特許 6135303 水素量測定装置及び水素量測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6135303

(24)【登録日】2017年5月12日

(45)【発行日】2017年5月31日

(54)【発明の名称】水素量測定装置及び水素量測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 17/00 20060101AFI20170522BHJP

【ＦＩ】

   G01N17/00

【請求項の数】3

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2013-113635(P2013-113635)

(22)【出願日】2013年5月30日

(65)【公開番号】特開2014-232060(P2014-232060A)

(43)【公開日】2014年12月11日

【審査請求日】2016年1月7日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】新日鐵住金株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104444

【弁理士】

【氏名又は名称】上羽 秀敏

(74)【代理人】

【識別番号】100112715

【弁理士】

【氏名又は名称】松山 隆夫

(74)【代理人】

【識別番号】100125704

【弁理士】

【氏名又は名称】坂根 剛

(74)【代理人】

【識別番号】100120662

【弁理士】

【氏名又は名称】川上 桂子

(74)【代理人】

【識別番号】100171767

【弁理士】

【氏名又は名称】吉永 元貴

(72)【発明者】

【氏名】薮口 歩美

(72)【発明者】

【氏名】大村 朋彦

(72)【発明者】

【氏名】松本 雅充

(72)【発明者】

【氏名】秋岡 幸司

【審査官】 山口 剛

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５９−１９０６５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５６−０３５０５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−０８８３５８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ １７／００ − １７／０４

Ｇ０１Ｎ ３３／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

腐食に伴って金属試料に侵入する水素の量を測定する水素量測定装置であって、
腐食環境を生成するための第１空間を有する腐食環境生成装置と、
前記腐食環境生成装置に配置され、前記腐食環境に曝される前記金属試料を単独で保持する試料ホルダと、
前記試料ホルダに接続され、前記金属試料に侵入する前記水素の量を測定する測定装置とを備え、
前記試料ホルダは、
前記金属試料が有する第１面を前記腐食環境に曝しつつ、前記金属試料を保持するホルダ部と、
前記金属試料が有し且つ前記第１面とは異なる第２面に接する第２空間を有するチャンバ部とを含み、
前記測定装置は、
前記第２空間を真空状態にして、前記第１面から前記金属試料に侵入する前記水素を前記第２面から放出させる真空ポンプと、
前記第２面から放出される前記水素を検出する検出器とを含む、水素量測定装置。

【請求項2】

請求項１に記載の水素量測定装置であって、
前記金属試料は、金属板であり、
前記金属板の厚さ方向で、前記第１面の全体が前記第２面に重なる、水素量測定装置。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の水素量測定装置であって、
前記腐食環境生成装置はさらに、
前記腐食環境を制御する制御部と、
前記第１空間の温度を調整する温度調整部と、
前記第１空間の湿度を調整する湿度調整部と、
前記金属試料に試験溶液を噴霧する噴霧調整部とを備え、
前記制御部は、前記第２面から放出される前記水素の量を前記測定装置が測定しているときに、前記温度調整部、前記湿度調整部、及び前記噴霧調整部を制御して前記腐食環境を変化させる、水素量測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水素量測定装置及び水素量測定方法に関し、詳しくは、腐食に伴って金属試料に侵入する水素の量を測定する水素量測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、自動車においては、車体の軽量化及び衝突安全性の向上を目的として、高強度鋼板が採用されている。しかしながら、鋼板の高強度化に伴って、遅れ破壊が発生する可能性が高まっている。

【0003】

遅れ破壊の原因となる水素は、鋼板の腐食過程で生成され、鋼板に侵入すると考えられる。そのため、腐食環境因子（例えば、塩）が水素の鋼板への侵入に及ぼす影響を解明することが必要である。

【0004】

従来、腐食環境下で鋼板を腐食させ、昇温脱離法により、鋼板中の水素量を測定する方法がある。昇温脱離法による水素分析については、例えば、特開２００９−２５７９２１号公報に開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００９−２５７９２１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記方法では、試料を取り出してから水素量を測定するまでに時間を要するので、水素が鋼板から抜けてしまうおそれがある。そのため、鋼板に侵入した水素の量を正確に測定することが難しい。

【0007】

また、鋼板中の水素量の継時変化を測定する場合には、複数の試料を複合サイクル腐食試験機に入れ、一定時間ごとに試料を試験機から取り出す。その際、試験機を開閉するので、試験機内の温度や湿度等の環境条件が変化してしまう。その結果、鋼板中の水素量に影響を与えるおそれがある。

【0008】

本発明の目的は、腐食に伴って金属試料に侵入する水素の量を測定する精度を向上させることができる、水素量測定装置及び水素量測定方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の実施の形態による水素量測定装置は、腐食に伴って金属試料に侵入する水素の量を測定する。水素量測定装置は、腐食環境生成装置と、試料ホルダと、測定装置とを備える。腐食環境生成装置は、腐食環境を生成するための第１空間を有する。試料ホルダは、腐食環境生成装置に配置され、腐食環境に曝される金属試料を保持する。測定装置は、試料ホルダに接続され、金属試料に侵入する水素の量を測定する。試料ホルダは、ホルダ部と、チャンバ部とを含む。ホルダ部は、金属試料が有する第１面を腐食環境に曝しつつ、金属試料を保持する。チャンバ部は、金属試料が有し且つ第１面とは異なる第２面に接する第２空間を有する。測定装置は、真空ポンプと、検出器とを含む。真空ポンプは、第２空間を真空状態にして、第１面から金属試料に侵入する水素を第２面から放出させる。検出器は、第２面から放出される水素を検出する。

【0010】

本発明の実施の形態による水素量測定方法は、上記水素量測定装置を利用する。

【発明の効果】

【0011】

本発明の実施の形態による水素量測定装置及び水素量測定方法は、腐食に伴って金属試料に侵入する水素の量を測定する精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、本発明の実施形態による水素量測定装置の模式図である。

【図2】図２は、腐食環境生成装置を示すブロック図である。

【図3】図３は、試料ホルダの概略構成を示す縦断面図である。

【図4】図４は、測定装置の概略構成を示す模式図である。

【図5】図５は、制御部が腐食環境を変化させた場合に、測定装置が測定した水素の量を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明の実施の形態による水素量測定装置は、腐食に伴って金属試料に侵入する水素の量を測定する。水素量測定装置は、腐食環境生成装置と、試料ホルダと、測定装置とを備える。腐食環境生成装置は、腐食環境を生成するための第１空間を有する。試料ホルダは、腐食環境生成装置に配置され、腐食環境に曝される金属試料を保持する。測定装置は、試料ホルダに接続され、金属試料に侵入する水素の量を測定する。試料ホルダは、ホルダ部と、チャンバ部とを含む。ホルダ部は、金属試料が有する第１面を腐食環境に曝しつつ、金属試料を保持する。チャンバ部は、金属試料が有し且つ第１面とは異なる第２面に接する第２空間を有する。測定装置は、真空ポンプと、検出器とを含む。真空ポンプは、第２空間を真空状態にして、第１面から金属試料に侵入する水素を第２面から放出させる。検出器は、第２面から放出される水素を検出する。

【0014】

この場合、金属試料の第１面を腐食環境に曝しながら、金属試料の第２面から放出される水素の量を測定できる。そのため、昇温脱離法による場合と比べて、腐食に伴って金属試料に侵入した水素の量を測定する精度が向上する。

【0015】

好ましくは、金属試料は、金属板である。金属板の厚さ方向で、第１面の全体が第２面に重なる。

【0016】

この場合、第１面の一部が金属板の厚さ方向で第２面に重なる場合と比べて、腐食に伴って金属試料に侵入した水素の量を測定する精度がさらに向上する。

【0017】

好ましくは、腐食環境生成装置は、制御部をさらに備える。制御部は、腐食環境を制御する。制御部は、第２面から放出される水素の量を測定装置が測定しているときに、腐食環境を変化させる。

【0018】

この場合、金属試料に侵入する水素の量が腐食環境の変化に伴ってどのように変化するかを調べることができる。

【0019】

本発明の実施の形態による水素量測定方法は、上記水素量測定装置を用いる。

【0020】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。図中同一又は相当部分には、同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

【0021】

［実施の形態］
図１を参照しながら、本発明の実施の形態による水素量測定装置１０について説明する。なお、以下に示す水素量測定装置１０は、あくまでも一例であって、水素量測定装置１０は、以下に示すものに限定されない。

【0022】

水素量測定装置１０は、腐食に伴って金属試料２０に侵入する水素の量を測定する。水素量測定装置１０は、腐食環境生成装置１２と、試料ホルダ１４と、測定装置１６とを備える。

【0023】

腐食環境生成装置１２は、例えば、複合サイクル腐食試験機である。腐食環境生成装置１２は、第１空間１８を有する。第１空間１８は、例えば、腐食環境生成装置１２が有する試験槽内に形成され、外部から隔離される。

【0024】

試料ホルダ１４は、腐食環境生成装置１２に配置され、金属試料２０を保持する。このとき、金属試料２０は、第１空間１８に配置される。なお、本実施形態では、金属試料２０は、金属板であり、円板形状を有する。

【0025】

測定装置１６は、例えば、リークディテクタである。測定装置１６は、試料ホルダ１４に接続される。測定装置１６は、金属試料２０に侵入する水素の量を測定する。

【0026】

図２を参照しながら、腐食環境生成装置１２について説明する。腐食環境生成装置１２は、制御部２２、温度調整部２４、湿度調整部２６及び噴霧調整部２８をさらに備える。

【0027】

制御部２２は、温度調整部２４、湿度調整部２６及び噴霧調整部２８を制御する。温度調整部２４は、第１空間１８の温度を調整する。湿度調整部２６は、第１空間１８の湿度を調整する。噴霧調整部２８は、金属試料２０に試験溶液を噴霧する。試験溶液は、例えば、塩水である。塩水は、例えば、中性であってもよいし、酸性であってもよい。

【0028】

温度調整部２４、湿度調整部２６及び噴霧調整部２８を制御部２２が制御することにより、第１空間１８に腐食環境が生成される。腐食環境は、金属試料２０を腐食させるために生成される。

【0029】

制御部２２は、温度調整部２４、湿度調整部２６及び噴霧調整部２８を制御することにより、腐食環境を変化させてもよい。腐食環境は、測定装置１６が金属試料２０に侵入する水素の量を測定するときに変化させてもよいし、測定装置１６が金属試料２０に侵入する水素の量を測定していないときに変化させてもよい。

【0030】

図３を参照しながら、試料ホルダ１４について説明する。試料ホルダ１４は、チャンバ部３０と、ホルダ部３２とを備える。

【0031】

チャンバ部３０は、本体３４と、蓋３６とを備える。本体３４は、筒形状を有する。蓋３６は、本体３４の軸方向一端の開口を覆う。本体３４の内側に、第２空間３８が形成される。

【0032】

ホルダ部３２は、第１ホルダ部４０と、第２ホルダ部４２とを備える。第１ホルダ部４０は、本体３４の軸方向他端に形成される。第１ホルダ部４０は、第１内周面４０Ａと、第２内周面４０Ｂと、段差面４０Ｃとを備える。

【0033】

第１内周面４０Ａは、第２内周面４０Ｂよりも蓋３６の近くに配置される。第１内周面４０Ａは、本体３４の軸方向に延びる。第１内周面４０Ａは、本体３４の内周面３４Ａに対して、本体３４の軸方向で滑らかに接続される。つまり、第１内周面４０Ａの径は、本体３４の径と同じである。

【0034】

第２内周面４０Ｂは、第１内周面４０Ａよりも蓋３６から離れて配置される。第２内周面４０Ｂは、本体３４の軸方向に延びる。第２内周面４０Ｂは、第１内周面４０Ａよりも大きな径を有する。

【0035】

段差面４０Ｃは、本体３４の軸方向に対して交差する方向に広がる。段差面４０Ｃは、第１内周面４０Ａの軸方向他端と、第２内周面４０Ｂの軸方向一端とを接続する。

【0036】

第２ホルダ部４２は、本体３４の軸方向で第１ホルダ部４０に重ねて配置される。第２ホルダ部４２は、円環形状を有する。つまり、第２ホルダ部４２は、本体３４の軸方向に延びる内周面を有する。

【0037】

第１ホルダ部４０と、第２ホルダ部４２との間に、金属試料２０が配置される。具体的には、段差面４０Ｃと第２ホルダ部４２の軸方向一端面とにより、金属試料２０の外周縁部が挟まれる。その結果、金属試料２０がホルダ部３２によって保持される。

【0038】

このとき、金属試料２０が有する第１面２０Ａは、第１空間１８に接する。つまり、第１面２０Ａは、腐食環境に曝される。本実施形態では、第１面２０Ａは、金属試料２０の厚さ方向一方の面の一部である。

【0039】

また、金属試料２０が有する第２面２０Ｂは、第２空間３８に接する。本実施形態では、第２面２０Ｂは、金属試料２０の厚さ方向他方の面の一部である。

【0040】

第１面２０Ａは、第２面２０Ｂと同じ大きさを有する。本体３４の軸方向から見て、第１面２０Ａの全体が第２面２０Ｂに重なる。

【0041】

ホルダ部３２が金属試料２０を保持しているとき、第１面２０Ａは、例えば、鉛直方向に対して交差する方向に広がる。

【0042】

図４を参照しながら、測定装置１６について説明する。測定装置１６は、検出器５０と、第１の真空ポンプ５６と、第２の真空ポンプ６０とを備える。

【0043】

検出器５０は、磁場偏向型の質量分析管である。質量分析管は、イオンソースと、マグネットと、イオンコレクタとを備える。イオンソースは、フィラメントと、グリッドとを有し、質量分析管に導入されるガスをイオン化する。マグネットは、イオンソースによって生成される正イオンのうち、水素イオンのみをイオンコレクタへ導く。イオンコレクタは、水素イオンを捕集する。イオンコレクタに設けられた電流計により、イオンコレクタを流れるイオン電流が検出される。

【0044】

検出器５０には、管路５４が接続される。管路５４には、第１の真空ポンプ５６と、第２の真空ポンプ６０とが設けられる。第２の真空ポンプ６０は、フォアバルブ５８を介して、第１の真空ポンプ５６の背圧側に接続される。第１の真空ポンプ５６は、複合分子ポンプである。複合分子ポンプは、例えば、ターボ分子ポンプと、ドラッグポンプとを内蔵する。第２の真空ポンプ６０は、ロータリーポンプであるが、例えば、メンブレンポンプであってもよい。

【0045】

測定装置１６は、排気管路６２をさらに備える。排気管路６２の一端は、図１にも示すように、試料ホルダ１４に接続される。排気管路６２の他端は、バルブ６４を介して、第２の真空ポンプ６０に接続される。排気管路６２には、第１の導入管路６６及び第２の導入管路６８が接続される。第１の導入管路６６及び第２の導入管路６８は、それぞれ、第１の真空ポンプ５６に接続される。第１の導入管路６６には、バルブ７０が配置される。第２の導入管路６６には、バルブ７２が配置される。第１の導入管路６６が第１の真空ポンプ５６に接続される位置と、第２の導入管路６８が第１の真空ポンプ５６に接続される位置とでは、第１の真空ポンプ５６の圧縮比が異なる。排気管路６２には、真空計７４が接続される。真空計７４は、バルブ５８，６４，７０，７２の開閉を制御するために利用される。なお、図示はしていないが、排気管路６２には、測定装置１６の起動時に校正を行うための標準リークやベントバルブが接続される。

【0046】

続いて、水素量測定装置１０を用いる水素量測定方法について説明する。水素量測定方法は、準備工程と、測定工程とを含む。以下、各工程について説明する。

【0047】

［準備工程］
先ず、試料ホルダ１４により、金属試料２０を保持する。続いて、腐食環境を第１空間１８に生成する。これにより、第１面２０Ａが腐食環境に曝される。その結果、第１面２０Ａが腐食する。

【0048】

［測定工程］
第１面２０Ａが腐食環境に曝されているときに、第２空間３８を真空状態にする。具体的には、第１の真空ポンプ５６及び第２の真空ポンプ６０により、第２空間３８を真空状態にする。これにより、第１面２０Ａから金属試料２０に侵入する水素が、第２面２０Ｂから放出される。また、第２面２０Ｂから放出される水素は、検出器５０に導入され、検出器５０で検出される。この検出結果を利用すれば、腐食に伴って金属試料２０に侵入する水素の量を測定できる。

【0049】

水素量測定装置１０においては、第１面２０Ａを腐食環境に曝しながら、第２面２０Ｂから放出される水素の量を検出できる。そのため、昇温脱離法による場合と比べて、腐食に伴って金属試料２０に侵入した水素の量を測定する精度が向上する。

【0050】

加えて、水素測定装置１０においては、腐食に伴って金属試料２０に侵入した水素の量の継時変化を精度良く測定できる。なぜなら、従来のように、複数の金属試料を複合サイクル腐食試験機内に配置し、所定時間ごとに試験機を開閉して金属試料を１つずつ取り出す必要がないからである。

【0051】

本体３４の軸方向から見て、第１面２０Ａの全体が第２面２０Ｂに重なる。そのため、本体３４の軸方向から見て、第１面２０Ａの一部が第２面２０Ｂに重なる場合と比べて、腐食に伴って金属試料２０に侵入する水素の全てを検出し易くなる。

【0052】

測定装置１６が第２面２０Ｂから放出される水素の量を測定しているときに、制御部２０が腐食環境を変化させてもよい。この場合、金属試料２０に侵入する水素の量が腐食環境の変化に伴ってどのように変化するかを調べることができる。

【0053】

図５を参照しながら、測定装置１６が第２面２０Ｂから放出される水素の量を測定しているときに、制御部２０が腐食環境を変化させる場合について説明する。図５は、制御部２０が腐食環境を変化させた場合に、測定装置１６が測定した水素の量を示すグラフである。グラフの横軸は、時間を示す。グラフの縦軸は、測定した水素の量を示す。図５に示す例では、腐食環境は、第１の腐食環境から第２の腐食環境に変化し、その後、第１の腐食環境に戻っている。第１の腐食環境では、第１空間１８の温度３５℃に維持しつつ、金属試料２０に塩水（濃度：５％）を噴霧する。第２の腐食環境では、第１空間１８の温度を６０℃に維持し、且つ、湿度を２５％に維持する。

【0054】

図５に示すように、第１の腐食環境から第２の腐食環境に変化すると、つまり、金属試料２０に付着した塩水が乾燥すると、金属試料２０が腐食し、それに伴って、金属試料２０に侵入する水素の量が増えるのを確認できる。具体的には、第２の腐食環境に変化してから約４時間後に水素量がピークに達するのを確認できる。水素量は、ピークに達するまでは急激に増えるが、ピークに達した後は緩やかに減少するのを確認できる。第２の腐食環境から第１の腐食環境に戻ると、水素量が極端に少なくなるのを確認できる。

【0055】

このように、水素量測定装置１０においては、測定装置１６が第２面２０Ｂから放出される水素の量を測定しているときに、制御部２０が腐食環境を変化させることにより、金属試料２０に侵入する水素の量が腐食環境の変化に伴ってどのように変化するかを調べることができる。

【0056】

以上、本発明の実施形態について、詳述してきたが、これらはあくまでも例示であって、本発明は、上述の実施形態によって、何等、限定されない。

【0057】

例えば、上記実施の形態では、金属試料が平らな金属板（平板）である場合について説明したが、金属試料は平板でなくてもよい。例えば、金属試料は、金属板をプレス成形した成形体であってもよい。あるいは、筒状の金属材（例えば、円柱状の金属材を刳り貫いたもの）であってもよい。金属試料が筒状の場合、例えば、第１面は外周面であり、第２面は内周面である。金属試料において、第２面は第１面に対して平行であることが好ましい。この場合、水素量を測定する精度が向上する。また、金属試料の厚さは、水素量を測定する位置において、１０ｍｍ以下であるのが好ましい。

【符号の説明】

【0058】

１０：水素量測定装置、１２：腐食環境生成装置、１４：試料ホルダ、１６：測定装置、１８：第１空間、２０：金属試料、２２：制御部、３０：チャンバ部、３２：ホルダ、３８：第２空間、５０：検出器、５６：第１の真空ポンプ、６０：第２の真空ポンプ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】