鳥取県産業技術センター研究報告 No.23 (2020)

ステンレス鋼の高耐食化のためのアノード処理条件の検討
Examination of Anodization Conditions to Enhance the Corrosion Resistance of Stainless Steel

今岡 睦明
Mutsuharu Imaoka

機械素材研究所

無機材料担当ステンレス鋼への電解研磨は、表面に平滑性を付与して意匠性が高まるほか、アノード処理であることから耐食性能の向上が期待されている。SUS304 材を硫酸－りん酸電解液を用いて電流密度 0.05～50A/dm2 の範囲でアノード処理した場合の平滑さや耐孔食性に与える影響を評価したところ、アノード電解処理後の算術平均粗さが大きいほど孔食電位が高い傾向が見られた。

1. はじめに

2. 実験方法

ステンレス鋼は腐食に耐える鉄鋼材料として社会にアノードにおける挙動を把握するため、ステンレス不可欠な素材になっている。腐食･防食に関する企業か鋼をアノード分極して、硫酸－りん酸系電解液に対すらの問合せは多く、評価技術の向上・改善を進めながる電圧－電流密度曲線（アノード分極曲線）を得た。硫ら技術支援を積極的に進める必要がある。

酸－りん酸系電解液は、オーステナイト系ステンレス

ステンレス鋼を機械加工した材料に対して、電解研鋼の電解研磨用として利用される組成 3)である。使用

磨等の処理によって表面に平滑性を付与して意匠性をした硫酸（95%以上）、りん酸（85%以上）は特級であ高める表面処理法がある。電解研磨は陽極（アノード）る。調製した電解液は硫酸とりん酸の混合液とし、容処理であるため、表面の溶解反応による加工変質層除積比で硫酸：りん酸が 25：75、33：67、50：50、75：去だけでなく、酸化皮膜形成による耐食性向上効果を25、90：10 の 5 種類を用意した。使用したステンレス図ることも可能である 1)～4)。

鋼は SUS304-2B 材を#800 の耐水研磨紙で磨いたもの

電解研磨は、外部電源を用いて被研磨材料をアノーとした。SUS304-2B 材の化学成分を表 1 に示す。

ドの溶解作用で一般に平滑・光沢化するために行われ分極測定は全自動分極装置（北斗電工製 VMP3）をる。通常は溶解作用の最適な電位域で一定電圧（定電用い、参照電極には飽和カロメル電極を使用した。電位）処理している。アノード分極条件を適切に設定で位は SCE 基準で示した。分極測定後の試料の表面粗さきれば、平滑・光沢化以外にクロム濃縮層の厚膜化や測定は形状測定顕微鏡（キーエンス製 VK-9500）の粗酸化膜（不働態皮膜）の形成等を意図的に狙うこともさ測定機能を使って、算術平均粗さ Ra を測定した。分可能であり、結果として耐食性能のさらなる向上が期

極測定後の電解液中の金属成分分析は ICP 発光分光分待できる。

析装置（SII ナノテクノロジー製 SPS3100H24）で定量

本検討では電解液を硫酸・りん酸混合液とし、アノした。

ード処理による平滑・光沢化機能と耐食性能の評価を

表１ 試験片の化学成分

化学成分(mass％)

行った。
CSi

Mn

0.06

0.63

0.82PS

0.032 0.003

NiCrFe8.08

18.36bal.

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3. 結果と考察

3.2 定電流電解による影響
試料に定電流処理を 30 分間行い、所定の電流密度に3.1 硫酸－りん酸系電解液に対するアノード分極
硫酸－りん酸系電解液に対するアノード分極曲線をおける表面状態を観察した。電解開始時の液温度は得た。測定条件は液温度 30℃、自然電位測定(10 分間)30℃である。

後に自然電位から試験開始し、掃引速度 50mV/分とし3.2.1 表面粗さ
硫酸：りん酸が 33：67 の場合で電流密度を 0.5～た。測定結果を図 1 に示す。

10A/dm2 で処理した試料表面と、75：25 の場合で電流電流密度 （A/dm2）

100

25:75
33:67
50:50
75:25
90:10

10

密度を 0.05～1A/dm2 で処理した試料表面の走査電子顕微鏡(SEM)像を図 2 に示す。2B 仕上げ材であるため、処理前の試料は目視ではやや光沢のある表面として観1察され、SEM で観察すれば結晶粒界が容易に観察でき0.1る。これに電解処理を行うと、硫酸：りん酸が 33：67の場合では電流密度が 1A/dm2 までは結晶粒界が観察

0.01
0.5

1.5

2.5
3.54.5電位 （ V vs SCE ）5.5

図１ 硫酸－りん酸系溶液に対する SUS304 のアノード分極曲線できた。ただし、電流密度が高くなるほど粒界の幅が広がっている状況が観察された。電流密度をさらに高くすると、結晶粒界が不明瞭になるとともに面全体の図 1 より、硫酸：りん酸＝25：75、33：67、50：50 の場合には、電位が 1.3V 付近までは電流密度換算で 0.1A/dm2 未満であったものが、1.3V 付近から電流値が急激に上昇し、いったん 1A/dm2 付近で安定してから、2.0V 付近より再び上昇する挙動を示した。一方、75：25 の場合は、1.4V～1.9V 付近で電流の急激な上昇が起こったものの、その後の電位変化に対して電流の上昇傾向はわずかだった。90：10 の場合も電流の急激な上昇は 1.5～2.8V 程度で見られるが、25：75 のような挙凹凸が小さくなり、10A/dm2 では粒界が区別できず、凹凸も非常に小さくなった。このような状況は、硫酸：りん酸が 25：75 や 50：50 の場合でも同様であった。一方、硫酸：りん酸が 75：25 の場合では、0.1A/dm2 までは結晶粒界が観察でき、電流密度が高くなるほど粒界の幅が広がっている状況が観察された。電流密度をさらに高くすると、結晶粒界は不明瞭となるものの、面全体に球状の凹みが多数現れ、滑らかさは得られていない。目視では鏡面光沢は得られなかった。

動とは少し異なるものであった。

硫酸：りん酸＜処理前＞

電流密度（A/dm2）

0.05

0.10.575:2520μm
図２ 硫酸－りん酸系電解液で定電流処理を 30 分間行った試料表面の SEM 像
上図 硫酸：りん酸=33：67 の場合、下図 硫酸：りん酸=75：25 の場合

1

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これらの表面粗さ測定結果を図 3 に示す。硫酸：りす。今回供した試料中のクロム含有率は 18.4％であっん酸が 25：75、33：67、50：50 の場合には、Ra は電流たが、硫酸：りん酸＝75：25、90：10 の処理ではクロ

密度 1A/dm2 が最も大きく、電流密度が高いほど Ra はム溶出割合が素材中のクロム含有率よりも高く、電流小さくなった。目視では、電流密度 5A/dm2 以上におい密度が低くなるほどクロム溶出割合が増加する傾向がて鏡面光沢が得られた。硫酸：りん酸が 75：25 の場合見られた。また、25：75、50：50 の処理では、電流密には、Ra は電流密度 0.1A/dm2 が最も大きく、鏡面光沢度が高くなるほどクロム溶出割合が高くなる傾向が見を得られた試料はなかった。ちなみに、未処理の 2B 材られた。の Ra は 0.20μm であったことから、研磨の形態について、電流密度 5A/dm2 以上では鏡面に近づく研磨＜ミク3.3 孔食電位

ロ研磨＞、電流密度 1A/dm2 以下では表面を荒らす研磨作製した試料の孔食電位を測定した。孔食電位は、＜マクロ研磨＞が進行したものと区別できそうである。

塩化ナトリウム水溶液3.5m/m％中における動電位法によるアノード分極測定を行い、電流密度 100μA/cm2 に対応する電位を孔食電位とした。溶液温度 30℃で自然

25 : 75
33 : 67
50 : 50
75 : 2590 : 100.3

電位測定(10 分間)後に自然電位から試験開始し、掃引速度は 20mV/分とした（JISG0577 準拠）。孔食電位測定0.2

結果を図 5 に示す。

0.100.010.1

110電流密度（A/dm2）100

図３ アノード電解処理した試料の表面粗さ

3.2.2 電解液中に溶出した成分
アノード電解処理時に溶出した成分を採取し、ICP 発
光分光分析装置で定量した。対象元素は SUS304 の主成分である鉄(Fe)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)とした。な

孔食電位V'C100（V vs SCE）

算術平均粗さRa（μm）

0.40.45

25 : 75
33 : 67
50 : 50
75 : 25
90 : 10

0.40
0.35
0.30
0.25
0.01

0.1

110電流密度（A/dm2）100

図５ アノード電解処理した試料の孔食電位

お、金属成分の選択的な溶出状況を確認するため、定量した 3 成分の定量合計値に対するクロム量の割合

硫酸：りん酸が 25：75、33：67、50：50 の処理では、（クロム溶出割合）を算出した。図 4 に算出結果を示

電流密度が 1A/dm2 で孔食電位が最も高くなった。また、溶出液中のCr/Fe+Cr+Ni（%）

75：25 では 0.5A/dm2 で最高を示した。なお、 SUS30440%

2B 材は、未処理の状態では孔食電位が 0.2～0.3V であり、電解処理によって上昇しているものと考えている。

30%

ここで、今回測定した孔食電位について、算術平均
25 : 75
33 : 67
50 : 50
75 : 2590 : 1020%

粗さ Ra との関係（図 6）と、クロム溶出割合との関係（図 7）をプロットすると、孔食電位と Ra は良い相関を示し、Ra が大きいほど孔食電位が高い傾向が見られ

10%0.010.1110
電流密度（A/dm2）100

図４ アノード電解時の溶出成分に占めるクロムの割合た。一方、孔食電位とクロム溶出割合は相関が認められなかった。アノード処理によって高耐食化を図る場
合は、処理後の表面粗さを指標として、Ra が大きくな鳥取県産業技術センター研究報告 No.23 (2020)

る条件を選定することで、耐食性能を高められること

謝 辞
本研究は、公益財団法人 JKA から競輪等の収益の一がわかった。

孔食電位V'C100（V vs SCE）

部である自転車等機械工業振興事業の補助を受けた設
0.45

備を利用して行いました。

25 : 75
33 : 67
50 : 50
75 : 25
90 : 100.40

文 献0.351） 佐治孝; 電解研磨と化学研磨の機構, 金属表面技
0.30

術, 14, p.129-134(1963).
2） 松本誠臣; ステンレス鋼の電解研磨, 金属表面技

0.25
00.1
0.20.3
算術平均粗さRa（μm）

0.4

術, 12, p.11-13(1961).
3） 金子智, 佐藤義和; ステンレス鋼の化学的な研磨

図６ 孔食電位と算術平均粗さ Ra の関係

孔食電位V'C100（V vs SCE）

法の現状, 表面技術, 41(3), p.17-20 (1990).
0.45

25 : 75
33 : 67
50 : 50
75 : 25
90 : 100.40
0.35
0.30
0.25
10%

20%
30%
溶出液中のCr/Fe+Cr+Ni40%

図７ 孔食電位と電解時クロム溶出割合の関係

4. おわりに実験から得られた結果を整理すると以下のとおりであった。
・硫酸－りん酸溶液で SUS304 材にアノード分極を行い、電解処理が表面粗さや合金成分溶出に及ぼす影響を確認することができた。
・アノード電解処理後の Ra と孔食電位は良い相関関係があり、Ra が大きいほど孔食電位が高い傾向が見られることを確認した。
・アノード処理によって高耐食化を図る場合は、処理後の Ra を指標として、Ra が大きくなる条件を選定することで、耐食性能を高められることがわかった。
表面粗さと孔食電位の関係についてはさらに考察を進めるとともに、硫酸－りん酸系以外の電解液についても評価を進めていきたい。

4） 現場のための表面処理技術ハンドブック, 日本表面処理機材工業会(2007).