全面腐食

全面腐食とは、金属の表面全体で均一に進行する形態の腐食である藤井。均一腐食ともいう藤井。金属の腐食は、この全面腐食と孔食・すき間腐食などの局部腐食に大別される。

金属の腐食は酸化反応を起こすアノードと還元反応を起こすカソードが対となって発生するが、全面腐食では金属表面の至る所に無数のアノードとカソードが発生・分布し、さらにアノードとカソードの位置が常時変動することで表面全体で均一的に腐食が進む。具体的には、海水中や屋外大気中の炭素鋼の腐食などが全面腐食の例として挙げられる。厳密に全面が均一に腐食する事例は少なく、実際にはある程度の不均一性があった上で全面腐食とみなされる。強い酸性溶液中の金属などは全面でほぼ均一に腐食する。

全面腐食が進行する速さは、腐食によって金属材料から減る質量や肉厚で評価される。錆などの腐食生成物が表面に付着する場合は、その表面保護効果によって全面腐食速度が遅くなる。全面腐食の進行は比較的予測しやすいことから、局部腐食に比べると実際に問題となる腐食損傷は少ない。得られている全面腐食速度データをもとに一定の全面腐食の発生を認めた上で、全面腐食で減る分を腐食しろとして部材肉厚に加えて設計することもある。全面腐食で腐食損傷問題に至るのは、どちらかと言えば設計、製造、運用のミスが原因であることが多い。

1. 基本的メカニズム
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金属の腐食のメカニズムは、電気化学的にみると、電子  を放出する酸化反応が起こっているアノードと電子を受容する還元反応が起こっているカソードで構成される腐食防食協会。溶存酸素  を含む水溶液  中に鉄  を浸すと、以下のアノード反応とカソード反応を基本として腐食が進行する杉本。

Fe → Fe2+ + 2e−O2 + 2H2O + 4e− → 4OH−2Fe + O2 + 2H2O → 2Fe2+ + 4OH−これらの反応では、アノードとなる箇所とカソードとなる箇所が金属表面上に現れ、アノードとなっている箇所の金属が溶解する杉本。局部的なカソードから局部的なアノードへ金属内を伝わって電子電流が流れ、さらに局部的なアノードから局部的なカソードへ水溶液を伝わってイオン電流が流れることで、電流回路が成立して一種の電池が構成される腐食防食協会。腐食の原因となる電池は腐食電池などと呼ばれる藤井。

全面腐食の特徴は、金属表面の至る所に無数のアノードとカソードが発生して分布し、金属表面上に無数の微小な腐食電池が形成される点にある腐食防食協会。このような局所的で微小な腐食電池は、局部電池、ミクロ腐食電池、ミクロセルなどと呼ばれる杉本。さらに、これらのアノードとカソードの位置は固定されず常時変動するので、結果として表面全体で均一的に腐食が進む長野・山下・内田。全面腐食が生じると、表面からの減肉や肌荒れが広範囲に起こる腐食防食協会。さらに錆などの腐食生成物が表面を覆う場合と覆わない場合がある腐食防食協会。

同じ金属材料の同じ表面でありながらアノードとカソードに分かれて局部電池が発生する理由は、現実の金属材料の不均質性が挙げられる。実際の金属材料では、全体にわたって一様な物理的性質・化学的性質を持つわけではなく、その材料中の部分ごとに異なっている日本材料学会腐食防食部門委員会。また、金属は多結晶構造であるため、結晶粒界などの存在によって表面は均質にならない藤井。こういった不均質性のために、表面上のある箇所の金属原子はアノードとなり、違う箇所の金属原子はカソードとなるという風に働きが分かれると考えられる藤井。アノードになった原子が溶出すると、そのアノードは消失し、今度は別の原子がアノードになる藤井。こういった現象が表面全体で時間とともに移り変わっていきながらランダムに起こるため、金属表面全体での均一的な腐食が引き起こされると考えられている藤井。

2. 分類
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全面腐食は、特に腐食が生じる範囲に着目した分類である長野・山下・内田。金属の腐食は、全面腐食と局部腐食に大別される日本材料学会腐食防食部門委員会。局部腐食とは、孔食やすき間腐食のように一部分で集中的に進行する形態の腐食を指す日本材料学会腐食防食部門委員会。全面腐食でも、字面どおり厳密に全面で均一に腐食する事例は少なく、均一とみなすかどうかは程度問題でもある水流。実際上は、一様に全面が腐食されている判断できる場合は近似的に全面腐食とみなす。

上記のように、ミクロセルで腐食が進行するのが全面腐食の特徴であった。ミクロセルによって進行する形態の腐食はミクロセル腐食という名でも呼ばれる日本材料学会腐食防食部門委員会。ミクロセルに対して、それよりもはるかに大きく、アノードとカソードの位置が固定されているような腐食電池をマクロ腐食電池やマクロセルと呼ぶ松島。このような腐食電池で駆動する形態の腐食はマクロセル腐食と呼ばれ、異種金属接触腐食などがその例である日本材料学会腐食防食部門委員会。

3. 評価方法
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全面腐食が進行する速さを示す指標には、腐食で失われる金属の質量で評価するものと失われる金属の肉厚で評価するものがある松島。前者の場合は、単位時間当たりかつ単位面積当たりの減少質量で評価し、よく使われる単位は [mdd] で、1日 [day] で減る1平方デシメートル [dm2] 当たりのミリグラム [mg] 質量を意味する藤井。後者の場合は、単位時間当たりの減少肉厚で評価し、よく使われる単位は [mm/y] で、1年 [year] で減るミリメートル [mm] 肉厚を意味する藤井。肉厚減少速度は浸食度という名でも呼ばれる藤井。浸食度の方が直感的で分かりやすく、特に、強度が問題で構造物の肉厚を管理したい場合は mm/y のような肉厚減少速度が用いられる松島。製品の汚染が問題で溶出量を管理した場合は mdd のような質量減少速度が役立つ腐食防食協会。

具体例としては、空気が飽和した常温の静止した水に炭素鋼を浸したときに、およそ 10 から 25 mdd  である松島。ただし一般に、腐食が進行して錆などの腐食生成物が表面に付着する場合は、それが表面保護の役目を果たすため、全面腐食の腐食速度は初期は大きくても後から小さくなる腐食防食協会。mdd や mm/y はある期間全体での腐食量の平均値なので、腐食速度データの利用にあたってはデータ取得の腐食期間について注意が必要である松島。

実際に試験で腐食速度を求めるときには、基本的には腐食で減少した質量を測定し、材料密度を使って浸食度に換算する腐食防食協会。試験後に表面に腐食生成物が残る場合は、酸などで溶解させて除去する腐食防食協会。試験期間は、できるだけ再現性が得られる十分な期間が望まれる腐食防食協会。規格では、腐食速度が小さいほど試験期間を長めにすることが推奨されている腐食防食協会。信頼性向上のために試片の数も複数が望ましい腐食防食協会。電気化学的手法を使って腐食電流密度から腐食速度を評価する方法もあり、この方法では瞬間的な腐食速度をモニタリングできる水流。理論上の換算値は、鉄  の場合で腐食電流密度 10−4 A/cm2 がほぼ 1.16 mm/y に対応する水流。ただし、全面腐食速度を推定する上では、腐食減少質量そのものを直接測定する手法の方が信頼性が高いともいわれる日本材料学会腐食防食部門委員会。

4. 実害と防止
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上記のとおり、実際の腐食では、厳密な意味での全面腐食はそれほど多い事例ではない水流。強い酸性溶液中などの環境では、腐食生成物による皮膜も形成されにくいため、全面でほぼ均一な腐食が実現される水流。海水中の炭素鋼の腐食も全面腐食の典型例だが、全面腐食に至る前に、最初の数年は腐食されない箇所が残る不均一な形態で腐食することもある腐食防食協会。屋外大気中に置かれた炭素鋼の腐食も全面腐食の例だが、これも厳密に全面で均一に腐食が進行するわけではなく、ばらつきの範囲内と考えて全面腐食とみなされる松島。

実際の腐食においては、全面腐食よりも局部腐食が問題となる事例が多い藤井。ステンレス鋼、アルミニウム、銅、チタンなどは、海水に対しても不働態化して全面腐食については優れた耐性を示す金属だが、孔食やすき間腐食といった局部腐食を起こすことはままある長野・山下・内田。また、設計時においても全面腐食はある程度予測が立てれるが、局部腐食は予測が立てにくい藤井。酸による腐食などの特殊な事例を除き全面腐食の腐食速度は緩やかなのに対し、局部腐食は一般的にそれよりも早く進む藤井。したがって、全面腐食が問題となる損傷事例は、設計、製作、運用のミスが原因であることが多い日本材料学会腐食防食部門委員会。

腐食全般に対する防食法として、塗装、めっき、電気防食、環境制御、耐食性材料の採用などがある藤井。一般的な目安として、ある金属や合金の使用環境での腐食が 0.1 mm/y 以下の浸食度に収まっていれば、その金属材料は耐食的な材料とみなせる杉本。腐食によって減肉することが予測される場合、事前にその分の厚みを部材に設けておくことがあり、この余分な厚みを腐食しろという日本材料学会腐食防食部門委員会。全面腐食では腐食速度がある程度予測できるので、部材に強度的に必要な腐食しろを持たせ、一定の全面腐食発生を許容して設計することもある腐食防食協会。圧力容器、熱交換器、高圧ガス配管などでは、種々の規格によって設けるべき腐食しろが規定されている。例えば、日本産業規格 JIS B 8249 では、過酷な運転環境下の多管式熱交換器について炭素鋼・低合金鋼の腐食しろを標準 3 mm と規定している。装置運転状態で全面腐食の進行を確認する方法としては、超音波厚さ計で肉厚を直接測る方法や電気抵抗を利用する方法などがある。航空機では、大気暴露によるアルミニウム合金の全面腐食は、規定の防食処置をした上で点検による確認や運航後の手入れで対処する運用がなされている腐食防食協会。一方、食品プラントでは食品汚染防止という観点から、腐食しろを設けて一定の腐食を織り込む手法は許されず、浸食度で 0.01 mm/y や 0.001 mm/y の桁まで腐食を抑えるように厳重に防食対策が取られる腐食防食協会。

5. 出典
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6. 参照文献
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