合金鋼は錆びるか？合金鋼の耐食性を理解する

はじめに

説明 は 合金鋼

合金鋼は、鉄と炭素以外の合金元素を含む鉄-炭素合金の一種である。

普通炭素鋼に適切な合金元素を1種類以上添加し、適切な加工技術を採用することにより、添加元素や加工方法に応じて、高強度、靭性、耐摩耗性、耐食性、耐低温性、耐高温性、非磁性などの特殊特性を得ることができる。

腐食と錆の概要

腐食

腐食は、前述の要因と機械的または生物学的要因の複合的な影響も含む。

の物理的溶解など、いくつかの物理現象がある。 金属材料 ある種の液体金属における腐食も、金属腐食に分類される。

一般的に錆とは、特に鉄鋼や鉄を主成分とする合金を指し、酸素と水の作用により、主に水和酸化鉄からなる錆生成物を形成する。

非鉄金属とその合金は、錆びることなく腐食することがあるが、その代わりに銅や銅合金の表面に銅のパティーナ（時折銅錆と呼ばれる）のような、錆と同様の腐食生成物を形成する。

さびや金属のさび

金属の錆びは、金属が周囲の媒体と接触することで起こる化学反応または電気化学反応であり、その結果、金属は破壊される。

主要合金元素が鋼の性能に及ぼす影響。

表1-38の主な合金元素が鋼の性能に及ぼす影響の説明。

腐食と錆びを理解する

腐食の仕組みの説明

金属腐食とは、金属が酸塩基性溶液、酸塩基性ガス、溶剤、中間体、アルコール、油脂などにさらされた後、腐食によって有効な特性を失う現象を指す。

金属は、外部環境要因の影響下で化学的・電気化学的反応を受けることが多く、腐食を引き起こし、金属を損傷することで安全上の危険につながる可能性がある。

金属の腐食による故障は、実験室での研究でよく見られる現象である。

例えば、鋼構造物は大気中で錆び、船舶の金属船体は海水中で腐食し、酸性または塩基性の液体を貯蔵する金属容器は腐食し、地下の金属管はパンクし、火力発電所のボイラーは損傷し、化学工場の金属容器は損傷する。

これらはすべて金属腐食障害の一例であり、金属表面と環境媒体との間の化学的または電気化学的反応によって引き起こされ、金属腐食として知られる金属の破壊または劣化をもたらす。

金属の腐食を防ぐには、化学的腐食と電気化学的腐食の両方を防ぐ必要がある。

化学腐食は、金属表面と周囲の媒体との化学反応によって引き起こされる損傷であり、腐食の過程で導電性の電解質溶液が存在するため、電流が発生する。

このタイプの腐食は最も一般的で、大気腐食、土壌腐食、海水腐食、電解質溶液腐食、溶融塩腐食などがある。

錆と腐食の要因

金属が錆びる主な原因は3つある：

1.湿度：多くの金属の臨界湿度は50%から80%の間であり、スチールは約75%である。環境湿度が金属の臨界湿度より低ければ、金属の酸化と腐食の速度は遅くなる。逆に湿度が高ければ、金属の錆の発生は加速される。

2.温度：一般に、金属の使用温度がその融点（絶対温度）の30%-40%に達すると、高温腐食環境とみなすことができると考えられている。温度が高いほど、金属腐食の発生確率は高くなり、腐食速度も速くなる。

3.腐食要因：ある種の金属を加工する際、塩化物や硫化物のような腐食性ガスが発生することがあるが、これは金属の酸化や錆びを促進する直接的な要因である。

合金鋼の耐食性

合金鋼の製造方法の説明

合金鋼は鋼材に合金元素を添加することで形成される。この過程で、基本的な 鋼の要素すなわち鉄と炭素は、新たに添加された合金元素と相互作用する。

このような相互作用のもとで、鋼材の構造と物質には一定の変化が生じ、鋼材の全体的な性能と品質も向上する。

そのため、合金鋼の生産量は増加し、その応用範囲はますます広がっている。

合金鋼の種類と耐食性の概要

耐食合金は媒体腐食に耐える能力を持つが、フッ素を含む環境では使用できない。

中でも金属耐食材料には、主に鉄基合金（ステンレス鋼など）、ニッケル基耐食合金、反応性金属の3種類がある：

1.耐食ステンレス鋼は、主に300シリーズのステンレス鋼を指します。 304として ハステロイC-276、316L、317Lなどの耐食合金、904L、254SMOなどの耐食性の強いオーステナイト系ステンレス鋼、2205、2507などの二相鋼、20合金などのCu含有耐食合金。

2.ニッケル基耐食合金は主にハステロイ合金とNi-Cu合金を含む。

ニッケル自体の面心立方構造により、その結晶学的安定性により、Feよりも多くのCrやMoなどの合金元素を受け入れることができ、それによって様々な環境に対する耐性を実現している。

同時に、ニッケル自体にも一定の耐食性、特に塩化物イオンによる耐応力腐食性がある。

還元性の強い腐食環境、複雑な混合酸環境、ハロゲン化物イオンを含む溶液では、ハステロイに代表されるニッケル基耐食合金は、鉄基ステンレス鋼よりも絶対的に優れています。

3.耐食性に優れた反応性金属は、Ti、Zr、Taに代表される。チタンは最も代表的なものであり、チタン材料は主にステンレス鋼が適応できない腐食環境において広範な用途がある。

チタン材料の耐食性原理は、酸化性雰囲気中で緻密な酸化皮膜を形成して保護することである。

そのため、一般に還元性の高い環境や密閉性の高い腐食環境では使用できない。

同時に、チタン材料の適用温度は一般的に摂氏300度以下である。フッ素を含む環境では反応性金属を使用できないことに注意することが重要である。

耐食合金鋼を使用する利点

耐食合金を使用する利点は以下の通りである：

1.合金はゴムや樹脂ライニングほど温度に敏感ではなく、異常な使用条件下でも損傷しにくい。

2.全合金製装置は一般に緊急冷却システムを必要としない。

3.合金部品の洗浄とスケール除去は、コーティングよりもはるかに簡単で、コーティングを傷つける心配もない。

4.合金表面の検査と補修もはるかに簡単で、補修作業に必要なのは有資格の溶接工だけである。

5.合金部品の工法や環境には一定の要件があるが、ゴムや樹脂のライニングに比べればはるかに厳しいものではない。

6.合金製品の性能変化は、一般に、保存期間のあるゴムや樹脂のそれよりも小さい。また、合金材料の検査は比較的簡単である。

耐食性に影響する要因

他の耐食材料との比較

耐食性:金属材料が周囲の媒体の腐食破壊に抵抗する能力を耐食性という。耐食性は、材料の組成、化学的性質、構造形態によって決まる。クロム、ニッケル、アルミニウム、チタンは鋼に添加することで保護膜を形成し、銅は電極電位を変化させ、チタンやニオブは粒界腐食を改善することで耐食性を向上させることができる。

はじめに

金属材料は、その汎用性と入手のしやすさから様々な分野で広く使用されているが、腐食しやすいという性質がその性能にも影響し、金属材料の使用を制限している。

この問題に対処するには、金属の使用量を減らすか、反応性媒体との直接接触をできるだけ避ける必要がある。 金属材料.

さらに、陰陽の分極作用を利用して電気化学的防食を行い、金属材料の保護を向上させることができる。これは、金属材料の寿命を延ばし、塗布コストを削減し、塗布効率を向上させる上で大きな実用的意義がある。

1. 金属材料の腐食とその危険性

1.1 金属材料の腐食

金属材料の腐食とは、金属材料が周囲の媒体と接触した際に、化学反応や電気化学反応によって損傷を受ける現象を指す。

自然界では、ほとんどの金属は様々な化合物の形で存在し、その化学的活性は 金属元素 は通常、その化合物よりも高い。

そのため、これらの金属は自然発生的に存在状態に進化し、金属の腐食は自然発生的かつ普遍的な現象であり、避けられない。

のメカニズムによれば 金属材料 腐食は通常、化学腐食と電気化学腐食に分けられる。

化学腐食とは、金属材料が周囲の媒体中の非電解質と接触し、酸化還元化学反応を起こすことで起こる腐食現象を指す。

これは、金属材料が有機溶液（芳香族炭化水素、原油など）中にあるときに発生する腐食である。

電気化学腐食とは、主に金属材料が電解液と接触し、金属表面が電解液と化学反応して水素吸蔵腐食や水素発生腐食を形成する腐食現象を指す。例えば、炭素鋼は空気中の酸素、二酸化炭素、水と反応して錆を形成する。

1.2 腐食の危険性

腐食は強度を弱め 金属の機械的性質 腐食は材料の寿命を縮め、さらには金属材料の効果を失わせ、経済的損失をもたらす。報告によると、2014年の腐食による中国の経済損失はすでに2000億元を超えている。

世界規模で見ると、腐食による経済損失は想像を絶する。腐食による損失には、金属製錬やリサイクル時に消費されるエネルギーも含まれる。

同時に、腐食は土地や水資源の汚染も引き起こす。腐食はまた、産業機器、橋梁構造物、船舶に損傷を与え、経済的損失をもたらしたり、個人の安全を脅かすことさえある。多くの事故は、腐食が直接的または間接的に原因となっている。

したがって、金属材料の防錆に関する研究は非常に重要である。

2. 腐食に影響する要因

2.1 金属固有の理由

金属の腐食には、金属材料の表面に発生する力や内部の特性など、金属そのものと密接な関係があり、これらはすべて金属の腐食と直接的な関係があります。通常、外形が規則的で構造的に問題のない金属は、表面に欠陥のある金属よりも耐食性に優れている。

内部の力が集中すると、金属の腐食速度が加速され、金属の品質を脅かし、金属表面により大きなダメージを与えることになる。

2.2 金属の外部条件

金属腐食を促進する主な外的原因には、以下のようなものがある：

(1) 運転媒体。使用媒体中の鋼材に最も大きな影響を与える要因はpH値であり、これは電解質溶液を区別するための重要な指標である。したがって、pH値が腐食度に及ぼす影響は複雑である。

(2) 温度の変化。一般に、温度が高いほど金属の腐食速度は速くなる。

(3) 圧力の違い。一般に、圧力が高くなると溶液中のガスの溶解度が高まり、金属の腐食領域が拡大し、徐々に金属表面全体に広がる。

3. 金属腐食の防止

3.1 金属表面の保護

処理にはリン酸塩処理と塩素処理の2つの方法がある。

金属のリン酸塩処理：

鉄鋼製品の油や錆を除去した後、金属と炭酸イオンからなる溶液に浸漬する。Zn、Mn、Cr、Feなどのリン酸塩を含む溶液で処理すると、金属表面に不溶性のリン酸塩皮膜が形成され、水に溶けない成分を形成する。

この処理をリン酸塩処理と呼ぶ。リン酸塩皮膜の色は暗灰色から黒灰色に変化し、厚さは5～20ミクロンで、強力な耐食侵食性を持つ。

リン酸塩皮膜の構造は細孔が多く、塗料を吸着しやすく、塗膜の最下層に使用すれば耐食性を高めることができる。

金属の塩素化：鉄鋼製品は熱処理後、塩化ナトリウムと亜硝酸ナトリウムの混合溶液で処理され、表面に青色酸化鉄皮膜が形成される。この水素膜は柔軟で潤滑性があり、部品の精度に影響を与えない。

バネ鋼や細い鉄線などの精密機器や光学機器部品も青色処理に使用できる。

もう一つの防錆方法は非金属コーティングである。プラスチックでコーティングされた金属表面は、塗装よりも優れており、プラスチックの被覆層は繊細で滑らかで、色は非常に明るく、腐食侵食と装飾の機能を持っている。SiOを含むセラミック₂SiO2を多く含むガラスセラミックスなどは、耐食侵食効果が高い。

3.2 重防食コーティング技術

重防錆塗料の塗装工程は非常に優雅で簡単であり、今でも多くの場所で使用されている。塗装技術の発展に従って、鋼橋表面の防錆塗装は鋼橋の防錆の鍵である。

この点で、海外ブランド塗料も国内旧ブランド塗料も、防錆塗装のプロセスと種類は似ており、下塗り、中塗り、上塗りなど多くの塗装システムで構成されている。

コーティングの種類は、エポキシリッチ亜鉛プライマー、エポキシ雲母酸化鉄中間コート、エポキシポリウレタン、エポキシカラートップコート、塩素化ゴムトップコートなど。鋼鉄と腐食環境はコーティングの被覆によって分離される。

塗装システムの受動的な耐食性効果では、最初の工場のプライマーは受動的な耐食性効果を有するが、殺菌効果は理想的でない。

防錆プライマーのカソード保護下で、亜鉛パウダーとリッチ亜鉛プライマーを添加すれば、鋼鉄のカソード保護に役立つ。

3.3 ホットスプレー防錆技術

溶射にはフレーム溶射とアーク溶射の2種類がある。フレームスプレー：熱源は可燃性ガスで、金属ワイヤーと粉末を溶かし、霧状にして対象物の表面に吹き付ける方法。

O2およびC2H2火炎スプレーは、欧米の鋼橋の初期防錆スプレーであり、顕著な防錆効果を達成した。

アーク溶射：アーク溶射装置を使用し、2本の帯電した金属ワイヤーを加熱、溶融、霧化、溶射して、防錆コーティング、および有機シーリングによる長寿命防錆複合コーティングを製造するのが、アーク溶射の防錆原理である。

3.4 イオン注入技術

イオン注入技術は1970年代に開発され、電気メッキ、電気リチウムメッキ、化学蒸着などの通常のコーティング技術とは異なる表面改質技術である。

高速高エネルギー衝撃を利用して表面特性を変化させる新しい技術で、真空状態の基板表面に高エネルギーイオンを急速に注入する。これにより、表面構造を緻密化し、基板表面に高飽和固溶体、準安定相、非結晶・平衡合金を注入することができ、基板表面の耐食性・耐侵食性を向上させることができる。

例えば、金属へのイオン注入は、表面の化学的特性を改善し、金属表面の防錆侵食機能を高めるために使用される。アルミニウムや亜鉛合金の表面改質は、イオン注入技術が開発された当時、すでに研究のホットスポットでした。

近年、マグネシウム合金の耐食性を向上させるため、イオン注入技術が徐々に応用されている。

3.5 溶融亜鉛めっき防錆技術

溶融亜鉛めっきは、亜鉛、錫、鉛、その他の低融点金属などの金属皮膜に使用される防錆技術です。

金属皮膜は、溶融金属の浴槽に金属を浸漬することによって製造される。この技術は、薄鋼板や食品保存容器の製造、化学的耐食性、電気ケーブルのコーティングなどに広く利用されている。

アルミニウムの溶融亜鉛めっきは、主に鉄鋼部品の高温酸化からの保護に使用される。

製造工程における防錆コーティングとコスト管理の需要が高まるにつれ、溶融亜鉛メッキ技術は金属合金コーティング技術の開発へと徐々に進化している。

3.6 電気化学的腐食保護技術

電気化学の関連理論に基づき、「電気化学的保護法」は金属デバイスに使用され、腐食電池の陰極となり、金属の腐食や侵食を防止または低減する。

第一の方法は「犠牲陽極保護法」で、保護される金属よりも低い電極電位を持つ金属または合金を陽極として使用し、保護される金属上に固定して「腐食電極」を形成することで、金属を陰極として保護する方法である。犠牲陽極としては、亜鉛、アルミニウム、合金が一般的に使用される。

この方法は主に、船体など海中にあるさまざまな金属装置の保護や、石油タンクや石油パイプラインなどの装置の耐食性を高めるために使用される。

第二の方法は、保護された金属ともう一つの追加電極を電池の両極として使い、外部直流電流の作用下で金属が陰極として保護されるように、外部電流を印加する方法である。

この方法は、土壌、海水、河川水による金属機器の腐食や侵食を防ぐために主に使用される。

結論

結論として、金属材料には重要な応用価値があり、金属材料の腐食防止は技術者にとって重要な研究テーマでもある。

最近、金属材料の腐食作業の綿密な研究により、金属材料の防錆技術とプロセスは一定の成果を達成した。

しかし、中には 新素材 また、いくつかの防錆処理法は、環境への悪影響、高い処理コスト、複雑な運転条件などの問題を抱えている。

したがって、金属材料の腐食防止対策に関するさらなる研究は、依然として重要な研究価値と実用的意義を持っている。

合金鋼と他の材料との比較

他の耐食材料との比較

非鉄金属およびその合金の耐食性

非鉄金属および合金の耐食性

産業界では、鉄鋼は黒色金属と呼ばれ、それ以外の金属は非鉄金属と呼ばれる。非鉄金属とその合金は、耐食性と低温性能に優れているため、水処理装置、化学薬品容器、関連機器部品の製造によく使用される。

銅とその合金

銅とその合金は高い導電性、熱伝導性、塑性変形性、冷間加工性を持ち、多くの媒体で優れた耐食性を持つ。

1.純銅

別名赤銅。銅は一般的な大気条件、工業用大気条件、海洋大気条件では比較的安定で、アルカリや弱～中強度の非酸化性酸にも安定である。

溶液に酸素や酸化剤が含まれている場合、腐食はより深刻になる。銅は硫化物（H2Sなど）の腐食には耐性がない。

銅は高い導電性、熱伝導性、塑性加工性を持ち、冷間加工性も良い。しかし、銅は強度が低く、鋳造性に劣り、媒体によっては耐食性に劣るため、構造材料として使われることはほとんどない。

2.銅合金

一般的な銅合金は真鍮と青銅である。

1）真鍮

銅と亜鉛の合金は黄銅と呼ばれる。その性能を向上させるために、スズ、アルミニウム、シリコン、ニッケル、マンガン、鉛、鉄などが添加され、特殊な黄銅合金が形成されることが多い。

特徴 機械的特性は亜鉛含有量と密接な関係があり、鋳造性は良好で、耐食性は良好である。亜鉛含有量が20%を超える黄銅は、冷間加工後、湿った雰囲気、海水、高温高圧水、蒸気、アンモニアを含むすべての環境で応力腐食割れを起こす可能性がある。

黄銅は、中性溶液、海水、酸洗液で脱亜鉛腐食されやすい。 アニールこれは、黄銅に0.02%のヒ素を添加することで防ぐことができる。

2）ブロンズ

主な添加元素が亜鉛ではなく、スズ、アルミニウム、シリコン、その他の元素である銅合金はすべて、一般に青銅と呼ばれる。一般的な青銅には、錫青銅、アルミニウム青銅、シリコン青銅などがある。

特徴 錫青銅は黄銅よりも鋳造性が悪く、純銅や黄銅よりも耐食性に優れるが、酸による腐食には弱い。

アルミニウム青銅は、黄銅や錫青銅よりも機械的性質に優れ、大気、海水、炭酸、ほとんどの有機酸において、黄銅や錫青銅よりも高い耐食性を持っています。

シリコン青銅は錫青銅よりも機械的性質が高く、価格も安く、鋳造性や冷間・熱間加圧加工性に優れている。

アルミニウムとその合金

1.アルミニウム

特徴 アルミニウムは密度が低く、比重は2.7で銅の約3分の1。導電性、熱伝導性、塑性変形性、冷間加工性は良いが、強度は低く、冷間変形で改善できる。

アルミニウムは電極電位が非常にマイナスの元素であり、強い酸化媒体や酸化性酸（硝酸など）にも安定である。

ハロゲンイオンはアルミニウムの酸化皮膜を破壊する作用があるため、アルミニウムはフッ酸、塩酸、海水などのハロゲンイオンを含む溶液では耐食性を示さない。

アプリケーション 反応器、熱交換器、冷却器、ポンプ、バルブ、タンク車、管継手などの製造に広く使用されている。

2. アルミニウム合金

純アルミニウムの強度は低いが、銅、マグネシウム、亜鉛、マンガン、ケイ素などの元素をアルミニウムに加えると、強度が向上する。

チタンとその合金：

1.純チタン：

特徴 純チタンは反応性元素です。優れた不動態化特性を持ち、安定した不動態化皮膜は多くの環境で優れた耐食性を発揮します。耐海水腐食性の王様」として知られています。

高温では、チタンは非常に化学的に活性で、ハロゲン、酸素、窒素、炭素、硫黄などの元素と激しく反応する。

チタンは一般的に孔食を起こさず、一部の媒体（硝酸やメタノール水溶液のような煙の出るもの）を除いては、腐食を起こさない。 粒界腐食チタンは応力腐食割れに対する感受性が低く、良好な耐食疲労特性を持ち、隙間腐食に対する耐性も高い。

2.チタン合金：

特徴 チタン合金の機械的特性と耐食性は、純チタンと比較して著しく改善されている。

工業では、純チタンの代わりにチタン合金が使用される。チタン合金の主な腐食形態は以下の通りです。 水素分解 と応力腐食割れがある。

ニッケルとその合金：

1.ニッケル：

特徴 ニッケルは、あらゆる温度・濃度のアルカリ水溶液やあらゆる種類の溶融アルカリに対して非常に高い耐食性を示す。

しかし、ニッケルは、硫黄ガス、濃アンモニア水、強アンモニア水、酸素酸、塩酸を含む環境では耐食性があまり高くない。

ニッケルは高強度、高塑性、冷間加工に強く、冷間圧延で極薄板や細線にすることができる。

ニッケルは希少で高価であるため、主に水処理工学や化学工学でアルカリ媒体用の装置を製造したり、鉄イオンが触媒障害を引き起こし、ステンレス鋼を使用できないプロセスで使用される。

2.ニッケル合金：

Ni-Cu合金の中のモネル合金は、機械的性質と被削性に優れ、加圧加工や切削加工が容易で、耐食性にも優れている。主に高温荷重下で使用される耐食部品や機器に使用される。

Ni-Mo合金のハステロイ合金（0Cr16Ni57Mo16Fe6W4）は、室温ですべての濃度の塩酸とフッ化水素酸に耐性がある。

Ni-Cr合金のインコネル合金（0Cr15Ni57Fe）は、高温での機械的特性が良好で耐酸化性が高く、濃厚MgCl2の腐食に耐える数少ない材料のひとつである。

結論

この記事では、合金とは何かを紹介し、腐食と錆の違いを説明し、耐食合金の利点と耐食合金の使用について詳しく分析する。さらに、金属材料の耐食性に影響を与える要因についても詳しく説明します。最後に、主な金属材料の耐食性性能表を提供し、非鉄金属とその合金の耐食性を分析する。

これを読んで、「合金は錆びるのか」という疑問に対する明確な答えが得られたと思う。