金属と合金の耐食性：総合ガイド

耐腐食性材料の選択は、金属製機器の信頼性の高い運転を保証するための最も効果的かつ積極的な対策である。

従って、様々な金属や合金の耐食性を把握し、それぞれの材料に適した使用環境を理解することが必要であり、そうして初めて金属製機器の腐食に対して効果的な防食対策を講じることができる。

1. 鉄-炭素合金の耐食性

"鉄基合金（鋼鉄および鋳鉄）は、エンジニアリングにおいて最も一般的に使用される金属材料であり、特定の状況において満足のいく耐食性と良好な総合機械的特性を有する。その耐食性は純鉄の耐食性と密接な関係がある。

I.鉄の耐食性

鉄は熱力学的に不安定な金属であり、アルミニウム、チタン、亜鉛、クロム、カドミウムといった平衡電位に近い金属に比べて耐食性に劣る。

言い換えれば、これらの金属に比べ、鉄は自然環境（大気、土壌、自然水など）において最も耐食性が低い。これは以下の理由による：

鉄およびその酸化物の水素および酸素の過電位は比較的低く、水素発生腐食や酸素吸収腐食を起こしやすい。

鉄さびやその溶液に含まれる3価の鉄イオンは、優れた脱分極作用を持つ。

鉄の腐食生成物は保護作用に乏しい。

鉄は酸素濃縮セルの形成により腐食されやすい。

鉄は自然条件下では不動態化能力が弱い。

鉄は、ほとんどの弱酸性、中性、アルカリ性の溶液中で腐食されると、一般に錆として知られる不溶性の腐食生成物を形成する。さびは多孔質でゆるい構造を持ち、ほとんど保護機能を持たない。

非酸化性酸では、腐食速度は酸濃度の増加とともに指数関数的に増加するが、酸化性酸では、腐食速度はまず酸濃度の増加とともに増加し、その後不動態化の開始により急速に減少する。

有機酸は一般に鉄の腐食に弱いが、温度の上昇や酸素の溶解によって鉄の腐食が促進されることがある。鉄は室温のアルカリ溶液中では安定である。

2. 炭素鋼の耐食性

炭素鋼の耐食性に影響を与える要因は以下の通りである：

1. 化学組成

カーボンの影響 炭素含有量 は、酸性溶液中では炭素鋼の腐食速度に大きな影響を与えるが、中性溶液中ではその影響は顕著ではない。

非酸化性媒体や弱酸化性媒体では、炭素含有量の増加に伴い材料の腐食速度が増加する。これは、鋼中の炭素含有量が増加するほど、構造中の炭素析出量が増加し、より多くの微小電池が形成されるため、腐食速度が加速されるからである。

酸化性酸では、腐食速度は炭素含有量の増加とともに初期には増加し、炭素含有量があるレベルに達すると減少するが、これは炭素含有量の増加が炭素鋼の不動態化を促進しやすく、腐食速度が弱まるためである。

自然環境や弱酸性水溶液中では、炭素含有量が炭素鋼の腐食速度に及ぼす影響は大きくない。

これは、このような環境では酸素脱分極腐食が主な要因となり、金属表面の保護膜の性能と溶液中の酸素が陰極表面に到達しやすいかどうかが主な要因となり、鋼中の炭素析出はほとんど関係しないからである。

シリコンとマンガンは一般に、腐食速度にほとんど影響を与えない。

硫黄とリンの影響

硫黄は鋼の耐食性に悪影響を及ぼし、酸性溶液への溶解速度は硫黄含有量の増加に伴って増加する。

鋼中の硫黄含有量の増加は局部腐食を引き起こしやすい。硫黄は通常、FeSとMnSの形で炭素鋼中に存在し、いずれもアノード不純物であるため、孔食や硫化物応力腐食割れを引き起こすからである。

鉄鋼中のリンは活性陰極でもあり、硫黄のような酸性溶液では有害である。しかし、リンは大気環境や海水環境における鋼の耐食性を効果的に向上させることができ、特に銅と併用した場合は特に良好な結果が得られます。

不純物の影響

炭素鋼の場合、あらゆる種類の不純物が耐食性を低下させる。

2. 構造への影響

鋼の組織は、その組成と熱処理状態に依存する。一般的に、鋼中の炭素含有量が多いほど、熱処理が耐食性に与える影響は大きくなる。

炭素含有量が同じ場合、粒状パーライトはラメラパーライトよりも耐食性が高く、分散度が高いほど平均腐食速度は高くなる。

非不動態化炭素鋼の耐食性は、炭素含有量および熱処理と密接な関係がある。

一般に、炭素含有量が高いほど耐食性は悪くなる。高炭素焼入れ炭素鋼の耐食性は悪化し、低温焼戻し後にわずかに改善され、中温焼戻し後に最大腐食速度が現れ、高温焼戻し後は活性カソード表面積の減少により腐食速度が著しく低下する。

3.低合金鋼の耐食性

低合金鋼とは、合金鋼の総合金量を示す。 合金元素 炭素鋼では約5%未満である。目的に応じて、鋼に添加される合金元素の種類は多く、その量も大きく異なるため、低炭素鋼には多くのグレードがあります。 合金鋼.

1. 大気腐食に強い低合金鋼

大気腐食に耐性のある低合金鋼は、耐候性鋼としても知られ、単に耐候性鋼と呼ばれる。

有効な合金元素は銅、リン、クロムで、これらは鋼の表面を強化し、アモルファス状態の形成を促進することで、大気環境下での鋼の耐食性を向上させる。

大気腐食に耐性のある代表的な低合金鋼には、16MnCu、10MnSiCu、09MnCuPTi、15MnVCu、10AuRe、08MnPReなどがある。

2. 海水腐食に強い低合金鋼

海洋環境では、最も過酷な腐食条件は、乾燥と湿潤が交互に繰り返され、保護が難しく、海水の衝撃を受けるスプレー領域である。

次は浅瀬の浸水エリアだ。

合金元素が鋼材の耐食性に及ぼす影響は、部位によって異なる。銅は、溶射部の鋼材の耐食性を向上させる上で最も顕著であり、リンも大きな影響を及ぼす。

この2つの組み合わせはより良い効果があります。シリコン、モリブデンは、スプレー領域での鋼の孔食の傾向を低減することができ、クロム、アルミニウムもいくつかの効果があります。

完全浸漬条件下での鋼の耐食性については、クロムが最も顕著な影響を及ぼし、次いでリン、銅、ケイ素、ニッケルの順となる。

中国で開発された耐海水腐食性低合金鋼には、主に10MnPNbRe、09MnCuPTi、10CrMoAl、10NiCuAs、10CrMoCuSiなどがある。

3. 高温高圧水素・窒素腐食に強い低合金鋼

石油の水素化分解や合成アンモニア産業では、高温・高圧の水素環境下で鋼材が使用され、鋼材内部に侵入した活性水素原子との相互作用によって炭素マトリックスが容易に腐食される。

そのため、炭素と安定した炭化物を形成する炭素合金元素を鋼に添加することで、鋼の耐水素腐食性を向上させることができる。Cr、Mo、および少量のV、Nb、Tiを鋼に添加すると、耐水素腐食性が向上することが研究で示されている。

中国の耐高温高圧水素・窒素腐食性低合金鋼には、主に10MoWVNb、10MoVNbTi、12SiMoVNb、0.8SiWMoTiNbがあり、代表的な外国産耐水素鋼2.25Cr1Moは現在、最良の耐水素鋼の一つとして認められている。

石油化学工業のほとんどの水素化分解リアクターはこの鋼でできている。

4. 硫黄腐食に強い低合金鋼

石油精製、天然ガス、都市ガス産業では、パイプライン、貯蔵タンク、その他の機器を製造するために多くの低合金鋼が必要とされるが、これらは硫黄を含む環境で使用されることが多く、深刻な硫黄腐食を起こしやすい。

今回の研究では、鋼のミクロ組織が低合金鋼の硫黄腐食破壊に影響する重要な要因であると考えている。硫黄腐食による マルテンサイト 鋼のミクロ組織は、厳密でなければならない。

2.ステンレス鋼および耐酸性鋼

大気中や中性電解液中で耐食性を示す鋼は "ステンレス鋼 "と呼ばれ、化学試薬や腐食性の強い媒体中で耐食性を示す鋼は "耐酸性ステンレス鋼 "と呼ばれる。

一般に、ステンレス鋼と耐酸性ステンレス鋼の両方を単にステンレス鋼と呼ぶ。ステンレス鋼は通常、クロム含有量が12%以上の鋼を指し、「ステンレス」という用語は相対的な概念である。同じ鋼でも、ある環境ではステンレスになるが、別の環境ではステンレスにならないことがある。

ステンレス鋼の分類：

化学組成からクロム鋼、クロムニッケル鋼、クロムマンガン鋼などに分けられる。

ミクロ組織に基づいて、マルテンサイト鋼、フェライト鋼、オーステナイト鋼、オーステナイト・フェライト二相鋼に分けられる。

用途により、耐海水ステンレス鋼、耐応力腐食ステンレス鋼、耐硫酸ステンレス鋼などに分けられる。

I.クロムステンレス鋼の耐食性

クロムステンレス鋼 クロムだけを含むか、FeとCを除く他の合金元素を少量添加したステンレス鋼を指す。

クロムはステンレス鋼において最も重要な合金元素であり、鉄鋼材料の耐食性を向上させる上で3つの優れた役割を担っている：

第一に、鉄基合金の不動態化を促進し、材料の不動態化能力を向上させる；

第二に、固溶体（通常は腐食電池の陽極）の電極電位を上げる、つまりマトリックス構造の熱力学的安定性を高める；

第三に、鋼材表面に緻密で安定した表面保護膜を生成させ、鋼材の耐食性を向上させる。

マルテンサイト系ステンレス鋼

マルテンサイト系ステンレス鋼 主にCr13タイプ（0Cr13を除く）のステンレス鋼が含まれる。このタイプの鋼は炭素含有量が高く、より高い耐食性を得ることができる。 強度と硬度 熱処理によって耐食性は向上するが、フェライト系ステンレス鋼やオーステナイト系ステンレス鋼ほど耐食性は良くなく、炭素含有量が多いほど耐食性は低下する。

これは 鋼種 は、機械的特性が要求され、耐食性がそれほど高くない場合に適している。

鋼のクロム含有量を増やし、少量のニッケルを加えることで、耐食性を向上させることができる。 マルテンサイト系ステンレス鋼例えば、1Cr17Ni2は最も耐食性の高いマルテンサイトで、酸化性酸やほとんどの有機酸に対して優れた耐性を持つ。

フェライト系ステンレス鋼

フェライト系ステンレス鋼 Cr13タイプ、Cr17タイプ、Cr25-28タイプなどがある。クロム含有量が高く、炭素含有量が低いため、マルテンサイト系ステンレス鋼よりも耐食性、高温耐酸化性に優れ、特に耐応力腐食性に優れている。

しかし、フェライト系ステンレス鋼は耐孔食性に劣る。 粒界腐食 抵抗がある。

フェライト系ステンレス鋼は、主に高温酸化、濃硫酸腐食、ガス硫黄腐食に耐性のある機器や部品に使用される。

2.クロム-ニッケル系ステンレス鋼の耐食性

ニッケルは鉄よりも受動能力が強く、熱力学的にも安定しているため、鋼の耐食性を向上させるのに有利である。

特にステンレス鋼に一定量のニッケルを添加することで、単相オーステナイトステンレス鋼組織を得ることができ、材料の靭性、塑性、加工性能を大幅に向上させることができる。

クロム-ニッケルステンレス鋼は、18%以上のクロムと8%以上のニッケルを含む最も典型的なオーステナイト系ステンレス鋼であり、18-8（または18-9）、18-12、25-20（HK40）などの種類のクロム-ニッケルステンレス鋼を形成している。

クロム-ニッケルステンレス鋼は、酸化性および非酸化性媒体の両方で優れた耐食性を有するが、応力腐食、粒界腐食、孔食などの局所腐食に対する耐性は低い。

局部腐食は合金化によって抑制することができ、炭素含有量を制御し、PおよびN含有量を低減し、Niを増加させ、Si、Mo、Cuなどを添加することで耐応力腐食性を向上させることができる。

オーステナイト-フェライト二相鋼もクロム・ニッケル系ステンレス鋼の一種で、フェライト鋼とオーステナイト鋼の特性を併せ持ち、相補的な性能を持つ。

さらに、析出硬化（PH）ステンレス鋼もクロム・ニッケル系ステンレス鋼に属する。

3.耐酸性スチール

耐酸性鋼とは、ある種の強い腐食性媒体に対して特別な耐食性を持つステンレス鋼を指す。

ある種の耐酸性鋼の場合、特定の媒体でのみ優れた耐食性を発揮する。

したがって、耐酸性鋼の選定にあたっては、腐食媒体の性質や状態を総合的に考慮し、強い腐食媒体の中でも確実に機能する材料であることを確認するために、適切な実現可能性試験を実施する必要がある。

3.非鉄金属の耐食性

アルミニウム、銅、マグネシウム、チタンなど。さらに、亜鉛、錫、カドミウム、金、銀、鉛などの有色金属は、コーティング材料やライニングとしてよく使用される。

I.アルミニウムおよびアルミニウム合金

1.純アルミニウムの耐食性

純アルミニウムは化学的安定性に乏しいが、不動態化性能に優れ、空気中で緻密で十分に保護された酸化皮膜を素早く生成できるため、耐食性に優れている。

Al2O3は両性であるため、培地のpHが4未満または10を超えると酸化皮膜が不安定になり、損傷して保護機能が失われる。 アルミニウムの腐食 を強める。アルミニウムは空気中や水中での耐食性に優れている。

2.の耐食性 アルミニウム合金

アルミニウム合金は一般的に純アルミニウムよりも強いが、耐食性は劣る。アルミニウム合金は、工業雰囲気、海洋雰囲気、淡水、海水に対して高い耐食性を持つが、孔食に悩まされることがある。

アルミニウム合金は不動態化が容易なため酸化性媒体では高い耐食性を持つが、非酸化性媒体では孔食、隙間腐食、応力腐食などの局部腐食を受けやすい。

2.マグネシウムおよびマグネシウム合金

1.マグネシウムの耐食性

マグネシウムは、ほとんどの無機酸や有機酸には不安定であるが、クロム酸やフッ化水素酸には極めて安定であり、これは表面保護膜が不動態になるためである。マグネシウムは海洋雰囲気や工業雰囲気では耐食性がない。

2.の耐食性 マグネシウム合金

マグネシウム合金の耐食性に関しては、変形マグネシウム合金はSCCの影響を受けやすいため、鋳造マグネシウム合金よりも耐食性が劣る。

しかし、一般的にマグネシウム合金の耐食性は低く、使用時には効果的な保護措置を講じる必要がある。

3.銅および銅合金

1.銅の耐食性

銅は化学的安定性が比較的高く、電極電位がプラスなので、一般に酸性溶液では腐食しない。

非酸化性の酸では、銅は高い化学的安定性を持つが、酸化性の酸では耐食性に劣る。

銅は他の酸化性媒体でも強い腐食を受ける。

銅は様々な大気条件下で良好な耐食性を持つが、SO2、H2S、Cl2ガスを含む湿った空気中では強い腐食を受ける。

また、水酸化アンモニウム水溶液やシアン化合物水溶液では錯イオンが形成されるため腐食する。

2.銅合金の耐食性

銅合金は一般的に、ベースとなる銅の熱力学的安定性の高さと、合金元素によって形成される表面保護膜の複合効果により、純銅よりも耐食性が優れています。

そのため、銅合金の腐食パターンは時に受動金属の特徴を示すこともある。

非酸化性の酸では、銅合金は高い化学的安定性を持つ。

銅合金は様々な大気条件下で優れた耐食性を持つ。その他の耐食性は銅と同じです。

銅合金には多くの種類があり、黄銅と青銅に分けられる。比較的、黄銅の耐食性は劣り、特に応力腐食割れ（黄銅季節割れ）と選択腐食（黄銅脱亜鉛）の傾向が強い。

4.チタンおよびチタン合金

1.チタンの耐食性

チタンは熱力学的安定性と活性化学的性質に乏しいが、酸化性媒体中では表面に緻密な保護酸化膜が形成され、安定した不動態となる。

一方では、保護膜は良好な自己修復特性を有し、他方では、様々な溶液（塩化物溶液を含む）に対しても非常に安定している。その結果、チタンは多くの腐食性媒体に対して優れた耐食性を有し、エンジニアリング用途に広く使用されている。

2.チタン合金の耐食性

耐腐食性 チタン合金 1つはPd、Ru、Ptなどの貴金属で、微量の添加で合金の耐食性を大幅に向上させることができる。

他のグループはTa、Nb、Moで、これらは安価だが、含有量が高い場合にのみ顕著な防錆効果を発揮する。

良好な耐食性を持つ市販のチタン合金はそれほど多くない。チタン合金は、使用中に隙間腐食、水素脆性、応力腐食、溶接部腐食、自然爆発腐食などの腐食形態を経験する可能性があります。

結論として、チタンおよびチタン合金は、耐食性に優れているだけでなく、他の材料よりも高い強度と耐熱性を有しているため、多くの分野で欠かすことのできない構造材料となっており、その応用の見通しは非常に有望である。

4.結論

この記事では、主に一般的に使用されている金属や合金の耐食性について紹介します。

本章の学習を通じて、鉄-炭素合金、ステンレス鋼、および一部の有色金属の耐食性と影響因子を習得し、耐食合金元素の主な機能と耐食合金の適用範囲を理解することに重点を置くべきである。