1-7 IS法で用いる金属部材の耐食性向上を目指して

−沸騰硫酸環境下に耐えられるコーティング材を発見−

高温ガス炉の熱利用技術の一つである熱化学法水素製造法ISプロセス（IS法）は、腐食性の高い溶液を用いることから、反応容器等の構造部材には優れた耐熱性・耐食性が求められます。特に液体の硫酸が沸騰環境となる硫酸分解器はIS法の中で最も厳しい腐食環境となるため、従来、セラミックスの炭化ケイ素（SiC）を適用してきました。しかし、大量の水素製造が要求される実用プラントを想定した場合、SiCは、焼結炉の寸法制約があることから、大型化が困難です。

そこで私たちは、SiC並みの耐食性を有する大型化が容易な金属材料の開発を目指し、金属表面に緻密な膜を形成することを考えました。供試材には、フッ素コーティングしたSUS304、また化学的緻密化法により、酸化物スラリーを緻密に塗布したSUS304を作製しました。化学的緻密化法は、Cr₂O₃、Al₂O₃、SiO₂粒子のスラリーを母材にコーティングした後、500〜600 ℃の焼成処理を行う方法であり、供試材には焼成工程を8回行ったS-ZACと、さらなる皮膜の緻密化を図るべく、11回まで増加させたMS-ZACを用意しました。

腐食試験は、丸底フラスコ内に濃硫酸を流し込み、容器加熱することで、沸騰硫酸環境下を再現しました。その結果、フッ素コーティング処理材は、12 h試験後に、金属光沢が現出し、皮膜が完全にはく離し、高い平均腐食速度を示しました（図1の）。一方、S-ZAC処理材は、12 h試験後の時点では、耐食性を維持しましたが、100 h試験後に、皮膜が剥離しました（図1の）。しかし高緻密化したMS-ZAC処理材は、100 h試験後も、SiC（図1の▼）と同様に腐食は進行しませんでした（図1の■）。

次に、これら100 h試験後における皮膜／母材断面のCr元素マッピング分析を行った結果、S-ZACは皮膜が消滅していたのに対し、MS-ZACは、5 μm以下の微細なCr、Al、Si粒子が緻密に残存していました。

図2（a）に、腐食試験前のS-ZAC、MS-ZACの断面組織を示します。S-ZACは、粗大なSiO₂の凝集体や空隙が観察されたのに対し、MS-ZACでは、酸化物粒子の微細化、空隙率の低下、皮膜の薄膜化を確認しました。

以上より、沸騰硫酸試験下の皮膜状態を考察すると、図2（b）の模式図で示すように、S-ZACは、SiO₂の周辺を囲むCr₂O₃が膨張し始め、Cr₂O₃とSiO₂界面に引張応力が働き、厚い皮膜が湾曲することで、皮膜剥離に至ったものと考えられます。一方、MS-ZACは、含浸過程でSiO₂が微粒子化し、空隙が小さくなったことで、皮膜全体が薄膜化し、皮膜を維持できたものと考えています。今後は、この皮膜の厚膜化に取り組む予定です。

本研究は、トーカロ株式会社との共同研究「ISプロセス環境での耐食性を向上させた新規コーティング材の研究」の成果の一部です。

（広田 憲亮）

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