水素腐食

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水素腐食 合成アンモニア産業、石油の水素化分解、その他いくつかの化学プロセスにおいて、反応媒体内で水素が大きな割合を占める混合ガスによく遭遇する。また、これらの化学反応はほとんどが高温・高圧下で行われる。例えば、合成アンモニアの圧力は通常31.4MPaで、温度は一般に470～500℃程度である。 低温・低圧の条件下（温度≤200℃、圧力≤4.9MPa）では、水素は一般炭素鋼および低合金鋼に顕著な腐食作用を及ぼしません。しかし、高温高圧下ではこれらに腐食が生じ、その結果、材料の機械的強度や延性が著しく低下し、場合によっては破壊されることもあります。この現象は一般的に「赤腐食」または「水素脆化」と呼ばれます。 鉄炭合金の高温高圧下における水素腐食過程は、水素脆化段階と水素侵食段階に分けられる。 第一段階は水素脆化段階です。この段階で、水素は鋼材と直接接触すると鋼材に吸着され、原子状態で鋼材の内部に拡散し、フェライト中に溶解して固溶体を形成する。しかし、この段階では鋼中に溶解している水素は鋼材と化学反応を起こさず、鋼材の組織も変化せず、顕微鏡でき裂は観察されず、鋼材の強度限界や降伏限界も大きく変わらない。しかし、それによって鋼材の塑性が低下し、衝撃靭性値も著しく減少する。鋼材のこの脆さは、中に含まれる水素の量と正比例する。材料が水素脆化の段階にあっても、脱水素処理を施せば、その性能は元の状態に回復する。 第2段階は水素侵食段階です。このとき、鋼材に溶解している水素が鋼中のケイ化物と化学反応を起こし、メタンガスが生成される。これによって鋼材の組織が変化する。その化学反応式は次の通りである：Fe3C+2H2-->3Fe+CH4。この化学反応はしばしば結晶境界部で起こり、生成されたメタンガスも通常、結晶境界部にある既存の微細な空孔内に集まり、局部的な高圧を生じさせる。これによって応力が集中し、結晶境界が広がり、さらに大きな亀裂が発生する；あるいは、鋼材の表面にある介在物などの欠陥部に集まり、気泡を形成して鋼材の機械的性質を低下させます。一方、炭化物がフェライトに還元される際にはその体積も減少するため、鋼材内部では組織の体積変化によって相応の組織応力が生じ、この応力が前述の内応力と重なり合うことでき裂の進展を引き起こす。そして、き裂の進展は水素と炭素の拡散および反応にさらに好都合な条件をもたらす。このように繰り返し続けると、最終的に鋼材が完全に脱炭し、内部に亀裂が網目状に形成され、機械的性質が著しく低下し、破壊に至ることさえある。 高圧は鋼中への水素の溶解を促進し、高温は鋼の組織内での水素の拡散速度および脱炭反応の速度を上昇させるため、鉄炭合金の水素腐食は圧力と温度が上がるにつれて悪化する。通常、鉄炭合金が水素腐食を起こすには開始温度と開始圧力があり、これは鋼材の水素腐食に対する耐性を示す指標です。