特開 2024-179650 計測方法、評価方法、および計測装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024179650

(43)【公開日】2024-12-26

(54)【発明の名称】計測方法、評価方法、および計測装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/26 20060101AFI20241219BHJP

   G01N 27/416 20060101ALI20241219BHJP

   G01N 33/2028 20190101ALI20241219BHJP

【ＦＩ】

G01N27/26 351J

G01N27/416 300F

G01N33/2028

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023098656

(22)【出願日】2023-06-15

(71)【出願人】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】阿部 陽介

【テーマコード（参考）】

2G055

【Ｆターム（参考）】

2G055AA03

2G055BA16

2G055BA18

2G055CA05

2G055EA10

2G055FA06

(57)【要約】

【課題】現地での測定が可能で、腐食性を高い精度で評価することができる計測方法を提供すること。
【解決手段】ステンレス鋼をｐＨが１５～１６の電解液に接触させ、前記ステンレス鋼のアノード分極曲線を測定し、前記アノード分極曲線からクロム炭化物および／またはクロム窒化物の前記電解液への溶解による電荷量を計測する、計測方法。
【選択図】なし

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ステンレス鋼をｐＨが１５～１６の電解液に接触させ、
前記ステンレス鋼のアノード分極曲線を測定し、
前記アノード分極曲線からクロム炭化物および／またはクロム窒化物の前記電解液への溶解による電荷量を計測する、計測方法。

【請求項2】

前記ステンレス鋼が二相ステンレス鋼である、請求項１に記載の計測方法。

【請求項3】

前記電解液に接触する前記ステンレス鋼の一部が前記ステンレス鋼の溶接部である、請求項１に記載の計測方法。

【請求項4】

請求項１乃至３のいずれか一項に記載の計測方法で得られた電気量に基づいて前記ステンレス鋼中のクロム炭化物および／またはクロム窒化物の析出量を評価する評価方法。

【請求項5】

ｐＨが１５～１６の電解液が収容された電解槽と、
前記電解槽に形成され、前記電解液をステンレス鋼に接触させる開口と、
前記電解液に接触する前記ステンレス鋼のアノード分極曲線を測定するポテンショスタットと、を有し、
前記アノード分極曲線からクロム炭化物および／またはクロム窒化物の前記電解液への溶解による電荷量を計測する、計測装置。

【請求項6】

前記開口に設けられ、前記電解液に接触する前記ステンレス鋼と前記開口との間を密閉するシール材を有する、請求項５に記載の計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、計測方法、評価方法、および計測装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ステンレス鋼は、優れた耐食性と強度を有しており、排ガス浄化装置用等の様々な用途で使用されている。ステンレス鋼は、その表面に主にクロム（Ｃｒ）からなる不働態被膜を形成することで優れた耐食性を有している。

【0003】

ステンレス鋼は、構造物を製造する過程で溶接がされることがあるが、溶接時の入熱条件によっては鋭敏化（鋼中にＣｒ炭化物やＣｒ窒化物が析出し、その近傍でＣｒが欠乏して耐食性が低下する現象）が起こることが知られている。鋭敏化が起こると、本来形成するはずであるＣｒの不働態膜が形成せず、致命的な腐食や応力腐食割れを招く危険がある。

【0004】

従来から、このようなステンレス鋼における溶接部を観察する手法がある。例えば、特許文献１には、二相ステンレス鋼母材と、溶接金属及び熱影響部とを含む溶接部とを備える溶接構造物から、溶接熱影響部及び溶接金属近傍の鋼母材から孔食試験片を採取し、５０℃の３．５％ＮａＣｌ溶液中にて孔食電位の測定をＪＩＳ Ｇ０５７７に規定される方法に準拠して実施することが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２１－１７８９５３号公報

【特許文献2】特開２０２１－１８１５５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、従来の手法では、現地での測定ができず、観察に手間がかかる。また、従来の手法は、鋭敏化の原因となるＣｒ炭化物やＣｒ窒化物を確認するものではないため、腐食性の評価の精度が低い。

【0007】

本発明の課題は、現地での測定が可能で、腐食性を高い精度で評価することができる計測方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一態様は、ステンレス鋼をｐＨが１５～１６の電解液に接触させ、前記ステンレス鋼のアノード分極曲線を測定し、前記アノード分極曲線からクロム炭化物および／またはＣｒ窒化物の前記電解液への溶解による電荷量を計測する、計測方法である。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、現地での測定が可能で、腐食性を高い精度で評価することができる計測方法を提供することである。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】電位－電流密度曲線を示すグラフである。

【図2】本実施形態に係る計測装置を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施形態について、適宜図面を参照して説明する。

【0012】

＜計測方法＞
本実施形態の計測方法では、ステンレス鋼をｐＨが１５～１６の電解液に接触させる。

【0013】

本明細書において、ステンレス鋼は、鉄を主成分として、炭素（Ｃ）を約２％以下、クロム（Ｃｒ）を約１０％以上含んでいる合金鋼の総称である。ステンレス鋼の種類は、特に限定されず、オーステナイト系ステンレス、オーステナイト・フェライト系（二相系）、フェライト系、マルテンサイト系のいずれでもよい。これらの中でも、オーステナイト・フェライト系ステンレス鋼（二相ステンレス鋼）が、好適に用いられる。

【0014】

また、電解液に接触するステンレス鋼の一部はステンレス鋼の溶接部であってもよい。ここで、溶接部とは、溶接金属及び熱影響部を含んだ部分を示す。また、ステンレス鋼の溶接部は、１つのステンレス鋼の一部が溶接部であるものに限定されず、ステンレス鋼同士を溶接でつなぎ合わせた溶接接手であってもよい。

【0015】

また、電解液は、イオン性物質（電解質）を水などの極性溶媒に溶解させた電気伝導性を有する溶液を示す。ｐＨが１５～１６の電解液は、特に限定されないが、例えば、ナトリウム、カリウム等の水酸化物（ＮａＯＨ、ＫＯＨ）、カルシウム、バリウム等の水酸化物（Ｃａ（ＯＨ）_２、Ｂａ（ＯＨ）_２）等の水溶液が挙げられる。これらの中でも、ｐＨ１５～１６の調整が容易な点で、水酸化カリウム（ＫＯＨ）の飽和水溶液が好ましい。

【0016】

「ステンレス鋼を電解液に接触させる」とは、ステンレス鋼の一部が、電解液に浸漬すること、または電解液に晒されることを示す。

【0017】

本実施形態の計測方法では、ステンレス鋼のアノード分極曲線を測定する。ここで、ステンレス鋼のアノード分極は、電解液に接触するステンレス鋼の電位を正の方向に掃引（印加）してゆくと、ステンレス鋼がアノードとして作用し、腐食または酸化皮膜の形成が進行することを示す。また、アノード分極曲線は、アノード分極の際に生じる電流密度（電解の流速密度または電荷量）を印加した電位に対してプロットした曲線を示す。

【0018】

本実施形態の計測方法では、上述のアノード分極曲線からクロム炭化物および／またはクロム窒化物の電解液への溶解による電荷量（電流または電流密度）を計測する。

【0019】

ここで、クロム炭化物（Ｃｒ炭化物）は、例えば、Ｃｒ_２３Ｃ_６が等である。クロム窒化物（Ｃｒ窒化物）は、例えば、ＣｒＮ、Ｃｒ_２Ｎ等である。

【0020】

ステンレス鋼のアノード分極曲線には、ステンレス鋼中にＣｒ炭化物および／またはＣｒ窒化物が析出すると、Ｃｒ炭化物および／またはＣｒ窒化物に由来する曲線領域が現れる。そこで、これらの曲線領域のピークや面積を読み取ることで、Ｃｒ炭化物および／またはＣｒ窒化物に対応する電荷量を計測することができる。

【0021】

本実施形態の計測方法では、このようにｐＨが１５～１６の電解液に接触させたステンレス鋼のアノード分極曲線からＣｒ炭化物および／またはＣｒ窒化物の電荷量を計測することで、鋭敏化の原因となるＣｒ炭化物やＣｒ窒化物の析出を確認することができる。そのため、ステンレス鋼の腐食性を高い精度で評価することができる。

【0022】

また、本実施形態の計測方法では、Ｃｒ炭化物および／またはＣｒ窒化物の電荷量を、溶接等の作業現場で（現地で）計測することができる。そのため、腐食性の評価を簡便に行うことができる。

【0023】

さらに、本実施形態の計測方法では、計測のための試料の採取が不要であり、またｐＨが１５～１６の電解液は、アノード分極下では、ステンレス鋼中に析出したＣｒ炭化物および／またはＣｒ窒化物のみを溶解させ、ステンレス鋼（母材）自体を溶解させることがない。そのため、ステンレス鋼の機械的強度の低下を防ぐことができる。

【0024】

また、二相ステンレス鋼は、Ｃｒの含有量が比較的多いことから、Ｃｒ炭化物および／またはＣｒ窒化物が析出し易い傾向にある。これに対して、本実施形態の計測方法では、Ｃｒ炭化物および／またはＣｒ窒化物の電荷量を計測することで、計測の対象となるステンレス鋼が二相ステンレス鋼である場合、鋭敏化が顕著になる二相ステンレス鋼の腐食性を高い精度で評価することができる。

【0025】

さらに、ステンレス鋼の溶接部は、溶接によりＣｒの不動態膜が形成される反面、Ｃｒ炭化物および／またはＣｒ窒化物も同時に生じやすい。これに対して、本実施形態の計測方法では、Ｃｒ炭化物および／またはＣｒ窒化物の電荷量を計測することで、計測の対象となるステンレス鋼の一部がステンレス鋼の溶接部である場合、鋭敏化が顕著になるステンレス鋼の溶接部の腐食性を高い精度で評価することができる。

【0026】

＜評価方法＞
本実施形態の評価方法では、上述の計測方法で得られた電気量に基づいてステンレス鋼中のクロム炭化物および／またはクロム窒化物の析出量を評価する。

【0027】

アノード分極下で電解液へ溶解したＣｒ炭化物および／またはＣｒ窒化物は、ステンレス鋼中に析出したＣｒ炭化物および／またはＣｒ窒化物とみなすことができる。そのため、クロム炭化物（Ｃｒ炭化物）および／またはクロム窒化物（Ｃｒ窒化物）の電解液への溶解による電荷量をステンレス鋼中のＣｒ炭化物および／またはＣｒ窒化物の析出量に換算することができる。

【0028】

本実施形態では、例えば、ポテンショスタットを用いて、アノード分極測定を実施し、電位－電流密度曲線（図１）を取得する。電位範囲は、自然電位から＋０．５Ｖ程度まで掃引する。このとき、＋０．５Ｖ以上になると酸素が発生する。電位掃引速度は、２００ｍＶ以下が望ましい。２００ｍＶ以上だと明瞭な電流値のピークが得られない。

【0029】

得られたピークのうち、片方がＣｒ炭化物（図１のＡ）、もう片方がＣｒ窒化物（図１のＢ）の溶解に対応する。得られた電位－電流密度曲線（図１のＢ）からＣｒ炭化物及びＣｒ窒化物の溶解に対応している電荷量を算出する。

【0030】

本実施形態の評価方法では、このようにステンレス鋼中のＣｒ炭化物および／またはＣｒ窒化物の析出量を評価することで、ステンレス鋼の腐食性をさらに高い精度で評価することができる。

【0031】

また、本実施形態の評価方法を用いれば、現地（作業現場等）で簡便にステンレス鋼中のＣｒ炭化物および／またはＣｒ窒化物の析出量を評価することが可能である。

【0032】

＜計測装置＞
図２は、本実施形態に係る計測装置を示す。計測装置１は、電解槽１０、開口１０Ａ、及びポテンショスタット７０、およびデータ収録装置８０を有する。

【0033】

電解槽１０は、電解液２０が収容されている。電解液２０は、上述のｐＨが１５～１６の電解液である。本実施形態では、ｐＨ１５～１６に調整された水酸化カリウム（ＫＯＨ）の飽和水溶液が容器１０に収容されている。なお、電解槽１０の材質は、ｐＨが１５～１６の電解液に耐性を有する材質であることが好ましい。本実施形態では、電解槽１０は、ポリエチレン等の樹脂製の容器で構成されている。

【0034】

電解槽１０には、対象電極３０と参照電極４０が、電解液２０に浸漬された状態で配置されている。対象電極３０は、対電極ともいい、アノード分極下で陽極を構成する。対象電極３０の材質は、特に限定されず、例えば、炭素（Ｃ）で構成することができる。また、参照電極４０は、照合電極または基準電極ともいい、アノード分極下で陰極を構成する。参照電極４０の材質は、特に限定されず、例えば、銀／塩化銀（Ａｇ／ＡｇＣｌ）で構成することができる。

【0035】

開口１０Ａは、電解液２０をステンレス鋼Ｍに接触させるために、電解槽１０に形成されている。本実施形態では、ステンレス鋼Ｍが母材ＭＰと溶接金属ＷＰ（溶接部）を有し、溶接金属ＷＰ（溶接部）が電解液２０に接触するように、ステンレス鋼Ｍが開口１０Ａに固定されている。

【0036】

開口１０Ａには、さらにシール材５０が設けられている。シール材５０は、電解液２０に接触するステンレス鋼Ｍと開口１０Ａとの間を密閉する。シール材５０の態様は、特に限定されず、例えば、Оリング、ガスケットパッキン等を用いることができる。シール材５０の材質は、ｐＨが１５～１６の電解液に耐性を有する材質であることが好ましい。本実施形態では、シール材５０はシリコーンゴム等のゴム材料で構成されたＯリングである。

【0037】

なお、ステンレス鋼Ｍを電解液２０に接触させる態様は、特に限定されない。例えば、開口１０Ａを上方に向けて置いた電解槽（容器）１０に電解液２０を注入し、ステンレス鋼Ｍを上方から開口１０Ａに被せ、シール材５０で密閉された状態で固定する。そして、ステンレス鋼Ｍが固定された状態で電解槽（容器）１０の上下に反転させればよい。また、電解液２０をゲル状にして、流動しにくい状態で電解槽（容器）１０に収容してもよい。

【0038】

このように構成された電解槽（容器）１０、電解液２０、対象電極３０と参照電極４０は、ステンレス鋼Ｍが電解槽（容器）１０の開口１０Ａに固定された状態（電解液２０にステンレス鋼Ｍが接触した状態）で、一つの電気化学セルを構成する。

【0039】

ポテンショスタット７０は、電解液２０に接触するステンレス鋼Ｍのアノード分極曲線を測定する。本実施形態では、ポテンショスタット７０は、対象電極３０と参照電極４０に接続され、アノード分極下で、ステンレス鋼Ｍに電位を掃引（印加）する。

【0040】

また、ポテンショスタット７０は、ステンレス鋼Ｍの母材ＭＰのうち電解液２０に接触しない部分に銅線等の導線６０を介して接続されている。これにより、ポテンショスタット７０は、アノード分極下でステンレス鋼Ｍに生じた電流を検知することができる。ポテンショスタット７０は、このように検知した電流からステンレス鋼Ｍのアノード分極曲線（図１）を作成することができる。

【0041】

データ収録装置８０は、ポテンショスタット７０に接続され、ポテンショスタット７０で測定したアノード分極曲線（図１）からＣｒ炭化物および／またはＣｒ窒化物の電解液への溶解による電荷量を計測する。具体的には、上述の計測方法と同様に、アノード分極曲線に現れたＣｒ炭化物および／またはＣｒ窒化物に由来する曲線領域のピークや面積を読み取ることで、Ｃｒ炭化物および／またはＣｒ窒化物に対応する電荷量を計測する。

【0042】

データ収録装置８０は、ポテンショスタット７０で測定されたアノード分極曲線（図１）やデータ収録装置８０で計測したＣｒ炭化物および／またはＣｒ窒化物に対応する電荷量を、読み取り可能且つ書き換え可能に記憶することができる。

【0043】

また、データ収録装置８０には、ＣＰＵ等の制御部が設けられていてもよい。制御部は、例えば、ポテンショスタット７０によるアノード分極曲線を測定する動作、およびデータ収録装置８０によるクロム炭化物および／またはクロム窒化物の電荷量を計測する動作等を制御する。

【0044】

なお、データ収録装置８０は、任意に設けることができ、データ収録装置８０を設けずに、ポテンショスタット７０にＣｒ炭化物および／またはＣｒ窒化物に対応する電荷量を計測する機能を持たせてもよい。

【0045】

本実施形態の計測装置１は、上述の計測方法の構成を実質的に含むため、上述の計測方法の同様の効果が得られる。具体的には、ｐＨが１５～１６の電解液２０に接触させたステンレス鋼Ｍのアノード分極曲線からＣｒ炭化物および／またはＣｒ窒化物の電荷量を計測することで、鋭敏化の原因となるＣｒ炭化物やＣｒ窒化物の析出を確認することができる。そのため、ステンレス鋼Ｍの腐食性を高い精度で評価することができる。

【0046】

本実施形態の計測装置１は、では、Ｃｒ炭化物および／またはＣｒ窒化物の電荷量を、溶接等の作業現場で（現地で）計測することができる。そのため、腐食性の評価を簡便に行うことができる。

【0047】

さらに、本実施形態の計測装置１では、計測のための試料の採取が不要であり、またｐＨが１５～１６の電解液２０は、アノード分極下では、ステンレス鋼Ｍ中に析出したＣｒ炭化物および／またはＣｒ窒化物のみを溶解させ、ステンレス鋼Ｍの母材ＭＰを溶解させることがない。そのため、ステンレス鋼Ｍの機械的強度の低下を防ぐことができる。

【0048】

また、本実施形態の計測装置は、上述のように、電解槽１０の開口１０Ａにシール材５０が設けられていることで、電解液２０に接触するステンレス鋼Ｍと開口との間を密閉することができる。これにより、電解槽（容器）１０、電解液２０、対象電極３０と参照電極４０は、ステンレス鋼Ｍが電解液２０に接触した状態で、一つの電気化学セルを構成することができるため、ステンレス鋼Ｍのアノード分極曲線を高い精度で測定できる。

【実施例0049】

以下、本実施形態について、図２のステンレス鋼Ｍとして二相ステンレス鋼を用い、二相ステンレス鋼の溶接部ＷＰを対象として、二相ステンレス鋼中のＣｒ炭化物及びＣｒ窒化物の評価を実施した。

【0050】

二相ステンレス鋼には、Ｓ３２７５０を用いた。

【0051】

二相ステンレス鋼Ｍの溶接部ＷＰは、母材とほぼ同組成の溶接棒（図示せず）を用い、ＴＩＧ溶接にて作製した溶接接手とした。作製した溶接接手は、表面を１０００番のエメリー紙にて研磨した。

【0052】

二相ステンレス鋼Ｍの母材ＭＰの一部と溶接金属ＷＰが飽和水酸化カリウム水溶液（電解液２０）に接液（接触）するように電気化学セル（図２の電解槽１０、電解液２０、対象電極３０、参照電極４０、シール材５０、二相ステンレス鋼Ｍ）を設置した。

【0053】

ポテンショスタット７０を用いて、電位掃引速度を１００ｍＶ／ｍｉｎとして０．３ｍＶまで掃引し、電位－電流密度曲線（図１）を取得した。

【0054】

－０．１～０．１ｍＶの間で２つの電流ピークが得られた。測定前後の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）による組織観察の結果、２つの電流ピークはそれぞれＣｒ炭化物（図１のＡ）、Ｃｒ窒化物（図１のＢ）の溶解に対応していることが明らかとなった。

【0055】

これらのピークの電荷量を求めることで、Ｃｒ炭化物およびＣｒ窒化物の析出量の評価することが可能となる。

【0056】

以上に開示された実施形態は、例えば、以下の態様を含む。

【0057】

（付記１）
ステンレス鋼をｐＨが１５～１６の電解液に接触させ、
前記ステンレス鋼のアノード分極曲線を測定し、
前記アノード分極曲線からクロム炭化物および／またはクロム窒化物の前記電解液への溶解による電荷量を計測する、計測方法。

【0058】

（付記２）
前記ステンレス鋼が二相ステンレス鋼である、付記１に記載の計測方法。

【0059】

（付記３）
前記電解液に接触する前記ステンレス鋼の一部が前記ステンレス鋼の溶接部である、付記１または２に記載の計測方法。

【0060】

（付記４）
付記１乃至３のいずれか一つに記載の計測方法で得られた電気量に基づいて前記ステンレス鋼中のクロム炭化物および／またはクロム窒化物の析出量を評価する評価方法。

【0061】

（付記５）
ｐＨが１５～１６の電解液が収容された電解槽と、
前記電解槽に形成され、前記電解液をステンレス鋼に接触させる開口と、
前記電解液に接触する前記ステンレス鋼のアノード分極曲線を測定するポテンショスタットと、を有し、
前記アノード分極曲線からクロム炭化物および／またはクロム窒化物の前記電解液への溶解による電荷量を計測する、計測装置。

【0062】

（付記６）
前記開口に設けられ、前記電解液に接触する前記ステンレス鋼と前記開口との間を密閉するシール材を有する、付記５に記載の計測装置。

【0063】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

【符号の説明】

【0064】

１ 計測装置
１０ 電解槽（容器）
１０Ａ 開口
２０ 電解液
３０ 対象電極
４０ 参照電極
５０ シール材（Ｏリング）
６０ 導線（銅線）
７０ ポテンショスタット
８０ データ収録装置

【図1】

【図2】