複合材料
【課題】鋼から構成された部材における水素脆化を抑制する。
【解決手段】複合材料は、鋼材１０１と、鋼材１０１の表面に形成された金属めっき膜１０２とから構成されている。ここで、金属めっき膜１０２は、鉄よりも水素との結合エネルギーが小さく、表面における水素イオンが水素分子になる化学反応の交換電流密度が鉄より小さい金属から構成されている。なお、鋼材１０１は、例えば、よく知られた炭素鋼である。
【解決手段】複合材料は、鋼材１０１と、鋼材１０１の表面に形成された金属めっき膜１０２とから構成されている。ここで、金属めっき膜１０２は、鉄よりも水素との結合エネルギーが小さく、表面における水素イオンが水素分子になる化学反応の交換電流密度が鉄より小さい金属から構成されている。なお、鋼材１０１は、例えば、よく知られた炭素鋼である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄筋コンクリートの鉄筋などに用いられる、鋼を用いた複合材料に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
建造物などの構造物では、遅れ破壊が問題となる。遅れ破壊とは、静的な付加を受けているある条件下で使用している鋼材などが、ある時間の経過後、外見上ではほぼ塑性変形を伴うことなく、突然脆性的に破壊する現象である。この遅れ破壊のメカニズムは十分に解明されていないが、環境中に存在している水素が金属に侵入して延性が失われることによる水素脆性によるものと考えられている（非特許文献１参照）。
【０００３】
この水素脆化に関しては、水素脆化に強い鋼の開発（非特許文献２，非特許文献３参照）、および、水素脆化を引き起こす水素量を測定するための表面処理技術の開発（非特許文献４参照）など、多くの研究・開発がなされている。また、水素と金属との間の結合力（Ｍ−Ｈ）についても調査されている（非特許文献５参照）。
【０００４】
水素脆化のもととなる水素の金属への侵入の過程には、複数の種類があるものとされている。例えば、図３に示すように、気体の水素分子３０１は、金属３０２の表面への水素３０３の吸着過程を経て、金属の内部に侵入すると報告されている（非特許文献６参照）。また、非特許文献６では、図３に示すように、溶液中の水素イオン３０４、もしくは水分が金属３０２の表面で還元されて生成した水素イオン３０４がもととなり、金属３０２の表面に水素３０３が吸着し、この吸着した水素３０３が、金属３０２の内部に侵入するという過程についても報告されている。水素は、空気中にはほとんど存在していないので、水素脆化は、付着している水の還元などにより鋼の表面で発生した水素が吸着する過程から始まるものと考えられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】南雲道彦、「鋼の力学的挙動に及ぼす水素の影響」、鉄と鋼、Ｖｏｌ．０、Ｎｏ．１０、ｐｐ．７６６−７７５、２００４年。
【非特許文献２】並村 裕一、他、「耐遅れ破壊特性に優れた高強度ボルト用鋼」、神戸製鋼技報、Ｖｏｌ．５０、Ｎｏ．１、ｐｐ．４１−４４，２０００年４月。
【非特許文献３】高橋 稔彦、他、「耐水素脆化特性に優れた高強度鋼」、物質材料研究アウトルック、第３部 物質・材料研究における今後の研究動向、第５章 環境・エネルギー材料、ｐｐ．３５１−３５５，２００６年。
【非特許文献４】中山 武典、他、「カドミウム代替水素逃散防止めっきの開発」、材料とプロセス、第１３巻、第６号、ｐ．１３７６、２０００年。
【非特許文献５】大堺利行、加納健司、桑畑進 著、「ベーシック電気化学」、株式会社化学同人発行、ｐｐ．１５３，１５３、２，００７年。
【非特許文献６】南雲道彦 著、「水素脆性の基礎 水素の振るまいと脆化機構」、株式会社 内田老鶴圃 発行、ｐｐ．１０７〜１０９，１１７〜１１９、２００８年。
【非特許文献７】浅原 照三、 他著、「金属表面技術講座６ 電気メッキ技術」、金属表面技術協会編、株式会社朝倉書店 発行、 ｐｐ．１５０−１７１、昭和４７年。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した水素脆性を抑制するために、水素が侵入しても金属組織内に強く束縛されて金属組織に影響しない材料の検討、また、鉄鋼の合金組成を検討するなど、種々の水素脆性対策技術が模索されている。しかしながら、いずれにしても鋼を用いている場合、環境によっては、鋼の表面で水素が発生し、これが鋼に吸着し、水素脆性を引き起こす発端となり得る。このように、鉄鋼自体の組成の検討では、鋼表面での水素の発生や鋼に対する水素の吸着が抑制できないため、水素脆性が引き起こされてしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、鋼から構成された部材における水素脆化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る複合材料は、鋼材と、この鋼材の表面に形成された金属めっき膜とから構成され、金属めっき膜は、鉄よりも水素との結合エネルギーが小さく、表面における水素イオンが水素分子になる化学反応の交換電流密度が鉄より小さい金属から構成されているようにしたものである。
【０００９】
上記複合材料において、複合材料は、コンクリートの中に配設されて用いられるものであり、例えば、鋼材は、鉄筋コンクリートの鉄筋である。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、本発明によれば、鋼材の表面に形成する金属めっき膜を、鉄よりも水素との結合エネルギーが小さく、表面における水素イオンが水素分子になる化学反応の交換電流密度が鉄より小さい金属から構成したので、鋼から構成された部材における水素脆化が抑制できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における複合材料の一部構成を示す断面図である。
【図２】図２は、「２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2の化学反応の交換電流密度」および「水素との結合エネルギー」の関係を示す特性図である。
【図３】図３は、水素の金属への侵入の過程を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における複合材料の一部構成を示す断面図である。この複合材料は、鋼材１０１と、鋼材１０１の表面に形成された金属めっき膜１０２とから構成されている。ここで、金属めっき膜１０２は、鉄よりも水素との結合エネルギーが小さく、表面における水素イオンが水素分子になる化学反応の交換電流密度が鉄より小さい金属から構成されている。なお、鋼材１０１は、例えば、よく知られた炭素鋼である。
【００１３】
上述した構成とした本実施の形態における複合材料によれば、複合材料の表面は、金属めっき膜１０２で覆われているため、この表面における水素ガスの発生および水素の吸着が、鋼材１０１の表面より抑制できるようになるので、鋼材１０１における水素脆化が抑制できるようになる。
【００１４】
以下、より詳細に説明する。鋼材１０１における水素脆化は、水素が金属表面で発生し、発生した水素が金属に吸着する過程から始まるものと考えられる。
【００１５】
従って、第１に「水素ガス（Ｈ2）を発生させる２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2の化学反応の交換電流密度が小さい金属」の表面では、水素ガスの発生がおきにくいので、気相からの水素侵入が抑制できるものと考えられる。また、第２に「水素との結合エネルギーが小さい金属」の表面では、表面における水素（例えば水素イオン）の吸着がおきにくいので、液相からの水素侵入が抑制できるものと考えられる。
【００１６】
上述した「２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2の化学反応の交換電流密度」および「水素との結合エネルギー」の関係は、図２に示すようになる。図２において、横軸が、「水素との結合エネルギー」を示し、縦軸が「２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2の化学反応の交換電流密度」を示している。図２から明らかなように、鉄（Ｆｅ）よりも「２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2の化学反応の交換電流密度」が小さく、「水素との結合エネルギー」が小さい金属は、例えば、インジウム（Ｉｎ）およびスズ（Ｓｎ）などの、Ｆｅを通る直交する２つの直線で区画される４つの象限の左下の象限の金属となる。これらの金属の金属めっき膜１０２を鋼材１０１の表面に形成することで、鋼から構成された鋼材１０１における水素脆化が抑制できるようになる。上述した２つの上面を満たす金属としては、図２から明らかなように、Ｉｎが最適である。また、Ｓｎであっても、上記２条件が満たされるため、同様の効果が期待できる。
【００１７】
例えば、Ｓｎの金属めっき膜１０２を形成する場合、鈴酸カリウム８０〜３２０ｇ／ｌ、水酸化カリウム１５〜４５ｇ／ｌとしためっき液を用意し、これを６５〜９０°の温度としためっき浴中に、陰極とした鋼材１０１を浸漬する。この状態で、３〜１０Ａ／ｄｍ2の電流を流す。この電解めっきにより、陰極とされている鋼材１０１の表面にＳｎが析出し、鋼材１０１の表面にＳｎからなる金属めっき膜１０２が形成できる（非特許文献７参照）。
【００１８】
また、硫酸亜鉛３６０ｇ／ｌ、塩化アンモニウム３０ｇ／ｌ、グルコース１２０ｇ／ｌとしためっき液を用意し、これを３０℃としためっき浴中に、陰極とした鋼材１０１を浸漬する。この状態で、電流密度２〜４Ａ／ｄｍ2の電流を流す。この電解めっきにより、鋼材１０１の表面にＺｎからなる金属めっき膜１０２が形成できる。
【００１９】
上述した２つの条件を満たす金属であれば、水素発生反応が起きにくく、かつ水素が表面に吸着しにくいので、水素脆化をより起こしにくいものとなる。しかしながら、このような金属には鋼材のような強度がなく、鉄の代替として用いるのは非常に困難である。ここで、高い強度の鋼材１０１の表面に、上述した２つの条件を満たす金属めっき膜１０２を形成した複合材料にすることで、鋼材１０１中への水素の侵入を抑え、さらに強度も得られるようにしたところに、本発明の特徴がある。
【００２０】
以上のように、本発明によれば、鋼材の表面を、鉄よりも水素との結合エネルギーが小さく、表面における水素イオンが水素分子になる化学反応の交換電流密度が鉄より小さい金属でめっきしたので、表面で発生する水素や表面に吸着する水素を減らすことができ、鋼材中に水素が侵入する量（速度）を抑制することができる。この結果、本発明によれば、鋼材が遅れ破壊に至る時間を大幅に延長することができると期待でき、本発明による複合材料は、建造物の建築要素（固定構造体）の部材として好適である。
【００２１】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。例えば、金属めっき膜は、ＳｎおよびＺｎに限らず、ビスマス（Ｂｉ）から構成してもよい。また、Ｓｎ−Ｂｉの合金から金属めっき膜を構成してもよい。また、上述した複合材料は、鉄筋コンクリートの鉄筋など、コンクリートの中に配設されて用いる場合に有用である。コンクリート内部に配設される鉄筋は、交換することが困難であり、場合によっては、鉄筋が破断した時点が、鉄筋コンクリートによる建造物の寿命となる。これに対し、本発明によれば、脆性破壊が抑制でき、鉄筋の破断が防止できるので、例えば、鉄筋コンクリートによる建造物などの寿命を延ばすことが可能となる。
【符号の説明】
【００２２】
１０１…鋼材、１０２…金属めっき膜。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄筋コンクリートの鉄筋などに用いられる、鋼を用いた複合材料に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
建造物などの構造物では、遅れ破壊が問題となる。遅れ破壊とは、静的な付加を受けているある条件下で使用している鋼材などが、ある時間の経過後、外見上ではほぼ塑性変形を伴うことなく、突然脆性的に破壊する現象である。この遅れ破壊のメカニズムは十分に解明されていないが、環境中に存在している水素が金属に侵入して延性が失われることによる水素脆性によるものと考えられている（非特許文献１参照）。
【０００３】
この水素脆化に関しては、水素脆化に強い鋼の開発（非特許文献２，非特許文献３参照）、および、水素脆化を引き起こす水素量を測定するための表面処理技術の開発（非特許文献４参照）など、多くの研究・開発がなされている。また、水素と金属との間の結合力（Ｍ−Ｈ）についても調査されている（非特許文献５参照）。
【０００４】
水素脆化のもととなる水素の金属への侵入の過程には、複数の種類があるものとされている。例えば、図３に示すように、気体の水素分子３０１は、金属３０２の表面への水素３０３の吸着過程を経て、金属の内部に侵入すると報告されている（非特許文献６参照）。また、非特許文献６では、図３に示すように、溶液中の水素イオン３０４、もしくは水分が金属３０２の表面で還元されて生成した水素イオン３０４がもととなり、金属３０２の表面に水素３０３が吸着し、この吸着した水素３０３が、金属３０２の内部に侵入するという過程についても報告されている。水素は、空気中にはほとんど存在していないので、水素脆化は、付着している水の還元などにより鋼の表面で発生した水素が吸着する過程から始まるものと考えられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】南雲道彦、「鋼の力学的挙動に及ぼす水素の影響」、鉄と鋼、Ｖｏｌ．０、Ｎｏ．１０、ｐｐ．７６６−７７５、２００４年。
【非特許文献２】並村 裕一、他、「耐遅れ破壊特性に優れた高強度ボルト用鋼」、神戸製鋼技報、Ｖｏｌ．５０、Ｎｏ．１、ｐｐ．４１−４４，２０００年４月。
【非特許文献３】高橋 稔彦、他、「耐水素脆化特性に優れた高強度鋼」、物質材料研究アウトルック、第３部 物質・材料研究における今後の研究動向、第５章 環境・エネルギー材料、ｐｐ．３５１−３５５，２００６年。
【非特許文献４】中山 武典、他、「カドミウム代替水素逃散防止めっきの開発」、材料とプロセス、第１３巻、第６号、ｐ．１３７６、２０００年。
【非特許文献５】大堺利行、加納健司、桑畑進 著、「ベーシック電気化学」、株式会社化学同人発行、ｐｐ．１５３，１５３、２，００７年。
【非特許文献６】南雲道彦 著、「水素脆性の基礎 水素の振るまいと脆化機構」、株式会社 内田老鶴圃 発行、ｐｐ．１０７〜１０９，１１７〜１１９、２００８年。
【非特許文献７】浅原 照三、 他著、「金属表面技術講座６ 電気メッキ技術」、金属表面技術協会編、株式会社朝倉書店 発行、 ｐｐ．１５０−１７１、昭和４７年。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した水素脆性を抑制するために、水素が侵入しても金属組織内に強く束縛されて金属組織に影響しない材料の検討、また、鉄鋼の合金組成を検討するなど、種々の水素脆性対策技術が模索されている。しかしながら、いずれにしても鋼を用いている場合、環境によっては、鋼の表面で水素が発生し、これが鋼に吸着し、水素脆性を引き起こす発端となり得る。このように、鉄鋼自体の組成の検討では、鋼表面での水素の発生や鋼に対する水素の吸着が抑制できないため、水素脆性が引き起こされてしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、鋼から構成された部材における水素脆化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る複合材料は、鋼材と、この鋼材の表面に形成された金属めっき膜とから構成され、金属めっき膜は、鉄よりも水素との結合エネルギーが小さく、表面における水素イオンが水素分子になる化学反応の交換電流密度が鉄より小さい金属から構成されているようにしたものである。
【０００９】
上記複合材料において、複合材料は、コンクリートの中に配設されて用いられるものであり、例えば、鋼材は、鉄筋コンクリートの鉄筋である。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、本発明によれば、鋼材の表面に形成する金属めっき膜を、鉄よりも水素との結合エネルギーが小さく、表面における水素イオンが水素分子になる化学反応の交換電流密度が鉄より小さい金属から構成したので、鋼から構成された部材における水素脆化が抑制できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における複合材料の一部構成を示す断面図である。
【図２】図２は、「２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2の化学反応の交換電流密度」および「水素との結合エネルギー」の関係を示す特性図である。
【図３】図３は、水素の金属への侵入の過程を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における複合材料の一部構成を示す断面図である。この複合材料は、鋼材１０１と、鋼材１０１の表面に形成された金属めっき膜１０２とから構成されている。ここで、金属めっき膜１０２は、鉄よりも水素との結合エネルギーが小さく、表面における水素イオンが水素分子になる化学反応の交換電流密度が鉄より小さい金属から構成されている。なお、鋼材１０１は、例えば、よく知られた炭素鋼である。
【００１３】
上述した構成とした本実施の形態における複合材料によれば、複合材料の表面は、金属めっき膜１０２で覆われているため、この表面における水素ガスの発生および水素の吸着が、鋼材１０１の表面より抑制できるようになるので、鋼材１０１における水素脆化が抑制できるようになる。
【００１４】
以下、より詳細に説明する。鋼材１０１における水素脆化は、水素が金属表面で発生し、発生した水素が金属に吸着する過程から始まるものと考えられる。
【００１５】
従って、第１に「水素ガス（Ｈ2）を発生させる２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2の化学反応の交換電流密度が小さい金属」の表面では、水素ガスの発生がおきにくいので、気相からの水素侵入が抑制できるものと考えられる。また、第２に「水素との結合エネルギーが小さい金属」の表面では、表面における水素（例えば水素イオン）の吸着がおきにくいので、液相からの水素侵入が抑制できるものと考えられる。
【００１６】
上述した「２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2の化学反応の交換電流密度」および「水素との結合エネルギー」の関係は、図２に示すようになる。図２において、横軸が、「水素との結合エネルギー」を示し、縦軸が「２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2の化学反応の交換電流密度」を示している。図２から明らかなように、鉄（Ｆｅ）よりも「２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2の化学反応の交換電流密度」が小さく、「水素との結合エネルギー」が小さい金属は、例えば、インジウム（Ｉｎ）およびスズ（Ｓｎ）などの、Ｆｅを通る直交する２つの直線で区画される４つの象限の左下の象限の金属となる。これらの金属の金属めっき膜１０２を鋼材１０１の表面に形成することで、鋼から構成された鋼材１０１における水素脆化が抑制できるようになる。上述した２つの上面を満たす金属としては、図２から明らかなように、Ｉｎが最適である。また、Ｓｎであっても、上記２条件が満たされるため、同様の効果が期待できる。
【００１７】
例えば、Ｓｎの金属めっき膜１０２を形成する場合、鈴酸カリウム８０〜３２０ｇ／ｌ、水酸化カリウム１５〜４５ｇ／ｌとしためっき液を用意し、これを６５〜９０°の温度としためっき浴中に、陰極とした鋼材１０１を浸漬する。この状態で、３〜１０Ａ／ｄｍ2の電流を流す。この電解めっきにより、陰極とされている鋼材１０１の表面にＳｎが析出し、鋼材１０１の表面にＳｎからなる金属めっき膜１０２が形成できる（非特許文献７参照）。
【００１８】
また、硫酸亜鉛３６０ｇ／ｌ、塩化アンモニウム３０ｇ／ｌ、グルコース１２０ｇ／ｌとしためっき液を用意し、これを３０℃としためっき浴中に、陰極とした鋼材１０１を浸漬する。この状態で、電流密度２〜４Ａ／ｄｍ2の電流を流す。この電解めっきにより、鋼材１０１の表面にＺｎからなる金属めっき膜１０２が形成できる。
【００１９】
上述した２つの条件を満たす金属であれば、水素発生反応が起きにくく、かつ水素が表面に吸着しにくいので、水素脆化をより起こしにくいものとなる。しかしながら、このような金属には鋼材のような強度がなく、鉄の代替として用いるのは非常に困難である。ここで、高い強度の鋼材１０１の表面に、上述した２つの条件を満たす金属めっき膜１０２を形成した複合材料にすることで、鋼材１０１中への水素の侵入を抑え、さらに強度も得られるようにしたところに、本発明の特徴がある。
【００２０】
以上のように、本発明によれば、鋼材の表面を、鉄よりも水素との結合エネルギーが小さく、表面における水素イオンが水素分子になる化学反応の交換電流密度が鉄より小さい金属でめっきしたので、表面で発生する水素や表面に吸着する水素を減らすことができ、鋼材中に水素が侵入する量（速度）を抑制することができる。この結果、本発明によれば、鋼材が遅れ破壊に至る時間を大幅に延長することができると期待でき、本発明による複合材料は、建造物の建築要素（固定構造体）の部材として好適である。
【００２１】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。例えば、金属めっき膜は、ＳｎおよびＺｎに限らず、ビスマス（Ｂｉ）から構成してもよい。また、Ｓｎ−Ｂｉの合金から金属めっき膜を構成してもよい。また、上述した複合材料は、鉄筋コンクリートの鉄筋など、コンクリートの中に配設されて用いる場合に有用である。コンクリート内部に配設される鉄筋は、交換することが困難であり、場合によっては、鉄筋が破断した時点が、鉄筋コンクリートによる建造物の寿命となる。これに対し、本発明によれば、脆性破壊が抑制でき、鉄筋の破断が防止できるので、例えば、鉄筋コンクリートによる建造物などの寿命を延ばすことが可能となる。
【符号の説明】
【００２２】
１０１…鋼材、１０２…金属めっき膜。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材と、この鋼材の表面に形成された金属めっき膜とから構成され、
前記金属めっき膜は、鉄よりも水素との結合エネルギーが小さく、表面における水素イオンが水素分子になる化学反応の交換電流密度が鉄より小さい金属から構成されている
ことを特徴とする複合材料。
【請求項２】
請求項１記載の複合材料において、
前記複合材料は、コンクリートの中に配設されて用いられることを特徴とする複合材料。
【請求項３】
請求項２記載の複合材料において、
前記鋼材は、鉄筋コンクリートの鉄筋であることを特徴とする複合材料。
【請求項１】
鋼材と、この鋼材の表面に形成された金属めっき膜とから構成され、
前記金属めっき膜は、鉄よりも水素との結合エネルギーが小さく、表面における水素イオンが水素分子になる化学反応の交換電流密度が鉄より小さい金属から構成されている
ことを特徴とする複合材料。
【請求項２】
請求項１記載の複合材料において、
前記複合材料は、コンクリートの中に配設されて用いられることを特徴とする複合材料。
【請求項３】
請求項２記載の複合材料において、
前記鋼材は、鉄筋コンクリートの鉄筋であることを特徴とする複合材料。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−２４６７３７（Ｐ２０１１−２４６７３７Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１８０７６（Ｐ２０１０−１１８０７６）
【出願日】平成２２年５月２４日（２０１０．５．２４）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２４日（２０１０．５．２４）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]