これは、鉄0.1%のAl-Mg-Si合金が、FW法による高い水素充電によって生じる水素脆化を示していることを示している。

鉄0.1%のAl-Mg-Si合金の破壊形態は、FW手順により水素充電後の粒界破壊に変化し、特に図8に示すように水素入口側に隣接する。これは、このFW法によって導入された水素原子が、鉄0.1%のAl-Mg-Si合金において、水素脆化をもたらす穀物境界の脱凝集を高めることを示している。

Figure 1
図1:FW手順で使用される装置の概略図。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 2
図2:FW法での水素発生(A) 0.1% Fe, (B) 0.2% Fe, (C) 0.7% Fe.この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 3
図3:FW手順中のpHの変化。(A) 0.1% Fe, (B) 0.2% Fe, (C) 0.7% Fe.この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 4
図4: 鉄を用いたAl-Mg-Si合金の熱水素脱離分析(A) 0.1 Fe, (B) 0.2% Fe, (C) 0.7% Fe.この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 5
図5:水素濃度(FW法の有無に関する)(A) 0.1% Fe, (B) 0.2% Fe, (C) 0.7% Fe.この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 6
図6:異なる水素充電条件における0.1%FeとのAl-Mg-Si合金の熱脱離分析と水素濃度の比較この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 7
図7:FW法の前後で0.1%FeのAl-Mg-Si合金の応力-ひずみ曲線。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 8
図8:0.1%FeのAl-Mg-Si合金の破壊面。(A) FW手順の後、水素入口側に隣接する前および(B)。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

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Discussion

FWのプロシージャの1つの重要な側面は磁気スターラーに2つの標本の付着である。スターラーバーの中心は非摩擦帯となるため、スターラーバーの中心にある試料の付着を避けるのが最善です。

攪拌バーの回転速度の制御も重要です。速度が240rpmを超える場合には、磁気攪拌機のステージ上で反応容器を維持することが困難となる。FW手順が高速で行われる場合、磁気攪拌機の段階に反応容器を固定する必要がある。

FW法による水素充電は水と非酸化物被覆アルミニウム表面との化学反応に基づくので、これは、カソーディック充電15のような従来の水素充電方法と比較すると簡単な方法であり、湿気雰囲気16の下での予め歪みである。生成された水素の理論体積は、FW手順の前後のサンプルの重量変化に基づいて計算されます。また、FW法はアルミニウムに大量の水素を導入することができます。しかし、FW手順の時間が長くなると、水のpH値は増加する。水のpH値が10になると、アルミニウムと水の腐食反応が起こる可能性があります試料の腐食性反応を防ぐために、水溶液のpH値が4〜10の範囲になるように、FW手順の時間を制限する必要があります。

FW手順では、水素充電は基本的に板状のアルミニウムおよびアルミニウム合金に適用可能です。FW手順での水素充電は、プレート試料の表面からの水素入口に基づいています。

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Disclosures

著者たちは開示するものは何もない。

Acknowledgments

この作品は、株式会社ライトメタル教育財団(大阪府)の財政的支援を受けています。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Air furnace GC QC-1
Aluminum alloy plates Kobe Steel Al/1.0 mass% Mg/0.8 mass% Si
Electric balance A&D HR-200
Glass container Custom made
Magnetic stirrer CORNING PC-410D
Optical Comparator NIKON V-12B
pH meter Sato Tech PH-230SDJ
Quartz tube Custom made
Rotary polishing machine IMT IM-P2
Secondary electrom microscope JOEL JSM-5310LV
Sensor gas chromatograph FIS Inc. SGHA
Silicon carbide emery paper IMT 531SR
Tensile testing machine Toshin Kogyo SERT-5000-C
Tubular furnace Honma Riken Custom made

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References

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