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

通过理论计算和实验的配合，利用普遍存在的固溶元素提高钢的耐腐蚀性能

基本信息

批准号：
22K14516
负责人：
門脇万里子
金额：
$ 3万
依托单位：
National Institute for Materials Science
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14516/
关键词：
鉄鋼材料固溶元素耐食性電気化学計測第一原理計算

项目摘要

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。

在许多情况下，钢铁材料通过添加铬等稀有金属来获得高耐腐蚀性，但稀有金属的枯竭和分布不均匀被认为是一个问题，需要一种不使用它们来实现高耐腐蚀性的新原理.这项研究旨在通过在铁中添加普遍存在的固溶体元素并控制其电子特性来实现高耐腐蚀性。具体来说，我们将以纯铁（bcc Fe）为基础，通过结合第一性原理计算和电化学测量技术，从原子水平角度系统地研究固溶元素对铁腐蚀行为的影响。今年的研究重点是磷 (P) 作为铁的添加元素。利用第一性原理计算，我们分析了铁中添加磷时电子结构和电子性质的变化。结果，他们发现通过添加磷，铁费米能级的态密度会降低。金属的电化学反应（氧化和还原反应），包括铁的腐蚀反应，涉及费米能级附近的电子（价电子），其负责电子传导。由于费米级附近的态密度随着固溶磷的添加而变化，因此推测固溶磷影响铁的电化学反应性。此外，通过电化学测量（实验）研究了实际添加磷的钢的耐腐蚀性。当我们研究Fe-0.5mass%P、Fe-1.0mass%P和Fe-1.5mass%P合金在含有NaCl的溶液中的耐腐蚀性时，我们发现Fe-1.5mass%P合金的磷浓度最高发现该样品比其他样品更容易发生局部腐蚀。表面分析表明，在Fe-1.5mass%P合金中，磷不仅以固溶态存在，而且以晶界偏析态存在。认为该磷的晶界偏析成为起点，引起局部腐蚀。根据第一原理计算的结果，认为如果能够通过适当地进行热处理等使偏析在晶界处的磷固溶，则能够提高耐腐蚀性。