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金属および合金の一般的な防食方法
腐食は、材料工学において最も古く、最もコストのかかる問題の一つである。錆びる鉄骨構造物や劣化したパイプラインから、故障する電子部品や航空宇宙の弱体化した部品に至るまで、腐食は金属や合金の耐用年数、信頼性、安全性を著しく低下させます。以下は、金属や合金の腐食を防ぐための、現代的で一般的かつ実用的な方法である。
1.材料の選択と合金化
腐食を防止する最も基本的な方法の一つは、環境に適した金属や合金を適切に選択することから設計が始まります。例えば、炭素鋼は湿度や塩分の多い環境では急速に錆びますが、ステンレス鋼、アルミニウム合金、チタン合金は耐食性に優れています。
このような場合、合金化が重要な役割を果たす。クロム、ニッケル、モリブデン、アルミニウムなどの元素を加えることで、耐食性を大幅に向上させることができる。例えば、ステンレス鋼は最低10.5%のクロムを含み、薄い安定した酸化層を形成して下地金属を腐食から保護します。同様に、Ni基合金やCo基合金も、酸化や腐食に対する優れた耐性を持つため、過酷な化学環境や高温環境下で非常に多く使用されている。
2.保護コーティングと表面処理
これは腐食から保護するための最も一般的な方法のひとつで、金属とその環境の間に何らかの保護バリアを施すことである。水や酸素、その他の腐食性化学物質が表面に到達するのを防ぐ。
一般的なコーティングの種類には、塗料、エポキシ・コーティング、ポリマー・フィルム、セラミック・コーティングなどがある。産業界では、亜鉛を鋼鉄に塗布する亜鉛メッキ・コーティングが非常に効果的です。亜鉛は物理的なバリアを提供するだけでなく、犠牲皮膜としても機能し、鋼鉄の代わりに亜鉛が腐食する。
陽極酸化処理（アルミニウム）、不動態化処理（ステンレス鋼）、化成処理などの表面処理も、金属表面の自然酸化層を強化または安定化させることで耐食性を向上させる。
3.カソード保護
カソード防食は、パイプライン、地下タンク、船体、海上プラットフォームなどの大型金属構造物に使用される最も一般的な電気化学技術のひとつである。腐食は、金属が適切な電気化学セルの陽極となるプロセスである。腐食を止める、あるいは大幅に減らすには、金属を強制的に陰極にする必要がある。
カソード保護には大きく分けて2つのタイプがある。犠牲陽極システムは、マグネシウムや亜鉛のような反応性の高い金属を構造物に取り付ける。犠牲金属は、保護された構造物の代わりに腐食する。インプレス電流システムは、保護電流を供給するために外部電源を使用し、大規模または複雑なシステムに対してより精密な制御を提供する。
4.環境制御
腐食速度は、湿度、温度、pH、塩類や汚染物質の存在などの環境要因に強く影響される。これらの条件を制御することで、腐食を大幅に遅らせることができる。
密閉された環境では、除湿機や空調システムによる湿度の低減が効果的である。化学処理や工業用途では、pHレベルの調整や腐食剤の除去が、関係する金属部品の寿命を延ばすのに役立つ。例えば、塩化物濃度の制御は、ステンレス鋼の孔食を避けるために重要である。
5.適切な設計と構造の実践
不適切な設計は、腐食に強い材料であっても腐食のプロセスを加速させる可能性がある。隙間、鋭角、滞留ゾーン、水分が溜まりやすい場所は、局部腐食の理想的な場所である。
優れた耐腐食設計は、滑らかな表面、適切な排水、十分な換気、点検やメンテナンスが容易なアクセス性を重視する。腐食性環境において、異なる2つの金属が電気的に接続されると、様々なガルバニック腐食が発生する可能性があるため、可能な限り、異種金属の直接接触を避ける。
6.腐食防止剤の使用
腐食抑制の非常に一般的な方法のひとつに、腐食抑制剤の添加がある。腐食抑制剤は、システムの腐食速度を低下させるために腐食環境に添加される物質である。抑制剤は通常、金属表面に吸着して保護膜を形成するか、腐食の電気化学反応を変化させることで機能する。
インヒビターの使用は、冷却水、ボイラー、パイプライン、クローズドループの産業用アプリケーションに関連するシステムで一般的である。抑制剤は永久的な解決策ではないが、コーティングや材料の交換が現実的でない管理された環境では、非常に大きな効果を発揮する。
7.定期的な検査とメンテナンス
腐食防止対策は、点検とメンテナンス抜きには成り立たない。どんなに優れたコーティングでも、時間とともに劣化し、環境条件も変化する。定期的な検査によって腐食を早期に発見し、深刻な損傷が発生する前に補修を行うことができる。
メンテナンス活動には、再コーティング、犠牲陽極の交換、表面の洗浄、環境制御の調整などがある。多くの場合、予防的メンテナンスは、腐食した構造物の修理や交換よりもはるかに費用対効果が高い。
結論
金属や合金の腐食防止は、包括的で積極的なものでなければならない。耐食性材料の選択、保護皮膜の塗布、環境制御、適切な設計-これらの方法はすべて、耐用年数を延ばし、構造物の完全性を維持する上でそれぞれ重要な役割を持っている。本書を読んで、これらの一般的な腐食防止技術をよりよく理解し、応用できることを願っている。詳しくは、スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。
Chin Trento
