JP2021076510A - 試験装置及び試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】含水した粉体と接する金属の電気化学測定を高精度で行うことができる試験装置を提供する。【解決手段】試験装置１は、平坦面１３ａを有し、平坦面１３ａと平行に面１１ａが露出するように金属の試験片１１が保持された電気化学セルＣを用いて、試験片１１を作用極として電気化学測定をするための試験装置であって、筒状のプレス用ダイ２０と、プレス用ダイ２０に嵌合する形状を有する載荷板３０と、載荷板３０の一方の面に形成された対極３１と、載荷板３０の対極３１が形成された側に配置された含水率測定プローブ３２と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、金属の電気化学測定をするための試験装置及び試験方法に関する。

金属材料では、電気化学的に活性な粉体との接触によって生じる腐食が問題になることがある。例えば、製鉄所で用いられる設備は、コークス粉や石炭粉等が堆積することによって腐食が進行することがある。また、土壌中に埋設される鋼管杭や鋼矢板等は、土壌中の微粒子との接触によって腐食が進行することがある。

このような粉体との接触に起因する金属の腐食を調査する方法として、粉体を充填した試験槽に金属の試験片を埋設する埋設試験が行われている。

例えば特開２０１７−２１５３００号公報、特開２０１６−２２４００１号公報、及び特開２０１１−７５４７７号公報には、実土壌や模擬土壌を試験槽内に充填し、それらの土壌の水分含有量を調整し、温度や酸素分圧を制御して土壌中の鋼の耐食性を評価する方法が開示されている。特開２０１７−７２５９２号公報には、試験槽内に模擬土壌を複数層重ねて形成し、各層で土壌中の通気量を変えて酸素濃淡マイクロセル腐食を再現し、土壌中の鋼の耐食性を評価する方法が開示されている。

特開２０１７−２１５３００号公報 特開２０１６−２２４００１号公報 特開２０１１−７５４７７号公報 特開２０１７−７２５９２号公報

埋設試験では、試験槽内で粉体の充填度や圧力が一定にならないため、試験片の腐食形態が一様ではなく、試験の再現性を担保することが難しいという問題がある。

また、粉体は降雨や結露によって含水し、様々な含水環境となる。含水した粉体中での腐食環境を再現するため、予め含水率を変化させた粉体（ゲル）を充填して腐食試験を実施することが行われているが、含水した粉体は膨張するため、実際の粉体中や土壌中とは異なる環境になる可能性がある。

本発明の課題は、含水した粉体と接する金属の電気化学測定を高精度で行うことができる試験装置及び試験方法を提供することである。

本発明の一実施形態による試験装置は、平坦面を有し、前記平坦面と平行に面が露出するように金属の試験片が保持された電気化学セルを用いて、前記試験片を作用極として電気化学測定をするための試験装置であって、筒状のプレス用ダイと、前記プレス用ダイに嵌合する形状を有する載荷板と、前記載荷板の一方の面に形成された対極と、前記載荷板の前記対極が形成された側に配置された含水率測定プローブと、を備える。

本発明の一実施形態による試験方法は、上記の試験装置を用いた試験方法であって、前記電気化学セルの前記平坦面の上に、前記試験片の露出した面が開口の内側になるように前記プレス用ダイを配置する工程と、前記プレス用ダイの内側に、試験液と粉体との混和体を充填する工程と、前記載荷板によって前記混和体に荷重を加える工程と、前記含水率測定プローブによって前記混和体の含水率を測定する工程と、前記試験片を作用極として電気化学測定をする工程と、を備える。

本発明によれば、含水した粉体と接する金属の電気化学測定を高精度で行うことができる。

図１は、本発明の一実施形態による試験装置の概略構成を示す斜視図である。 図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 図３は、図１の試験装置を用いた試験方法を説明するための図である。 図４は、図１の試験装置を用いた試験方法を説明するための図である。 図５は、図１の試験装置を用いた試験方法を説明するための図である。 図６は、図１の試験装置を用いた試験方法を説明するための図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。

［試験装置］
図１は、本発明の一実施形態による試験装置１の概略構成を示す斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。試験装置１は、プレス用ダイ２０、載荷板３０、対極３１、含水率測定プローブ３２、及びガス導入ノズル３３を備えている。

試験装置１は、金属の試験片１１が保持された電気化学セルＣを用いて、試験片１１を作用極として電気化学測定をするための試験装置である。

電気化学セルＣは、平坦面１３ａを有している。図１では、電気化学セルＣを円柱として図示しているが、電気化学セルＣの形状はこれに限定されない。電気化学セルＣは、一定の大きさの平坦面１３ａを有していればよく、例えば平坦面１３ａの外側に突部や凹部が存在してもよい。

試験片１１は、測定対象の金属からなる。試験片１１は、外部に露出した面１１ａを有しており、この面１１ａが電気化学セルＣの平坦面１３ａと平行になるように電気化学セルＣに保持されている。図１では、試験片１１を円柱として図示しているが、試験片１１の形状はこれに限定されない。

電気化学セルＣは、試験片１１に加えて、試験片１１の周りに配置された参照電極１２と、試験片１１及び参照電極１２を保持する保持体１３とを備えている。

参照電極１２は、保持体１３を間に挟んで試験片１１の周りに配置されている。参照電極１２も、試験片１１と同様に、保持体１３に覆われていない面を有しており、この面が平坦面１３ａと平行になるように保持体１３に保持されている。参照電極１２は、これに限定されないが、例えば銀・塩化銀電極である。図１では、参照電極１２を円筒として図示しているが、参照電極１２の形状はこれに限定されない。

保持体１３は、試験片１１と参照電極１２とを電気的に絶縁した状態で保持する。保持体１３は、例えば樹脂からなる。保持体１３には、厚さ方向に貫通した貫通孔１３ｂが形成されている。図１には、保持体１３の周方向に沿って合計１２個の貫通孔１３ｂが形成されている場合を図示しているが、貫通孔１３ｂの数や位置は任意である。

プレス用ダイ２０は、上下に開口した筒状の形状を有している。図１では、プレス用ダイ２０を円筒として図示しているが、プレス用ダイ２０の形状はこれに限定されない。

プレス用ダイ２０の開口は、試験片１１の面１１ａよりも大きく、電気化学セルＣの平坦面１３ａよりも小さいことが好ましい。例えば、プレス用ダイ２０が円筒形状であり、試験片１１及び電気化学セルＣが円柱形状である場合、図２に示すように、プレス用ダイ２０の内径ｄ１は、試験片１１の面１１ａの外径ｄ２よりも大きく、電気化学セルＣの外径ｄ３よりも小さいことが好ましい。

上述のとおり、プレス用ダイ２０は円筒形状でなくてもよく、試験片１１及び電気化学セルＣは円柱形状でなくてもよい。プレス用ダイ２０及び試験片１１の面１１ａが任意の形状の場合において、「プレス用ダイ２０の開口が面１１ａよりも大きい」とは、電気化学セルＣの上にプレス用ダイ２０を配置して面１１ａに垂直な方向から見たとき、試験片１１の輪郭がプレス用ダイ２０の内周面に包含され得る形状であることを意味する。同様に、プレス用ダイ２０及び電気化学セルＣの平坦面１３ａが任意の形状の場合において、「プレス用ダイ２０の開口が平坦面１３ａよりも小さい」とは、電気化学セルＣの上にプレス用ダイ２０を配置して面１１ａに垂直な方向から見たとき、プレス用ダイ２０の内周面が平坦面１３ａの輪郭に包含され得る形状であることを意味する。

プレス用ダイ２０は、後述するように、内部に粉体と試験液との混和体を充填し、この混和体に荷重を加えるために用いられる。そのためプレス用ダイ２０は、混和体に加える荷重に応じた所定の剛性を有するものであることが好ましい。プレス用ダイ２０はまた、混和体と接触する内周面に絶縁性があることが好ましい。プレス用ダイ２０としては例えば、内周面を樹脂等でコーティングしたステンレス製のものを用いることができる。プレス用ダイ２０は、全体が絶縁体であってもよい。

載荷板３０は、プレス用ダイ２０の開口に嵌合する形状を有している。載荷板３０は、プレス装置Ａからの荷重を伝達して、プレス用ダイ２０の内部に配置される混和体に荷重を加える。プレス装置Ａは、例えば油圧シリンダーである。プレス装置Ａは、錘であってもよい。

載荷板３０は、混和体と接触する面（対極３１が形成されている側の面）に絶縁性があることが好ましい。載荷板３０としては例えば、片面を樹脂等でコーティングしたステンレス製のものを用いることができる。載荷板３０は、全体が絶縁体であってもよい。

載荷板３０の一方の面には、対極３１が形成されている。対極３１は、これに限定されないが、例えば白金めっき電極である。対極３１は、作用極である試験片１１の面１１ａと同じ面積に形成されていることが好ましい。

載荷板３０には、含水率測定プローブ３２が固定されている。含水率測定プローブ３２は、プレス用ダイ２０の内側に充填される混和体の含水率を測定できるように、対極３１が形成された側に検出部が位置するように配置されている。図１及び図２では、含水率測定プローブ３２の数が二つである場合を図示しているが、含水率測定プローブ３２の数は一つであってもよいし、三つ以上であってもよい。

載荷板３０にはさらに、ガス導入ノズル３３が固定されている。ガス導入ノズル３３は、載荷板３０を貫通しており、プレス用ダイ２０の内側にガスを導入できるように構成されている。

試験装置１は、プレス用ダイ２０を加熱する加熱装置（不図示）をさらに備えていてもよい。

［試験方法］
以下、図３〜図６を参照して、試験装置１を用いた試験方法を説明する。

まず、電気化学セルＣの平坦面１３ａの上に、試験片１１の面１１ａが開口の内側になるようにプレス用ダイ２０を配置する。その後、プレス用ダイ２０の内側に、試験液と粉体との混和体Ｇを充填する（図３及び図４を参照。）。このとき、予めプレス用ダイ２０の外側で粉体と試験液とを混和させておいてから充填してもよいし、プレス用ダイ２０の内側で粉体と試験液とを混和させてもよい。

混和体Ｇを構成する粉体は、測定対象の金属が配置される環境に存在する粉体を模擬した粉体である。この粉体は、実環境から採取したものであってもよい。混和体Ｇを構成する試験液は、水等の溶媒に所定量の電解質を溶解させたものであり、例えば食塩水を用いることができる。

載荷板３０を混和体Ｇの上に配置し、プレス装置Ａによって混和体Ｇに荷重を加える（図５及び図６を参照。）。このとき、混和体Ｇの水分の一部が貫通孔１３ｂから排出される。所定の大きさの荷重を加えた時点でプレス装置Ａの圧下距離を測定し、混和体Ｇの厚さを求める。

含水率測定プローブ３２によって、混和体Ｇの含水率を測定する。必要に応じて、プレス用ダイ２０を加熱したり、ガス導入ノズル３３から乾燥ガスを吹き込んだりする等して、混和体Ｇの含水率を調整してもよい。その後、試験片１１を作用極として、電気化学測定をする。より具体的には、試験片１１、参照電極１２、及び対極３１を、ポテンショスタットやガルバノスタットに接続して電気化学測定を行う。

［試験装置の効果］
試験装置１は、平坦面１３ａを有し、平坦面１３ａと平行に面１１ａが露出するように金属の試験片１１が保持された電気化学セルＣを用いて、試験片１１を作用極として電気化学測定をするための試験装置である。試験装置１は、プレス用ダイ２０と、載荷板３０と、対極３１と、含水率測定プローブ３２とを備える。

この構成によれば、電気化学セルＣの平坦面１３ａの上にプレス用ダイ２０を配置することで、平坦面１３ａとプレス用ダイ２０の内周面とで構成される空間に粉体と試験液との混和体Ｇを収容することができる。このとき、試験片１１の面１１ａが開口の内側となるようプレス用ダイ２０を配置することで、面１１ａと混和体Ｇとを接触させることができる。

この状態で載荷板３０に荷重を加えることによって、混和体Ｇに所定の圧力を加えることができる。これによって、一定の充填雰囲気を再現できるため、混和体Ｇに接する金属の電気化学測定を高精度で行うことができる。そのため、金属表面に到達する溶液成分やガス成分の拡散を電気化学的に評価することができる。また、混和体Ｇに加える圧力の大きさや混和体Ｇの含水率を変えながら電気化学測定をすることができる。

上記の実施形態では、試験装置１がガス導入ノズル３３を備える場合を説明した。この構成によれば、上述のとおりガス導入ノズル３３から乾燥ガス等を吹き込むことができる。ただし、試験の目的によっては、ガス導入ノズル３３はなくてもよい。

上記の実施形態では、電気化学セルＣの保持体１３に貫通孔１３ｂが形成されている場合を説明した。貫通孔１３ｂが形成されていれば、混和体Ｇから水分の排出をスムーズに行うことができる。ただし、貫通孔１３ｂが形成されていない場合であっても、プレス用ダイ２０と載荷板３０との隙間等から水分を揮発させることは可能である。

以上、本発明の一実施形態による試験装置１、試験装置１を用いた試験方法を説明した。本実施形態によれば、含水した粉体と接する金属の電気化学測定を高精度で行うことができる。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明はこれらの実施例に限定されない。

外径１０ｍｍの円柱形状の試験鋼材（ＳＭ４９０鋼）を樹脂埋めして電気化学セルを作製した。この電気化学セルの上に円筒形状のプレス用ダイを配置した。プレス用ダイは、内周面がＰＴＦＥによってコーティングされたステンレス製のものを用いた。平均粒径が１．０μｍの酸化亜鉛粒子３ｇと、０．０１％ＮａＣｌ水溶液１０ｍｌとを混和し、プレス用ダイに充填した。

混和体の上に載荷板を配置し、２０．０ｋＮの荷重を加えた。その後、試験装置全体を６０℃の恒温槽に装入した。一部の試験では、プレス用ダイ内に乾燥空気を吹き込んだ。

加圧直後、６時間後、及び２４時間後のそれぞれにおいて、含水率測定と電気化学測定を行った。含水率とカソード分極後の−８００ｍＶ ｖｓ ＳＳＥの電流密度との関係を表１に示す。

以上、本発明の実施の形態を説明した。上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

１ 試験装置
Ｃ 電気化学セル
１１ 試験片
１１ａ 面
１２ 参照電極
１３ 保持体
１３ａ 平坦面
１３ｂ 貫通孔
２０ プレス用ダイ
３０ 載荷板
３１ 対極
３２ 含水率測定プローブ
３３ ガス導入ノズル
Ｇ 混和体
Ａ プレス装置

Claims (5)

1. 平坦面を有し、前記平坦面と平行に面が露出するように金属の試験片が保持された電気化学セルを用いて、前記試験片を作用極として電気化学測定をするための試験装置であって、
   筒状のプレス用ダイと、
   前記プレス用ダイに嵌合する形状を有する載荷板と、
   前記載荷板の一方の面に形成された対極と、
   前記載荷板の前記対極が形成された側に配置された含水率測定プローブと、を備える、試験装置。
2. 請求項１に記載の試験装置であって、
   前記載荷板を貫通するガス導入ノズルをさらに備える、試験装置。
3. 請求項１又は２に試験装置であって、前記プレス用ダイの開口は、前記試験片の露出した面よりも大きく、前記電気化学セルの平坦面よりも小さい、試験装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の試験装置であって、
   前記電気化学セルに貫通孔が形成されている、試験装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の試験装置を用いた試験方法であって、
   前記電気化学セルの前記平坦面の上に、前記試験片の露出した面が開口の内側になるように前記プレス用ダイを配置する工程と、
   前記プレス用ダイの内側に、試験液と粉体との混和体を充填する工程と、
   前記載荷板によって前記混和体に荷重を加える工程と、
   前記含水率測定プローブによって前記混和体の含水率を測定する工程と、
   前記試験片を作用極として電気化学測定をする工程と、を備える、試験方法。

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