金属の腐食を防ぐには

腐食は、小さなプロジェクトからビル、橋、航空機のような大規模な建造物に至るまで、金属を扱うすべての人にとって大きな問題となる可能性があります。すべての金属はいずれ腐食しますが、幸いなことに、このプロセスを遅らせるのに役立つヒントがいくつかあります。

方法1

一般的な金属腐食の種類を理解する

今日、非常に多くの種類の金属が使用されているため、建設業者や製造業者は様々な種類の腐食から保護する必要があります。すべての金属は、その金属がどのタイプの腐食（もしあれば）に弱いかを決定する独自の電気化学的特性を持っています。下の表は、一般的な金属とその腐食の種類を示したものです。

一般的な金属とその腐食特性

金属	金属の腐食脆弱性	一般的な予防技術	ガルバニック活性
ステンレス鋼 (受動)	均一腐食、ガルバニック腐食、孔食、隙間腐食 (特に海水中)	洗浄、保護コーティングまたはシーラント	低い (初期腐食は抵抗性の酸化被膜を形成する)
鉄	均一腐食, 電解腐食, すきま腐食	洗浄、保護コーティングま たはシーラント、溶融亜鉛メッキ、 防錆剤	高い
黄銅	均一攻撃、脱亜鉛、応力	洗浄、保護コーティングまたはシーラント（通常はオイルまたはラッカー）、合金へのスズ、アルミニウム、ヒ素の添加	中
アルミニウム	ガルバニック、孔食、隙間	洗浄、保護コーティングまたはシーラント、陽極酸化、亜鉛めっき、カソード保護、電気絶縁	高（初期腐食により耐酸化層が形成される）
銅	ガルバニック, 孔食, 美的変色	洗浄、保護コーティングまたはシーラント、 合金へのニッケル添加（特に海水用）	低 (初期腐食が耐性のあるパ ティナを形成)

*ガルバニック活性」欄は、参考文献のガルバニック系列表で説明されている金属の相対的な化学活性を指すことに注意。 この表の目的上、金属のガルバニック活性が高いほど、活性の低い金属と接合した場合にガルバニック腐食がより早く進行する。

1. 金属表面を保護することで、均一侵食腐食を防ぐ。均一侵食腐食（「均一」腐食と略されることもある）とは、露出した金属表面上で一様に発生する腐食の一種である。このタイプの腐食では、金属表面全体が腐食の攻撃を受けているため、腐食は均一な速度で進行する。例えば、保護されていない鉄の屋根が定期的に雨にさらされる場合、屋根の表面全体がほぼ同じ量の水と接触するため、均一な速度で腐食が進行します。均一な腐食を防ぐ最も簡単な方法は、通常、金属と腐食剤の間に保護バリアを張ることです。これは、塗料、オイルシーラント、亜鉛メッキのような電気化学的溶液など、さまざまなものがあります。

   • 地下や浸水環境では、カソード保護も良い選択である。
2. ある金属から別の金属へのイオンの流れを止めることで、ガルバニック腐食を防ぎます。関係する金属の物理的強度に関係なく発生する可能性のある腐食の重要な形態のひとつに、ガルバニック腐食があります。ガルバニック腐食は、電極電位が異なる2つの金属が電解質（塩水など）の存在下で接触し、2つの金属間に導電経路が形成されることで発生します。これが起こると、金属イオンが活性の高い金属から活性の低い金属へと流れ、活性の高い金属は加速度的に腐食し、活性の低い金属は遅い速度で腐食する。実際的には、これは2つの金属が接触した時点で、活性の高い方の金属に腐食が進行することを意味する。

   • 金属間のイオンフローを防ぐ保護方法であれば、ガルバニック腐食を食い止めることができる可能性があります。金属に保護コーティングを施すことで、環境からの電解質が2つの金属間に導電経路を作るのを防ぐことができ、亜鉛めっきや陽極酸化のような電気化学的保護処理も効果的です。また、金属同士が接触する部分を電気的に絶縁することで、ガルバニック腐食を阻止することも可能です。
   • さらに、陰極保護または犠牲陽極を使用することで、重要な金属をガルバニック腐食から保護することができます。詳細は以下を参照。
3. 金属表面の保護、環境的な塩化物発生源の回避、刻み目や傷の回避により、孔食を防止する。孔食は、微細なスケールで起こる腐食の一形態であるが、大規模な結果をもたらす可能性がある。孔食は、表面上の不動態化合物の薄い層から耐食性を得ている金属にとって大きな懸念であり、この形態の腐食は、通常であれば保護層によって防がれるような状況でも構造的欠陥につながる可能性があるからである。孔食は、金属のごく一部が保護不動態層を失うことで発生する。これが起こると、ガルバニック腐食がミクロのスケールで発生し、金属に小さな穴が形成される。この穴の中では、局所的な環境が強酸性になり、腐食プロセスが加速される。孔食は通常、金属表面に保護コーティングを施すか、または陰極防食を使用することで防ぐことができる。

   • 塩化物を多く含む環境（例えば塩水など）に曝されると、孔食の進行が促進されることが知られている。
4. 対象物の設計において、狭い空間を最小限にすることで、隙間腐食を防ぐ。隙間腐食は、周囲の流体（空気または液体）へのアクセスが悪い金属物体のスペースで発生する。例えば、ネジの下、ワッシャーの下、フジツボの下、ヒンジのジョイントの間などである。隙間腐食は、金属表面付近の隙間が、流体が入り込むには十分広いが、流体が出にくく滞留するほど狭い場合に発生する。このような小さな隙間の局所的な環境は腐食性を帯び、金属は孔食に似たプロセスで腐食を始める。隙間腐食を防ぐことは、一般的に設計上の問題である。金属物体の構造上、狭い隙間の発生を最小限に抑え、隙間を閉じたり、循環を可能にしたりすることで、隙間腐食を最小限に抑えることができる。

   • 隙間腐食は、保護的で受動的な外層を持つアルミニウムのような金属を扱う場合に特に懸念されるもので、隙間腐食のメカニズムがこの層の破壊を助長する可能性があるためである。
5. 応力腐食割れは、安全な荷重および/またはアニ ーリングのみを使用することで防ぐことができる。応力腐食割れ(SCC)は、腐食に関連した構造破壊 のまれな形態であり、重要な荷重を支えるこ とを意図した構造物の建設に携わるエ ンジニアが特に懸念するものである。応力腐食割れが発生すると、荷重を支える金属に亀裂が入り、指定された荷重限界以下、ひどい場合には限界の数分の一で破壊される。腐食性イオンの存在下では、高荷重による引張応力によって金属に生じた微小で微細な亀裂が、腐食性イオンが亀裂の先端に到達するにつれて伝播する。これによりクラックは徐々に成長し、最終的には構造破壊を引き起こす可能性がある。SCCが特に危険なのは、本来は金属に対してごく軽度の腐食性しか持たない物質が存在する場合でもSCCが発生する可能性があるためである。つまり、金属表面の他の部分は表面的に影響を受けていないように見えても、危険な腐食が発生するのである。

   • SCCの防止は、部分的には設計の問題である。例えば、金属が使用される環境においてSCC耐性を持つ材料を選択し、金属材料が適切な応力試験を受けるようにすることで、SCCを防止することができる。さらに、金属の製造工程で残留応力を除去することもできる。
   • SCCは、高温や溶存塩化物を含む液体の存在によって増 加することが知られている。

方法2

家庭でできる腐食防止法

1. 金属表面を塗装する。金属を腐食から守る最も一般的で手頃な方法は、単に塗料の層で覆うことだろう。腐食のプロセスには、水分と酸化剤が金属の表面と相互作用することが関係している。従って、金属が塗料の保護バリアで覆われていると、湿気も酸化剤も金属自体に接触することができず、腐食は起こらない。

   • しかし、塗料自体は劣化しやすい。塗料が欠けたり、摩耗したり、損傷したりした場合は、その都度塗り直す。塗装が劣化して下地の金属が露出するようになった場合は、露出した金属に腐食や損傷がないか必ず点検してください。
   • 金属表面に塗料を塗るには、さまざまな方法があります。金属職人は、金属物体全体が完全にコーティングされるように、これらの方法をいくつか併用することがよくあります。以下は、その方法の一部と、使用方法についてのコメントです：
     • 刷毛 - 手の届きにくい場所に使う。
     • ローラー - 広い範囲を塗るのに使う。安くて便利。
     • エアスプレー - 大面積に使用。速いがローラーより効率が悪い（塗料の無駄が多い）。
     • エアレススプレー／静電エアレススプレー - 大面積の塗装に使用。迅速で、厚塗り／薄塗りのレベルを変えることができる。通常のエアスプレーより無駄が少ない。装置は高価。
2. 水に触れる金属には船舶用塗料を使う。ボートのように定期的に（あるいは常に）水と接触する金属物には、腐食の可能性が高まることから保護するための特別な塗料が必要です。このような状況では、錆びという「通常の」腐食だけが懸念事項ではありません（主要なものではありますが）。無防備な金属に繁殖する海洋生物（フジツボなど）が、さらに摩耗や腐食の原因となる可能性があるからです。ボートなどの金属を保護するには、必ず高級船舶用エポキシ塗料を使用すること。この種の塗料は、下地の金属を湿気から保護するだけでなく、その表面に海洋生物が繁殖するのを防ぐ効果もある。
3. 動く金属部分には保護潤滑剤を塗る。平らで静的な金属表面には、塗料を塗ると、金属の有用性に影響を与えることなく湿気を防ぎ、腐食を防ぐことができる。しかし、動く金属部品には塗料は適さない。例えば、ドアの蝶番の上にペンキを塗ると、ペンキが乾くと蝶番が固定され、動きを妨げます。無理にドアを開ければ、塗料にひびが入り、湿気が金属に達する穴が開いてしまう。ヒンジ、ジョイント、ベアリングなどの金属部分には、適切な水不溶性潤滑剤が適している。この種の潤滑剤をしっかりと塗ることで、自然に湿気をはじくと同時に、金属部分の滑らかで簡単な動きを保証します。

   • 潤滑剤は塗料のようにその場で乾燥しないため、時間の経過とともに劣化し、時々再塗布が必要になります。金属部品に潤滑剤を定期的に塗布し直し、保護シーラントとしての効果が持続するようにしてください。
4. 塗装や潤滑を行う前に、金属表面を十分に洗浄してください。通常の塗料、船舶用塗料、保護潤滑剤／シーラントのいずれを使用する場合でも、塗布作業を始める前に、金属がきれいで乾燥していることを確認してください。金属に汚れ、グリース、溶接の残骸、既存の腐食などが完全にないことを確認するよう注意してください。

   • 汚れ、垢、その他のゴミは、塗料や潤滑剤が金属表面に直接付着しないようにすることで、塗料や潤滑剤の妨げになります。例えば、鉄板の上にペンキを塗っても、その上に金属片が付着していると、ペンキが金属片に付着してしまい、下地の金属に空白ができてしまいます。削りカスが落ちると、その部分は腐食しやすくなる。
   • 腐食が進行している金属表面に塗装や注油を行う場合、シーリング材が金属に最もよく密着するよう、表面をできるだけ平滑で規則正しい状態にすることが目標になります。ワイヤーブラシ、サンドペーパー、化学薬品による錆取り剤などを使って、できる限り緩い腐食を取り除きます。
5. 保護されていない金属製品を湿気から遠ざけてください。前述したように、ほとんどの腐食は湿気によって悪化します。ペンキやシーラントで金属を保護することができない場合は、湿気にさらされないように注意する必要があります。保護されていない金属製の道具を乾燥させるよう努力することで、使い勝手を向上させ、耐用年数を延ばすことができます。金属製品が水や湿気にさらされている場合は、腐食が始まるのを防ぐために、使用後すぐに洗浄し、乾燥させるようにしてください。

   • 使用中に湿気にさらされていないか注意するだけでなく、金属製品は必ず屋内の清潔で乾燥した場所に保管してください。食器棚やクローゼットに入らないような大きなものは、防水シートや布で覆ってください。こうすることで、空気中の湿気を防ぎ、表面にほこりがたまるのを防ぐことができる。
6. 金属の表面はできるだけ清潔に保ちましょう。塗装の有無にかかわらず、金属製品を使用した後は、必ずその機能的な表面を清掃し、汚れ、垢、埃などを取り除いてください。金属表面に汚れやごみが蓄積すると、金属やその保護膜の磨耗や破損の原因となり、時間の経過とともに腐食が進みます。

方法3

高度な電気化学ソリューションによる腐食防止

1. 亜鉛めっきプロセスを使用する。亜鉛メッキされた金属は、腐食から保護するために亜鉛の薄い層でコーティングされた金属です。亜鉛は下地の金属よりも化学的に活性なので、空気に触れると酸化します。亜鉛層が酸化すると保護皮膜が形成され、下地の金属のさらなる腐食を防ぎます。現在最も一般的な亜鉛メッキは溶融亜鉛メッキと呼ばれるプロセスで、金属部品（通常は鋼鉄）を高温の溶融亜鉛の槽に沈め、均一な皮膜を形成します。

   • この工程では、常温では危険な工業薬品を非常に高温の状態で取り扱うため、訓練を受けた専門家以外が行うべきではありません。溶融亜鉛メッキの基本的な手順は以下の通りです：
     • 鋼鉄を苛性溶液で洗浄し、汚れ、グリース、塗料などを除去した後、十分に洗浄する。
     • 鋼材を酸で酸洗してミルスケールを除去し、その後水洗する。
     • フラックスと呼ばれる材料を鋼鉄に塗布し、乾燥させる。これにより、最終的な亜鉛皮膜が鋼鉄に密着しやすくなる。
     • 溶融亜鉛の槽に鋼材を浸し、亜鉛の温度まで加熱する。
     • 鋼鉄は水の入った「急冷槽」で冷却される。
2. 犠牲陽極を使用する。金属を腐食から守る方法のひとつに、犠牲陽極と呼ばれる反応性の小さな金属片を電気的に取り付ける方法がある。大きな金属物体と小さな反応性物体の間には電気化学的な関係があるため（以下に簡単に説明する）、小さな反応性金属片だけが腐食を受け、大きな重要な金属物体は無傷のまま残される。犠牲陽極が完全に腐食したら、交換しなければならない。この防食方法は、地下貯蔵タンクのような埋設構造物や、ボートのように常に水と接触している物体によく使われる。

   • 犠牲陽極は、数種類の反応性金属から作られています。 亜鉛、アルミニウム、マグネシウムは、この目的に使用される最も一般的な金属の3つです。これらの材料の化学的特性から、亜鉛とアルミニウムは海水中の金属物によく使用され、マグネシウムは淡水用に適しています。
   • 犠牲陽極が機能する理由は、腐食プロセス自体の化学的性質と関係がある。金属物体が腐食すると、化学的に電気化学電池の陽極と陰極に似た領域が自然に形成される。電子は、金属表面の最も陽極となる部分から周囲の電解質に流れ込む。犠牲陽極は、保護される物体の金属に比べて非常に反応性が高いため、物体自体はそれに比べて非常に陰極となり、したがって、電子は犠牲陽極から流出し、腐食を引き起こすが、金属の残りの部分は免れる。
3. 印加電流を使用する。金属腐食の背後にある化学的プロセスには、金属から流れ出る電子の形の電流が関与しているため、腐食電流を圧倒して腐食を防ぐために外部の電流源を使用することが可能である。基本的に、このプロセス（印加電流と呼ばれる）は、保護される金属に継続的な負の電荷を与える。この電荷が電流に打ち勝つことで電子が金属から流出し、腐食を食い止める。このタイプの保護は、貯蔵タンクやパイプラインのような埋設金属構造物によく使用される。

   • 感電電流保護システムに使用される電流の種類は、通常直流（DC）であることに注意。
   • 通常、腐食防止のための印加電流は、保護対象の金属物体の近くの土壌に2つの金属陽極を埋設することで生成されます。電流は絶縁ワイヤを通して陽極に送られ、土壌を通って金属対象物に流れ込む。電流は金属物体を通過し、絶縁ワイヤを通して電流源（発電機、整流器など）に戻る。
4. 陽極酸化を使用する。アルマイト処理とは、金属を腐食から保護したり、金型などに施すための特殊な表面保護コーティングです。明るい色の金属製カラビナを見たことがあるなら、それはアルマイト処理された金属表面を見たことがあるはずだ。アルマイト加工は、塗装のように物理的に保護膜を塗布するのではなく、電流を利用して金属に保護膜を形成し、ほぼすべての形態の腐食を防止します。

   • 陽極酸化の背後にある化学的プロセスは、アルミニウムのような多くの金属が空気中の酸素と接触すると、自然に酸化物と呼ばれる化学生成物を形成するという事実に関係しています。その結果、金属は通常、外側に薄い酸化層を形成し、（金属によって程度の差はありますが）さらなる腐食を防ぎます。陽極酸化処理に使用される電流は、本質的に、通常発生するよりもはるかに厚い金属の表面にこの酸化物の蓄積を作成し、腐食から大きな保護を提供します。
   • 金属を陽極酸化する方法はいくつかあります。以下は、アルマイト処理の基本的な手順です。 詳細はこちらをご覧ください。
     • アルミニウムを洗浄し、脱脂します。
     • アルミニウム表面の不純物を脱脂液で取り除きます。
     • アルミニウムを一定の電流と温度（例えば、12アンペア/平方フィート、華氏70～72度（摂氏21～22度））で酸浴に落とします。
     • アルミニウムを取り出し、水洗する。
     • オプションとして、アルミニウムを華氏100～140度（摂氏38～60度）の染料に浸します。
     • 沸騰したお湯に20～30分間入れて、アルミニウムを密閉します。
5. 不動態化を示す金属を使用する。前述したように、一部の金属は空気に触れると自然に保護用の酸化皮膜を形成する。一部の金属は、この酸化皮膜を非常に効果的に形成するため、最終的には化学的に比較的不活性になる。このような金属は、反応性が低くなる不動態化のプロセスを指して不動態と呼ぶ。使用目的によっては、不動態金属は必ずしも耐食性を高めるための特別な保護を必要としない場合もある。

   • 不動態化を示す金属のよく知られた例として、ステンレス鋼がある。ステンレス鋼は普通鋼とクロムの合金で、他の保護を必要とせず、ほとんどの条件下で効果的に耐食性を発揮する。日常的な用途であれば、ステンレス・スチールの腐食は通常気にする必要はない。
     • しかし、特定の条件下では、ステンレス・スチールは100％耐食性ではないことは言うまでもない。同様に、多くの受動金属は特定の極端な条件下では非受動金属となるため、すべての用途に適しているとは限りません。

この記事は、CC BY-NC-SAの下で公開された「 How to Prevent Metals from Corroding 」を改変して作成しました。特に断りのない限り、CC BY-NC-SAの下で利用可能です。