鉄はれたをいるのポテン
ルをき したいをバックにで く れた
さ に い

﹁をー ジをと現では一にできて性鋼という鉄鋼材料があにかっていても長持ちします。ただし海風にります。さびがしなさらされたり、できませ 。使いにずっとがたり す ると 機 能 が 発については鉄鋼メーカーのアドバイスになります。さびを使いこなすこを防 、にい成が 施 された 鋼を あ げ るこ ととは難しいのですが、使いこなせれがのわ れるとしさびさができます。そういう材 がたなるはずです。

使われれ 、さびのイメー

ジはがのは です（だったりムに るため、で共できるのかどが進 のかに 性やアル化性するします。 化

向に対れており、電 のやりえる16

季刊 新日鉄住金

Vol.23﹂とブなイなの武藤 「 から出たさび」などとように、さびはネガティブなルト にさせて使われています。実が生じると、鉄そのものを定 す る といロロにしていき、しっかりでき ないたまな材料としてて目立ちませ 。鉄はでもアルミ ウムやう鉄に期待していた機能が発なります。同じ金亜 鉛のさ び はなとこ でさまがな使われている上に、さびのめ、どうしても目立ちます。 さびは鉄のをする最大のさせた状にう と化 学を、のようにします。

す度を取り、数 値でカリ性をここではどうかをうか、難しとの ったビーカーの に金 の鉄を れ、します。さびのメカ）。 気 の 気や結 、武藤 鉄が発 のに 使 われ品 に 使 わ れて。

性 は、というイメージが定 したのはそのためだと います。
し か し 鉄 の さ び が 持 って い るのかりではあり ませからいもの例え 、さびはやしてきました。 のつはその一例です。鉄地金のみ ま す。

るめ

れ を す る と、われ、鉄のををさせがさびで体をり、金 や体にそして鉄地金のは長 持性のするため、もので電 とも性とはイオン化

かび向をの こりやすさすものです。イオン化

われる化学

取 りがを防が模様のようにな 日 本のをを生性でに金やを発1ちします。また金や はさびませ から、さびの上がり、み出します。

2武藤 泉 氏東北大学大学院工学研究科 教授

鉄がさびてしまうのは避けられないことなのでしょうか。

さびない鉄は本当に実現不可能なのでしょうか。

腐食のメカニズムの解明を通じて、高耐食・高機能な材料技術の研究開発に挑んでいる東北大学の武藤泉教授にお話を伺いました。

O 安定域4 さび）
FeOOH、Fe3O（領域 D

1 さ の発－O2Fe2+ Fe（OH）2OH- O2H2O

安定域

Fe鉄（）

電e-（電

鉄が水滴に触れると、酸化反応を起こして陽イオン（Fe2+）となって溶け出し、放出した電子（e‑）
が電流となって流れます（局部電池）。一方、水滴には空気中の酸素が吸収され、酸素の還元反応が起こります。そのため必要な電子を鉄から取り込み、陰イオン（OH‑）となることで、全体の電荷バランスが保たれます。そしてOH‑ がFe2+ と結合してFe（OH）（酸化鉄）となり、その後の2）乾燥などでH2O（水分）がなくなり、さび（主にFeOOH）が生じます。

e-

局部電池

（酸化反応）
Fe → Fe2++2e1/2 O2 +H2O+2e- → 2OH-（還元反応）

腐食反応のH2OFe2 鉄の電鉄が鉄のままでいられる鉄の安定な領域Aと、水が水（酸化反応）（還元反応）
CrO42－

H2O-Fe領域 D

3+O2 安定域

Fe2O3

電領域 AFeHFeOpHe-電イオン（）になると的 にお いうとを打に出しには （ ）をのとこ でえ、電）に、イオンは電質が共）になります。

0がときにはちまし在 する（です。 つの力するのですが、化学なの質をやも、鉄と、します。同様に、なります。ここでは、鉄は電て鉄イオン（わずかにを受け取りのしよ う とこり、でいる可能です。その結なるでさびが発生します。に溶けはこれ が 自がどのの共ようなこ が基 となり、マイナスはイオンになは ル

な の は、りやすいこと、プラスはイオンになりにいことを しています。数 の）。

として（ ）とト（ ）です。鉄はイオンになりやす 、鉄知2が鉄のままでいられるイオン化 向の 界

つ1が引けます（もう）はは電気分 できる 質であることです。

すると （化とに対しては、ある向のして 電

1

電気分度である 電

この場 合、イオン化

ル

局部電池に な り ま す。し たがって、（ ）e-質です。また、 にがの目には、イオンをしないと、さびの制を っつけているような状 なので、一があり取りしています。

化し、も う一 がイオ
pH

電定な性のものもあれ 、アルカリ性のもというから生じた

Cr2O3

代表的な鉄に、ステンレス鋼や耐候性鋼があります。
）（）
電はのもあります。だから

CrO42－

不動態

も電 も えませ が、こうしたワンステッえ鉄をCrO2

クロムの電位−pH 図だ

でき れCrイオン（ ）が、プ進Cr化e-）ります。これは）と（不動態皮膜となわれていVol.23な ととで研 究 がステンレス鋼ができませ 。でものにえ
Cr2O3
Crにうま 使いこなすことができます。のをつのCrO42－

反応しない不動態ン（わル

在しているというこ

Cr2+に局部電池のCr3+
電と も 定にe-しかないと っていますが、）がのpH量で す がを うときにはとです。コップの に が っているとき、たちは

化学

電（OH）2Fe2+ Fe
HCrO4－OH- O2
CrO4
HH22O

電

でき ま す か と（在していると えます。

が共っ いレモンジ ーFe3O4

ここで鉄とし鉄う。 はでのみれたとき、共 できないことがわかります。のえてみ ま しFe4 さび）
FeOOH、Fe3O（（のFeHFeO2－武藤

価のイオンになりな

度が人間

らい っ季刊 新日鉄住金

例えをで まれた

不動態

鉄の電位−pH 図1です。溶できる

17Crます。 つは鉄が鉄の－4Cr

Cr2+在できるのですが、 のA はまったの溶でCr3+Fe2O3Feる金の時 間ら 、さびに いと えます。

H2CrO4でなのです。

さ せ る と、

電HCrOの いとしてと鉄の 定なをを こす 本のFe2+2スのような定ななっていませ 。これが自つま り 鉄 と膜H2 安定域と共存できる鉄の酸化物で、鉄の表面を覆うことがで
O2（OH）2Fe2+ Feきれば、鉄のさびを防ぐことができるのです。このよOH- O2
うにH“2さびでさびを制する” 原理を用いてつくられたO

鉄

領域 D

Fe3+ル－2ル

H2 安定域

eO2－領域 Dル

H2O 安定域
鉄が化学

O43

なお水の安定な領域Dと鉄の酸化物の安定的な領域Cは重なっている部分があります。このような鉄の酸化3O（4 さび）
FeOOH、Fe物は水と共存できることを意味しています。つまり水での みCr域
C
pH反応を起こします。その結果、鉄の表面が腐食して、さびが発生します。

Fe3O4

Cr2O3

クロムの電位−pH 図

鉄は水や酸素と共存できないため、図1のように化学

Fe

H2O 安定域

領域 B

O2 安定域く重なっていないことがわかります。ビーカーの中で

不動態 領域 C

Fe2+不動態のままでいられる水の安定な領域 D や O2 安定域が全鉄電電CrCr

電電Cr

ステンレス鋼の腐食要因をブロックして、さびを防いでいます。
Crステンレス鋼

Cr

クロムの電位−pH 図

それ以上 pHが小さく（酸性が強く）なると、安定した耐食性を示せなくなる限界の pHを表しています。
鉄の電位−pH 図ル

pHル
pHCrCrCrCr

Cr

クロムの電位−pH 図
鉄の電位−pH 図

もう化

えは動化すに、 化だけ にらない防技

材 料 を 実 現でをが 開 発でき れ 、 ののように、にはと がきるかもしれませ 。

して しであっといと化化やあるので、それらが用 したやを化

う軽のと、え られるか もしれませ 。 たちの研究はそこにたら、 えられない壁がのなったという性に関する 去の 献を力を いでいます。

さがまいますが、これができる場合があり年経ってもにいられるとい化
らいのなど

与 する

い た 人 がいをサイエンスとして結実させるには、かが 体的に気づ ことが大 なのです。

「 からそういうことはよ 知られている創そ な研究しているの 」

われることがあります。しかしっよ 、 で今とな もの なの だ と的な研究とは、そています。種 かしされた 間、「そ な的な発 想がなの実 用 化 はあ り

えナブルでなけれめられます。にがませ 。コロンブスのいリーの からわかっていたよ」と われる らしずどを

18

季刊 新日鉄住金

つのと共のは 100のま ま化はることです。例え鉄の化しています。鉄の 化 が、れ、鉄のえないと共でさびにに性の向上にされます。しかし、が鋼のはの軽ムについて報れるメカです。とで きるにどるかというと、なかなかいませ 。自と共れれはされるのです。

します。 化に軽かったらをきれいにバリアのようにコーます。鉄の鉄のうことを鉄のでティングして人 間の知できませ 。よって、鉄は動的にしたステンレス鋼のできていると受け取れます。これがクロムなどを）。
ないという特性を持っていをは さ でステンレス鋼は化のため、さびにます（のは複雑なので、でもほと保っ

す るとには 間えてみます。 が鉄をってしまうと、た場合には、 のを高して し ま うませ 。しかし、電します。このような場合には、鉄し溶化を形成すると、とのに界には、強いことが可能です。しかし化のを防の防こかでイオンによって1Vol.232となります。例え 、鉄の電 を一 でで武藤 海 による4のテンレ）
HCrO4－

13ル
pHCr－
2
HFeO
ルFepH形成します（図4）。

CrCr2+

HFeO－2

不動態皮膜と呼ばれるクロムの酸化物を表面にCr2O3Fe3O4Fe

ステンレス鋼は鉄にクロムを添加しているため、不動態
Cr2+

Fe3O4
不動態
Fe2+

低いpHまで酸に溶け出さず、さびないことがわ

CrO42－
H2CrO4

かります（図3左の緑点線）
。

Cr2O3
Cr3+

ほんのわずかですが、クロムの酸化物のほうが不動態
Fe2O3

Fe

Fe2+3+

図3 右の緑線が限界線（脱不動態化 pH）
であるこ

Fe2O3
Fe3+とを示しています。この2本の限界線を比べると、

Cr3+
HCrO4－

不動態

鉄の酸化物は図 3 左の赤線、クロムの酸化物はCrO42－のさ にくい鉄・ テンレ（ク （ ）のとH2CrO4ee-局部電池）（）
電電（Feル
pH

O2OH
H2O

反応しない反応しないクロムと大気中の酸素との反応によってつくられるクロムの酸化物で、1〜3ナノメー
不動態皮膜
不動態皮膜

トル（10 億分の1〜10 億分の 3 メートル）という非常に薄い皮膜が、水や酸素などな武藤す。

をがたちの研究をになとがと

では 軽にののと共にをしめれ

ムも っていまのが 自 分で化（※の） メカてあげると、化などの在は、強度など機て れることを 出しています。鉄にとってをを抑制してしたようがあこって海でもれたはきませ通 鋼で もでした。これ。

し ま せ でしはステンレス 鋼 だ か らで は あ り ま せあり性れた性にた。このように鉄は持ってい引 き 出 せてを持っているのです。鉄が本るポテンシャルは、まだたとき、なのだけで鉄をつ金（ ）よ り も コス ト が 高た成る きだと えています。

性を下げている本質的ないませ 。工業製品としてがかは大学がた だし 大 学 がを与えるため、 在があっても化動対策

は G P2を鉄鋼メーカーの研究開発に期待しています。

日 本のわれています。コストをロ可能です。しかし高度経める とに す るこ と はメンにられたインフラはで済成長期につ化しています。それを長らし を 石時にすことことでコストをミ マム化することテナンス化ができる鉄でリプレイスしていは可能です。

たちの持できらはわれによって、鉄できの進

革 新に

しか あ り まは共は海では鉄によってつれてきました。鉄なしにはで き ま せ 。

イオンのませ 。一 、地をえ間ない技出していています。 力学的に鉄とい使いないため、 学技のせ 。これからも与する研究を続けていきたいと っています。のことを指す。

1なってしまいます。実用性については的 性 質になら、ものすると、おそらです。な

極力抑えようとしますが、 ロにするこ在生産コストが上がってしまうからです。とは ま ずしか し質をはないはずです。
害する部抑制機能を持った鋼材開発を目た ちはれれなをま れるとなる
ムでレベルでミクロえていを試験すると、に取り組みたいと・分されるのかわかっていまは、いつけることができまがさな 試 験

なので鉄がイオンになり、のにカ所

すれ 、出されます。だからのしています。そのためには、まずであ るがります。
電所をで電 流 を 計いるす。しかし海による（ ）部 的にまだどのようなメカがせ 。今 後はな特性のます。

実は、 在 のない

Vol.23

季刊 新日鉄住金

19

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