シリーズ・技術調査報告
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シリーズ・技術調査報告「半分、赤い。
」～鉄鋼材料の腐食防食に関する基礎知識～
第１回

金属腐食の原理について

一般社団法人 日本下水道施設業協会
技術部長

１．はじめに堅田智洋

そこで、本稿では、さびや金属腐食における基

さびや金属腐食は、われわれの経済活動や産業

礎中の基礎ともいえる知識をまとめたので、数回分野のみならず、日常生活にとっても身近な、いにわたってお届けする。本稿が、読まれる方にとわば「好ましくない事象」だといえる。これらのって、腐食に対する抵抗感を少しでも取り払い、発生は経済的な損失だけでなく、場合によってはさらなる知識の習得に向けた一歩となれば幸いで生命の危険にすらつながるおそれがある。腐食にす。

よる経済的な損失額は大きい。国民総生産額（GDP）の３～４%にも達するという調査もある。一方で、

２．金属腐食の電気化学的機構

その額の１/３は既存の腐食知識の活用で節約可

２．１

能ともいわれている。

腐食とは腐食とは、金属がその金属を取り囲んでいる環

それは、下水道処理人口普及率は８割に達し、境と化学的に反応して溶けたり、さびに変わった

今や大多数の市民にとって「あって当たり前」のりして、その一部が失われる現象である。腐食は社会インフラになりつつある下水道においても例

化学反応であるから、反応の速度は温度が高いと外ではない。まして、本格的な人口減少など社会大きい。炭素鋼を高温に加熱すると、その表面は情勢にも大きな変化が到来している中、これまで周りの空気中の酸素と反応して、高温酸化と呼ばに整備・蓄積されてきた下水道ストックの老朽化れる一種の腐食を起こす。一方、炭素鋼を常温のは確実に進行している。そういう状況において、乾いた空気中に放置しておいても、酸化の進行は施設・設備の老朽化と密接な関係があるさびや金

無視できるほど小さく、これを腐食とはいわない。

属腐食に関して正確な知識をもつことは、今後、腐食という化学反応が実質的に生じるには、温度持続的な下水道機能を確保していくため、この事が低すぎるのである。ところが、常温で鋼材を雨業にかかわっていく技術者にとって有用なことにざらしにしておいたり、水に浸けておくと、すぐ違いない。

に発錆して腐食が進行する。温度が低いにもかか

さびや金属腐食の正確な理解は容易なことではない。それは、腐食現象が、金属工学、溶接工学

わらず腐食が進むのは、液体の水が存在するからである。

はもとより水質化学、破壊力学、材料強度といっこのように、水が存在するときの腐食を「湿食」

た幅広い工学分野にかかわることに加え、腐食にと呼ぶ。これに対し温度が高く、水が存在しなくよって生成する酸化膜や表面皮膜の性質が多様なても進行する腐食を「乾食」と呼ぶ。乾食や湿食ため、腐食現象が複雑にみえることにもよると考は、程度の違いはあるが種々の金属に起こる。つえられる。

まり、あらゆる金属が腐食という現象の対象とな

20

明日の下水道 No. 75（2018. ７）

「半分、赤い。」～鉄鋼材料の腐食防食に関する基礎知識～第１回金属腐食の原理について

るが、本稿では、世界中で使われている金属材料

素焼きの容器に硫酸亜鉛（ZnSO4）の溶液を入れ、のうち重量で95%を占めるといわれる「鉄鋼」を

亜鉛棒を挿入する。それを硫酸銅（CuSO4）溶液

取り上げ、下水処理全般にかかわる腐食現象としの入ったビーカーにつけ、銅棒を一方の電極とすて「湿食」を中心に概説することとする。

る。素焼きの容器を介して亜鉛と銅の両極は液的２．２に連絡されている。この電池反応を電位と電流のダニエル電池の仕組み

金属の湿食をミクロにみれば、金属／溶液界面関係で表すと、図－２のようになる。

における電子の受け渡しに始まる。結晶格子を形

電位は難しい概念であるため、ここでは、電位づくっている鉄原子が鉄イオンとなって水溶液にとは「金属の陽イオンへのなりやすさ」の指標で移行すると、そこでさびを生成する。金属と溶液

あ る イ オ ン 化 傾 向 の 序 列 で あ り、 電 位 の 高 いが接している界面は電極であり、腐食反応を含め（「貴」という）方から低い（「卑」という）方にた広い意味での電極とは、電荷（イオンや電子）向かうほどイオン化傾向が大きく、金属が溶解しの授受を生じる金属／溶液の界面のことである。

やすくなることを覚えておくこととする。表－１

常温でも湿食が進行するのは、鋼材の表面に腐食に主な金属の標準電位序列を示す。もっとも、金電池と呼ばれる電池が生成し、電子の受け渡しが属の耐食性は電位列だけで決まるわけではない。
図－２に戻って、EZnは亜鉛の平衡電位であり、行われるからである。
つまり、金属の腐食は電池作用で説明できる。

ECuは銅の平衡電位である。平衡電位においては、

そこで、まず、電池作用を理解するため、ダニエ

亜鉛極で亜鉛イオンの溶出と析出が、また銅極でル電池を取り上げる。図－１はダニエル電池の仕は銅イオンの溶出と析出の速度がつり合った状態

組みを示したものである。

にある。両極間に抵抗を介して短絡すると電流が流れ、電位はそれぞれの平衡電位からずれ（分極）、銅極の電位は卑方向に、亜鉛極の電位は貴方向に変化する。そして、亜鉛極では亜鉛が亜鉛イオンとなって溶解する反応、すなわち亜鉛が腐食する
反応を生ずる。一方、銅極では銅イオンが銅に還元される。

Zn→Zn2+＋2e－ …………………………………⑴Cu2+＋2e－→Cu …………………………………⑵
この電池の電位は腐食電位であり、通常Ecorrで表す。そのときに流れる電流はIcorrであり、亜鉛の腐食速度および銅のめっき速度に相当する。亜
図−１

ダニエル電池の仕組み

鉛が酸化され、銅イオンが還元されるのは、この２つの金属において、亜鉛の方がイオン化傾向が
表−１

図−２

主な金属の標準電位序列（25℃）

ダニエル電池の電流と電位の関係

日本下水道施設業協会誌

21

シリーズ・技術調査報告ない。式⑷で遊離した電子を受け取る反応が必要大きいからである。
金属が陽イオンとなる、すなわち酸化される（電になる。水中に溶解している酸素が鉄表面で水分子を失う）方の電極をアノード、一方、陽イオン子とともに反応して電子を受取り、自身は水酸化が還元される（電子を受け取る）方の電極をカソ物イオンになる式⑸の反応である。つまり、式⑷ードと呼び、酸化反応をアノード反応、還元反応と式⑸の反応は同時に対になって過不足なく進行をカソード反応と呼んだりする。ダニエル電池でする。これが鉄の腐食の電池作用であり、電気化

は、亜鉛極がアノード、銅極がカソードとなって学反応と呼ばれる理由である。

生じる酸化還元反応が作用している。
２．３

鉄の腐食における電池作用

鉄の腐食も同様の電池作用で説明できる。鉄の全面腐食は上記のような局部電池が無数に存在していると考える。
式は次のように書くことができる。

Fe＋H2O＋1/2O2→Fe（OH）2 …………………⑶水酸素

は、水中の酸素で酸化されて水酸化第二鉄Fe（OH）3となる。これが赤さびの素である。
式⑷はアノード反応、式⑸はカソード反応である。大気腐食であれ、土壌中の腐食であれ、水分鉄が水中でさびる反応、すなわち湿食の総反応

鉄

電気化学反応式⑴によって生成した水酸化第一鉄

水酸化第一鉄が介在して起こる自然環境中での金属の腐食の基
本物質は、水と溶存酸素であり、どちらか一方が欠けても腐食は生じない。
図－３において腐食の進行とともに式⑸により鉄は水と酸素と反応して水酸化第一鉄Fe（OH）
2

界面の溶存酸素が消費されると、これを補うためのさびを生成する。この式は鉄がイオン化されるに溶液沖合から溶存酸素が拡散してくるのを待た部分反応と、水中の酸素が還元されて水酸化物イ

ねばならない。式⑷のアノード反応自体は速やかオンを生成する部分反応とに分けることができる。

に進行するので、全体としての腐食反応は溶存酸

Fe→Fe ＋2e …………………………………⑷

素の拡散速度によって制限されていることになる。

1/2O2＋H2O＋2e－→2OH－ ……………………⑸金属表面に対する周辺の水の流速や温度が高くな

つまり、式⑶は、式⑷の酸化反応と式⑸の還元

ると溶存酸素の拡散速度を高めるので腐食速度も

2+－

反応に分けられ、両者が同時に起こる酸化・還元反応であることを表している。図－３はこれらの過程を模式的に示したものである。

大となる。
溶存酸素以外にカソード反応にあずかる物質、すなわち腐食の原因物質になりうるものには、水

金属結晶格子を形作る鉄原子が、イオンとなっ素イオン、塩化第二鉄イオン、銅イオン、遊離塩て水中を移行することを表現した式⑷の反応は腐素などがあり、それぞれ次の式⑹～式⑼の反応式

食の基本過程である。鉄電極において１個の鉄原で表される。いずれの式も反応の前後で、酸化数子が水中に鉄イオンとして移行すると、金属に電の減少を伴うカソード反応であることがわかる。

子２個が遊離する。この反応は単独には起こりえH+＋e－→1/2H2 …………………………………⑹Fe3+＋e－→Fe2+ …………………………………⑺Cu2+＋2e－→Cu …………………………………⑻HClO＋H+＋2e－→Cl－＋H2O …………………⑼酸性の溶液では式⑹によって水素ガスを発生する。たとえば、淡水中では溶存酸素が存在しない
場合、水素イオンの還元反応が起こるが、中性域では水素イオンがわずかしか存在しないので、事
実上ほとんど腐食しない。式⑺は塩化第二鉄溶液
が電子回路基板のエッチング溶液として用いられ、式⑻は銅イオンが金属銅となって析出することに

図−３

22

水中の鉄の腐食反応機構図

より鉄が腐食することを意味している。配管の上
明日の下水道 No. 75（2018. ７）

「半分、赤い。」～鉄鋼材料の腐食防食に関する基礎知識～第１回金属腐食の原理について

流に銅管が接続されている場合、溶出した銅イオということになる。材料の特性や環境条件などにンによって下流の鉄管が腐食を受けるのがその例

より、アノード点とカソード点が原子レベルではである。遊離塩素は水道水中に含まれる強い酸化なくわれわれの目にもはっきりと区別できる程度剤であり、式⑼により塩化物イオンに還元されるの大きさをもち、その位置が入れ替わることなく際に鉄を溶解させる。

固定されている腐食電池を規模の大きい電池作用

このように、カソード反応にあずかる物質、すという意味でマクロ腐食電池といい、以降で述べ

なわち腐食の原因物質になりうるものはいくつか

る通気差電池や異種金属接触腐食電池などがこれあるが、われわれが経験する多くの環境での湿食に属する。

の反応物質は式⑸における溶存酸素と式⑹におけ

２．５

るH+の二つと考えてよい。

通気差電池

鉄上で溶存酸素濃度に差が生じると、溶存酸素

水中に溶存酸素がなければ、式⑸の反応は起こ濃度が高い方がカソード、低い部分がアノードとりえないので、電池の対反応である式⑷の鉄の溶なって電位差を生じ酸素濃度の低い部分が腐食す

解反応も起こらず、実質的には腐食は生じない。

る。この現象は、酸素濃淡電池または通気差電池とはいえ、水中には水の解離によってわずかでは腐食と呼ばれる。図－４のようなガラスセルを用あるが水素イオンが含まれるため、式⑹による水意する。それぞれのセルに食塩水などの電解液を素発生反応が起こりうる。特に、酸性の溶液では入れ、二つのセルの間を多孔質膜で仕切っている。

水素イオンが多く含まれていることから、酸素を

イオンはこの膜を通過することができる（電流を含まなくても鉄は腐食することになる。このよう流せる）。両方のセルに同一の炭素鋼試験片（Fe）

な型の腐食を水素発生型腐食と呼んでいる。中性を設置し、片方のセルには空気または酸素ガスを、域では水素イオン濃度が低いので、水素発生型腐もう一方には窒素ガスを吹き込む。両者の間に電食の寄与は無視できるほど小さい。ただし、高温流計を差し挟むことによって酸素濃淡電池が形成になると水の解離度が増大するとともに反応の速され、酸素吹き込み側から窒素吹き込み側に向か度も増大するため無視できなくなる。

って腐食電流が流れる。

２．４

ミクロ腐食電池とマクロ腐食電池

前述のダニエル電池のように、亜鉛と銅の２種類の異種金属が接触して起こる電池作用が、１種類の金属である鉄においても発生するのは、炭素鋼が均質であるといってもその表面は完全に均質ではなく、金属から離れて飛び出しやすい金属原子が存在するからである。金属原子が飛び出して失われることは、腐食するということである。そのような原子が電池のマイナス極（アノード点）、
安定な原子がプラス極（カソード点）となる。

図−４鉄の酸素濃淡電池

アノード点とカソード点が同じ金属表面上に分この実験の意味することは、炭素鋼の部分によ

布し、時間の経過とともに位置を変えると考えれって溶存酸素濃度が異なると、溶存酸素濃度が低ば、結果として腐食が全面に進行する現象を説明

い部分の腐食が促進されるということであり、後することができる。金属表面に原子サイズのアノ

述するさまざまな形態の腐食に関与している重要ード点とカソード点が無数に存在し、その間に電な概念である。
（次号につづく）

流が流れアノード点で金属が溶出することによって金属の腐食が進行する。このような電池を局部【参考文献】

電池あるいはミクロ腐食電池と呼んでいる。

・初歩から学ぶ防錆の科学 2001年３月 藤井・腐食防食の実務知識 2002年２月 松島 巌

一方、アノード位置が固定されれば、局部腐食
日本下水道施設業協会誌

哲雄

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シリーズ・技術調査報告
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シリーズ・技術調査報告「半分、赤い。
」～鉄鋼材料の腐食防食に関する基礎知識～（その1）
第２回 金属腐食の現象について
一般社団法人 日本下水道施設業協会
技術部長

３．ステンレス鋼における不働態皮膜
３．１

不働態皮膜とは

堅

田

智

洋

係がある。
本来、金属を腐食させる作用をもつ酸化剤が、

ここで、ステンレス鋼において優れた耐食性を

金属を腐食から守る不働態皮膜の形成に寄与する

担う不働態皮膜について述べる。不働態化現象は、というのは、なんとも不思議で興味深い現象であステンレス鋼以外の金属でも起こるが、前述の通り、腐食に関する重要な研究課題となっている。

り、その性質や挙動がさびや腐食という現象を複３．２

不働態皮膜の形成条件

雑にみせているひとつの特徴的な要因であるので、ステンレス鋼は、鉄にクロムとニッケルを加えその現象が典型的に表れるステンレス鋼においてた合金である。これらが主要な添加元素であり、俯瞰することとする。

その配合が機械的特性や耐食性を決める基本とな

ステンレス鋼は耐食性の優れた金属である。環る。また、特性を向上させるために、これら以外

境条件によって腐食しないわけではないが、多くの元素を少量加えるなどによって多くの鋼種が製の環境中で良好な耐食性を示す。これはステンレ造されている。

ス鋼の表面に不働態皮膜と呼ばれる特殊な酸化物

水や大気など多くの環境中でステンレス鋼が自皮膜が存在して、金属がイオンとなって離れてい然に不働態皮膜を形成するためには、約12%以上くのを防ぐからである。不働態皮膜は厚さ１nmのクロムを含むことが基本的に必要である。それ（ナノメートル）程度と極めて薄く、透明である。

以下のクロム含有量のステンレス鋼というのはあ

このため、皮膜の存在は人の目に感知されない。

りえないのである。クロムが不働態化しやすい金

皮膜の組成はクロム（Ⅲ）を主体とした含水酸化物

属であるのに対し、鉄は多くの環境で不働態化でからなると考えられている。このような安定な不きない金属である。したがって、鉄－クロム合金

働態皮膜を形成するには、少なくともクロムをがクロムと同様の性質を持つためには、一定含有12%程度以上含むことが必要であり、実用的には量以上のクロムを含むことが必要となる。われわ

18Cr-8Niステンレス鋼（SUS304）が最も代表的なれの身の回りで一番よく使われるステンレス鋼で組成である。

あるSUS304鋼は、18%のクロムと８%のニッケルステンレス鋼に生成している不働態皮膜は、環境中の溶存酸素を消費しつつ、常に生成と溶解をを含んでいる。
３．３

ステンレス鋼の鋭敏化

繰り返して動的にバランスを保っているものと考ステンレス鋼に耐食性を与えるクロムは、合金

えられている。酸化剤である溶存酸素の供給が絶の中にクロムとして溶けていなければならない。

たれると不安定になる。そして不働態が破壊され化合物になっていては有効ではない。溶けた状態

ると急速な腐食を引き起こす可能性を秘めている。

にあることを「固溶化している」「溶体化してい孔食やすきま腐食をはじめとする局部腐食は、こる」等という。

の不働態皮膜を形成する不働態化現象と密接な関
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22〜24技術報告次号送り.indd 22

ステンレス鋼には、多少とも炭素が含まれてい明日の下水道 No. 76（2019. １）

2019/01/17 17:58

「半分、赤い。」〜鉄鋼材料の腐食防食に関する基礎知識〜第２回

金属腐食の現象について（その１）る。SUS304鋼では、0.05 ～ 0.07%の範囲にあるこ⑷ 応力腐食割れとが多い。オーステナイト系のステンレス鋼が引張応力が加わっている金属がある種の環境に500 ～ 900℃くらいの温度領域である時間以上加触れていると、加わっている応力が材料の強度以熱されると、クロムは炭素と反応して、クロム炭下であっても割れを生じ、破断に至ることがある。

化物（おおまかにいってCr23C6の組成を持つ）とこれを応力腐食割れと呼ぶ。割れを引き起こす環なる。このため有効なクロムが減少する。この反境は金属の種類によって異なり、種類は限定され応は、主として結晶粒界で生じる。普通の金属は、ている。応力腐食割れは種々の金属に生じるが、結晶の粒（結晶粒）の集まりであり、結晶粒の中にSUS304のようなオーステナイト系ステンレス鋼

は金属を構成する原子が規則正しく並んでいる。

では、塩化物イオンによる事例が非常に多い。引

隣り合った結晶粒の境界を結晶粒界といい、原子張応力下で生じる局部的ひずみによって不働態皮の配列に乱れがあるので活性である。

膜の破壊が継続的に起こり、ステンレス鋼内部のある程度以上反応が進むと、結晶粒界に沿った部分の有効なクロム含有量が、不働態化に必要な限定された面で腐食が進行し、金属が引き離される（割れる）。

最低値（約12%）以下になってしまう。このような⑸ 鋭敏化した材料の孔食や割れ状態になることを鋭敏化するという。鋭敏化する

ステンレス鋼が鋭敏化していると塩化物イオンまでの時間はステンレス鋼の種類や加熱温度等にの環境と限らず、多くの腐食環境で粒界腐食を起よるが、SUS304鋼の場合、700 ～ 800℃で最も速こすが、孔食やすきま腐食が起こるような環境でく、数分程度である。鋭敏化したステンレス鋼はは、これらの発生が促進されることが多い。粒界

結晶粒界に沿って不働態化できないから、腐食環の耐食性が低いためである。

境にさらされると結晶粒界が選択的に腐食する。

一方、鋭敏化していて粒界腐食が起こるとき、そのような腐食を粒界腐食と呼ぶ。

材料に引張応力が加わっていると粒界腐食は非常３．４に促進される。また、粒界腐食が進行したところ

不働態皮膜の損傷によるさまざまな腐食⑴ 全面腐食に引張応力が作用すると割れを生じ、破断に至る。

酸の影響などで環境のpHが限度以上に低いとこれは応力と腐食の同時作用によって溶解が起こき不働態皮膜が溶けてしまう結果、表面全体が均ることを特徴とする応力腐食割れとは機構が異な一的に失われる腐食をいう。

るので、応力腐食割れには含めない。

⑵ 孔食
海水など塩化物イオンが多い環境に接していると、不働態皮膜が局所的に破壊され、その部分が孔状に侵食される。分散した点状の分布となることが多い。これを孔食という。

４．いろいろな腐食の形態
４．１

全面腐食

金属の表面全体が均一に失われる腐食を均一腐食あるいは全面腐食という。均一といっても程度⑶ すきま腐食問題である。金属が酸に溶けるときは、多少のあステンレス鋼板が重なり合っていたり、表面にらさを伴うもののほぼ均一であることが多く、代付着物があったりすると、重なったステンレス鋼

表的な均一腐食となることが多い。

板の間やステンレス鋼と付着物の間にすきまが存

自然環境における炭素鋼の腐食のうちで比較的在する。すきまといっても間隔が１㎜もあるよう

均一に起こりやすいのは、屋外の大気中での腐食なすきまではない。10μm程度のどちらかというである。一般にかなりのあらさを伴うが、一部だとぴったりくっつき合ったすきまなのだが、液体けが急速に腐食して孔があくということは普通にの環境物質は浸入する。しかし、一度入ると入れはない。全体的に減って薄くなり、どこかで最初替わることはできない。

に孔があくが、その部分の腐食が特異的に速かっこのようなすきまを持ったステンレス鋼が海水たというわけではなく、現象のばらつきの範囲でなど塩化物イオンが多い環境中にあると、すきま説明できるから均一腐食とみなすことができる。

内部の不働態皮膜が破壊され、すきま内に局部的

一般に、局部的な腐食の進行が実用上の問題になな侵食が起こる。これをすきま腐食という。

らないようなほぼ均一な腐食は、均一腐食として

日本下水道施設業協会誌

22〜24技術報告次号送り.indd 23

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2019/01/17 17:58

シリーズ・技術調査報告

図−５

孔食係数

図−６

孔食の進行の機構

図−７

土壌埋設配管の通気差腐食

差し支えない。

属イオンの正電荷（Fe2+）を打ち消そうとして水

４．２

中に存在している代表的な負電荷のCl－イオンが孔食⑴ 局部腐食としての孔食凹みの中に泳動してくる。孔の中はFeCl2の濃縮

炭素鋼の水中での腐食も、本来、均一であってを生じ、それがさらに加水分解により凹みの中はもよいのだが、マクロ腐食電池が作用することに酸性化する。その結果、皮膜の溶解度は増大し、より均一腐食とならない場合が多い。土壌中の炭ピット上の不働態皮膜の修復はますます困難にな

素鋼にはマクロ腐食電池が極めて生じやすく、一る。そうすると凹みの中はアノード、まわりの不部分での腐食の進行が平均の数倍ないしそれ以上働態皮膜がカソードとなって、腐食電池は固定化も大きいということが多い。局部的に進行する腐され、活性－不働態電池作用によりピット内のア

食を局部腐食という。

ノードはますます溶解が進行することになる。

局部腐食の代表的な形態が孔食である。平均的⑶ 炭素鋼の孔食には肉厚はあまり減っていないか、まだかなり残ステンレス鋼の場合と異なり、炭素鋼に孔食をっているにもかかわらず、１箇所または複数の箇生じさせる機構はいくつかあるが、代表的には溶所で孔状の侵食が深く進み、あるいは肉厚を貫通

存酸素濃度が部分的に異なることで発生する通気して孔があく。孔食の結果生じた孔を食孔という。

差電池腐食によって起こる。通気差電池腐食の腐孔食部分の局部的な侵食が周辺部よりどれだけ食形態としては、溶存酸素濃度が低い部分の形態

深いかを示す指標がある。孔食係数と呼ばれるもにもよるが食孔をつくる場合が多い。通気差電池

ので、図－５のように、最も深い食孔の深さ p の腐食による炭素鋼の孔食の事例は多く、炭素鋼に平均的な侵食深さ d に対する比p/dで表す。

局部腐食を生じる最大の原因となっている。

⑵ ステンレス鋼の孔食例えば、図－７は、土壌に埋設した炭素鋼配管

ステンレス鋼は塩化物イオンを含む環境中で孔に通気差電池が作用して、食孔を生じる場合である。

食を生じる傾向を持っている。鋼種にもよるが、配管が砂質の土壌と粘土質の土壌にまたがって

SUS304鋼などの普通のステンレス鋼では感受性が敷設されているとする。砂質の土壌には空気がよ大きい。ステンレス鋼には基本的には不働態皮膜

く入り込むが、粘土質の土壌には入りにくい。こが存在し、塩化物イオンによってそれが損傷を受のため通気差電池が働いて、粘土質部分の配管がけた局部に孔食が生じることから、孔食係数は非腐食する。このとき、粘土質部分で配管がやせ細

常に大きい。ステンレス鋼の孔食は必ず生じるとはるよりも、食孔となりやすい。これは、腐食電流

限らず、また、いつ侵食が始まるかも予測できないが配管から土壌へ流れ出るとき、配管と土壌とのが、いったん開始するとその進行は極めて速い。

接触具合や土壌の不均質さのために、電流が特に

図－６に孔食の進行の機構を模式図で示す。

流出しやすい部分に集中するためである。

侵食部を（－）極、周辺の非侵食部を（＋）極とす
るマクロ腐食電池が作用している。金属中の不純物、不働態皮膜の欠陥などが起点となってできた
ミクロの凹みで金属の溶出が継続し、溶出した金
24

22〜24技術報告次号送り.indd 24（次号につづく）【参考文献】

・初歩から学ぶ防錆の科学
・腐食防食の実務知識

2001年３月

2002年２月

藤井哲雄

松島

巌

明日の下水道 No. 76（2019. １）

2019/01/17 17:58

シリーズ・技術調査報告
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シリーズ・技術調査報告「半分、赤い。
」～鉄鋼材料の腐食防食に関する基礎知識～（その 2）
第３回 金属腐食の現象について
一般社団法人 日本下水道施設業協会
技術部長

４．
３

すきま腐食

堅

田

智

洋

きま内）と高い部分（すきま外）が共存する状態

先述したように、ステンレス鋼が重なっていたとなり、低い部分を（－）極、高い部分を（＋）

り付着物があるとすきま腐食が起こるが、すきま極とする通気差電池が形成される。腐食電流が環

腐食は孔食よりはるかに生じやすい。海水中でス

境中を、すきま内からすきま外へと流れるが、こテンレス鋼を使用すると、どうしても貝殻などがの電流はステンレス鋼の場合わずかであって、す

付着し、この結果、すきま腐食が起こる。形態的

きま内表面が腐食損傷を受けることはない。しかには食孔状の侵食だが、防食機構としてはすきま

し、この通気差電池がすきま腐食の前段階となる。

腐食であることが多い。

微少な電流の流れとともにCl− イオンがすきま内

図－８に海水中のステンレス鋼におけるすきま
腐食の進行の模式図を示す。

に流入し、また、わずかながら金属イオンも溶出することから、加水分解によってH+を生成する。
これらのCl−とH+の絶対量はわずかであるが、すきま内の溶液の量は非常に少ないから濃度は十分に上がり、高Cl−、低pHという孔食における食孔内と同じ環境をつくり出すのである。この結果、
すきま内表面の不働態皮膜は破壊され、不働態皮膜が健全なすきま外表面に対して（－）極となる
結果、マクロ腐食電池によってすきま腐食が進行することになる。
４．４

異種金属接触腐食

貴な金属（例えば、ステンレス鋼）と卑な金属
図－8

ステンレス鋼のすきま腐食のメカニズム（炭素鋼）が接触することにより、卑な金属側の腐食が促進される腐食形態を異種金属接触腐食あステンレス鋼が２枚重ねられている場合である。

るいはガルバニック腐食という。

最初、すきま内のステンレス鋼表面には不働態皮

図－９は、ステンレス鋼と炭素鋼が水中に存在膜が存在する。前述の通り、この皮膜は特殊な酸する際、接触していない場合と接触している場合化物であり、環境中の溶存酸素を消費しながら維の腐食原理の模式図である。

持されている。すきま内には、最初、溶存酸素をステンレス鋼と炭素鋼が水中で接触することに含んだ水や溶液が入り込むので、すきま内の表面

より、ステンレス鋼がカソードとして働き、それに溶存酸素が供給されるが、すきま内溶液の絶対に見合ったアノード電流が炭素鋼に流入するため、量が微少であるため、短期間のうちに消費されて炭素鋼の腐食が炭素鋼単独の場合よりも促進されしまう。こうして、溶存酸素濃度が低い部分（する。

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「半分、赤い。」～鉄鋼材料の腐食防食に関する基礎知識～第3回金属腐食の現象について

表－２

海水中での腐食電位例（貴） SUS316（不働態）↑

SUS304（不働態）チタン
モネル（70%Ni-30%Cu）
Alloy 600（76%Ni-16%Cr-7%Fe）
ニッケル（不働態）
銅
アルミニウム⻘銅ニッケル（活性態）
鉛
SUS316（活性態）
SUS304（活性態）
鋳鉄
炭素鋼
アルミニウム・同合⾦↓

図－９ステンレス鋼と炭素鋼による異種金属接触腐食

亜鉛（卑） マグネシウム・同合⾦

二つの金属を接触させて海水に浸したとき、ど響を小さくする。塗装で防食する場合、貴、卑のちらが（＋）極、どちらが（－）極になるかによ

両方の金属に塗装するのはいいが、腐食しやすいって、金属を順に並べたものが表－２である。

卑な金属だけ塗装することは禁物である。塗装にこの表から任意に選んだ二つの金属を組み合わは欠陥部を生じやすい。欠陥部ができるとその部せると、上側の金属が（＋）極、下側の金属が（－）

分に対する貴な金属の面積比は非常に大きいため、極となる。（＋）極になる金属を貴な金属、（－）

腐食が急激に進むからである。

極になる金属を卑な金属という。
炭素鋼についていえば、前述のステンレス鋼や、

海水中の電気伝導率は非常に高く、流れる電流に対する抵抗が低いので電流は遠くまで届く。しあるいはチタン、銅などと接触するとき（－）極

たがって、貴な金属と卑な金属の接触点から数ｍ

となり、腐食が促進される。炭素鋼が（＋）極と以上離れた部分間でも十分な電流が流れ、異種金あるのは、わずかに、マグネシウム、カドミウム、属接触による腐食作用を及ぼす。一方、淡水の電亜鉛およびアルミニウムと接触する場合のみであ

気伝導率は海水の1/100程度であるため、貴な異る。この場合、電流は海水から炭素鋼へと流入す

種金属からの腐食電流は遠くまで届かない。卑なる。流入する電流が十分であれば炭素鋼のミクロ

金属から流出した電流が淡水中を長い距離を経て腐食電池による電流が流出せず腐食が停止するの

貴な金属へ戻れないからである。淡水の電気伝導で、炭素鋼は防食作用を受けることになる。これ率は水質によっていろいろであるが、実質的な影を電気防食という。ちなみに、表－２の腐食電位

響範囲は10㎝程度である。

列における金属の順は海水中で求められたものでまた、空気は電解質ではないから電流を流すこあり、腐食環境が異なると多少なりとも変化する。

とはできない。このため乾いた大気中では、異種

また、残念ながら、海水以外の環境における腐食

金属接触腐食は起こらない。しかし、金属が降雨

電位列は確立されていない。

や結露によって濡れ、あるいは湿度が50～70%以

一般に、異種金属接触腐食においては、卑な金上になると湿分が表面に付着する。大気中で金属属に対する貴な金属の面積比率が大きいほど、卑が腐食するのはこのためである。降雨、結露、付な金属の腐食促進の度合いは大きい。海中でステ着した湿分などの電気伝導率は低く、水膜も薄く、ンレス鋼板の接合に炭素鋼のボルトを使うとボル断面が小さいから電気抵抗は極めて大きい。このトは急速に腐食するということが起こる。異種金ため、異種金属接触の影響範囲は狭い。表面に塩属接触腐食を避けるには異種金属を接触させない分が付着していると電気伝導率は増大し、湿気のことが最善であるが、実務上やむをえない場合も付着も多くなるが、異種金属接触の影響が及ぶの多い。この場合、面積比などを考慮して、極力影は接触点から1㎝以内である。とはいえ、ステン

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シリーズ・技術調査報告

レス鋼の屋根に炭素鋼のくぎを使うと、くぎは短で、溶接部自体の耐食性には問題はない。しかし、期間にやられたり、炭素鋼の屋根にステンレス鋼

溶接金属が母材に対し卑な金属となったり、溶接のくぎを使うと、くぎの周りの炭素鋼が腐食して、熱影響部が溶接金属や母材に対して卑な金属となくぎが利かなくなる等の問題は発生する。

って、それらの部分が選択的に激しく腐食するこ

４．
５

とがある。

⑴

溶接部の腐食例えば、電縫溶接鋼管では、鋼板を丸めて電気溶接部の腐食の基礎

溶接部はそれ自体の耐食性が低くなったり、耐抵抗溶接した合わせ目が、熱履歴や金属組織が母食性には特に問題はなくても母材よりも卑な金材と異なるため、卑な金属となりやすい。その結属になったりして、選択的な腐食を受ける場合

果、水配管に用いた電縫鋼管には、電縫部が選択がある。溶接部の腐食は局所に集中して起こる

的に腐食する事例が多発した。これを電縫鋼管のため大きな損傷になりやすく、減肉による腐食

みぞ状腐食という。今では、125A以上の管径では、損傷もさることながら、応力集中を招くので強硫黄の含有量を下げ銅などを少量加えて、電縫部

度的な問題を生じる。溶接部には溶接残留応力を卑な金属とならないようにした耐みぞ状腐食電が残りやすい。残留応力は厚さを失うという形

縫鋼管が開発され、また、100A以下では鋼板全での腐食を促進することはないが、応力腐食割

体を加熱することにより溶接部が母材に対し卑なれを生じやすくする。

金属とならない鍛接鋼管を用いることにより、こ⑵ステンレス鋼の溶接部の種の腐食はみられなくなっている。
一般の溶接構造物では、溶接金属が母材に対し、ステンレス鋼の鋭敏化については前述したが、SUS304鋼を溶接するとその近傍が熱影響を受け、あるいは溶接熱影響部が溶接金属や母材に対し卑700～800℃に加熱される部分（一般に、溶接金属

な金属になれば選択的な腐食が生じる。この腐食との境界線から母材側に数㎜の位置）が鋭敏化すは海水中、土壌、淡水中で起こりうる。これらのる。この部分が腐食環境に接すると、粒界腐食が構造物は一般に塗装などで防食されているから溶起こる。鋭敏化した部分はそれ自体耐食性が低い

接部の腐食事例は比較的少ない。

のに加えて、健全な母材部に対し卑な金属となり、少量のクロムや銅を含む鋼は、炭素鋼より貴な面積も狭いことから一種の異種金属接触腐食の作金属となる傾向がある。溶接金属の化学組成は、用を受け、特に電気伝導率の高い環境の場合、腐母材からの溶け込みはあるものの溶接材料の化学

食損傷は極めて大きくなる。

組成によって制御できるので、溶接金属を成分的したがって、SUS304鋼のようなステンレス鋼に母材より少し貴な金属にすることによって選択を溶接して腐食環境で使うことは誤りである。ま的な腐食を回避できる。また、母材の面積は溶接た、溶接の際、溶けた溶接材料がこれに溶け込ん金属よりはるかに大きいから、母材が影響を受けだ母材の一部とともに冷却凝固したものを溶接金る心配はない。

属というが、その凝固組織は母材部の圧延組織と問題は溶接熱影響部である。溶接熱影響部の化比べ不均一な組織になりやすい。耐食性に有効な学組成は母材と同じであるが、溶接熱影響によっクロムなどがミクロに偏析する結果、クロム濃度て母材より卑な金属となりやすい。溶接熱影響をが低下した部分で孔食などを起こしやすい。いっ受けても卑とならない鋼材が必要であるが、そのたん孔食を生じると食孔部分は卑な金属部分となような鋼材についての研究は少ない。

り、不働態皮膜が健全で面積が広い母材部（貴な部分）によるマクロ腐食電池作用を受けるので、【参考文献】

侵食が激しい。この対策として、溶接材料にクロムなどの含有量の高い溶接材料を使うことがある。
⑶

炭素鋼の溶接部

ステンレス鋼と違って炭素鋼は鋭敏化しないの30

明日の下水道_本文.indb 30（次号につづく）

・初歩から学ぶ防錆の科学 2001年３月 藤井 哲雄
・腐食防食の実務知識 2002年２月 松島 巌
・下水道コンクリート構造物の腐食抑制技術及び防食技
術マニュアル 2017年12月
日本下水道事業団編著

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シリーズ・技術調査報告「半分、赤い。
」～鉄鋼材料の腐食防食に関する基礎知識～（その 3）
第４回 金属腐食の現象について
一般社団法人 日本下水道施設業協会
技術部長

４．
６

堅

田

智

洋

アルカリ性環境と腐食～鉄筋コンクリー

限度（pH11～11.5）より低下する。これを中性

トの腐食性化という。中性化はコンクリートの表面から始炭素鋼はアルカリ性環境で良好な耐食性を示す。

まって、次第に内部へと進む。そして中性化が建築・建設で多用されるコンクリートは、pH約一番外側にある鉄筋の位置に達すると、鉄筋が12.5のアルカリ性環境である。このようなアルカ

腐食する条件が整うことになる。

リ性環境中では、炭素鋼である鉄筋は不働態化す⑵ コンクリートのひび割れが鉄筋の位置に達しるので腐食しない。このため健全なコンクリート

たとき：コンクリートには、種々の原因による中の鉄筋は、数十年以上の耐久性を持っている。

ひび割れが生じうる。ひび割れが鉄筋位置に達鉄筋コンクリート構造物の強度は、圧縮荷重にすると、その部分では容易に中性化が進み、浸は強いが引張荷重には弱いコンクリートを引張荷入する水や酸素によって鉄筋が局部的に腐食す

重には強い鉄筋で補強するという形で成り立ってる。ひび割れ発生の原因には、施工時の乾燥収いる。さらに、鉄筋は圧縮荷重の一部も分担して縮、使用時の凍結融解、アルカリ骨材反応などいる。したがって、鉄筋が腐食によって機能を果がある。

たさなくなると、鉄筋コンクリート構造物は寿命⑶ コンクリート内に限度以上の塩分があるときに至る。鉄筋が腐食すると、生じるさびは鉄筋の：コンクリート中の鉄筋部分に限度以上の塩化２倍以上の体積を持つので、その内圧によってコ

物イオンが存在すると、コンクリートが十分ア

ンクリートにひび割れが生じ破壊が進む一方、浸ルカリ性であっても鉄筋は腐食する。不働態で入する水や空気によって鉄筋の腐食が促進され、あるステンレス鋼が塩化物イオンの存在下で腐さらにひび割れが発生するという悪循環を招く。

食する場合と同じく、原因は不働態皮膜の破壊

鉄筋が腐食するのは、次のようにコンクリート

である。塩分がコンクリートに入る理由は、主が健全でなくなったときである。

として二つである。まず、細骨材として海砂を⑴ コンクリートの中性化が進んだとき：コンク

よく洗わずに使用された場合である。これは、リートがアルカリ性である理由は、コンクリー

以前、細骨材として使われていた川砂が高度成

トを練り混ぜる（調合する）ための主原料であ長時代の旺盛な需要によって枯渇に向かい、代るセメントが固まるときに大量の水酸化カルシ

わりに使われるようになった海砂の洗浄を十分

ウムCa（OH）2を生成し、これがコンクリート中行わないケースが多かったことによる。その後、の水分に飽和しているからである。空気中の二鉄筋が腐食しないために許容できる塩分濃度に酸化炭素（CO2）は水酸化カルシウムと反応して、ついて検討され、JIS規格で規定され、順守さ

アルカリ性の弱い炭酸カルシウム（CaCO3）にれるようになった。もう一つの原因は、海塩粒変化させる。水酸化カルシウムがほとんど消費子がコンクリート表面に付着し、内部の鉄筋位されると、コンクリートのpHは防食に必要な置へと移動することである。例えば、海に近い20

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「半分、赤い。」～鉄鋼材料の腐食防食に関する基礎知識～第４回

金属腐食の現象について

鉄筋コンクリート構造物には潮風が吹き付ける
ので、表面に塩化物が付着する。塩化物イオンが内部へと浸透して、鉄筋位置での濃度が限界を超えると鉄筋の腐食が始まる。
４．
７

迷走電流腐食図－10に迷走電流腐食が起こる状況を示す。
図－11

電鉄からの迷走電流による埋設配管の腐食て変電所へ戻る。これが迷走電流である。付近に埋設配管があると迷走電流の一部は埋設配管に入り、変電所近くで流出して埋設配管に腐食を引き起こす。これが迷走電流腐食と呼ばれているものである。現実には、電車は位置を変え、また多数の電車があり、埋設配管もレールと平行ではないから管内を流れる電流の経路は複雑であるが、迷走電流は常に電気抵抗が最小になるルートで流れ、埋設配管のどこかを腐食させる。
４．８
図－10

外部からの電流による腐食

応力腐食割れある腐食環境中にある金属に引張応力が加わっていると、その応力が金属の引張強さ以下であっ

水槽中に設置した二つの電極に整流器か乾電池ても、金属の表面から内部につながるごく薄い部をつなぎ、電流を流す。左の電極の腐食は考えな分が面状に腐食で失われて、金属が二つに割れる。

いとして、水槽中を直流が左から右へと流れるが、これを応力腐食割れという。問題となる引張応力

この中に炭素鋼管は入っていたとする。鋼管にはには、外から加わっている応力、溶接や冷間加工

配線はされていないが、電流の一部は鋼管に流入による残留応力などがある。

する。水中を流れるより電気抵抗が低いためであ

応力腐食割れにおいて、腐食が金属表面に広がる。鋼管に入った電流は必ず流出する。図－10のらず、極めて限られた経路に沿って内部へと進行

ような状況ならば、鋼管の右端に近いところからするのは、引張応力と特定の腐食環境との共同作

流出して水中を通り、右の電極へ入る。この結果、業の結果である。引張応力が加わると、それが引

鋼管の右端が腐食する。このように、どこかの設張強さ以下であっても、金属表面の形状が完全に備から直流が漏れ出して、土壌や水中を流れてい平滑ではない等の理由で局部的にミクロな変形がることはよくあることで、意図された回路以外を起こり、新しい面が露出される。そこには皮膜な流れる電流を迷走電流という。

どはないから、腐食しやすい傾向を持つ。応力腐

代表的なのは、直流電鉄からの迷走電流である。

食割れを生じさせる物質は、そこの部分だけを腐

図－11は、直流電鉄の線路付近に土中埋設配管が食させる。いったん割れが発生すれば、そこに応敷設されている状況を示したものである。

力が集中するから割れの先端には変形が生じやす

電流は変電所から架線を通って電車に達し、モく、腐食が継続する。

ータを回したのちレールを通って変電所へ戻る。

応力腐食割れの事例が最も多いのは、ステンレ

ところが、レールと大地との絶縁は必ずしもよくス鋼である。前述の応力腐食割れを生じさせる物ないので、電流の一部は大地に入り大地を経由し質は、SUS304鋼のような普通のオーステナイト

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シリーズ・技術調査報告

系ステンレス鋼においては主に塩化物イオンである。応力腐食割れには、金属の結晶粒内を進む粒
内割れと結晶粒界を進む粒界割れがあるが、塩化物イオンによるSUS304鋼などの割れは、通常、粒内割れである。
塩化物イオンとともにオーステナイト系ステン
レス鋼の応力腐食割れにおける腐食環境要因となるのは、温度である。ステンレス鋼の応力腐食割れの事例から、SUS304鋼では、温度が80℃以上
でCl-濃度が10ppm強になると割れが多数発生したとの報告がある。10ppmという濃度は、良質な上水や工業用水に普通に含まれている濃度で、SUS304鋼は、本来このような低濃度のCl-によっ

図－12炭素鋼の疲労と腐食疲労の模式図ては応力腐食割れを生じない。これよりかなり高い濃度でも大丈夫なはずだが、実際に応力腐食割

例えば、疲労が問題になる構造物では、繰り返しれが発生しているのは、Cl-が局部的に濃縮した加わる応力が疲労限以下になるよう設計する。

結果であることがわかっている。

腐食性環境で疲労寿命曲線がどうなるかという比較的多い事例としては、保温材で被覆したスと、まず、繰り返し加わる応力の大きさが同じでテンレス鋼の保温面がある。蒸気などの高温の流あっても、破断に至るサイクル数が小さくなる（早体を流すステンレス鋼配管にグラスウールなどのく破断する）。次に、明確な疲労限がなくなり、保温材が巻き付けてある場合、雨がかかるとグラ

応力が小さくても、サイクル数を増すと破断する

スウールに含まれる可溶性の塩化物が雨水内に溶ということになる。これを腐食疲労という。

け込む。雨水は熱い配管面に達し、水分は蒸発す

ここで、疲労亀裂は金属内の微少な構造変化にるが、塩化物は配管表面に残留する。こうしたこ

よって成長するが、亀裂成長に抵抗する構造に至とが繰り返されるうちに、塩化物は割れを引き起ったときも腐食がそれを取り除いてしまうため、こすに十分な濃度に蓄積される。

亀裂成長が促進されるというのが腐食疲労のイメ

塩化物による応力腐食割れに強いステンレス鋼ージである。応力腐食割れと違って、腐食疲労がはあるが、まず、対策の第一歩は、塩化物の濃縮

生じる腐食環境は限定されない。一般に、腐食性を避けること、塩化物を低減することである。

が大きな環境ほど腐食疲労寿命は短い。また、腐食疲労抵抗性は、疲労の場合と違って金属の引張

４．
９

腐食疲労

強さを増しても向上しないが、耐食性を増せば改金属に引張強さ以下の応力を繰り返し加え続け善される。波浪の繰り返し応力を受ける海洋構造

ると、亀裂を生じ、破壊することを疲労という。

物の設計において、腐食疲労に対処することは不繰り返し加える応力の大きさと破断に至る回数可欠である。

（サイクル数）の関係を模式的に示したものが疲
労寿命曲線あるいはS-N線図と呼ばれる図－12で
ある。

４．10

土壌中のマクロセル腐食

土の中の腐食も大気中や水中の腐食と同様、水加える応力が小さいほど破断に至るサイクル数と溶存酸素の作用で進行する。どちらの濃度も低が増大し、ある応力レベルになると、いくらサイ

いから、全体的な腐食は大きくはない。しかし、クル数を増大しても破断しなくなる。この限界応配管などの場合、横に長く延びているためにマク力を疲労限と呼ぶ。実用鉄鋼材料について疲労限

ロ腐食電池を形成しやすく、ある部分での腐食がを求めておくことは強度設計上非常に重要であり、極めて大きいという事例が多い。そのひとつが、

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「半分、赤い。」～鉄鋼材料の腐食防食に関する基礎知識～第４回

金属腐食の現象について

埋設区間によって土質が異なることで発生する通･cm） の 方 が 淡 水（ 同 代 表 値：1000～5000Ω

気差電池腐食である。もうひとつは、建物周辺の･cm）よりはるかに電流を流しやすく、激しい局地中に埋設された給水管やガス導管が建物の鉄筋部腐食を起こしやすい。

に接触していることによるものである。アルカリ

やはり、海水が金属にとって厳しい腐食性環境性であるコンクリート中の鉄筋は不働態化して、であることは間違いないのだが、その海洋や港湾

ステンレス鋼と同じような性質となっている。しに存在する鋼構造物の腐食環境は大きく５つに分たがって、ほぼ中性の土壌中にある炭素鋼管よりけることができる。その様子を図－13に示す。

貴な電位を示し、接触している鋼管との間にマク
ロ腐食電池を形成する。この結果、鋼管から土壌中へ腐食電流が流出して炭素鋼管の腐食が促進される。鋼管と土壌の接触は均一ではないから腐食
電流の流出場所が限定され、流出電流密度が高くなり、大きな侵食度になることが多い。
対策の基本は、鉄筋と配管とを絶縁することである。それによりマクロ腐食電池の作用をなくせ
ば、塗覆装がなくても生じる腐食は比較的軽微であり、塗覆装を施せばなお完全である。配管を鉄筋から絶縁する工法は、今ではガイドラインも整備され、標準的な防食工法として普及している。
４．11

海水による腐食

塩分が3.5%程度含まれる海水中での炭素鋼の腐食速度は、意外にも淡水中と同程度である。その

図－13 海洋構造物の腐食環境と腐食の大きさの模式図（松島 巌「腐食防食の実務知識」より）

理由は炭素鋼片が海水および淡水に完全に浸っている場合は、腐食速度は水中溶存酸素の拡散速度

多くの構造物は海底に達しており、海底土の環によって規定されるからである。そこで、この２境にある。そこから海面に達する部分は海中部と枚の炭素鋼片を、今度は半日ほどそれぞれ海水と呼ばれ、常に海水中にある。その上が潮の干満に淡水に浸したのち引き上げて、空気中に１カ月間つれて海面が上下する部分で、干満部という。干放置してみる。すると、海水に浸してあった方が満部の上に海水飛沫が吹きかかる海水飛沫部があ

ずっと腐食が大きい。これは、海水中から引き上る。最上部は海洋大気にさらされる大気中である。

げた炭素鋼片においては、引き上げた後も表面に海水飛沫部は、常に水膜の薄い海水が付着して塩分が残り、その塩分は水分を吸う性質からいついて水分量は腐食の進行に十分であり、かつ、薄までも水分を保持するため、空気中でも引き続きい水膜を通して大気中の酸素が十分供給されるの腐食が進行するからである。こちらの現象の方がで、腐食性は最大である。干満部の腐食性も同様

我々が通常持つイメージにも近いところでもある。

に大きいが、塗装などを施さない裸の鋼杭の場合、

さきほど、炭素鋼の海水中の腐食速度が淡水中と酸素が供給されやすい干満部を（+）極、その直同程度といったのも、質量で求めた全体の腐食の下の海面に近い海中部を（−）極とするマクロ腐程度に限ってのことである。孔食などの局部腐食

食電池が形成されるため、干満部の腐食は小さく、はマクロ腐食電池の作用によることが多く、その海面近くの海中部の腐食は大きい。それより下の結果生じる腐食は腐食電流が大きいほど激しい。

海中部は海流などによる流速を持った海水の腐食

そして、この腐食電流は環境の電気抵抗が小さい環境にあるが、その腐食性は海水飛沫部や干満部

ほど流れやすいことから、海水（抵抗率：約30Ω

に比べて小さい。海底土中の腐食は潮流による流

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シリーズ・技術調査報告

速の影響を受けないので海中部より緩やかである。
大気部は厳しい海洋大気にさらされるため、一般の大気環境に比べ腐食は激しい。

SO42−  ＋  2C  ＋  2H2O  →  H2S  ＋  2HCO3−
硫化水素は気相部に移行して管壁の結露水に溶
け、硫黄酸化細菌の活動によって硫酸が生成され４．12微生物腐食
微 生 物 腐 食（MIC：Microbially Influenced
Corrosion）とは、金属材料が微生物の存在下で、直接的あるいは間接的な影響を受け、激しい腐食を受ける現象である。古くから土壌環境における

る。
H2S

＋

2O2 →

H2SO4

こうして、気相部は激しい腐食が起こることになる。

嫌気性菌である硫酸塩還元菌（SRB）による炭素

ところで、最近では、ステンレス鋼の海水およ鋼の腐食がよく知られており、土中埋設管の腐食

び淡水中における好気性菌による局部腐食も注目

部には腐食生成物として硫化鉄が検出される。

されている。SUS316鋼は、単なる3.5wt%NaClのまた、下水管に用いられる鋳鉄管にも激しい微常温環境では十分な耐食性を有するが、同じ塩分

生物腐食が生じる。図－14に下水管における微生濃度であっても自然海水中では容易に孔食、すき物腐食のメカニズムを示す。

ま腐食などを発生することが知られている。これは自然海水中に存在する微生物の作用によるものであり、MICの一種であると考えられている。また、淡水など塩化物イオン濃度や温度などから十分に温和と考えられる環境であれば、一般的なス
テンレス鋼（例えばSUS304鋼など）で十分に耐食性は得られる。ところが、微生物が関与した場
合には、単なる淡水環境といえども予期せぬ腐食をこうむる場合がある。淡水環境で用いられるス
テンレス鋼配管の多くの微生物腐食事例が、水圧試験後の残留水や滞留水の部分であることが指摘されている。このようなステンレス鋼の微生物腐食は、その溶接部において発生頻度が高いことも報告されている。一般的に、ステンレス鋼はその図－14 排水用鋳鉄管における微生物腐食のメカニズム（腐食防食協会編「腐食防食ハンドブック」より）溶接部において耐食性が劣化することは本稿でも述べてきた通りよく知られているが、そのメカニズムとして材料側での劣化因子が考えられている。

下水中の硫酸イオンは、上水、し尿、洗剤など

しかし、溶接部における微生物腐食発生挙動とのに起因し、このうち、上水中の硫酸イオン濃度は、関係においては、未だ十分に明らかにされている原水の特性と浄水場での硫酸バンド等の薬品添加とはいえない。
（次号につづく）に影響を受ける。一般的な家庭からの排水中の硫酸イオン濃度は30～80mg/L程度と言われるが、海水の浸入や特定の排水の受け入れがある場合には、下水中の硫酸イオン濃度が300mg/Lを超える高い値を示すことがある。さて、下水汚泥が堆【参考文献】

・初歩から学ぶ防錆の科学 2001年３月 藤井 哲雄
・腐食防食の実務知識 2002年２月 松島 巌
・金属材料表面への微生物の付着と微生物腐食（MIC）
2009年５月 高温学会誌 第35巻 第３号 天谷 尚

積した管の底部は嫌気性となるため、硫酸塩還元菌が増殖して硫酸イオンを硫化水素に還元する。

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シリーズ・技術調査報告「半分、赤い。
」～鉄鋼材料の腐食防食に関する基礎知識～
第５回（最終回） 防食技術について

一般社団法人 日本下水道施設業協会
技術部長

堅

田

智

洋

５．防食技術の基礎知識

ねの適性上、塗り重ねる下塗塗料が油性塗料の場

５．
１

合にはショッププライマーにはエッチングプライ

塗装

有機物による被覆の主なものには、塗料による塗装と、数百μm～数mmといった厚い有機物（ポマーを、合成樹脂塗料の場合にはジンクリッチプ
ライマーを用いるのが普通である。

リエチレン、ポリウレタン、FRP等）で被覆する

下塗塗料に要求される特性は、素地とよく接着

ライニングがある。ここでは塗装について概説すすることと防錆機能を持つことである。中塗塗料る。

は下塗りと上塗りの接着が良好でない組み合わせ

塗料の主要成分である塗膜形成主要素には、多の場合に用いるもので、両者の中間的な組成を持くの種類の油や合成樹脂が用いられる。油を用いつ相性のよい塗料を選定する。併せて水や空気のた塗料を油性塗料、合成樹脂を用いた塗料を合成

浸透に強いことが求められる。上塗塗料には環境

樹脂塗料と呼ぶ。合成樹脂塗料には、フタル酸樹

遮断力や環境に対する化学的安定性がまず必要だ

脂系、フェノール樹脂系、塩化ゴム系、ビニル樹

が、美観を与え、耐候性が要求される場合が多い。

脂系、エポキシ樹脂系、ポリウレタン樹脂系、ふステンレス鋼は不働態皮膜によって腐食を防ぐっ素樹脂系など多くの種類があり、それぞれに長金属であるから、本来は塗装することはないが、所、短所がある。

例外もある。例えば、炭素鋼とステンレス鋼が接塗料は一種類のものを単独で用いるのではなく、触している場合、炭素鋼にだけ塗装をしても、そそれぞれの特性の組み合わせ効果を狙って、いくの塗装に欠陥部があれば、無塗装のステンレス鋼

つかを塗り重ねて使用する。そのような組み合わがカソードとして働き、それに見合ったアノード

せを塗装系と呼ぶ。基本的には、下塗り、中塗り、電流が炭素鋼の塗装欠陥部に集中し、異種金属接

上塗りの塗膜によって構成され、それぞれに役割

触腐食が促進するおそれがある。このような場合、がある。橋梁や船舶など、特定の用途に塗装してステンレス鋼にも塗装を施すことによってカソー使用する鋼材は製鉄工場で原板ブラストによる素ド面積を低減し、異種金属接触腐食を回避するこ地調整を行い、直ちにさび止めの塗装をしてからとができうる。

製作工場へ出荷される。このような塗装をショッ
ププライマーと呼ぶ。製作工場では鋼材を切断・

５．２

めっき

加工してから塗装する際、ショッププライマーのめっきは、金属や樹脂などの素材の表面に金属上から下塗塗料を塗り重ねる場合と、再び素地調の薄い皮膜を施す表面処理技術である。めっきの整（製品ブラスト）を行ってから下塗りを行う場

多くは防食を目的としたものであるが、その場合、合がある。後者では、製鉄工場で行ったショップ

めっき層の有効性は二つの特性から判断される。

プライマーは除去されることになる。ショッププ

すなわち、①めっき層自体の耐食性、②素地金属

ライマーに下塗塗料を塗り重ねる場合は、塗り重に対する電気化学的作用である。めっきの対象と

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明日の下水道No. 79（2020.１）

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「半分、赤い。」～鉄鋼材料の腐食防食に関する基礎知識～第５回（最終回） 防食技術についてして圧倒的に多い炭素鋼の場合について説明する。

生成物に覆われるので、腐食の進行は比較的遅く、

めっきが完全に炭素鋼表面を覆っていれば、めっ

耐久性にあまり影響しない。

き層自体の耐食性だけを考えればよい。しかし、めっき層にピンホールや傷があったり、めっき鋼

５．３

電気防食法

板を切断したり、めっき層が腐食によって局部的電気防食とは被防食体に直流電流を流して腐食に失われたりすると、素地の炭素鋼が露出する。

を防止する方法で、直流電流を環境側から金属にこのような部分では、めっき層と素地との電気化

流入させるカソード防食法と直流電流を流出させ学的関係によって、素地の腐食が抑制されたり促るアノード防食法があるが、アノード防食法はほ進されたりする。

とんど実用されていないので、通常はカソード防ニッケル、銀、銅、鉛、クロムなどのめっきは、食法を指す。

炭素鋼素地に対して貴な（電池として（+）極に湿食は、腐食電流が金属から環境中へと流出すなる）金属である。したがって、これらの金属のることによって起こる。これに対抗して、環境中めっきを施した炭素鋼の腐食は、めっきの不連続から金属へ人為的に直流電流を流入させると、正なところで促進される。これに対し、亜鉛やカド

味の流出電流は減り、これに対応して腐食速度もミウムなどのめっきは炭素鋼よりも卑（電池とし低下する。流入させる電流を十分大きくし、差して（−）極になる）で、めっき層の不連続部にお引きとして電流が流入するようにすれば腐食は停いて炭素鋼の腐食を抑制する。めっき層が電気防止する。これが電気防食の原理である。

食作用をするからである。

異種金属接触腐食では、貴な金属がこれと接触鋼材の防食のためのめっきとして圧倒的に使わしている卑な金属の腐食を促進させる。逆に、貴れるのは、亜鉛めっきである。亜鉛めっき鋼板はな金属は流入する電流によって電気防食作用を受

建築材料、自動車の車体、家電製品に用いられる。

けているといえる。したがって、防食しようとす

鉄塔、鉄骨、橋梁などの構造物にも亜鉛めっき鋼

る金属を、十分な面積をもつより卑な金属と接触材が用いられる。亜鉛めっき鋼は、亜鉛が優れた

させれば、その金属は流入する電流が十分となっ耐食性を持つだけでなく、素地の鋼に対し電気防て防食できる。卑な金属の方は、腐食が促進する

食作用を与える。このため亜鉛めっき鋼板では、から消耗品である。腐食する方の金属を犠牲陽極

切断してそのまま大気中で用いても、鋼が露出しあるいは流電陽極といい、これを用いる方法を犠ているいわゆる「端面」は防食効果を受けるとさ牲陽極法あるいは流電陽極法という。

れる。この効果が距離的にどのくらい届くのかと

電気防食法を適用する対象金属は圧倒的に炭素いうと、前述の通り、大気中での異種金属接触腐鋼が多く、犠牲陽極として用いられるのは、マグ食の影響範囲がせいぜい１cm程度であることか

ネシウム、亜鉛、アルミニウムなどをベースとすら、露出した鋼が十分防食される範囲はこれよりる合金である。電気防食法の模式図を図－15に示狭いと考えられる。

す。

水中では、亜鉛から水中へ流出した電流が鋼の防食対象の金属に電流を流入させるのに直流電

露出部に入って防食するが、鋼板が厚いとめっき源を使うこともできる。図－15に示すように、適からの距離が遠い部分（端面の中央付近）では電当な陽極を環境中に設置し、電源の（−）極を防流が不足してさびる。また、断面積が広いので電食対象の金属に、（+）極を陽極に接続すると電流流が分散する結果、めっきに近い部分でも電流密は防食対象の金属に流入する。この方法を外部電度は低下する。このため、炭素鋼の厚さが薄い端源法と呼ぶ。陽極は電流流出によって消耗するが、面の方がさびにくい。

消耗のしにくさとコストを考慮して高けい素鋳鉄

また、亜鉛の表面には、次第に耐食性の保護皮（土壌、海水用）、磁性酸化鉄（土壌用）、鉛・銀

膜が成長するため、流出電流が低下し、端面はさ合金（海水用）、黒鉛（土壌用）、白金をクラッド

びるようになるが、端面は流れてきた亜鉛の腐食したチタン（海水用）等が用いられる。

日本下水道施設業協会誌

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シリーズ・技術調査報告

図－15

電気防食法の模式図

実用上は、いずれの方法においても、防食対象
構造物表面のどの部分にも必要な電流が流入し、・湿分の低減、特に結露の防止：乾燥剤の使用など

全表面で防食が達成されなければならない。した・温度を上げることによる相対湿度の低下

がって、長い構造物や大きな構造物では、複数の・金属表面からの塩分、ダスト、ごみなどの除去、陽極を設置することが必要となる。

付着防止

電気防食では環境中から電流を流入させるため・応力腐食割れの原因となる物質の低減：オースに、土壌や海水のように自由に電流が流れる環境

テナイト系ステンレス鋼管の保温材中の塩化物中であることを必要とする。大気中では適用でき

濃度低減

ず、あまり太くない配管内部などでは適用が制限される。電気防食の代表的な適用対象は、土壌埋

（３）防食剤を用いた環境の腐食性の軽減
環境に添加して腐食性を低減させうる薬剤には、設パイプライン、海底パイプライン、護岸、海洋

少量添加で有効であること、低価格であること、構造物である。

健康や環境に悪影響を与えないこと等が求められるが、現在、実用されている防食剤のほとんどは

５．
４環境の腐食性の制御（１）環境の腐食性の低減方法

炭素鋼を対象とするものであり、その作用機構は以下の３種類に分類される。

環境の腐食性を低減させるには二つの方法があ・酸化型防食剤：酸化作用によって炭素鋼を不働る。一つは環境から腐食の原因となる物質を除去態化させることにより腐食を低減させる。クロする方法であり、もう一つは防食剤あるいはイン

ム酸塩、モリブデン酸塩、亜硝酸塩など。

ヒビターと呼ばれる薬剤を環境に加えて腐食性を・沈殿皮膜型防食剤：それ自体で、あるいは腐食軽減する方法である。

で溶出した金属イオンと反応して、金属表面に（２）環境からの腐食性物質の除去

腐食を抑制する皮膜を沈殿、沈着させる。重合

ほぼ中性の環境で腐食の原因となるのは、水とりん酸塩など。

酸素である。これらのどちらかを除去できれば腐・吸着型防食剤：金属表面に吸着してその分子の食を防止できる。また、腐食促進物質の除去も効

膜を１層つくり、腐食性物質を反発して寄せ付果がある。これらの方法を以下に列挙する。

けない機能を持つ。多くは有機物であり、酸な26

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「半分、赤い。」～鉄鋼材料の腐食防食に関する基礎知識～第５回（最終回） 防食技術について

どによる腐食に有効である。有機アミンなど。
これらの防食剤の利用が多い分野の一つとして、化学工場、石油精製工場などの開放系循環冷却水系が挙げられる。このような系では循環経路で大気と触れるため溶存酸素を十分溶かし込んでおり、同時に大気中の汚染物質などを吸収しているので腐食性は大きい。
５．
５より強い材料の利用

使用環境での腐食に強い金属材料で機械的性質、
施工性、経済性などが満足できるものがあれば、その利用が腐食を防ぐ手段となる。このような材料の使用は上記の観点で他の防食法よりも有利である場合に採用される。
例えば、現在使用されている材料に腐食の問題があり、同系統の材料で改善が見込めるかどうかという場合には、炭素鋼に少量の合金元素を加えた低合金耐食鋼や、ステンレス鋼においてある種の腐食に対して優れた耐食性を有するものが検討されることになる。
それらは、低合金耐食鋼では、耐候性鋼、耐海
水鋼、耐みぞ状腐食電縫鋼管などであり、ステン
レス鋼では耐鋭敏性向上のために炭素含有量を低下させたLグレードのステンレス鋼、耐孔食性向上のためにクロム含有量を増やした鋼種、耐塩化
物応力腐食割れ性向上のためにニッケル含有量を増やした鋼種などである。
６．おわりに以上、５回にわたって、金属腐食の基礎的な知識をまとめた。詳細は他の資料、文献を参照されたい。
【参考文献】

・初歩から学ぶ防錆の科学 2001年３月 藤井 哲雄
・腐食防食の実務知識 2002年２月 松島 巌
・塗料と塗装技術 2001年11月 長谷川 謙三
・よ くわかる最新めっきの基本と仕組み 2008年７月
土井 正

日本下水道施設業協会誌

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