技術報文−4
塗装耐候性鋼の防食性評価

塗装耐候性鋼の防食性評価
Corrosion Behavior of Coated Weathering Steel

技術開発部門 研究部
研究第一グループ
Technology Division Basic Research Dept.
Basic Reseach Group No.1

要旨

一般に市場で使用されている3種の下塗り塗料を耐候性鋼と普通鋼に塗装し、促進腐食試験（ＣＣＴ）を行った。塗装耐候性鋼と塗装普通鋼の耐食性をＥＰＭＡ（
Electron Probe（ X-ray） Micro Analyzer）、付着力測定、電気化学的測定により評価した。
実験結果は、塗装耐候性鋼は塗装普通鋼よりも高い耐食性を示した。
ＥＰＭＡ測定結果より塗装耐候性鋼には、塗膜下のさび層に塩素成分の分布していない部分が存在する。この現象は、特に基材とさび層の界面付近に顕著に確認できる。基材とさび層の界面付近においては、Cu、Cr、Niの成分が濃縮している。これら元素の濃縮により、このさび層は腐食因子からの保護性を有するさび層となっていると考えられ、そのため塗装耐候性鋼は塗装普通鋼よりも耐食性が良好であると考えられる。

松本 剛司

永井 昌憲

Tsuyoshi MATSUMOTO

Masanori NAGAI

Abstract
Protective performance of commercial undercoatings
was evaluated through Cyclic Corrosion Test (CCT).
Corrosion resistance of coated weathering and carbon
steels was investigated through Electron Probe X-ray
Microanalysis (EPMA)，adhesion measurement, andunder- film corrosion evaluation.
Results of the experiment showed that the coatedweathering steel had higher corrosion resistance thanthat of the coated carbon steel. EPMA analysis showedthat some portion of rust layer was free of chloride ions,which was remarkably noticed in the interface between
rust layer and steel.
The alloying elements of weathering steel, such as
Cu, Cr, and Ni were enriched in the rust and steel
interface. It is considered that the enrichment of theseelements in the rust layer enhance protective
performance of coated weathering steel compared withcoated carbon steel.

1718

技術報文−4
塗装耐候性鋼の防食性評価

1. はじめに耐候性鋼は、大気中において緻密で保護性を有したさび層を表面に経年的に形成する自己防食機能を発揮する鋼材である。近年、防食維持費を軽減し経済的に有利な材料として土木関係をはじめ、多くの分野で使用されている。
しかし、JIS-SMAで規定されている耐候性鋼（ 0 . 4 C u - 0 . 6 C r 添 加 系 ）は 、飛 来 塩 分 の 多い（0.05mdd〈mg/dm2/day〉以上）海浜地域等で使用すると保護性を持つさび層が形成されず腐食が進行するという問題がある。現在、その対策として異常さびの発生した部位に対する補修方法の検討が実施されている。
また、周囲景観への調和性を持たせる場合、色彩が必要な場合もあり、新設時から耐候性鋼に塗装する方

2． 実

験

2.1 試 料
2.1.1

新設塗装系

JIS-SM400相当の普通鋼、JIS-SMA400相当の耐候性鋼を使用した。寸法は3.0×75×150mm（板厚×幅×長）とし、表面は平均表面粗さ30μmのアルミナブラスト処理を施した。供試塗料は、エポキシ樹脂塗料下塗（ＥＰ）、変性エポキシ樹脂塗料下塗（Ｍ−ＥＰ）、
一液湿気硬化形ポリウレタン樹脂塗料下塗（ＭＣＵ）である。
試験片は乾燥膜厚70μmとなるようにエアスプレー塗装し、十分乾燥させた。複合サイクル腐食促進試験機を用いて評価する試験片については、下半分の部位にクロスカットを鋼材素地に達するように施した。

法も提案されているが、普通鋼より高価な耐候性鋼にプラスして塗装工費がかさむこの方法は日本ではほとんど

2.2 評価方法採用されていない。
しかしながら、耐候性鋼が持つ耐食効果と塗装の耐食効果を組み合せることにより新しい防食システムの開発も期待できる。
本報では、普通鋼との比較として耐候性鋼に一般的に市場で使用されている3種の下塗塗装を施し、塗膜下腐食機構について詳細に検討を行った結果を報告する。

2.2.1

複合サイクル腐食試験（ＣＣＴ）

クロスカットを鋼材素地に達するようにいれた試験片を用い、JIS K 5621によって規定されているサイクル(塩水噴霧/30℃：30分→湿潤95%RH/30℃：1時間30分→乾燥/50℃：2時間→乾燥/30℃：2時間)で900サイクル評価した。クロスカット周辺のふくれおよびさび発生状況を観察後、カット部の劣化状況を詳細に調べるためにカット線と直角に小試料を切り出した。切り出したサンプルをエポキシ樹脂に埋包後、研磨して断面よりふくれ内部さび層の状態を、
ＥＰＭＡ（Electron Probe（ X-ray）MicroAnalyzer）を用いて解析した。
ＥＰＭＡは日本電子社製
JXA-8900Rを用い、加速電圧15.0kV、照射電流5.0×ビーム径1μmで測定した。
10-8A、2.2.2

3%NaCl水溶液浸漬試験

欠陥を作製していない試験片を用いて、カレントインタ
ラプタ原理に基づく北斗電工/大日本塗料製「塗膜下金属腐食診断装置 HL-201」を使用して電気化学的測定を経時で行った。また3%NaCl水溶液浸漬試験片の経時付着力の変化を島津製作所製AUTOGRAPH
AG-I/100kNを使用して測定した。この測定は試験片測定部分の両面にドーリーを接着させ、ドーリー接着面

19の周囲を幅5mm程素地がみえるまで塗膜を削った状態

この基材とさび層の界面付近では、Cu、Cr、Niなどの耐で行った。

食性向上元素が濃縮している。このことからこれら添加元素の濃縮により、さびの内層部分において塩化物など3． 結果および考察浸食性要因に対して保護機能を有するさび層が形成されていることが推察される。
また、塗膜ふくれ先端部にも塩素イオンが分布していない部分があるが、この部分は3.1 外観観察
ＣＣＴ900サイクル経過後の試験片において表面欠陥部からの50点平均ふくれ幅を図1に示す。図1より、促進腐食反応においてカソード部であることに対応していると考えられる。

試験を900サイクル行った後に、塗膜欠陥部周辺の腐食状況を観察すると、普通鋼と比較して耐候性鋼は全ての塗装系において塗膜ふくれが著しく小さいことを特徴としていることが分かる。
50㎜間隔における平均ふくれ幅2.52

耐候性鋼
普通鋼

1.510.50

図2 ＥＰＭＡにより得られた塗装耐候性鋼のさび部における元素分布
Ep

M-Ep
塗料の種類

MCU

図1 クロスカット部周辺における50点平均ふくれ幅

3.3 電気化学的測定
図 3は、耐 候 性 鋼に塗 装した各 試 験 片について

3.2

ふくれ断面のＥＰＭＡによる元素分析

3%NaCl水溶液浸漬条件下で「塗膜下金属腐食診断

ＣＣＴ900サイクル行った後のＥＰ塗装耐候性鋼試験装置」により分極抵抗と分極容量の経時変化を求めた片のクロスカット部周辺ふくれ断面のＥＰＭＡを用いたO、ものである。一般に分極抵抗が高いほど腐食電流が低い、Cl、Cu、Cr、Niの元素マッピング結果を図2に示す。図2

即ち防食性が良く、また分極容量は塗膜と金属間の水の酸素成分の分布から塗膜ふくれ下に発生したさびは分量に比例していると考えられる1）。図3より、
Ｍ−ＥＰは塗膜を押し上げるように密集していることを示している。

600時間経過した時点で分極抵抗は大きく減少し1000

このことより、このふくれ部はさびが詰まっている、いわゆ時間で104Ω･c㎡を示している。分極容量もそれに相関るアノードであると考えられる。ふくれの大きさや成長速して増加していることから、塗膜下腐食が大きく進行し度は地金の腐食量と腐食速度に対応していると考えらていると考える。同様にＥＰも1000時間あたりから分極れるため、本試験において、普通鋼に比較してふくれの抵抗は減少し5000時間経過した時点で105Ω･c㎡を示大きさが小さく、広がり速度が遅い結果を示している耐している。一方、ＭＣＵは、5000時間経過した時点でも候性鋼は、欠陥部からのアノードふくれを抑制していると分極抵抗は大きく減少しておらず、初期値に近い109Ω･言える。

c㎡を示している。これらの結果から塗料種で大きく腐

また、塗膜下のさび層において、基材とさび層の界面付近には塩素成分が分布していない部分が観察される。

食量に差があることがわかり、耐候性鋼に最適な塗料を選択することが重要であるといえる。

polarization resistance（log〈Ω・c㎡〉）

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塗装耐候性鋼の防食性評価

11polarization capacity（log〈F/c㎡〉）

Ⅰ）

図4はＭＣＵを塗装した耐候性鋼および普通鋼の各10試験片について「塗膜下金属腐食診断装置」により分98EP
M-EP
MCU75を示し、また経時的な低下幅も少ない。分極容量の経時変化も塗装耐候性鋼の方が塗装普通鋼よりも容量値は0Ⅱ）

1000

2000
3000
4000
immersion time（H）

5000

6000

水分保持量が少ないことが示唆される。これらの測定-2

結果から塗装耐候性鋼は塗装普通鋼に比べて、抵抗-3が大きく、分極容量が小さい傾向にあり、更なる時間経-4EP
M-EP
MCU-5-6

過後には顕著な差が現れると推察される。
ここで各塗膜の水蒸気透過度と耐食性に関しての知-7見を得るためLYSSY社製 L80-4000を用いて水蒸気透-8過度を測定した。その結果、ＥＰは1.3g/day･㎡/100-9

Ｍ−ＥＰは1.1g/day･㎡/100-10

polarization resistance（log〈Ω・c㎡〉）

5000時間経過後も10-9F/c㎡と低い値を示し、塗膜下の

-10

図3Ⅰ）

極抵抗の経時変化から塗装耐候性鋼の方が塗装普通鋼よりも抵抗値は5000時間経過後も109Ω･c㎡と高い値3Ⅱ）極抵抗と分極容量の経時変化を求めたものである。分

64

polarization capacity（log〈F/c㎡〉）

20

1000

2000
3000
4000
immersion time（H）

5000

6000

㎡/100、、ＭＣＵは11.13g/day･であった。ＭＣＵの水蒸気透過度はＥＰ、
Ｍ−ＥＰに比べて10倍近く大きい値を示し、塗膜下への水分塗装耐候性の3%NaCl水溶液浸漬後のⅠ）分極抵抗と Ⅱ）分極容量の測定結果の浸透が大きいことがわかる。
しかし、上に述べた分極11抵抗の経時変化結果は耐候性鋼の方が分極抵抗は10高く、水 蒸 気 透 過 度 の 結 果には対 応していない 。

93%NaCl水溶液に6ヶ月浸漬した後の付着性測定結果（図5）から、
ＥＰ、Ｍ−ＥＰでは付着力は初期段階から著しく8低く移行しており、6ヶ月経過後で測定後の破断面は界7面剥離であった。
しかし、
ＭＣＵの付着力は6ヶ月経過後6weathering steel
carbon steel

54も初期値に近く高い値を維持しており、測定後の破断面は塗膜の凝集破壊となっていた。以上のことから、
耐食

01000

2000
3000
4000
immersion time（H）

5000

6000

性を支配しているのは塗膜の水蒸気透過度の値よりも経時付着力であるといえる。また、ＭＣＵは鋼材種の違-1-2

weathering steel
carbon steel-3いにより経時付着力に差が現れており、塗装耐候性鋼の腐食試験後の破断面は完全な塗膜の凝集破壊であ-4-5るが、塗装普通鋼の腐食試験後の破断面は部分的に-6鋼材面と塗膜の界面破壊が起こっている。
この結果より、-7

塗膜に欠陥がない試料を用いて3%NaCl水溶液浸漬-8下における塗膜下腐食を「塗膜下金属腐食診断装置」-9-10で評価した場合においても、
塗装耐候性鋼は塗装普通
01000

2000
3000
4000
immersion time（H）

5000

6000

図4 塗装した耐候性鋼および普通鋼の3%NaCl水溶液浸漬後のⅠ）分極抵抗と Ⅱ）分極容量の測定結果

鋼に比べて高い耐食性を持つことが示唆される。

21

欠陥部がある場合には、
図6に示すように腐食が進行
100501）EP00abhesion

abhesion

10050246
immersion time（month）

abhesion

1005000していくと考えられる。
まず、欠陥部に塩素イオンが進入
3）MCU00246immersion time（month）上昇し、アノード部では加水分解が生じてpHが低下する。

weathering steel

今回のＣＣＴ条件では、アノードとカソードが短絡する時期は比較的早く、アノードの鉄イオンとカソードのOH イオ

carbon steel

ンから欠陥部中央に大きなさびこぶが生じている。つまり、

2）M-EP

246immersion time（month）

図5

すると欠陥部がアノードとなり、その近辺にカソード部ができる（i）。カソード部ではOH イオンの生成によりpHが3%NaCl水溶液浸漬後の付着性測定結果

欠陥中央部のさびこぶがアノード、まわりの塗膜剥離先端部がカソードの状態で腐食が進行するものと考えられる。
サイクル数が増加すると、塗装普通鋼ではさびこぶが著しく大きくなる（iv-1）。一方、塗装耐候性鋼では、さびこぶの成長が遅く、腐食が軽微であった。
ＥＰＭＡ観察では、3.4耐候性鋼の塗装効果

塗装耐候性鋼では、素地とさび層の界面にCr, Cu, Ni

以上のように、耐候性鋼への塗装は効果的であるとが濃化して複合鉄さびを形成していることが示唆されて判明したので、次にそのメカニズムについて考察する。

いる。つまり、今回のＣＣＴでは、アノード反応が律速とな鋼の塗膜下腐食現象を説明した従来の論文（後記参っており（アノード腐食型形態）、保護性をもつ錆層が形考文献 2）〜9））と今回の腐食現象結果を組み合わせ成される耐候性鋼では、アノード反応が抑制されて腐食ながらそのメカニズムについて推察する。の進行が抑制されたと推察できる（iv-2）。つまり、アノード部においてさび中の塩素イオンの透過が律速であり、耐候性鋼では、内層に緻密な複合鉄酸化物を形成するため塩素イオンの透過を著しく抑えて、結果として腐食量が少ないものと考えられる。このように、乾湿繰り返し環境において、アノード腐食型形態を示す場合においては、鋼材自身の持つ耐食性が優れる耐候性鋼は塗装耐食性においても優れると推定される。
また、3%NaCl水溶液浸漬試験のように欠陥部がない場合では、塗装前の鋼表面の不均一性に起因して塗装面に電位差があると、初期にはアノード部とカソード部が別々に発生する。アノード部では加水分解反応が起こり、酸性ふくれを生じ、またカソード部はアルカリふくれとなっている。腐食が進行しアノード部とカソード部が短絡する場合には、ふくれ内は中性となりさびが発生する。ア
ノード部とカソード部が非常に近接している場合これらの反応は同一場所で起こり、pHの変化は起こらずふくれ内にさびが発生する。
さびが発生した後は、欠陥部がある場合の腐食の進行と同様に、塗装普通鋼では腐食

図6塗装した耐候性鋼と普通鋼のカット部における腐食過程の進行が一段と進みさびふくれが大きくなり（iv-1）、塗装耐候性鋼では保護性をもつさび層が形成され、腐食22技術報文−4
塗装耐候性鋼の防食性評価

4. まとめの進行が抑制されると推察できる（iv-2）。
このように、欠陥がない場合においても、アノード部とカソード部が比較的初期に短絡して、その後さびこぶが成耐候性鋼と普通鋼に各種下塗り塗装を施した試験

長するような場合ではアノード型腐食となり、保護性の高片を用い、塗膜に欠陥を付与して複合サイクル試験（

い複合鉄さびを生じる耐候性鋼は塗装耐食性に優れるCCT）を行ったアノード型腐食試験、さらに、3%NaCl水と考えられる。
また、一般にアノード部とカソード部が分離溶液に連続的に浸漬したカソード型腐食試験についてした状態で腐食が進行する場合では、カソード剥離が検討し、以下に示す結果を得た。

律速する。今回の腐食試験後の破壊断面では、塗装普通鋼は鋼材面と塗膜の界面破壊が起こっていたのに対1）
ＣＣＴ900サイクル後では、クロスカット部周辺のさびおして、塗装耐候性鋼では塗膜の凝集破壊であり、腐食よびふくれの発生状態は、EP、M-EPおよびMCUを塗が進行した後の経時付着力は耐候性鋼の方が優れて装した耐候性鋼の方が普通鋼よりも腐食が軽微であいた。このことは、欠陥がない本試験においても完全なり耐食性が良好である。

カソード剥離型の腐食ではなく、アノード部とカソード部

2）塗装耐候性鋼のさび層には耐候性鋼の添加成分での微少な短絡箇所が多数存在し、耐候性鋼地金の耐あるCu、Cr、Ni成分が濃縮した防食性を有するさび食元素が効果を発揮する形態の腐食であったものと推層が基材界面付近に形成されており、複合的な酸化測されるが、詳細についてはさらに検討が必要と考えら物が形成されていることが示唆される。

れる。
参考文献
1）田邉弘往;表面技術, 10, 1009（ 1994）
2）J.E.O.Mayne ; Official Digest, 24, 127（ 1952）
3）S.Guruviah ; J. Oil & Colour Chem. Assoc, 53,669（ 1970）
4）今井丈夫 ; 色材, 53, 712（ 1980）
5）W.Funke ; Prog.Org.Coatings, 9, 29（ 1981）
6）増子 昇 ; 防食技術, 30, 699（ 1981）
7）佐藤 靖 ; 塗装工学, 22,（1987）
8）浅利満頼 ; 防食技術, 38, 429（ 1989）
9）前田重義 ; 材料技術, 9, 151（ 1991）