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鉄鋼材料の防食:腐食の基礎知識4

腐食の基礎知識

更新日:2017年12月1日(初回投稿)
著者:化学工学会SCE・Net 装置材料研究会 梅村 文夫

前回は、さまざまな環境に置かれた金属の腐食現象と、耐食材料を説明しました。自然環境下で、金属の腐食はおのずと進行します。そこで、金属の腐食を止めたり、腐食速度を遅らせたりする対策が必要になります。これが防食です。今回は、鉄鋼材料の防食方法である、被覆防食、電気防食、防食剤による防食について解説します。

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1. 被覆防食

被覆防食は、金属を有機あるいは無機の皮膜で覆い、腐食環境から遮断する防食方法です。被覆の種類には、塗料など有機物による塗装、金属めっき、金属または無機物の溶射(加熱により微粒子状にしたコーティング材を吹き付ける表面処理法)などがあります。今回は、塗装とめっき(亜鉛めっき)を説明します。

・塗装

鋼板製の自動車の車体は、装飾と防食を目的に塗装されています。鋼板に塗料が塗られていなければ、1年足らずでさびが発生します。雨水がたまりやすい箇所は、数年で穴が開いてしまう場合もあります。鋼材をさびや孔食から守る塗装は、大変有効な防食方法です。以下に、各種機械や、装置・プラント材料において一般的に使われている塗料について説明します。

塗装により形成される皮膜を、塗膜といいます。塗膜を形成するのは、油や合成樹脂などの物質です。油を用いた塗料を油性塗料、合成樹脂を用いた塗料を合成樹脂塗料といいます。合成樹脂にはフタル酸系、フェノール系、塩化ゴム系、ビニル系、エポキシ系、ポリウレタン系、アクリル系、フッ素系など多くの種類があります。

複数塗料の重ね塗り(下塗り、中塗り、上塗り)は、防食性能を高める一般的な方法です。下塗り塗料は、下地の金属との密着性と防錆(せい)が目的です。さび止めペイント、ジンクリッチペイント、エポキシ樹脂などが使用されます。中塗り塗料は、下塗りと上塗りの接着が良好でない場合に用いられます。上塗りは、環境からの遮断性や、使用環境に対する化学的安定性、耐候性(太陽光による劣化・変質に対する抵抗力)を持ちます。フタル酸系、ポリウレタン系、フッ素系樹脂塗料が用いられます。

塗料にはそれぞれ長所、短所があるため、下地の金属や使用環境、経済性など考慮しつつ、適切な組み合わせを選択する必要があります。表1に、代表的な塗料の特徴を説明します。

表1:代表的な塗料と特徴
塗料特徴
ジンクリッチペイント

・金属亜鉛粉末が含まれる

・塗膜に傷が付いても、亜鉛の犠牲陽極作用で下地の金属の腐食を抑制する

エポキシ樹脂

・耐水性、耐薬品性、接着性、機械的強度に優れる

・耐候性が劣るため、屋外で使用する場合は適切な上塗りが必要

フタル酸系樹脂
ポリウレタン系樹脂
フッ素系樹脂

・耐候性とともに長期にわたって安定した特性を示す

・めっき(亜鉛めっき)

亜鉛めっきは、鉄鋼材料用の防食めっきとして多く使用されています。亜鉛めっきには、電気亜鉛めっきと、溶融亜鉛めっきの2種類があります。このうち溶融亜鉛めっきは、亜鉛浴(高温で溶かした亜鉛)に鋼材を浸し、亜鉛と鉄による合金層の上に亜鉛皮膜を形成するめっき法です。めっき層と鉄の結合が強く、長い年月を経ても、めっきははがれません。めっき層を厚く形成できるので、防食性能にも優れています。

亜鉛めっきによる防食作用には、保護皮膜作用と、犠牲防食作用があります。保護皮膜作用は、亜鉛めっきの表面に形成された酸化皮膜が空気や水を遮断し、さびの発生を防止します。犠牲防食作用は、めっき層に傷が発生し、下地の鉄が露出した場合、傷の周囲の亜鉛が鉄より先に溶け出して、電気化学的に鉄を保護します(図1)。

図1:亜鉛めっきの犠牲防食作用

図1:亜鉛めっきの犠牲防食作用

これは犠牲陽極を用いた電気防食の原理(後述)と同じで、卑な金属(亜鉛)の腐食が促進され、貴な金属(鉄)の腐食が抑制されるメカニズムです。亜鉛が犠牲となることで鉄が防食されるので、犠牲防食作用と呼ばれます。

2. 電気防食

電気防食は、水中や土壌中の金属に電流を流し、電位を操作することで腐食を防ぐ方法です。水中や土壌中における金属の腐食は、金属から環境中へ電流が流出することによって生じます。流出する電流を腐食電流といいます。腐食電流に対抗して、環境中から金属へ直流電流を流入させることで(防食電流)、腐食電流の流出を止めることができ、腐食は防止されます。電気防食には、卑な金属を電気的に接触させる犠牲陽極法と、外部直流電源を用いる外部電源法があります。

続きは、保管用PDFに掲載中。ぜひ、下記よりダウンロードして、ご覧ください。

3. 防食剤による防食

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