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(A 2 O 3 H 2 O),hydrargillite(α A 2 O 3 3H 2 O) などが挙げ られており, これらのうち hydrargillite が熱力学的に最も 安定であるということから,Al H 2 O 系の E 図として Al hydrargillite H 2 O 系のそれが載っている Pourbaix に倣って Al hydrargillite H 2 O 系の E 図が他書でも 多く見られると思われるが,7~ 85 以下の水中の腐食生成物はhydrargillite でなく bayerite であると Godard の書 6) にあることから, 図 2(b) には Al bayerite H 2 O 系の E 図を詳細に描いてみた 図 2(a) には hydrargilliteの溶解度も合わせて示している bayerite の溶解度の方が少し大きく, これを反映してE 図の不動態 域はbayerite の方が少し狭くなる イ ン 度,log(Al 3+ AlO 2 ) 電極電位 ( vs. SHE) 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1..5.5 1. 1.5 2. 2.5 2 4 6 8 1 12 14 2 2 4 Al 3+ 4 6 Al 6 6 6 4 4 2 AlO 2 2 2 4 6 8 1 12 14 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 図 2 25 における, バイヤライト (Al 2 O 3 3H 2 O) Al 3+ AlO 2 系の溶解度に与える の影響 (a) 3), および Al バイヤライト H 2 O 系における電極電位 平衡図 (b) Fig.2 influence on solubility for bayerite (Al 2 O 3 3H 2 O) Al 3+ AlO 2 system (a) 3), and electrode potential equilibrium diagram for Al bayerite H 2 O system (b), at 25. 食のおはなしシリーズで引用した電極電位値は, 全て標準水素電極 (standard hydrogen electrode:she) 基準への換算値を示した これらの腐食速度, 自然電位の 依存性に関しては おはなしその 3 9) で H 2 O 環境のカソード反応の同依存性とともに詳述した すなわち, の上昇とともに式 (2) のアノード反応が速くなり, これを賄うカソード反応として式 (3) の反応が必要になった で自然電位が急激に卑化する, というものである 孔食を誘起しうる塩化物イオン (Cl ) 環境であれば, この急激に卑化する より酸性側で孔食が起こり, アルカリ性側で均一腐食が進行し孔食は起こらない こうした腐食形態に関する臨界 は, 鉄鋼材料に関する酸性側の脱不動態化 ( d ) の概念 4) に類似する 片や Al に関する酸性側では による腐食形態の変化は不明瞭である 海水程度の Cl 濃度環境であれば, 塩化アルミニウム (AlCl 3 ) の飽和水溶液の である 2.3 以下であっても, 水素イオン (H + ) の H 2 への還元をカソード反応として, 孔食などの局部腐食と均一腐食とが同時に進行しうる アルカリ側の臨界 を本報では base d と記す 図 3 (a) では腐食速度の立ち上がる は 33K よりも 333K でより低い より高温の 368~393K では 7~8 で立ち上がる 1) こうして base d は温度の影響を大きく受けて低くなる 11) 熱力学的平衡を示すE 図を基に, 電極電位 (E) と とに関する腐食領域図を考察する場合,Al に限らず溶存イオン濃度 1 6 M を基準とすることが慣例である 4), 12), 13) 図 3(b) にもみられるように, 実験的に観察される base d はE 図において AlO 2 濃度を 1 4 M としたときの平衡 14) と対応している 腐食形態領域を考察する場合には,1 6 M でない平衡 が有用な場合もある 以前 15) にも述べたが, 各腐食形態 (corrosion form) 16) の名称は, 必ずしも侵食形状 (penetration shape) と対応した意味合いの用語でなく, 腐食機構に基づく分類名称である 各腐食事例における腐食形態の把握は, 防食設計に根本的方向性を与えるものとして重要である 2.3 脱不動態化 99.5%Al の NaOH 水溶液中 33K および 333K における腐食速度 7), および661 合金の 1M Na 2 SO 4 を基本とした水溶液中 299K における自然電位の 依存性 8) を図 3 (a) および (b) にそれぞれ示す ただし, 本報を含め, 腐 Furukawa-Sky Review No.7 211 39

電極電位 ( vs. SHE) 腐食速度 (g/m 2 /y) 16 12 8 4 -.5-1. -1.5-2. -2.5 2 4 6 8 1 12 14 Al 3+ 298K Al 2 4 6 8 1 12 14 333K 6 6 4 6 33K 2 AlO 2 6 図 3 99.5%Al のNaOH 水溶液中 33K および 333K における腐食速度 (a) 7), および 661 合金の 1M Na 2 SO 4 水溶液中 299K における自然電位 (b) の 依存性 8) Fig.3 Corrosion rate of 99.5% Al in NaOH solution at 33K and 333K (a) 7), and open circuit potential of 661 alloy in a deaerated 1M Na 2 SO 4 solution at 299K (b) 8) as a function of. 腐食形態は, 両性金属であってアルカリ側の耐食 の低いAlに特徴的であるといえ, カソード腐食 と呼ばれる 一般的な金属の防食法の 1 つに カソード防食 がある これは当該材料にカソード電流を印加して, 腐食が進行している自然電位 ( 腐食電位 ) より卑な電位域に保持することでアノード反応を抑制するものである Al 合金ではこうしたカソード電流の印加で腐食することがある 11 の 1M Na 2 SO 4 +NaOH 溶液中で自然電位より卑な電位域に保持した Al の溶解速度を図 4(c) 2) に示す これらの保持条件をE 図中にプロットしたものを図 4(a) に,99.7%Al について 11 の水溶液中で測定した分極曲線を図 4(b) 11) にそれぞれ示す 図 4(a) から最も卑な保持電位はAl/AlO 2 の平衡電位あたりにあり, 図 4(b) の分極曲線から各電位では 2 章の式 (3) に示した H 2 発生反応が活発に起こることが分かる 図 4(c) では, 保持電位が卑なほど溶解速度は速い すなわち, 保持電位が卑なほどカソード腐食が促進されており,Alの不感域近くでの保持も例外でない こうした現象は中性環境でも同様である 16) これらの定電位保持時に外部電流として測定されていたであろうカソード電流は, 式 (3) を内容としたカソード電流から式 (2) を内容としたアノード電流を減じた値に相当している 3. カソード腐食 3.1 カソード近傍の 上昇腐食反応において, アノード近傍では Al 3+ が式 (4) のように加水分解し, が下がる Al 3+ +3H 2 O Al(OH) 3 + 3H + (4) これに対してカソード近傍の は上がる H 2 O 環境のカソード反応 9) がすべて,H + 消費または OH 生成であるからである これらの 変化は, アノードとカソードとが場所的に重なっている場合は互いに相殺されて進まないが, 分離の程度が大きいほど促進される 分離したアノード近傍では, 生成した Al 3+ および H + に対する電気的中性条件の要請により, 沖合溶液から陰イオンが泳動してくる Cl などが泳動してくると H + の活量係数が増大し, はさらに下がる 17), 18) また, 分離したカソード近傍に, 沖合からアルカリ金属イオンが泳動する場合にアルカリ化は進みやすい アノード近傍の 低下は,Al 合金も含まれる不動態化金属材料に起こる孔食 すきま腐食などの局部腐食の発生と成長のメカニズムに相当する 局部腐食に限らなくても, アノード反応による 低下がさらにアノード反応を促進した結果, また炭素鋼の場合などはカソード反応による 上昇がカソード表面を不動態化させた結果, 腐食面に凹凸ができることもある Al 合金は, カソード近傍の 上昇によっても腐食しうる この 電極電位 ( vs. SHE) 溶解量 (g/cm 2 ) 1.5 1..5.5 1. 1.5 2. 2.5 6 Al 6 2 4 6 8 1 12 14 6 6 Al 3+ AlO 2 air saturated deaerated Al + 4OH AlO2 + 2H2O + 3e 2H2O + 2e H2 + 2OH 2. 2.5.1 1 1 1 1 電 度 (A/cm 2 ) 8 7 6 5 4 3 31 m/min 2 1 5 1 15 2 25 (min) 図 4 電極電位 平衡図中の保持電位 (a),=11 の溶液中における 99.7%Al の分極曲線 (b) 11), および =11 の 1M Na 2 SO 4 +NaOH 水溶液中で水素発生電位域に保持した場合の溶解量 Fig.4 Experimental potentials plotted in E equilibrium diagram (a), polarization curves obtained for 99.7% Al in aqueous solution at 11 (b) 11), and mass loss for cathodic potentiostatic polarization in 1M Na 2 SO 4 NaOH solution at 11 (c) 2), at 25 C. 1.5 1..5.5 1. 1.5 4 Furukawa-Sky Review No.7 211

3.2 カソード防食 われわれは, 普通, 裸の金属 Al を見ることはできないが, もし裸の金属 Al が扱えるとしてこれをカソード防食法によって完全に防食しようとすれば,E 図の不感域にあるように, その電位を下げることによって達成される と久松先生の解説 19) にある この達成には, 文中にある ( 不動態皮膜のない ) 裸の金属 Al を扱える ことの他にも仮定が必要なことは図 4 からも推察できる しかし, カソード防食により塩化物環境における孔食を抑制することはできる 孔食は孔食電位 (E PIT ) より卑に保持することで発生を防止できるからである さらに, E PIT より卑な食孔再不動態化電位 (E R,PIT ) より卑な電位域に保持することで, たとえ孔食が進行していても, その進行を止めることができる またE R,PIT はすきま腐食電位 (E CREV ) に近く, こうした電位域ではすきま腐食をも防止できる 15),2).3% 塩化ナトリウム (NaCl) 水溶液中の 33 合金および人工海水中の 583 合金にカソード防食を施した場合の保持電位と腐食減量との関係を図 5 に示す 21),22) それぞれの合金/ 環境の組み合わせで最適防食電位域があり, それより卑電位域でカソード腐食が生じる 保持電位が最適防食電位域の下限値を下回らないことが重要である Al Mg 合金では, 不動態保持電流密度 (i pass ) およびカソード反応活性の環境依存性が他合金より大きい 海水中であっても, 溶存酸素 (O 2 ) 還元反応がi pass を凌いで自然電位を E PIT まで押し上げて保持しにくく, これが Al Mg 合金が海洋性環境耐孔食性合金として用いられる所以である 23) これらから,583 合金の自然電位の値域が広く, 自然電位直下でのカソード防食効果が 33 合金ほど明瞭でないと推察できる カソード防食としては, 外部電源からのカソード電流の印加のみならず, 自然電位のより卑な金属 合金を電気的に接触させ, これを犠牲材とする方法も含まれる Al 合金を孔食からカソード防食する犠牲材としては,Zn を添加したAl 合金が用いられる Al 合金への Zn 添加は E PIT を卑化させ, 例えば 1 mass% の添加で 1 mv 程度卑化する 24) E PIT は環境中 Cl 濃度依存性が大きい 15) が, このような Zn 添加合金を犠牲材として用いることで, 被防食合金のE PIT と犠牲材のE PIT とが環境の Cl 濃度に応じて連動して, その差が常に 1 mv 程度に保たれる 最適防食電位域の環境依存性が問題になりにくい方法といえる 3.3 Znとの接触腐食図 5 中には中性塩化物環境における炭素鋼および Zn の自然電位, さらに Fe の平衡電位 (E Fe eq ) も示した Zn めっき鋼板では,Zn の自然電位がE Fe eq より卑なことで Fe を不感域に保持する さらに, めっき Zn の腐食生成 物の平衡 がアルカリ寄りであることも, 端面などに露出した鋼の腐食速度を遅らせる 25) それでは,Al 合金と Zn とが接触したらどうなるであろうか Zn の自然電位と Al 合金の最適防食電位域の下限値との関係は微妙である 4) が, 結果としては, どちらかが犠牲材となり他方を防食することはなく,Al 合金と Zn の双方の腐食が促進されてしまう 26) Al 合金との接触で Zn の腐食が促進され, 鋼に対しては腐食抑制に働いた Zn の腐食生成物の高い平衡 が Al には攻撃的に働く, という負の因果関係の連鎖が起こるからである 腐食減量 (mg/cm 2 ).4.35.3.25.2.15.1.5 E.2.3.4.5.6.7 8. 9. 1. 1.1 電極電位 ( vs. SHE) 図 5.3%NaCl 水溶液中の 33 合金 21) および人工海水中の583 合金 22) を自然電位より卑に定電位保持した場合の腐食減量 Fig.5 Mass loss of cathodic potentio-staticcally controlled 33 alloy in.3% NaCl aqueous solution 21) and 583 alloy in artifical marine water 22). 4. カソードピット 4.1 実測腐食領域図各種 2 元系合金および化合物について,ASTM G69に従って53 g/l NaCl 水溶液に3 g/l H 2 O 2 を添加した液中で測定した自然電位 24) を図 6 に示す ほとんどの実用 Al 合金は, 元素を固溶した母相に第 2 相として化合物が分布した複合材料として捉えることができ, こうした構成が機械的特性のみならず溶解 腐食挙動にも様々な特徴を与える 27) 586 合金について, 海水相当の Cl 濃度の種々の 緩衝溶液を用いて実験的に求められた腐食領域図を図 7 28) に示す 酸溶解, アルカリ溶解, 全面での孔食, およびカソード腐食によるgeneral attack( 全面腐食 ) 域の中に passivity( 不動態 ) 域が浮かんでいる passivity 域の貴側にあるpitting( 孔食 ) 域は通常のCl による孔食である imperfect passivity( 不完全不動態 ) 域の下限電位は 3 章で述べたE R,PIT およびE CREV に相当する 図 7ではpassivity 域の卑側にもpitting 域が示されている これは, 式 (3) で示した H 2 発生反応の過電圧が, 母相と第 2 相とで異なるために起こる 11) すなわち, 第 2 相表面では母相表面より貴な電位から H 2 発生が起こる 16 14 12 1 8 6 4 2 腐食減量 (mg) Furukawa-Sky Review No.7 211 41

電極電位 (m vs. SHE) 2 2 4 6 8 1 High-purity binary alloys Solution heat treated and quenched Solid solution In excess of solid solution ASTM G69, 53 g/lnacl + 3 g/lh 2O 2 12 2 4 8 1 元素量 (mass%) Secondary phase Si 3 Ni 3 Fe 2 u 6 n 2 u Zn 2 3 2 2 Si 図 6 高純度二元系合金および化合物の 25 の53 g/l NaCl + 3 g/l H 2 O 2 水溶液 (ASTM G69) 中自然電位 24) Fig.6 Open-circuit potentials obtained in a solution of 53 g/ L NaCl + 3 g/l H 2 O 2 at 25 for high-purity binary alloys and intermetallic phases 24). 電極電位 (m vs. SHE).2.4.6.8 1. 1.2 1.4 1.6 1.8 2. 3 6 6 6 General attack Pitting Imperfect passivity Passivity Pitting General attack O 2 4.2 生成を駆動するアノード反応カソードピットは自然浸漬でも発生する 希薄塩化物水溶液への自然浸漬後の 3 系合金および弱アルカリ水溶液への自然浸漬後の 5 系合金に見られたピットの観察写真を図 8 31) および図 9 32) にそれぞれ示す 自然浸漬状態では外部電源からのカソード電流はないので, これに相当するカソード反応および対応するアノード反応がともに合金表面で進行する必要がある 中性環境におけるi pass レベルのアノード反応速度ではカソードピットは生成しない このときの環境条件は図 7 中の passivity 域にある 図 8ではCl 孔食が, 図 9ではアルカリ溶解がアノード反応速度を増加させ, これらに対応するカソード反応が第 2 相表面に集中してカソードピットが生成した 図 8では通常のCl 食孔 (Cl corrosion pit) とカソードピットとが隣り合うコンビネーションピットとなっている 左側がカソードピットで, 溶解面が滑らかである 右側の Cl 食孔部には粒界腐食も見られる 海水環境の自然浸漬でも, 通常のCl 食孔とカソードピットとが同時に成長する場合がある 29) このときの環境条件は図 7 中の passivity 域の貴側にある 図 9(a) に示したカソードピットに関する生成メカニズムを図 9(b) に示す このときの環境条件は図 7 中のpassivity 域の右下辺りの pitting 域にある 本報で述べてきたことが集約されたような現象である 通常の Cl 孔食に関しては, その発生を促し, 成長を駆動するのがカソード反応であるという考え方をするが, カソードピットに関しては, それが入れ替わった主客逆転が面白い 5 m ) 2.2 2.4 6 2.6 2 4 6 8 1 12 14 図 7 586 合金について塩化物環境で実験的に求められた電極電位と とに関する腐食領域図 28) Fig.7 Experimentally determined corrosion diagram in terms of electrode potential and for 586 alloy in a chloride environment 28). ため, こうした電位域では第 2 相近傍溶液がアルカリ化して局所的なカソード腐食が起こり, ピットができる これをここではカソードピットという さらに卑な general attack 域では母相表面からも H 2 が発生し, カソード腐食が全面で進行する 1 m 図 8 希薄塩化物水溶液に自然浸漬した 3 系合金に生成したCl およびカソードコンビネーションピットに関する, 断面の光学顕微鏡写真 (a), およびピット底部の SEM 写真 (b) 31) Fig.8 Cross section photograph (a), and SEM image of the bottom surface (b) for the Cl and cathodic combination corrosion pit generated on 3 series alloy under dilute chloride environment 31). 42 Furukawa-Sky Review No.7 211

O2 5 m アノード反応化 物 4OH O 2 2H 2O3e e カソード反応 3H2O3e 3OH 32 H2 H2O OH e 図 9 弱アルカリ性水溶液に自然浸漬した 5 系合金に生成したカソードピットに関する,SEM 写真 (a), および生成機構の模式図 (b) 32) Fig.9 SEM image (a), and schematic illustration of generation mechanism (b), for the cathodic corrosion pit generated on the 5 series alloy under mildly alkaline environment 32). 5. おわりに 昨年, 表面技術協会殿主催のセミナー 3) で午前中の講 義を 1 コマ仰せつかった際, 腐食挙動についてひととおり話し終えてから, アルミニウムは, 四面楚歌で逃げ道の塞がれた 絶望的な金属 である と申し上げた ここの四面とは, もちろん電位 図における貴 卑 酸 アルカリのことである アルミニウム合金メーカーに身を置きながら, 絶望的な金属 とは不謹慎極まる発言とお叱りを受けるかもしれないが, セミナーがアルミニウムの表面処理技術者を対象としていたため, だからこそ, 表面処理技術が重要 と続けるために用いた表現であった 意図に反して, 表面処理技術の重要性 よりも 腐食挙動の絶望性 を強く印象付けてしまったためか, 続きのコマの講師の先生方の幾人かが, アルミニウムは 絶望的な金属 でありますが, と小職の言をその日の Keyword のように引用され, 終日苦笑することとなった アルミニウム合金が, 適切な合金選択 防食設計 表面処理のもと, その自力が過小, 過大に評価されることなく, 使用される製品群が今後も増え続けることを願いながら, 本年も大方のご批判を切に請う次第である 参考文献 1) E. Nactigall : Aluminium, 33 (1957), 95. 2) H. Kaesche : Metallic Corrosion, NACE, (1985), 27. 3) M. Pourbaix : Atlas of Electrochemical Equilibrium in Aqueous Solutions, Pergamon Press, (1966), 168. 4) 腐食防食協会編 : 材料環境学入門, 丸善,(1993),19,24,97, 98,261,269. 5) 高谷泰之, 山川宏二, 吉沢四郎 : 材料,35 (1986),25. 6) H. P. Godard, W. B. Jepson, M. R. Bothwell and R. L. Kane : The Corrosion of Light Metals, John Wiley & Sons, Inc., (1967), 4, 9. 7) M. R. Tabrizi, S. B. Lyson, G. E. Thompson and J. M. Ferguson : Corrosion Science, 32 (1991), 733. 8) T. C. Tan and D. T. Chin : J. Electrochem. Soc., 132 (1985), 766. P. Drodten : Corrosion Resistance of Aluminium and Aluminium Alloys, Wiley-VCH, (21), 468, 49, 475. 9) 兒島洋一 : Furukawa-Sky Review,4 (28),73. 1) H. H. Uhlig and R. W. Revie : Corrosion and Corrosion Control 3rd ed., John Wiley & Sons, (1985), 341. 岡本剛他監訳腐食反応とその制御第 3 版, 産業図書, (1989),353. 11) 本川幸翁, 坂井一成, 兒島洋一 : 材料と環境 21 講演集, 腐食防食協会,(21),363. 12) G. Wranglén : An Introduction to Corrosion and Protection of Metals, 吉沢四郎他訳金属の腐食防食序論, 化学同人, (1973),231. 13) 腐食防食協会編 : 金属の腐食 防食 Q&A, 丸善,(1988),154. 14) 池田洋 : 住友軽金属技報,41 (2),134. 15) 兒島洋一 : Furukawa-Sky Review,2 (26),62. 16) M. G. Fontana and N. D. Greene : Corrosion Engineering, McGraw-Hill, (1967), 28. 17) 増子曻, 高橋正雄 : 電気化学 問題とその解き方, アグネ技術センター,(1993),98. 18) 高橋正雄 : 防食技術,23 (1974),625. 19) 久松敬弘 : 軽金属,18 (1968),173. 2) 当摩建, 竹内庸 : 軽金属,29 (1979),498. 21) 田部善一, 萩原理樹, 重光治 : 防食技術,23 (1974),485. 22) 軽金属協会 : アルミニウム材料の基礎と工業技術, 軽金属協会, (1985),215. 23) 大谷良行, 兒島洋一 : 材料と環境 28 講演集, 腐食防食協会, (28),371. 24) J. R. Davis : Corrosion of Aluminum and Aluminum Alloys, ASM, (1999), 28. 25) 日本鉄鋼協会材料の組織と特性部会 : 建材用塗装鋼板の端面防錆機構解明および寿命予測研究会報告書, 日本鉄鋼協会, (29). 26) 宮島知久, 小林敏明, 倉田正裕, 兒島洋一 : 材料と環境 211 講演集, 腐食防食協会,(211),B24. 27) 軽金属学会研究委員会表面技術部会 : 研究部会報告書 No.22, アルミニウム合金の表面処理性に及ぼす金属間化合物の影響 ( その 1) 調査報告, 軽金属学会,(199),2. 28) Ph. Gimenez, J. J. Rameau and M. C. Reboul : Corrosion, 37 (1981), 673. 29) Kemal Nisancioglu : Corrosion behavior and protection of copper and aluminium alloys in sea water, edited by D. Féron, Woodhead Publishing, (27), 145. 3) 表面技術協会 : 第 3 回ライトメタル表面技術部会サマーセミナー, 表面技術協会,(21),7. 31) 大谷良行 : 未発表 32) 本川幸翁 : 未発表 Furukawa-Sky Review No.7 211 43

兒島洋一 (Yoichi Kojima) 技術研究所 本川幸翁 (Yukio Honkawa) 技術研究所 大谷良行 (Yoshiyuki Oya) 技術研究所 44 Furukawa-Sky Review No.7 211