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公開番号2025160914
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-10-23
出願番号2025064545
出願日2025-04-09
発明の名称耐水素材料及び耐水素構造部品
出願人国立大学法人九州大学,日本碍子株式会社
代理人個人,個人,個人
主分類C22C 9/06 20060101AFI20251016BHJP(冶金;鉄または非鉄合金;合金の処理または非鉄金属の処理)
要約【課題】水素雰囲気下で作動する構造部材に求められる素材強度と破壊靭性を両立し、かつ、それらの特性が水素雰囲気下で低下しない若しくは低下しにくい、ヤング率の高い耐水素材料を提供する。
【解決手段】水素雰囲気下で作動させて用いられる耐水素構造部品に加工されるための耐水素材料であって、耐水素材料が、Ni:13.0～30.0質量%、Sn:3.0～10.0質量%、Mn:0～0.5質量%、及びFe:0～0.5質量%を含み、残部がCu及び不可避不純物からなる銅合金で構成されており、耐水素材料が、大気雰囲気下及び90MPa以上120MPa以下の水素雰囲気下の各々において、ひずみ速度5×10^-5s^-1以下で行われる低ひずみ速度引張試験により、700MPa以上の引張強度を呈し、耐水素材料が、低ひずみ速度引張試験により決定される、0.80以上の相対絞り(RRA)を呈し、耐水素材料が、135GPa以上のヤング率を呈する、耐水素材料。
【選択図】なし

特許請求の範囲【請求項１】
水素雰囲気下で作動させて用いられる耐水素構造部品に加工されるための耐水素材料であって、前記耐水素材料が、
Ｎｉ：１３．０～３０．０質量％、
Ｓｎ：３．０～１０．０質量％、
Ｍｎ：０～０．５質量％、及び
Ｆｅ：０～０．５質量％、
を含み、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる銅合金で構成されており、
前記耐水素材料が、大気雰囲気下及び９０ＭＰａ以上１２０ＭＰａ以下の水素雰囲気下の各々において、ひずみ速度５×１０
－５
ｓ
－１
以下で行われる低ひずみ速度引張試験により、７００ＭＰａ以上の引張強度を呈し、
前記耐水素材料が、前記低ひずみ速度引張試験により決定される、０．８０以上の相対絞り（ＲＲＡ）を呈し、
前記耐水素材料が、１３５ＧＰａ以上のヤング率を呈する、耐水素材料。
続きを表示（約 740 文字）【請求項２】
前記耐水素材料が、大気雰囲気下及び９０ＭＰａ以上１２０ＭＰａ以下の水素雰囲気下の各々において、４５ＭＰａ・ｍ
１／２
以上の破壊靭性値Ｋ
ＩＣ
を呈する、請求項１に記載の耐水素材料。
【請求項３】
前記銅合金におけるＮｉ含有量が２０．０質量％を超え３０．０質量％以下であり、前記耐水素材料が１４０ＧＰａを超えるヤング率を呈する、請求項１に記載の耐水素材料。
【請求項４】
前記耐水素材料が、大気雰囲気下及び９０ＭＰａ以上１２０ＭＰａ以下の水素雰囲気下の各々において、５２０Ｍ以上の０．２％耐力を呈する、請求項１に記載の耐水素材料。
【請求項５】
前記耐水素材料が、大気雰囲気下においてＶノッチシャルピー衝撃試験により測定した場合に１６Ｊ／ｃｍ
２
以上のシャルピー衝撃値を呈する、請求項１に記載の耐水素材料。
【請求項６】
請求項１～５のいずれか一項に記載の耐水素材料で製造された、耐水素構造部品。
【請求項７】
前記耐水素構造部品が、高圧水素に直接接する、容器、配管、バルブ、及び継手、並びに水素圧縮機の構成部材からなる群から選択される少なくとも１種である、請求項６に記載の耐水素構造部品。
【請求項８】
前記耐水素構造部品が、前記水素圧縮機の構成部材であり、前記水素圧縮機の構成部材が、往復式圧縮機のピストン及びシリンダ、回転式圧縮機のロータ及びケーシング、軸流式圧縮機のインペラ、並びに遠心式圧縮機のインペラ及びシャフトからなる群から選択される少なくとも１種である、請求項７に記載の耐水素構造部品。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐水素材料及び耐水素構造部品に関するものである。
続きを表示（約 2,900 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池車、発電所等で使用される燃料として水素の需要が急速に高まっている。燃料としての水素は生産、搬送、貯蔵及び使用の各工程において容器や機器の部材に直接触れるが、多くの金属材料は水素脆化を起こすため、使用上の配慮が必要である。特に、水素下で作動する部品は高い強度と靭性が要求されるため、耐水素脆性への配慮が強く求められる。
【０００３】
水素下で作動する部材としては水素圧縮機の部品、例えば、往復式圧縮機のピストン及びシリンダ、回転式圧縮機のロータ及びケーシング、軸流式圧縮機のインペラ、並びに遠心式圧縮機のインペラ及びシャフトなどが挙げられる。現在、これらの構造部材、とりわけ作動部品に対しては、ＳＣＭ４３１やＳＣＭ４３５といったクロムモリブデン鋼が用いられることが多いが、水素脆性に配慮して低負荷応力範囲に限った運転を行っているのが実情である。
【０００４】
水素圧縮機には水素の需要の急速な高まりに対応すべく、更なる高性能化が求められている。例えば、１）シャフト及びインペラの高速回転化に伴い、高性能化、水素圧縮機の連結数の低減、及びインペラの削減が求められる。また、２）高速回転時の振動を抑止すべく、シャフトやインペラには高剛性を維持することが求められる。さらに、３）グリーン水素製造用途においてはエネルギー供給が安定的ではない太陽光や風力を利用するため、ＤＳＳ（ＤａｉｌｙＳｔａｒｔ＆Ｓｔｏｐ；毎日発停運転）といったような間歇運転が求められる。しかしながら、クロムモリブデン鋼製の構造材は、水素脆性を有しているため、高速回転化や間歇運転の実施という観点で不十分である。
【０００５】
一方で、ベリリウム銅合金は耐水素性を呈しうることが知られている。例えば、特許文献１（特許第６７５５５２１号公報）には、水素と接触する状態で用いられる耐水素部材が開示されており、この熱交換部材は、Ｂｅを０．２０質量％以上２．７０質量％以下の量で含み、Ｃｏ、Ｎｉ及びＦｅの合計の含有量が０．２０～２．５０質量％であり、Ｃｕ、Ｂｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＦｅの合計含有量が９９質量％以上である、ベリリウム銅合金からなることが開示されている。特許文献２（特開２０２１－１１５６３１号公報）には、耐水素脆化特性が良好な耐水素部材の製造方法が開示されており、第一及び第二のベリリウム銅合金部材の表面をアルカリ溶液中に浸漬し、それらの銅合金部材の表面をギ酸等の有機酸溶液中で煮沸し、第一と第二の銅合金部材を加熱及び加圧して接合する方法が開示されている。特許文献３（ＷＯ２０２２／１４９５６１）には、互いに拡散接合された複数の時効硬化性銅合金製の部材で構成される、溶体化処理及び時効処理が施された銅合金接合体が開示されている。この銅合金接合体は、この銅合金接合体は、接合部を含め耐水素脆化特性に優れると共に高い引張強度を有するとされている。具体的には、特許文献３には、ひずみ速度５×１０
－５
ｓ
－１
以下の範囲（例えば５×１０
－５
ｓ
－１
）で行う低ひずみ速度引張（ＳＳＲＴ：ＳｌｏｗＳｔｒａｉｎＲａｔｅＴｅｎｓｉｌｅ）試験において、水素ガス中での引張強度が５２０ＭＰａ以上であり、かつ、ＲＲＡ（相対絞り）が０．８以上である銅合金接合体が開示されている。
【０００６】
したがって、耐水素特性を呈しかつクロムモリブデン鋼より優れた強度を有するベリリウム銅合金を水素下で作動する部品として使用することは、高速運転や間歇運転など作動条件を拡充する上で有利といえる。しかし、部品への負荷時の撓みや高速回転時の径方向の膨張などに影響する材料のヤング率は、クロムモリブデン鋼が２００ＧＰａであるのに対し、ベリリウム銅合金は１２７ＧＰａとやや低めである。このため、特に水素雰囲気下での部品の回転数向上のために、（水素雰囲気下での高強度、高破壊靭性値等の）耐水素脆性を呈し、かつ、少しでも高いヤング率を有する材料が求められていた。
【０００７】
ところで、ベリリウム銅合金に比肩する強度を有する合金としてニッケルスズ銅合金が知られている。特許文献４（特許第６４９２０５７号公報）には、５～２０質量％のＮｉ、５～１０質量％のＳｎ、不純物、微量添加物及び残部銅からなるスピノーダル合金であって、少なくとも５１７ＭＰａ（７５ｋｓｉ）の０．２％オフセット耐力及び少なくとも１６Ｊ（１２フィートポンド）の衝撃靭性を有するものが開示されている。特許文献５（特許第６６５１４６４号公報）には、９～１５．５重量％のＮｉと、６～９重量％のＳｎとを含み、残部が銅であるスピノーダル硬化銅－ニッケル－錫合金を含む、サッカーロッドのためのカップリングが開示されており、この合金は、少なくとも９５ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強さと、室温において少なくとも２２フィートポンドのシャルピーＶ切り欠き衝撃エネルギーとを有するとされている。特許文献４及び５は耐水素特性に関する検討は何らなされていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
特許第６７５５５２１号公報
特開２０２１－１１５６３１号公報
ＷＯ２０２２／１４９５６１
特許第６４９２０５７号公報
特許第６６５１４６４号公報
【非特許文献】
【０００９】
松永久生、山辺純一郎、及び松岡三郎、「クロムモリブデン鋼を高圧水素ガス環境中で使用するための強度設計指針の提案」、表面科学 Vol. 36, No. 11, pp. 562-567, 2015
【発明の概要】
【００１０】
上述のとおり、クロムモリブデン鋼製の構造材は、水素脆性を有しているため、水素雰囲気下での高負荷応力での運転、とりわけ間歇運転や高速回転化の観点で不十分である。例えば、現在使用されているＳＣＭ４３５は、大気下では優れた破壊靭性を呈するが、水素劣化が起こることが確認されており、疲労を生起させる間歇運転には不向きである。したがって、水素雰囲気下で劣化しにくいベリリウム銅合金が、クロムモリブデン鋼の代替材料の候補として期待される。しかしながら、クロムモリブデン鋼のヤング率が約２００ＧＰａであるのに対し、ベリリウム銅合金のヤング率は約１３３ＧＰａとやや低めである。このため、特に水素雰囲気下での部品の回転数向上の観点から、水素下で高強度を維持し、かつ、少しでも高いヤング率を実現するための改善が求められていた。また、シャフトやインペラのような回転構造体に求められる素材強度と破壊靭性は、トレードオフの関係にある。このため、水素雰囲気下で作動する構造部材に求められる素材強度と破壊靭性を両立し、かつ、それらの特性が水素雰囲気下で低下しにくい（すなわち耐水素脆化特性に優れた）耐水素材料が望まれる。
（【００１１】以降は省略されています）

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