JP6847356B2 - Method for manufacturing hydrogen separation membrane and hydrogen separation membrane - Google Patents
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- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Description
本発明は、水素分離膜の製造方法及び水素分離膜に関する。 The present invention relates to a method for producing a hydrogen separation membrane and a hydrogen separation membrane.
水素分離膜として、水素を選択的に透過させることができる金属であるパラジウム(Pd)、ニオブ(Nb)、バナジウム(V)、タンタル(Ta)や、それらの合金を、圧延やめっきにより薄膜状に加工したものが使用されている。 As a hydrogen separation membrane, palladium (Pd), niobium (Nb), vanadium (V), tantalum (Ta), which are metals capable of selectively permeating hydrogen, and their alloys are thin-filmed by rolling or plating. The one processed into is used.
例えば、特許文献1には、パラジウムを含有するパラジウム含有金属薄膜の一方面側にパラジウムが含まれない金属層を積層して、水素分離膜の前駆体となる金属膜を形成する金属膜形成ステップと、前記金属膜の金属層側に配置される溶質を溶解した溶媒と、前記金属膜のパラジウム含有金属薄膜側に配置される無電解めっき用触媒溶液との浸透圧によって、前記無電解めっき用触媒溶液を前記金属膜の金属層側に欠陥を通じて移動させ、前記金属膜の金属層側にある欠陥部位に無電解めっき用触媒を付与する無電解めっき用触媒付与ステップと、前記無電解めっき用触媒が付与された前記金属膜の金属層側に配置される少なくとも還元剤を溶質として溶解した溶媒と、前記金属膜のパラジウム含有金属薄膜側に配置される金属イオンを含有する還元剤を含まないめっき液との浸透圧によって、前記めっき液を前記金属膜の金属層側に移動させ、前記金属膜の金属層側にある欠陥部位に前記金属イオンを還元・析出させる金属イオン還元・析出ステップとを備えた水素分離膜の製造方法が記載されている。
For example, in
水素分離膜は、高純度水素を精製するために、高温の水素ガス環境中での高い機械的強度と水素透過能および耐久性が求められており、このような性質を有する水素分離膜の製造方法が求められている。
具体的には、厚さ数〜数百ミクロンの水素分離膜は、高温で長時間の水素圧力負荷を受けるため、機能材料でありながら耐熱構造材料としての性能も要求されており、そのため長時間の安定した運転に耐え得る、耐久性(耐割れ性など)の向上が大きな課題となっている。
In order to purify high-purity hydrogen, hydrogen separation membranes are required to have high mechanical strength, hydrogen permeability and durability in a high-temperature hydrogen gas environment, and production of hydrogen separation membranes having such properties. A method is required.
Specifically, a hydrogen separation membrane having a thickness of several to several hundreds of microns is subject to a long-term hydrogen pressure load at a high temperature, so that it is required to have performance as a heat-resistant structural material while being a functional material, and therefore for a long time. It is a big issue to improve the durability (crack resistance, etc.) that can withstand the stable operation of.
ここで、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)やタンタル(Ta)は、水素雰囲気中で脆化して激しく脆性破壊することが以前より知られており、諸外国ではこの問題を解決することができず、非Pd系水素分離膜の開発は殆ど行われてこなかった。
一方、我が国では非Pd系水素分離膜の開発が継続的かつ熱心に進められているが、この金属膜は通常400℃以上の高温で使用されるが、低温では水素化物の形成により水素脆化するために使用出来ないと理解される傾向にあった。
Here, it has long been known that vanadium (V), niobium (Nb) and tantalum (Ta) become brittle in a hydrogen atmosphere and violently break into brittleness, and this problem can be solved in other countries. However, the development of non-Pd hydrogen separation membranes has hardly been carried out.
On the other hand, in Japan, the development of non-Pd hydrogen separation membranes is being continuously and enthusiastically promoted. This metal membrane is usually used at a high temperature of 400 ° C. or higher, but at a low temperature, hydrogen embrittlement occurs due to the formation of hydrides. It tended to be understood that it could not be used to do so.
なお、安価で、高温の活性処理が不要であり、且つ水素の吸収/放出が繰り返し可能な水素貯蔵合金を製造するために、せん断歪みを水素貯蔵合金に加える方法が、特許文献2に記載されている。
すなわち、特許文献2には、TiFeを材料とし、材料表面から材料内部へ延在し、周囲の当該材料に比べて水素移動抵抗が低い水素移動路を形成する水素移動路形成工程を含み、前記水素移動路形成工程においては、TiFeに7以上のせん断歪みを加えることにより、前記TiFeの材料表面から材料内部へ延在する線欠陥又は面欠陥を前記水素移動路として形成することを特徴とする、TiFe水素貯蔵合金の製造方法が記載されている。
That is,
しかしながら、上記いずれの特許文献にも、水素分離膜の製造の際に、大きなせん断歪みを加えることで、高い機械的強度と水素透過能、長時間の耐久性能が得られることは記載も示唆もされていない。 However, both of the above patent documents both describe and suggest that high mechanical strength, hydrogen permeability, and long-term durability can be obtained by applying a large shear strain during the production of a hydrogen separation membrane. It has not been.
本発明者らは、金属膜の水素圧力−組成−等温線(PCT曲線)、膜間に作用する固溶水素の化学ポテンシャル勾配、ならびに金属膜が延性から脆性へと遷移する水素濃度(DBTC)の観点から、合金膜の最適化学組成を精度良く計算できる設計指針を独自に開発している。
これまでの多くの研究では、水素透過係数、短時間水素圧力負荷後の膜強度の把握に終始しており、また、水素解離触媒としての表面被覆Pdと下地のVやNb、Taとの高温での相互拡散が原因で水素透過能が時間とともに低下することも知られており、低温作動膜が検討されるようになってきた。
We have described the hydrogen pressure-composition-isothermal line (PCT curve) of metal membranes, the chemical potential gradient of solid-dissolved hydrogen acting between the membranes, and the hydrogen concentration (DBTC) at which the metal membrane transitions from ductile to brittle. From this point of view, we have independently developed a design guideline that can accurately calculate the optimum chemical composition of the alloy film.
Many studies so far have focused on grasping the hydrogen permeability coefficient and the film strength after a short hydrogen pressure load, and the high temperature of the surface coating Pd as a hydrogen dissociation catalyst and the underlying V, Nb, and Ta. It is also known that the hydrogen permeability decreases with time due to mutual diffusion in the water, and low-temperature working membranes have been studied.
そこで、本発明者らは、水素分離膜を製造する際に、ε=10以上の巨大ひずみを付与する強歪み加工を行うことで、5族金属のバナジウムが、300℃の低い温度でも10−7(mol H2m−1s−1Pa−0.5)台の水素透過係数Φが得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
Accordingly, the present inventors have found that in manufacturing the hydrogen separation membrane, epsilon = 10 or more by performing strong distortion processing which imparts enormous strain,
ここで、S.A.Steward: Lawrence Livermore National Laboratory Report,UCRL−53441,(1983)によると、各種金属の水素透過係数の温度依存性を表す図1に示すとおり、鉄(Fe)についても、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、パラジウム(Pd)等と同様に水素透過性を有し、本発明の対象となることが示唆されている。 Here, S. A. Steward: According to Lawrence Livermore National Laboratory Report, UCRL-53441, (1983), iron (Fe) also has niobium (Nb) and tantalum (Nb), as shown in FIG. 1, which shows the temperature dependence of the hydrogen permeability coefficient of various metals. It has been suggested that it has hydrogen permeability similar to Ta), palladium (Pd) and the like, and is the subject of the present invention.
すなわち、本発明の課題を解決するための手段は、下記のとおりである。 That is, the means for solving the problem of the present invention is as follows.
第1に、水素を選択的に透過させることができる薄膜状の金属に対し、ε=10以上、望ましくは30以上のひずみを付与する強歪み加工を行うことを特徴とする、水素分離膜の製造方法。
ここで、ε=10以上のひずみを付与する強歪み加工とは、材料に強い圧縮力とせん断力を加え、大きなせん断ひずみを与えることで、結晶粒を超微細化し、高い機械的強度と水素透過能を得ることを目的として行われる加工手段のことをいう。
該強歪み加工としては、高圧ねじり(HPT)加工、高圧すべり(HPS)加工、繰り返しせん断変形加工(ECAP)法、繰り返し重ね接合圧延(ARB)プロセス、多方向鍛造(MDF)プロセスの他に、ショットピーニング加工、ドリル加工、ボールミリング等を採用できる。
First, the hydrogen separation membrane is characterized by performing a strong strain process for imparting a strain of ε = 10 or more, preferably 30 or more to a thin film metal capable of selectively permeating hydrogen. Production method.
Here, in the strong strain processing in which a strain of ε = 10 or more is applied, a strong compressive force and a shearing force are applied to the material, and a large shear strain is applied to make the crystal grains ultrafine, resulting in high mechanical strength and hydrogen. It refers to a processing means performed for the purpose of obtaining permeability.
The strong strain processing includes high-pressure torsion (HPT) processing, high-pressure sliding (HPS) processing, repeated shear deformation processing (ECAP) method, repeated lap joint rolling (ARB) process, and multi-directional forging (MDF) process. Shot peening processing, drill processing, ball milling, etc. can be adopted.
ひずみεは、例えば、HPT加工の際には、次の式で表される。
ここで、εは相当ひずみ、rは試料中心からの距離、Nは回転数、tはディスク試料の厚さである。
The strain ε is expressed by the following equation, for example, in the case of HPT processing.
Here, ε is the equivalent strain, r is the distance from the center of the sample, N is the rotation speed, and t is the thickness of the disk sample.
また、HPS加工の際のひずみεは、次の式で表される。
ここで、εは相当ひずみ、Xはスライド量、tは板厚である。
The strain ε during HPS processing is expressed by the following equation.
Here, ε is the equivalent strain, X is the slide amount, and t is the plate thickness.
第2に、前記金属が、ニオブ(Nb)、バナジウム(V)、タンタル(Ta)から選ばれる、1種又は2種以上の金属であることを特徴とする、前記第1に記載の水素分離膜の製造方法。
第3に、前記強歪み加工が、高圧ねじり(HPT)加工であることを特徴とする、前記第1または第2に記載の水素分離膜の製造方法。
第4に、水素を選択的に透過させることができる金属膜であり、周期表で5族に属し、粒度番号Nが18以上であることを特徴とする、水素分離膜。
ここで、粒度番号Nは、1mm2中の結晶粒の数nを二次元的に測定し、次の式の値を切り上げ整数値で示したものである。
Second, the metal is niobium (Nb), vanadium (V), tantalum (Ta) or al selected, characterized in that it is a one or more metals, according to the first A method for producing a hydrogen separation membrane.
Third, the method for producing a hydrogen separation membrane according to the first or second method, wherein the strong strain processing is a high-pressure torsion (HPT) processing.
Fourth, a hydrogen separation membrane which is a metal membrane capable of selectively permeating hydrogen , belongs to
Here, the particle size number N is obtained by two-dimensionally measuring the number n of crystal grains in 1 mm 2 and rounding up the value of the following equation to indicate an integer value.
第5に、前記金属膜が、粒度番号N=20、平均粒径d=390nmのバナジウム膜であることを特徴とする、前記第4に記載の水素分離膜。 Fifth, the hydrogen separation membrane according to the fourth aspect, wherein the metal membrane is a vanadium membrane having a particle size number N = 20 and an average particle diameter d = 390 nm.
本発明によれば、以下の効果を得ることができる。 According to the present invention, the following effects can be obtained.
水素を選択的に透過させることができる薄膜状の金属に対し、巨大ひずみを付与する強歪み加工を行うことで水素分離膜を製造するに際し、例えば、純バナジウムを高圧ねじり(HPT: High Pressure Torsion)加工によって強歪み加工を行うことで、超微細結晶粒が生じるが、粒度番号N=20、平均粒径d=390nmのバナジウム膜が得られる。
該バナジウム膜は、300℃の低い温度でも通常の溶製材や圧延加工材と比較して、結晶粒が粗大化(粒成長)することなく、2.5〜5倍の高い水素透過性能を有することが確認できた(図21参照)。
また、該バナジウム膜は、同時に負荷水素圧力や固溶水素に起因する膜変形も十分に抑えられることが確認できた(図22、図23参照)。
When producing a hydrogen separation membrane by performing a strong strain process to apply a huge strain to a thin film metal capable of selectively permeating hydrogen, for example, pure vanadium is twisted with high pressure (HPT: High Pressure Torsion). ) By performing strong strain processing by processing, ultrafine crystal grains are produced, but a vanadium film having a particle size number N = 20 and an average particle size d = 390 nm can be obtained.
The vanadium film has 2.5 to 5 times higher hydrogen permeation performance than ordinary molten materials and rolled materials even at a low temperature of 300 ° C. without coarsening (grain growth) of crystal grains. It was confirmed that (see FIG. 21).
Further, it was confirmed that the vanadium film could sufficiently suppress the film deformation caused by the loaded hydrogen pressure and the solid solution hydrogen (see FIGS. 22 and 23).
さらに、これまでに水素透過現象が殆ど見られなかったNiに対しても同様のプロセスを施したところ、同温度で水素透過現象を示すことが確認できた。 Furthermore, when the same process was applied to Ni, which had hardly seen a hydrogen permeation phenomenon so far, it was confirmed that the hydrogen permeation phenomenon was exhibited at the same temperature.
従って、種々の強歪み加工によって、合金化と金属組織制御を5族金属や10族金属あるいはこれらの合金に対して行うことで、水素透過性能、耐水素脆性および耐久性のバランスを担保した固溶体単相合金の水素分離膜の製造が実現可能となる。
Therefore, a solid solution that ensures a balance between hydrogen permeation performance, hydrogen embrittlement resistance, and durability by performing alloying and metallographic control on
ここで、溶製材や圧延材、従来のPd−Ag合金やV−15Ni合金と比べても一桁上の水素分離性能を発揮することが期待される。 Here, it is expected to exhibit hydrogen separation performance that is an order of magnitude higher than that of molten materials, rolled materials, conventional Pd-Ag alloys and V-15Ni alloys.
さらに、結晶粒粗大化の観点から400℃以下での運転が好ましいが、合金化してPCT曲線を立ち上げた後に強歪み加工を行うことで、さらなる低温にて作動可能な水素分離膜の製造が可能となる。 Further, from the viewpoint of grain coarsening, operation at 400 ° C. or lower is preferable, but by performing strong strain processing after alloying to raise the PCT curve, a hydrogen separation membrane that can be operated at a lower temperature can be produced. It will be possible.
発明者らの見出したプロセスで、水素透過性能、耐水素脆性および耐久性のバランスを確立した水素分離膜を製造することで、室温に近い低温で作動可能な水素分離膜を製造することが可能となる。 By producing a hydrogen separation membrane that establishes a balance between hydrogen permeation performance, hydrogen embrittlement resistance, and durability by the process found by the inventors, it is possible to produce a hydrogen separation membrane that can operate at a low temperature close to room temperature. It becomes.
(1)HPT加工装置
本実施例に用いる強歪み加工を行うHPT加工装置1は、図2に示すように、アンビル中央にある平坦なくぼみに試料を置き、強制的に挟み込み、非常に大きな圧力(通常は1GPa以上)をかけた状態で下側のアンビルを回転させることにより、試料に大量のせん断ひずみを導入することで、結晶粒をサブミクロンレベルにまで微細することで、微細粒を得るものである。
(1) HPT processing device As shown in FIG. 2, the
(2)HPT加工による水素分離膜試料の製造
本実施例では、該HPT加工装置を用い、純度99.9%のバナジウム引抜材を、1100℃で1時間熱処理を施した後、室温にて、印加圧力1.5GPa、回転速度0.25rpm、回転数5回転の条件でHPT加工を行うことで、本発明品1である水素分離膜の試料を製造した。
ここで、前記のHPT加工の際のひずみを表す式によると、ひずみεは、最小値32.6〜最大値169程度であった。
この際、20mmディスクから10mmディスクを切り出した試料のうちの水素が透過している領域について、試料中心からの距離を示すrは、1.8mm〜9.3mmの範囲における値となるので、ひずみεも下限〜上限の値として計算された。
そして、金型溝深さが上下合わせて0.7mmの場合、HPT加工の際に用いられる金型穴径と同じ直径20mm、厚さ0.8mmのディスク状の水素分離膜試料を得た。
ここで、比較のために、HPT加工を行わない純度99.9%のバナジウム焼鈍材を、本発明品1と同じディスク状に形成して比較品1とした。
(2) Production of Hydrogen Separation Membrane Sample by HPT Processing In this example, a vanadium drawing material having a purity of 99.9% is heat-treated at 1100 ° C. for 1 hour using the HPT processing device, and then at room temperature. A sample of the hydrogen separation membrane, which is the
Here, according to the formula expressing the strain during the HPT processing, the strain ε was about 32.6 to the maximum value of 169.
At this time, for the region where hydrogen is permeated in the sample obtained by cutting out the 10 mm disc from the 20 mm disc, r indicating the distance from the sample center is a value in the range of 1.8 mm to 9.3 mm, and thus is strained. ε was also calculated as a lower to upper limit value.
Then, when the mold groove depth was 0.7 mm in total, a disk-shaped hydrogen separation membrane sample having a diameter of 20 mm and a thickness of 0.8 mm, which was the same as the mold hole diameter used for HPT processing, was obtained.
Here, for comparison, a vanadium annealed material having a purity of 99.9% and not subjected to HPT processing was formed into the same disk shape as the
(3)試料の作製
上記で得たディスク状の本発明品1又は比較品1による水素分離膜試料から、ワイヤーカット放電加工機(Wire cut Electric Discharge Machine;WEDM)を用い、後述する試験ごとに所望の形状に切り出して各試験用の試料を作製した。
(3) Preparation of sample From the hydrogen separation membrane sample according to the disc-shaped
(4)粒度番号の算出
HPT加工を施した結晶粒サイズの評価方法として、粒度番号Nを算出した。
まず、1mm2中に存在する平均結晶粒数nを二次的に測定した。
ここで、粒度番号Nは、試験片断面の1mm2中の結晶粒の平均結晶粒数nを二次元的に測定し、次の式の値を切り上げ整数値で示したものである。
(4) Calculation of particle size number The particle size number N was calculated as a method for evaluating the crystal grain size subjected to HPT processing.
First, the average number of crystal grains n present in 1 mm 2 was secondarily measured.
Here, the particle size number N is obtained by two-dimensionally measuring the average number of crystal grains n of the crystal grains in 1 mm 2 of the cross section of the test piece, and rounding up the value of the following equation and showing it as an integer value.
なお、単位面積当たりの結晶粒数nは、結晶粒の形状をEBSD方位像から算出した平均粒径dを直径とする円として近似することで求めた。 The number of crystal grains n per unit area was obtained by approximating the shape of the crystal grains as a circle whose diameter is the average particle size d calculated from the EBSD orientation image.
(5)粒度番号による評価
粒度番号が大きい程、結晶粒は微細であり、粒度番号を算出することで結晶粒径の評価を行うことができる。
結晶粒度について、粒度番号Nと平均結晶粒径(nm)との関係を次表に示す。
(5) Evaluation by particle size number The larger the particle size number, the finer the crystal grains, and the crystal grain size can be evaluated by calculating the particle size number.
Regarding the crystal grain size, the relationship between the particle size number N and the average crystal grain size (nm) is shown in the following table.
(6)引張試験
(6−1)引張試験装置
引張試験には、島津製作所(株)製のAGS−H型万能試験機を用いた。
該試験機は、クロスヘッドに連結された引張治具を、リニアガイドに沿って移動させることにより、試験片のゲージ部に上下方向の荷重のみを負荷することが可能なものである。
(6) Tensile test (6-1) Tensile test equipment For the tensile test, an AGS-H type universal testing machine manufactured by Shimadzu Corporation was used.
The testing machine is capable of applying only a load in the vertical direction to the gauge portion of the test piece by moving the tension jig connected to the crosshead along the linear guide.
(6−2)試料作製
引張試験に用いる試料は、ディスク状試料からワイヤーカット放電加工機(WEDM)にて図3に示した形状に切り出した後、#1000までのエメリー湿式研磨および平均粒径1μmのAl2O3懸濁液を含むバフ研磨により、最終厚さ0.4mmに調整することで得た。
なお、図3中の数字の単位はmmである。
焼鈍の影響を調べるため、同様の手順の後、2枚の発明品1について、各々500℃と700℃にて1時間熱処理を行った試料(以後、HPT−V+500℃、HPT−V+700℃と略す)と、同形状に切り出した比較品1(無加工のV)による試料片を用意した。
(6-2) Sample Preparation The sample used for the tensile test is cut out from a disk-shaped sample by a wire-cut electric discharge machine (WEDM) into the shape shown in FIG. 3, and then emery wet polishing up to # 1000 and an average particle size. It was obtained by buffing with a 1 μm Al 2 O 3 suspension to adjust the final thickness to 0.4 mm.
The unit of the numbers in FIG. 3 is mm.
In order to investigate the effect of annealing, after the same procedure, the two
(6−3)試験条件
本引張試験では、室温中にてゲージ部長さlが1mmであり、クロスヘッド移動速度1.0mm/minとしており、ひずみ速度1.7×10−2s−1にて実施した。
そして、引張荷重fから公称応力σ、治具移動量xから公称ひずみεを算出し、公称応力−ひずみ線図を作成し、図4に示した。
公称応力σ及びひずみεは、次式によって求めた。
(6-3) Test conditions In this tensile test, the gauge part length l is 1 mm, the crosshead moving speed is 1.0 mm / min, and the strain rate is 1.7 × 10 -2 s -1 at room temperature. It was carried out.
Then, the nominal stress σ was calculated from the tensile load f, and the nominal strain ε was calculated from the jig movement amount x, and a nominal stress-strain diagram was created and shown in FIG.
The nominal stress σ and strain ε were calculated by the following equations.
(6−4)試験結果の考察
図4に示すように、本発明品1であるHPT−Vの最大引張強度は、約1020MPaであり、本試験で使用した試料の中で最も高い強度を示した。
これに対し、比較品1であるvirgin Vの最大引張強度は、約170MPaであることから、HPT加工処理を施すことによって6倍の強度上昇を確認した。
また、HPT−V+500℃材では、僅かな強度の低下はあったものの、最大引張強度890MPaと十分な強度を保持していることを確認した。
なお、HPT−V+700℃材では、340MPaと急激な最大引張強度の低下が見られた。
(6-4) Consideration of test results As shown in FIG. 4, the maximum tensile strength of HPT-V, which is the
On the other hand, since the maximum tensile strength of virgin V, which is the
Further, it was confirmed that the HPT-V + 500 ° C. material maintained a sufficient strength of 890 MPa, which is the maximum tensile strength, although there was a slight decrease in strength.
In the HPT-V + 700 ° C. material, a sharp decrease in maximum tensile strength was observed at 340 MPa.
(7)硬度試験
(7−1)試験条件
本発明品1及び比較品1について、熱処理温度によるビッカース硬度の変化を定量的に評価するため、室温から900℃までの温度範囲で1時間のアルゴン雰囲気中熱処理を行い、その後、各熱処理温度におけるビッカース硬度を測定し、図5に示した。
尚、図5中のvirgin VとはHPT加工処理前の純Vを表しており、その硬さを点線で示している。
(7) Hardness test (7-1) Test conditions For the
In addition, virgin V in FIG. 5 represents pure V before HPT processing, and the hardness thereof is shown by a dotted line.
(7−2)試験結果の考察
HPT加工を施すことにより、225Hvまでビッカース硬度が上昇することを確認した。
また、HPT加工後、500℃での熱処理を施した場合、ビッカース硬度は緩やかに硬度が減少し200Hv程度となるのに対し、700℃での熱処理ではビッカース硬度が約100Hvとなり急激な硬度の減少を確認した。
(7-2) Consideration of test results It was confirmed that the Vickers hardness increased up to 225 Hv by performing HPT processing.
Further, when heat treatment at 500 ° C. is performed after HPT processing, the Vickers hardness gradually decreases to about 200 Hv, whereas the Vickers hardness becomes about 100 Hv and sharply decreases in the heat treatment at 700 ° C. It was confirmed.
これは、500℃での熱処理では転位の回復により硬度が低下しているのに対し、700℃での熱処理では再結晶も作用し、大幅に硬度が減少していると考えられる。
すなわち、本発明品1は、500℃での熱処理により硬度が減少し始めるが、高融点金属でもあるため、再結晶など粗大化の様相は見られなかったが、硬度の減少は、転位の回復が主因と考えられ、熱処理温度が700℃程度まで上昇しても、初期性能を維持できることを確認した。
以上の結果より、引張強度と硬度に相関性があることを確認し、HPT加工を施すことによって大幅に上昇した強度は、加工後でも熱処理温度500℃付近まで保持されることを確認した。
It is considered that this is because the heat treatment at 500 ° C. reduces the hardness due to the recovery of dislocations, whereas the heat treatment at 700 ° C. also acts on recrystallization, resulting in a significant decrease in hardness.
That is, the hardness of the
From the above results, it was confirmed that there was a correlation between the tensile strength and the hardness, and it was confirmed that the strength significantly increased by the HPT processing was maintained up to the heat treatment temperature of around 500 ° C. even after the processing.
(8)結晶組織観察
(8−1)熱処理試験
本発明品1について、HPT−Vの熱処理前と、500℃と700℃で熱処理をした際の結晶組織について、組織変化を明らかにするため、電子線後方散乱回折(Electron Back Scatter Diffraction Patterns; EBSD)法により結晶粒の観察を行った。
そのEBSD方位像を、図6に示す。
また、HPT加工前の焼鈍材である比較品1についての光学顕微鏡像の写真を、図7に示す。
さらに、各試料の平均粒径と粒度番号を次表に示す。
(8) Crystal structure observation (8-1) Heat treatment test In order to clarify the structural changes in the crystal structure of the
The EBSD orientation image is shown in FIG.
Further, FIG. 7 shows a photograph of an optical microscope image of
Furthermore, the average particle size and particle size number of each sample are shown in the following table.
(8−2)二つの異なる温度による熱処理
本発明品1について、400℃と500℃で熱処理した際の組織について、組織変化を明らかにするため、EBSD法により結晶粒の観察を行った。 そのEBSD方位像を、図8に示す。
(8-2) Heat Treatment at Two Different Temperatures Crystal grains of
(8−3)結果の考察
HPT加工前の焼鈍材では平均結晶粒径がmmオーダーの大きな結晶粒であったのに対し、HPT加工後の平均粒径は380nmとサブミクロン結晶粒を形成していた。
また、500℃で熱処理を行っても平均粒径は390nmと結晶粒径はほとんど変化しなかったが、700℃で熱処理を行った際の平均粒径は1.35μmであり、結晶粒の粗大化を確認した。
さらに、400℃で熱処理した場合の平均結晶粒径は360nmであるのに対し、500℃で処理した場合の平均結晶粒径は390nmであり、500℃で処理した場合であっても、結晶粒は微細なまま保持されており、結晶粒の粗大化も見られないことが確認された。
すなわち、本発明品1は、500℃でも水素分離膜として長時間機能し、粗大化による機能低下も起こらないものと推測される。
これらの結果により、700℃においては再結晶組織であることがわかる。
したがって、再結晶は、500から700℃の温度領域で起きると考えられる。
(8-3) Consideration of results The annealed material before HPT processing had large crystal grains with an average crystal grain size on the order of mm, whereas the average grain size after HPT processing was 380 nm, forming submicron crystal grains. Was there.
Further, the average particle size was 390 nm and the crystal grain size was hardly changed even when the heat treatment was performed at 500 ° C., but the average particle size when the heat treatment was performed at 700 ° C. was 1.35 μm, and the crystal grains were coarse. Confirmed the conversion.
Further, the average crystal grain size when heat-treated at 400 ° C. is 360 nm, whereas the average crystal grain size when treated at 500 ° C. is 390 nm, and even when treated at 500 ° C., the crystal grains. Was kept fine, and it was confirmed that no coarsening of crystal grains was observed.
That is, it is presumed that the
From these results, it can be seen that the structure is recrystallized at 700 ° C.
Therefore, recrystallization is considered to occur in the temperature range of 500 to 700 ° C.
(9)小型パンチ(Small Punch;SP)試験
(9−1)SP試験装置
SP試験は、図9に概略を示す圧力制御用配管システムと、図10に示すSP治具とを有するものである。
(9) Small Punch (SP) Test (9-1) SP Test Equipment The SP test has a pressure control piping system outlined in FIG. 9 and an SP jig shown in FIG. ..
該圧力制御用配管システムでは、試験に用いる水素が可燃性ガスである為、水素が漏洩しない気密構造が必要となる。
また、真空中でのSP試験実施の際、SP治具及びその周辺の温度は500℃と高温になるため、気密性や耐熱性に優れた配管システムが要求されるため、Swagelok社製のバルブ・フィッティングや各種バルブ類を用いて、図9に示すように配管した。
ここで、SP試験装置の一次側(P1)に水素導入口を、二次側(P2)に水素排出口を接続した。
これにより、配管システム中のバルブ操作を適切に行って、種々の水素圧力下での破壊試験が可能となる。
In the pressure control piping system, since hydrogen used in the test is a flammable gas, an airtight structure that does not leak hydrogen is required.
Further, when the SP test is carried out in a vacuum, the temperature of the SP jig and its surroundings becomes as high as 500 ° C. Therefore, a piping system having excellent airtightness and heat resistance is required. Therefore, a valve manufactured by Swagelok Co., Ltd. -Piping was performed as shown in FIG. 9 using fittings and various valves.
Here, a hydrogen introduction port was connected to the primary side (P1) of the SP test apparatus, and a hydrogen discharge port was connected to the secondary side (P2).
This makes it possible to properly operate the valves in the piping system and perform destructive tests under various hydrogen pressures.
SP治具は、水素透過試験後にその場でSP試験を行うためのものであり、主要部の材料としてSUS304を用い、耐熱ヒーターブロックの材料としてはSUS316Lを用いており、ヒーターにはWATLOW社製及びMiSUMi社製のカートリッジヒーターを使用し、SP治具を600℃にまで昇温できるようにした。
また、SP治具下部には、測温・温度制御用にK熱電対も内蔵している。
ここで、高温高圧の水素ガスに耐える必要があるため、設定した試験条件に耐え得る成形ベローズを別途設計製作した。
そして、試験装置外への水素リークを防ぐため、上部及び下部ダイスのフランジ部とベローズフランジ部にはICF70コンフラットフランジ及び高真空用銅ガスケットを用いて封止した。
さらに、上部ダイスと成形ベローズの上部フランジ間をボルトで固定することで、気密構造を形成した。
The SP jig is for performing the SP test on the spot after the hydrogen permeation test, SUS304 is used as the material of the main part, SUS316L is used as the material of the heat-resistant heater block, and the heater is manufactured by WATLOW. And a cartridge heater manufactured by Misumi Co., Ltd. was used so that the temperature of the SP jig could be raised to 600 ° C.
In addition, a K thermocouple is also built in the lower part of the SP jig for temperature measurement and temperature control.
Here, since it is necessary to withstand high-temperature and high-pressure hydrogen gas, a molded bellows capable of withstanding the set test conditions was separately designed and manufactured.
Then, in order to prevent hydrogen leakage to the outside of the test apparatus, the flanges and bellows flanges of the upper and lower dies were sealed with an ICF70 conflat flange and a copper gasket for high vacuum.
Further, an airtight structure was formed by fixing the upper die and the upper flange of the molded bellows with bolts.
(9−2)試料作製
ディスク状試料からワイヤーカット放電加工機(WEDM)にて直径7mmの円形状に切り出した後、表面を#1000までのエメリー湿式研磨および平均粒径1μmのAl2O3懸濁液を含むバフ研磨により鏡面状態とし、最終厚さを0.5±0.01mmに調整した。
さらに、水素解離触媒性を付与するため、DCマグネトロンスパッタ装置を用いて試料両面に厚さ約200nmのPd被覆を施した。
真空中SP試験用の試料についても、水素雰囲気in−situ SP試験と同条件にするため、同様の工程を施した。
これまでのin−situ SP試験では、10×10×0.5mm3の試料を用いていたが、実際に試験を行った結果、変形・破壊に寄与している試料箇所は打抜き球が接地した点を中心に直径5mm程度だったため、本試験では上記の試料サイズにてSP試験を行った。
(9-2) Sample Preparation After cutting a disk-shaped sample into a circular shape with a diameter of 7 mm using a wire-cut electric discharge machine (WEDM), the surface is emery wet-polished up to # 1000 and Al 2 O 3 with an average particle size of 1 μm. The surface was mirror-polished by buffing with the suspension, and the final thickness was adjusted to 0.5 ± 0.01 mm.
Further, in order to impart hydrogen dissociation catalytic property, both sides of the sample were coated with Pd having a thickness of about 200 nm using a DC magnetron sputtering apparatus.
The same steps were applied to the sample for the SP test in vacuum in order to make the conditions the same as those for the hydrogen atmosphere in-situ SP test.
In the in-situ SP test so far, a sample of 10 × 10 × 0.5 mm 3 was used, but as a result of the actual test, the punched ball touched the ground at the sample part contributing to deformation / destruction. Since the diameter was about 5 mm centered on the point, the SP test was performed with the above sample size in this test.
(9−3)小型パンチ(SP)試験法
小型パンチ(SP)試験法とは、小型板状試料に直径2.4mmの鋼球(本試験では耐水素脆性及び高温強度維持の観点からSi3N4球を使用)を載せ、パンチャーで鋼球を試料に押し当てた際に生じる荷重と圧子移動量を測定する打抜き破壊試験法である。
ここで、膜試料が破断するまでの荷重−圧子移動量曲線下の面積をSP吸収エネルギーと定義し、膜試料の破壊に必要なエネルギーを比較する際の基準とした。
本試験法とシャルピー衝撃試験法とを比べると、SP試験ではシャルピー衝撃試験片の一端から得られるほどに試験片サイズが小さく、また、試験で評価される吸収エネルギーの変化については、狭い温度範囲で明瞭な延性−脆性遷移挙動が現れることが知られている。
そのため、SP試験は、原子炉炉心材料の照射損傷評価などによく用いられている。
該in−situ SP試験では、直径7mm、厚さ0.5mmの試料を上治具と下部ダイスの間にセットし、4本の六角穴付ボルトを用いて均一トルク(9.8Nm)で固定した。
次いで、油回転真空ポンプ及びターボ分子ポンプによる真空排気を行い、所望の温度まで加熱し、1.0時間維持した後に、次の(9−4)に示す各試験条件の水素ガスを導入することで、SP試験を行った。
なお、in−situ SP試験における圧子移動速度は、0.5mm/minで一定とした。
(9-3) Small Punch (SP) Test Method The small punch (SP) test method is a steel ball with a diameter of 2.4 mm on a small plate-shaped sample (in this test, Si 3 from the viewpoint of hydrogen embrittlement resistance and maintenance of high temperature strength. Place the use) N 4 balls, a punching destructive test method for measuring the load and indenter movement amount generated when pressed against the steel balls sample puncher.
Here, the area under the load-indenter movement amount curve until the membrane sample breaks is defined as SP absorbed energy, and is used as a reference when comparing the energy required for breaking the membrane sample.
Comparing this test method with the Charpy impact test method, in the SP test, the test piece size is small enough to be obtained from one end of the Charpy impact test piece, and the change in absorbed energy evaluated in the test is in a narrow temperature range. It is known that a clear ductile-brittle transition behavior appears in.
Therefore, the SP test is often used for evaluation of irradiation damage of reactor core materials.
In the in-situ SP test, a sample with a diameter of 7 mm and a thickness of 0.5 mm was set between the upper jig and the lower die, and fixed with a uniform torque (9.8 Nm) using four hexagon socket head cap screws. did.
Next, vacuum exhaust is performed by an oil rotary vacuum pump and a turbo molecular pump, heated to a desired temperature, maintained for 1.0 hour, and then hydrogen gas under each test condition shown in the following (9-4) is introduced. So, the SP test was conducted.
The in situ moving speed in the in-situ SP test was constant at 0.5 mm / min.
(9−4)試験条件
まず、HPT−V材の各温度での膜強度を把握するために、300℃、400℃、500℃の三つの温度条件にて真空中SP試験を行った。
次に、同材料の機械的性質に及ぼす固溶水素量の影響を評価するために、種々の固溶水素濃度条件の下、水素雰囲気in−situ SP試験を行った。
温度条件は、500℃とした。
目標とする負荷水素圧力は、後述のジーベルツ型の水素吸蔵量測定装置(PCT測定装置)を用いて測定するPCT曲線から読み取ることで決定した。
そして、目標とする水素圧力を負荷し、その状態を2.5時間維持した後に、水素雰囲気in−situ SP試験を実施した。
ここで、各水素圧力に平衡した水素濃度まで水素を固溶していない場合、膜試料への水素の溶解反応が進行する。
そして、供給している水素ガスの導入バルブを閉鎖すると、試験装置内の水素圧力が減少する。
したがって、この試験では、水素ガスの導入停止に伴う試験装置内の圧力低下が生じなくなった場合に、膜試料中の水素濃度が水素圧力に平衡した濃度に達したと判断して、その直後にin−situ SP試験を行った。
(9-4) Test Conditions First, in order to grasp the film strength of the HPT-V material at each temperature, an SP test in vacuum was performed under three temperature conditions of 300 ° C., 400 ° C., and 500 ° C.
Next, in order to evaluate the effect of the amount of solid solution hydrogen on the mechanical properties of the material, a hydrogen atmosphere in-situ SP test was conducted under various solid solution hydrogen concentration conditions.
The temperature condition was 500 ° C.
The target hydrogen loading pressure was determined by reading from the PCT curve measured using a Sieberts-type hydrogen storage amount measuring device (PCT measuring device) described later.
Then, after applying the target hydrogen pressure and maintaining the state for 2.5 hours, the hydrogen atmosphere in-situ SP test was carried out.
Here, when hydrogen is not dissolved to a hydrogen concentration equilibrated with each hydrogen pressure, the hydrogen dissolution reaction in the membrane sample proceeds.
Then, when the introduction valve of the supplied hydrogen gas is closed, the hydrogen pressure in the test apparatus decreases.
Therefore, in this test, when the pressure drop in the test equipment due to the suspension of hydrogen gas introduction does not occur, it is judged that the hydrogen concentration in the membrane sample has reached the concentration equilibrated with the hydrogen pressure, and immediately after that, it is determined. An in-situ SP test was performed.
(9−5)破面観察
水素雰囲気in−situ SP試験後及び真空中SP試験後の膜材料の破壊形態を確認するため、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて破面観察を行った。
電子銃の加速電圧は20kVとし、膜材料の全体像と破面の拡大像の二種類のSEM像を撮影し、破面の特徴と破壊形態に関する総合評価を行った。
HPT−Vとvirgin Vの各温度における真空中でのSP曲線を、図11、図12及び図13に各々示す。
(9-5) Fracture surface observation In order to confirm the fracture morphology of the membrane material after the hydrogen atmosphere in-situ SP test and after the vacuum SP test, the fracture surface was observed using a scanning electron microscope (SEM).
The acceleration voltage of the electron gun was set to 20 kV, and two types of SEM images, an overall image of the film material and an enlarged image of the fracture surface, were taken, and a comprehensive evaluation of the characteristics of the fracture surface and the fracture morphology was performed.
The SP curves in vacuum at each temperature of HPT-V and virgin V are shown in FIGS. 11, 12, and 13, respectively.
virgin Vでは、全ての温度条件で典型的な延性材料と同様なSP曲線が得られたのに対し、HPT−Vでは全ての温度においてSP曲線の第三段階である塑性膜伸び段階が見られず、300℃と400℃においては圧子移動量0.7mmの付近で一旦、負荷荷重が急激に減少し、その後に再び増加、第四段階である塑性不安定段階を経て破断するという挙動が確認された。
また、500℃での最大荷重は、300℃、400℃と比べ大きく、塑性膜伸び段階が見られないこと以外では典型的な延性材料に見られるSP曲線と類似している。
In virgin V, the SP curve similar to that of a typical ductile material was obtained under all temperature conditions, whereas in HPT-V, the plastic film elongation step, which is the third step of the SP curve, was observed at all temperatures. However, at 300 ° C and 400 ° C, the behavior that the load was temporarily reduced at around 0.7 mm of indenter movement, then increased again, and broke through the fourth stage of plastic instability was confirmed. Was done.
Further, the maximum load at 500 ° C. is larger than that at 300 ° C. and 400 ° C., and is similar to the SP curve seen in a typical ductile material except that the plastic film elongation step is not observed.
塑性膜伸び段階が見られなかった理由として、HPT加工を施すことによって結晶粒が微細化され、通常の延性材料に見られるネッキングが起こらず、破断部の組織が全体的に粘って相対変形を起こしたため破断に至ったためと考えられる。
また、300℃と400℃で見られた挙動については、どちらの温度でも圧子移動量0.7mm付近で起きているため、同様の過程での現象であると考えられる。
ここで、500℃ではその挙動が見られなかったことから、400℃以下の温度では転位の回復が十分でなく、残留した転位が応力場において不動転位として作用しているため、早期にき裂を開放し、破壊に至っていると考えられる。
そして、400℃までの熱処理では、図5に示すとおり、硬度の低下は十分に起きておらず、転位が十分に回復していないことが考えられる。
したがって、400℃以下の温度では脆性的な破壊が起こったといえる。
The reason why the plastic film elongation stage was not observed is that the crystal grains are refined by the HPT processing, the necking that is seen in ordinary ductile materials does not occur, and the structure of the fractured part becomes sticky as a whole and causes relative deformation. It is probable that it was caused to break.
Further, the behavior observed at 300 ° C. and 400 ° C. occurs in the vicinity of the indenter movement amount of 0.7 mm at both temperatures, and is therefore considered to be a phenomenon in the same process.
Here, since the behavior was not observed at 500 ° C., the recovery of dislocations was not sufficient at a temperature of 400 ° C. or lower, and the remaining dislocations acted as immobile dislocations in the stress field, resulting in early cracking. It is thought that it has been released and destroyed.
Then, as shown in FIG. 5, it is considered that the heat treatment up to 400 ° C. did not sufficiently reduce the hardness and the dislocations were not sufficiently recovered.
Therefore, it can be said that brittle fracture occurred at a temperature of 400 ° C. or lower.
また、各温度におけるSP吸収エネルギー(ESP)をまとめたものを図14に示す。
温度が上昇するにあたり、virgin VはSP吸収エネルギーが低下しているのに対し、HPT−Vは500℃において急激にSP吸収エネルギーが上昇している。
Further, FIG. 14 shows a summary of SP absorbed energy ( ESP) at each temperature.
As the temperature rises, the SP absorption energy of virgin V decreases, whereas that of HPT-V rapidly increases at 500 ° C.
また、図15に、図11〜図13のHPT−V材の真空中SP試験後のSEM観察で得られた各試料の外観及び破面のSEM像を示す。
図15中、(a)(b)(c)は外観、(a)’(b)’(c)’は破面の拡大像であり、(a)(a)’は300℃、(b)(b)’は400℃、(c)(c)’は500℃の条件下のものを示す。
全ての温度条件で、円周方向の破壊が起きており、さらに300℃と400℃では延性破面に見られるディンプルを確認した。
500℃においては、他の温度条件ほど顕著なディンプルは見られなかったが、SP曲線が第四段階まで至っていることから延性的な破壊であると考えられる。
In addition, FIG. 15 shows the appearance of each sample and the SEM image of the fracture surface obtained by SEM observation of the HPT-V material of FIGS. 11 to 13 after the SP test in vacuum.
In FIG. 15, (a), (b) and (c) are external appearances, (a)'(b)'(c)'are enlarged images of the fracture surface, and (a), (a)' are 300 ° C., (b). ) (B)'refers to the condition of 400 ° C., and (c) (c)' indicates the condition of 500 ° C.
Circumferential fracture occurred under all temperature conditions, and dimples found on ductile fracture surfaces were confirmed at 300 ° C and 400 ° C.
At 500 ° C., dimples were not as remarkable as in other temperature conditions, but since the SP curve reached the fourth stage, it is considered to be ductile fracture.
以上の考察より、水素雰囲気中でのin−situ SP試験の温度条件は、比較的、典型的な延性材料のSP曲線に近似しており、転位の回復も十分であると考えられる500℃にて行うこととした。 From the above consideration, the temperature condition of the in-situ SP test in a hydrogen atmosphere is relatively close to the SP curve of a typical ductile material, and the recovery of dislocations is considered to be sufficient at 500 ° C. I decided to do it.
(9−6)水素雰囲気における圧力−濃度−等温線(PCT曲線)の測定
本試験ではHPT−Vの水素溶解特性を定量的に調べるためジーベルツ型のPCT測定装置を用いて水素雰囲気における圧力−濃度−等温線(PCT曲線)を測定した。
(9-6) Measurement of pressure-concentration-isothermal line (PCT curve) in hydrogen atmosphere In this test, pressure-in a hydrogen atmosphere was used in order to quantitatively investigate the hydrogen dissolution characteristics of HPT-V using a Sieberts-type PCT measuring device. The concentration-isothermal line (PCT curve) was measured.
測定の手順を以下に示す。
試料を装置に取り付け、室温で2時間、真空引きを行い、500℃で5MPaの水素を負荷し、0.5時間保持する。
その後、温度を室温にまで下げ、圧力が安定するまでそのままの状態で保持する。
圧力が安定したら、再び500℃にまで上げ、0.5時間の真空引きを行う。
その後、再び5MPaの水素負荷を行い、同様の手順を繰り返す。
この作業を、4回反復させることで活性化処理を行う。
十分に活性化処理を終えたら、残留している水素を引抜くために2時間の真空引きを行い、測定温度にて測定を開始する。
各温度における測定前には、2時間の真空引きを毎回行う。
The measurement procedure is shown below.
The sample is attached to the device, evacuated at room temperature for 2 hours, loaded with 5 MPa hydrogen at 500 ° C. and held for 0.5 hours.
After that, the temperature is lowered to room temperature and kept as it is until the pressure stabilizes.
When the pressure stabilizes, raise the temperature to 500 ° C again and evacuate for 0.5 hours.
Then, a hydrogen load of 5 MPa is applied again, and the same procedure is repeated.
The activation process is performed by repeating this operation four times.
When the activation treatment is sufficiently completed, vacuuming is performed for 2 hours to extract the residual hydrogen, and the measurement is started at the measurement temperature.
Evacuate for 2 hours each time before measurement at each temperature.
本試験では500℃、400℃、300℃の順で測定した。
また、比較のために、virgin Vにおいても同様の手順でPCT測定を行った。
In this test, measurements were taken in the order of 500 ° C, 400 ° C, and 300 ° C.
For comparison, PCT measurement was also performed in virgin V by the same procedure.
(9−7)水素雰囲気in−situ SP試験
水素雰囲気in−situ SP試験の結果を、図16に示す。
HPT−Vは、固溶水素濃度0.3H/Mでも延性的なSP曲線を示しており、固溶水素濃度0.4H/Mでは脆性的な破壊を起こしているものの、弾性範囲を越えて、十分に塑性変形した後に破壊していることがわかる。
図17に、図16の結果から得たESPを縦軸に、また、固溶水素濃度を横軸に取るDBTC曲線を示す。
virgin Vが、0.2〜0.3H/Mの範囲で延性から脆性的な破壊に遷移しているのに対し、HPT−Vは、0.4H/Mでも十分な強度を保持しているといえる。
これらの結果から、Vの耐水素脆性の向上にHPT加工は非常に有用であり、Vの水素透過性能をそのまま有しているとすれば、高性能な水素分離膜の設計に向けた指針としてHPT加工は大きな可能性を有しているといえる。
また、水素雰囲気in−situ SP試験後の試料の外観及び破面のSEM像を図18に示す。
図18中、(a)(b)は外観、(a)‘(a)”(b)’(b)”は破面の拡大像であり、(a)(a)’(a)”は0.3H/M、(b)(b)’(b)”は0.4H/Mの条件下のものを示す。
(9-7) Hydrogen Atmosphere In-Situ SP Test The results of the hydrogen atmosphere in-situ SP test are shown in FIG.
HPT-V shows a ductile SP curve even at a solid hydrogen concentration of 0.3 H / M, and although brittle fracture occurs at a solid hydrogen concentration of 0.4 H / M, it exceeds the elastic range. It can be seen that the fracture occurs after sufficient plastic deformation.
17, the vertical axis E SP obtained from the results of FIG. 16 also shows DBTC curve taking solid solution hydrogen concentration on the horizontal axis.
While virgin V transitions from ductile to brittle fracture in the range of 0.2 to 0.3 H / M, HPT-V retains sufficient strength even at 0.4 H / M. It can be said that.
From these results, HPT processing is very useful for improving the hydrogen embrittlement resistance of V, and if it has the hydrogen permeation performance of V as it is, it can be used as a guideline for designing a high-performance hydrogen separation membrane. It can be said that HPT processing has great potential.
In addition, FIG. 18 shows the appearance of the sample and the SEM image of the fracture surface after the hydrogen atmosphere in-situ SP test.
In FIG. 18, (a) and (b) are appearances, (a)'(a) "(b)'(b)" are enlarged images of the fracture surface, and (a) (a)'(a) "are 0.3H / M, (b) (b)'(b) "refers to those under the condition of 0.4H / M.
固溶水素濃度0.3H/Mでは、延性的な破面で見られるディンプルが多く存在していたが、一方で脆性的な破面でみられるリバーパターンが存在する箇所もあった。
0.4H/Mでは、ディンプルが見られる領域が減り、リバーパターンが見られる領域が増加していた。
これは、水素固溶濃度が増加するにつれ、脆性的な破壊に至る領域が増加している故、妥当な結果であるといえる。
At a solid solution hydrogen concentration of 0.3 H / M, many dimples were found on the ductile fracture surface, but on the other hand, there were some places where the river pattern was found on the brittle fracture surface.
At 0.4 H / M, the area where dimples were seen decreased and the area where the river pattern was seen increased.
This can be said to be a reasonable result because the region leading to brittle fracture increases as the hydrogen solid solution concentration increases.
(10)水素透過試験
(10−1)水素透過試験装置
本試験に用いる水素透過試験装置は、発明者が独自に開発したもので、図19に概略を示す圧力制御用配管システムと、図20に模式的に示す膜試料固定部とを有するものである。
該圧力制御用配管システムは、SP試験に用いた圧力制御用配管システムと同様に、Swagelok社製バルブ・フィッティングや各種バルブ類を用いて配管したものである。
また、VCR面シ−ル継手の一次側(P1)に水素導入口を、二次側(P2)に水素排出口を接続したものである。
これにより、配管システム中のバルブ操作を適切に行えば、安定した水素圧力下での水素透過試験が可能となる。
さらに、配管の二次側に組み込まれているマスフロメ−タを用いて、透過流束をその場で測定することが可能となる。
前記膜試料固定部は、水素透過試験装置内に組み込まれている。
水素透過膜試料は、SUS316ステンレス製のリングにはめ込むことによってVCR面シール継手の中心に試料が配置される様にして、継手の先端で試料を挟みこむことによって封止されており、VCR面シ−ル継手間にこれを固定した後、管状電気炉を用いて設定試験温度にまで膜試料を加熱した後、水素透過試験を行った。
(10) Hydrogen permeation test (10-1) Hydrogen permeation test device The hydrogen permeation test device used in this test was originally developed by the inventor, and the pressure control piping system outlined in FIG. 19 and FIG. 20 It has a membrane sample fixing portion schematically shown in 1.
The pressure control piping system is the same as the pressure control piping system used in the SP test, and is piped using valve fittings manufactured by Swagelok and various valves.
Further, a hydrogen introduction port is connected to the primary side (P 1 ) of the VCR surface seal joint, and a hydrogen discharge port is connected to the secondary side (P 2).
This enables a hydrogen permeation test under stable hydrogen pressure if the valves in the piping system are properly operated.
Further, the permeated flux can be measured on the spot by using the mass fromer incorporated in the secondary side of the pipe.
The membrane sample fixing portion is incorporated in a hydrogen permeation test apparatus.
The hydrogen permeable film sample is sealed by sandwiching the sample with the tip of the VCR surface seal joint so that the sample is placed in the center of the VCR surface seal joint by fitting it into a ring made of SUS316 stainless steel. After fixing this between the joints, the membrane sample was heated to the set test temperature using a tubular electric furnace, and then a hydrogen permeation test was performed.
(10−2)試料作製
本発明品1であるディスク状試料からワイヤーカット放電加工機(WEDM)にて直径8.9mmの円形に切り出した後、500℃で1時間熱処理を行い、表面を#1000までのエメリー湿式研磨および平均粒径1μmのAl2O3懸濁液を含むバフ研磨により鏡面状態とし、最終厚さ0.5mm程度に調整した。
さらに、水素解離触媒性を付与するため、RFスパッタ装置を用いて試料両面に厚さ約200nmのPd−25%Ag被覆を施した。
尚、純Pdも被覆可能であるが、設定温度(300℃〜500℃)の範囲でも、低温での水素透過時に水素化物形成による機能低下が懸念されたため、水素化物形成の限界温度を引き下げるために、Pd−25%Ag被覆を施した。
また、比較のため、同様の手順で、1100℃で1時間熱処理を施した比較品1であるvirgin Vでも試料を作製した。
(10-2) Sample Preparation A disk-shaped sample of the
Further, in order to impart hydrogen dissociation catalytic property, both sides of the sample were coated with Pd-25% Ag having a thickness of about 200 nm using an RF sputtering apparatus.
Although pure Pd can also be coated, even in the set temperature range (300 ° C to 500 ° C), there is a concern that the function will deteriorate due to hydride formation during hydrogen permeation at low temperatures, so the limit temperature for hydride formation will be lowered. Was coated with Pd-25% Ag.
For comparison, a sample was also prepared with virgin V, which is a
(10−3)水素透過試験の手法
水素透過試験は、試料各面について一次側水素圧力を二次側水素圧力以上となるように水素圧力を加え、その圧力差によって低圧側に流れ出た水素の体積流量を測定することにより水素透過膜としての性能を評価する試験である。
水素透過性能の測定手順を以下に示す。
(10-3) Method of hydrogen permeation test In the hydrogen permeation test, hydrogen pressure is applied to each surface of the sample so that the primary side hydrogen pressure is equal to or higher than the secondary side hydrogen pressure, and the hydrogen flowing out to the low pressure side due to the pressure difference is This is a test to evaluate the performance as a hydrogen permeable film by measuring the volume flow rate.
The procedure for measuring hydrogen permeation performance is shown below.
膜試料をVCR面シ−ル継手内部に取り付け、真空引きを行う。
その後、VCR面シ−ル継手の膜試料固定部を管状電気炉で設定温度(300℃〜500℃)まで加熱し、一次側の水素圧力を5kPaまで上昇させ、水素透過が行われるまでそのままの状態で保持する。
水素が透過したことを確認してから1時間保持し、二次側配管内の体積流量Q[sccm]を管路に設置したマスフロメ−タにて測定することで水素透過流束を算出した。
その後、一次側の圧力を10kPa、15kPa、10kPa、5kPaと変化させ、それぞれ1時間保持し、水素透過流束の算出を行った。
The membrane sample is attached inside the VCR surface seal joint and evacuated.
After that, the membrane sample fixing part of the VCR surface seal joint is heated to the set temperature (300 ° C to 500 ° C) in a tubular electric furnace, the hydrogen pressure on the primary side is raised to 5 kPa, and the hydrogen pressure remains as it is until hydrogen permeation is performed. Hold in state.
After confirming that hydrogen had permeated, it was held for 1 hour, and the volumetric flow rate Q [sccm] in the secondary side pipe was measured with a mass flow meter installed in the pipeline to calculate the hydrogen permeation flux.
Then, the pressure on the primary side was changed to 10 kPa, 15 kPa, 10 kPa, and 5 kPa, and each was held for 1 hour to calculate the hydrogen permeation flux.
(10−4)水素透過流束測定方法
本水素透過試験では、水素透過反応の時間経過に伴う配管内圧力の変化により、水素透過量が算出できる。
その評価方法の詳細を以下に述べる。
(10-4) Hydrogen permeation flux measurement method In this hydrogen permeation test, the amount of hydrogen permeation can be calculated from the change in the pressure inside the pipe with the passage of time of the hydrogen permeation reaction.
The details of the evaluation method will be described below.
図19に示す配管図内のP1、P2およびP3は、圧力トランスデュ−サ−(ひずみゲ−ジ式圧力センサ)を示しており、それぞれ3つのセルに分割された各配管内圧力を計測することができる。
ここで、P1は膜試料を隔てた1次側(高圧側)の圧力、P2は膜試料を隔てた2次側(低圧側)の圧力、P3は低圧容器内(リザ−ブセル)の圧力の計測を行うための圧力センサである。
これらのセル間を仕切るために接続された各バルブを操作することで、セル内の圧力をそれぞれ独立して調整できる。
P 1, P 2 and P 3 in the piping diagram of FIG. 19, pressure transducer du - Sa - (Strain gate - di-type pressure sensor) shows the respective pipe pressure, which is divided into three cells, respectively Can be measured.
Here, P 1 is the pressure on the primary side (high pressure side) separating the membrane sample, P 2 is the pressure on the secondary side (low pressure side) separating the membrane sample, and P 3 is the pressure in the low pressure container (reserve cell). It is a pressure sensor for measuring the pressure of.
By operating each valve connected to partition between these cells, the pressure inside the cells can be adjusted independently.
リザ−ブセル内を真空排気し、高圧セルおよび低圧セル内にP1>P2となるように水素ガスを充填すると、圧力差によって膜試料の両面に水素濃度差を生じ、金属中の拡散により水素が透過する。
水素が透過し始めると低圧セル内の圧力が上昇する為、ニ−ドルバルブを開き、低圧セル内の水素ガスをリザ−ブセル内にリ−クさせることで、P2の圧力が一定となるようにニ−ドルバルブの開閉量を調整する。
同時に、高圧セル内の圧力も圧力レギュレ−タ−により目標値に調整する。
結果として、低圧セルおよび高圧セルは、任意の測定条件に従って常に一定圧力に保持され、リザ−ブセル内の圧力だけが時間経過に伴い上昇する。
When the inside of the reserve cell is evacuated and the high-pressure cell and the low-pressure cell are filled with hydrogen gas so that P 1 > P 2 , the pressure difference causes a difference in hydrogen concentration on both sides of the membrane sample, which is caused by diffusion in the metal. Hydrogen permeates.
When hydrogen begins to permeate, the pressure inside the low-pressure cell rises, so by opening the needle valve and allowing the hydrogen gas in the low-pressure cell to leak into the reserve cell, the pressure at P 2 becomes constant. Adjust the opening / closing amount of the needle valve.
At the same time, the pressure in the high pressure cell is also adjusted to the target value by the pressure regulator.
As a result, the low pressure cell and the high pressure cell are always kept at a constant pressure according to any measurement condition, and only the pressure in the reserve cell rises with the passage of time.
リザ−ブセル内の圧力変化の結果あるいはマスフローメータ読みにて、水素透過速度を算出した後に、水素透過流束を求めることで水素透過性能を評価した。 The hydrogen permeation performance was evaluated by calculating the hydrogen permeation rate based on the result of the pressure change in the reserve cell or the mass flow meter reading, and then determining the hydrogen permeation flux.
(10−5)水素透過試験の結果
300℃における水素透過試験結果を図21に示す。
図21に示すグラフは、水素透過試験における水素透過係数の圧力差による影響を比較したグラフであり、水素透過係数を縦軸、一次側水素圧力を横軸に取っており、本発明品1であるHPT−Vは、300℃の低温域においても、比較品1であるvirgin Vの水素透過係数の2.5〜5倍である10−7[mol H2 m−1 s−1 Pa−0.5]程度の高い水素透過係数を示している。
すなわち、本発明品1は、比較品1よりも全体的に良好な値を示し、インレット値が5の場合は一桁以上の良好な値を示し、インレット値が高くなるにつれ、2.5倍から5倍程の良好な値を示している。
しかし、水素雰囲気in−situ SP試験において、HPT加工による水素溶解度の変化は無いことが明らかとなっており、HPT加工による水素透過性能の向上は、原子拡散に依存する拡散係数の増加が寄与していると考えられる。
したがって、拡散係数を増加させた要因は、HPT加工を施すことによって増加した結晶粒界が、水素の高速拡散経路として機能したことが考えられる。
(10-5) Results of hydrogen permeation test The results of the hydrogen permeation test at 300 ° C. are shown in FIG.
The graph shown in FIG. 21 is a graph comparing the effects of the pressure difference of the hydrogen permeability coefficient in the hydrogen permeation test. The hydrogen permeation coefficient is on the vertical axis and the primary hydrogen pressure is on the horizontal axis. A certain HPT-V is 10-7 [mol H 2 m -1 s -1 Pa- 0, which is 2.5 to 5 times the hydrogen permeability coefficient of virgin V, which is the
That is, the
However, in the hydrogen atmosphere in-situ SP test, it was clarified that there was no change in hydrogen solubility due to HPT processing, and the improvement in hydrogen permeation performance by HPT processing was contributed by the increase in diffusion coefficient depending on atomic diffusion. It is thought that it is.
Therefore, it is considered that the factor that increased the diffusion coefficient was that the grain boundaries increased by the HPT processing functioned as a high-speed diffusion path for hydrogen.
図22は、水素透過後の各分離膜の外観を示す図である。
図23は、水素透過後の各分離膜表面のSEM像を示す図であり、上段が比較品1である分離膜の表面を、下段が本発明品1である分離膜の表面を示す。
FIG. 22 is a diagram showing the appearance of each separation membrane after hydrogen permeation.
FIG. 23 is a diagram showing an SEM image of the surface of each separation membrane after hydrogen permeation. The upper row shows the surface of the separation membrane which is the
比較品1であるvirgin Vでは、水素付加圧力や固溶水素による膨張を起因とした膜変形によるシワが生じており、表面にはき裂が入っているのに対し、本発明品1であるHPT−Vでは膜変形が抑えられており、シワの発生やき裂発生までは至っていないことが確認できる。
すなわち、比較品1の焼鈍材では、水素負荷により変形によるすべり線や微視的き裂の発生が確認されたのに対し、本発明品1は、すべり線や微視的き裂の発生は確認されなかった。
これは、HPT加工によって水素中の変形が抑制され、高強度化されており、応力場において高い変形抵抗を有し、相応の水素透過および耐圧性能が得られたことを示している。
In virgin V, which is the
That is, in the annealed material of
This indicates that the HPT processing suppressed the deformation in hydrogen, increased the strength, had a high deformation resistance in the stress field, and obtained appropriate hydrogen permeation and pressure resistance performance.
図24は、各温度における透過係数を比較したグラフであり、縦軸に水素透過係数、横軸に温度の逆数を取ったグラフである。
ここで、一次側水素圧力の最大値は、300℃で15kPa、350℃で20kPa、400℃で60kPa、450℃および500℃で100kPaとして水素透過係数を算出した。
HPT−Vは、400℃以下の温度条件において、virgin Vを上回る水素透過係数を示している。
500℃においても、400℃以下の温度条件と比べると僅かではあるが水素透過が行われていることがわかる。
FIG. 24 is a graph comparing the permeability coefficients at each temperature, with the hydrogen permeability coefficient on the vertical axis and the reciprocal of the temperature on the horizontal axis.
Here, the maximum value of the primary hydrogen pressure was 15 kPa at 300 ° C., 20 kPa at 350 ° C., 60 kPa at 400 ° C., and 100 kPa at 450 ° C. and 500 ° C., and the hydrogen permeability coefficient was calculated.
HPT-V exhibits a hydrogen permeability coefficient higher than that of virgin V under temperature conditions of 400 ° C. or lower.
It can be seen that even at 500 ° C., hydrogen permeation is carried out, albeit slightly, as compared with the temperature condition of 400 ° C. or lower.
図25は、500℃における透過試験前後の試料のEBSD方位像であり、(a)は透過試験後、(b)は透過試験前を示す。
試験前後で平均粒径は変わらず390nmであり、微細組織を保っていることが確認できる。
この結果から、500℃においては、400℃以下の温度域と比べると水素透過性能は低下するが、水素雰囲気でも微細結晶を維持したまま水素分離膜として長時間機能し、粗大化による機能低下も起こらないと考えることができる。
すなわち、500℃、3.6ks、1時間の水素透過試験後の本発明品1は、平均結晶粒径が390nmであり、微細組織を保ち、500℃でも水素分離膜として長時間機能し、粗大化による機能低下も起こらないことが確認された。
FIG. 25 is an EBSD orientation image of the sample before and after the permeation test at 500 ° C., (a) shows after the permeation test, and (b) shows before the permeation test.
The average particle size did not change before and after the test and was 390 nm, confirming that the microstructure was maintained.
From this result, at 500 ° C., the hydrogen permeation performance is lower than that at the temperature range of 400 ° C. or lower, but it functions as a hydrogen separation membrane for a long time while maintaining fine crystals even in a hydrogen atmosphere, and the function is also deteriorated due to coarsening. It can be thought that it will not happen.
That is, the
水素透過試験前後の試料の平均粒径と粒度番号を、次表に示す。 The average particle size and particle size number of the sample before and after the hydrogen permeation test are shown in the following table.
どちらの試料も粒度番号Nは20であり、結晶組織観察の結果から500℃以下の温度領域でも粒度番号20以上の微細粒を有していると考えられるため、水素透過性能が向上する1つの目安として粒度番号20以上の微細粒を有していることが考えられる。 Both samples have a particle size number N of 20, and from the results of crystal structure observation, it is considered that they have fine particles having a particle size number of 20 or more even in a temperature range of 500 ° C. or less. As a guide, it is considered that the particles have a particle size number of 20 or more.
(11)PCT測定
測定した各試料のPCT曲線を図26に示す。
HPT−Vとvirgin VのPCT曲線は同線上に重なっており、HPT加工によるPCT曲線への影響は見られなかった。
したがって、HPT加工前後の試料において水素溶解度の変化はなく、HPT加工のPCT曲線に対する寄与は小さいと考えられる。
この結果により、Vのようなbcc金属において、結晶粒内の結晶格子中への水素溶解度が高いため、結晶粒界の影響は少ないと考えられる。
また岩岡らにより、fcc金属であるPdではHPT加工により、水素溶解度が向上すると報告されているが、Pdはfcc金属であるため、結晶粒内の水素溶解度が小さく結晶粒界における水素溶解度が相対的に高まっていると考えられる。
(11) PCT measurement The PCT curve of each measured sample is shown in FIG.
The PCT curves of HPT-V and virgin V overlap on the same line, and no effect of HPT processing on the PCT curve was observed.
Therefore, there is no change in hydrogen solubility in the sample before and after HPT processing, and it is considered that the contribution of HPT processing to the PCT curve is small.
From this result, it is considered that the influence of the grain boundary is small in the bcc metal such as V because the hydrogen solubility in the crystal lattice in the crystal grain is high.
In addition, Iwaoka et al. Reported that the hydrogen solubility of Pd, which is an fcc metal, is improved by HPT processing, but since Pd is an fcc metal, the hydrogen solubility in the crystal grains is small and the hydrogen solubility at the grain boundaries is relative. It is thought that the number is increasing.
(12)ニッケルによる水素分離膜試料の製造
前記のバナジウムと同様に、該HPT加工装置を用い、純度99.9%のニッケルの引抜材を、1100℃で1時間熱処理を施した後、室温にて、印加圧力1.5GPa、回転速度0.25rpm、回転数5回転の条件でHPT加工を行うことで、本発明品2である水素分離膜の試料を製造した。
ここでの、前記のHPT加工の際のひずみを表す式によると、ひずみεは、最小値32.6〜最大値169程度であった。
すなわち、20mmディスクから10mmディスクを切り出した試料のうちの水素が透過している領域について、試料中心からの距離を示すrは、1.8mm〜9.3mmの範囲における値となるので、ひずみεも下限〜上限の値として計算された。
そして、金型溝深さが上下合わせて0.7mmの場合、HPT加工の際に用いられる金型穴径と同じ直径20mm、厚さ0.8mmのディスク状のニッケルによる水素分離膜試料を得た。
ここで、比較のために、HPT加工を行わない純度99.9%のニッケルによる焼鈍材を、本発明品2と同じディスク状に形成して比較品2とした。
(12) Production of Hydrogen Separation Membrane Sample Using Nickel Using the HPT processing device, a nickel drawing material having a purity of 99.9% is heat-treated at 1100 ° C. for 1 hour and then brought to room temperature. A sample of the hydrogen separation membrane, which is the
According to the equation expressing the strain at the time of HPT processing, the strain ε was about 32.6 to the maximum value of 169.
That is, for the region where hydrogen is permeated in the sample obtained by cutting out the 10 mm disc from the 20 mm disc, r indicating the distance from the sample center is a value in the range of 1.8 mm to 9.3 mm, so that the strain ε Was also calculated as a lower to upper limit value.
Then, when the mold groove depth is 0.7 mm in total, a disk-shaped nickel-based hydrogen separation membrane sample having a diameter of 20 mm and a thickness of 0.8 mm, which is the same as the mold hole diameter used for HPT processing, is obtained. It was.
Here, for comparison, an annealed material made of nickel having a purity of 99.9% and not subjected to HPT processing was formed into the same disk shape as the
(13)ニッケルによる試料の作製
上記で得たでディスク状の本発明品2又は比較品2による水素分離膜試料から、ワイヤーカット放電加工機(WEDM)を用い、所望の形状に切り出して各試験用の試料を作製した。
(13) Preparation of sample with nickel From the disc-shaped hydrogen separation membrane sample obtained from the
(14)水素透過試験
本発明品2と比較品2について、600℃の温度条件下、1次側水素圧力を600kPa、400kPa、200kPaの各3通りについて、2次側水素圧力は10kPaに統一して、水素透過試験を行った。
その結果を、図27に示す。
なお、図27において、左側の列は、本発明品2を示し、右側の列は比較品2を示す。
(14) Hydrogen permeation test For the
The result is shown in FIG.
In FIG. 27, the left column shows the
(15)試験結果の考察
Pdと同じ10族に属する純Niは、比較品2による焼鈍材では水素透過現象が見られないが、HPT加工を施した本発明品2は、1次側水素圧力を600kPaの条件下では、水素透過係数Φ=2×10−9(mol H2 m−1s−1Pa−0.5)を示し、水素の透過を確認した。
この結果により、fcc金属であるNiにおいてもHPT加工を施すことによって水素透過性能が向上することを確認した。
この要因として、NiはPdと同じくfcc金属であり、HPT加工により、水素溶解度が向上すると考えられること、Niにおいても結晶粒界は水素の高速拡散経路として機能すると考えられることが挙げられる。
(15) Consideration of test results Pure Ni, which belongs to the
From this result, it was confirmed that the hydrogen permeation performance of Ni, which is an fcc metal, is improved by performing HPT processing.
The reasons for this are that Ni is an fcc metal like Pd, and it is considered that the hydrogen solubility is improved by HPT processing, and that the grain boundaries of Ni also function as a high-speed diffusion path for hydrogen.
(16)EBSD方位像
水素透過前(左)と水素透過後(右)の試料表面のEBSD方位像を、図28に示す。
水素透過前の平均粒径は320nmと超微細結晶粒を有していたが、水素透過後の平均粒径は3.84μmであり、結晶粒の粗大化を確認した。
(16) EBSD orientation image The EBSD orientation image of the sample surface before hydrogen permeation (left) and after hydrogen permeation (right) is shown in FIG. 28.
The average particle size before hydrogen permeation was 320 nm, which was ultrafine crystal grains, but the average particle size after hydrogen permeation was 3.84 μm, confirming the coarsening of the crystal grains.
水素透過試験前後の試料の平均粒径と粒度番号を、次表に示す。 The average particle size and particle size number of the sample before and after the hydrogen permeation test are shown in the following table.
水素透過後の試料は、結晶粒が粗大化しているため、水素透過性能が低下していると考えられる。
しかし、fcc金属においてもHPT加工を施すことによる水素透過性能の向上は確認できたため、高性能な水素分離膜の設計指針としてHPT加工は効果的であることが裏付けられた。
また、fcc金属においても粒度番号が21の試料で水素透過性能が向上しており、水素透過性能が向上する1つの目安として粒度番号20以上の微細粒を有していることが挙げられる。
It is considered that the hydrogen permeation performance of the sample after hydrogen permeation is deteriorated because the crystal grains are coarsened.
However, since it was confirmed that the hydrogen permeation performance of the fcc metal was improved by the HPT processing, it was confirmed that the HPT processing is effective as a design guideline for a high-performance hydrogen separation membrane.
Further, also in the fcc metal, the hydrogen permeation performance is improved in the sample having the particle size number 21, and one measure for improving the hydrogen permeation performance is to have fine particles having a particle size number of 20 or more.
(17)まとめ
(17−1)HPT加工を施すことにより、サブミクロン結晶粒組織を得ることができ、超微細化された結晶粒は500℃の温度環境下でも微細な結晶粒径を維持する。
また、500〜700℃の温度領域で再結晶を開始し、700℃では結晶粒の粗大化を確認した。
(17−2)HPT加工を施すことで、結晶粒が微細化され、引張強度が1.0GPaまで上昇する。
(17−3)VにHPT加工を施した後の焼鈍において、500℃を超えてから結晶粒が粗大化し、急激に硬度および引張強さが低下する。
(17−4)HPT加工による高密度の転位は、400℃以下の温度環境下においてじん性の低下に起因していたが、500℃においては転位が回復し、延性材料としての特徴を有していた。
(17−5)Vなどのbcc金属において、HPT加工を施すことによる水素固溶量への影響は少なく、結晶粒界は水素のトラップサイトとしてではなく、水素原子の拡散経路として機能している。
(17−6)HPT加工を施すことで水素雰囲気において、virgin Vでは脆性破壊していた水素固溶領域においても靭性を維持しており、0.4H/Mにおいても延性的な破壊を示す。
(17−7)fcc金属であるNiにおいてもHPT加工を施すことにより、水素透過性能の向上を確認した。
(17−8)粒度番号N=20以上でHPT加工による水素透過性能への効果が得られることを確認した。
(17) Summary (17-1) By performing HPT processing, a submicron crystal grain structure can be obtained, and the ultrafine crystal grains maintain a fine crystal grain size even in a temperature environment of 500 ° C. ..
In addition, recrystallization was started in the temperature range of 500 to 700 ° C., and coarsening of crystal grains was confirmed at 700 ° C.
(17-2) By performing HPT processing, the crystal grains are refined and the tensile strength is increased to 1.0 GPa.
(17-3) In the annealing after HPT processing of V, the crystal grains become coarse after exceeding 500 ° C., and the hardness and tensile strength sharply decrease.
(17-4) High-density dislocations due to HPT processing were caused by a decrease in toughness in a temperature environment of 400 ° C. or lower, but dislocations are restored at 500 ° C., and have characteristics as a ductile material. Was there.
(17-5) In bcc metals such as V, the effect of HPT processing on the amount of hydrogen solid solution is small, and the grain boundaries function not as hydrogen trap sites but as diffusion paths for hydrogen atoms. ..
(17-6) By applying HPT processing, toughness is maintained even in the hydrogen solid solution region where brittle fracture occurred in virgin V in a hydrogen atmosphere, and ductile fracture is exhibited even at 0.4 H / M.
(17-7) It was confirmed that the hydrogen permeation performance of Ni, which is an fcc metal, was improved by performing HPT processing.
(17-8) It was confirmed that the effect on the hydrogen permeation performance by HPT processing can be obtained when the particle size number N = 20 or more.
1 HPT加工装置 1 HPT processing equipment
Claims (4)
による値を切り上げ整数値で示した粒度番号Nが18以上であることを特徴とする、水素分離膜。 It is a vanadium film capable of selectively permeating hydrogen, and the number n of crystal grains in 1 mm 2 is measured two-dimensionally.
A hydrogen separation membrane, characterized in that the particle size number N indicated by a rounded-up integer value is 18 or more.
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