理論計算と実験の連携によるユビキタス固溶元素を利用した鋼の高耐食化

点击翻译按钮获取中文摘要

鉄鋼材料では多くの場合、クロムなどのレアメタルの添加による高耐食化が図られるが、レアメタルの枯渇や偏在化が問題視されており、それらを用いない新たな高耐食化原理が求められている。本研究では「鉄にユビキタス固溶元素を添加し、電子物性を制御する」ことで、高耐食化の実現を目指す。具体的には、純鉄（bcc Fe）をベースに、第一原理計算と電気化学計測技術を連携することで、固溶元素が鉄の腐食挙動に及ぼす影響を原子レベルの着眼点から系統的に明らかにする。今年度は鉄への添加元素として、リン（P）に着目して研究を実施した。第一原理計算により、鉄にリンを添加した際の電子構造や電子物性の変化を解析した。その結果、リンを添加することで鉄のフェルミ準位における状態密度が減少することを見出した。鉄の腐食反応も含め金属の電気化学反応（酸化・還元反応）には，電子伝導を担うフェルミ準位近傍の電子（価電子）が関与している。固溶リンの添加によりフェルミ順位近傍での状態密度が変化したことから、固溶リンは鉄の電気化学反応性に影響をおよぼすと推定される。さらに、実際のリン添加鋼の耐食性を電気化学計測（実験）により調査した。Fe-0.5 mass%P、Fe-1.0 mass% P、およびFe-1.5 mass% P合金について、NaClを含有する溶液中での耐食性を調査したところ、最もリン濃度の高いFe-1.5 mass%P合金は、他の試料より局部腐食が発生しやすいことが判明した。表面分析の結果、Fe-1.5mass% P合金ではリンは固溶状態だけでなく、粒界偏析の状態でも存在することが判明した。このリンの粒界偏析が起点となり、局部腐食が生じたと考えられる。第一原理計算の結果に基づくと、熱処理などを適切に実施することで、粒界に偏析したリンを固溶させることができれば、耐食性を向上できる可能性があると考えられる。