腐食概論:腐食の基礎

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 腐食とは

 【はじめに】

  JIS Z 0103「防せい・防食用語」では,“腐食(corrosion)”を“金属がそれをとり囲む環境物質によって,化学的又は電気化学的に侵食されるか若しくは材質的に劣化する現象。”と定義している。
 金属の腐食現象は,次項の【腐食は化学反応】で解説するように,金属と環境成分との化学反応の結果として現れる。化学反応を適確に理解するためには,反応性(反応機構)と反応の速さ(反応速度)を分けて考えるのが望ましい。
 金属の腐食では,固体である金属の表面において,表面に付着(吸着)した環境成分(気体成分や液体成分)との化学反応を考慮しなければならない。
 金属表面での化学反応機構と反応速度の理解し易さの観点から,一般的には,腐食現象を電気化学で説明することが多い。
 これが化学を専門としないものにとって,大変取り付きにくい技術分野にしている要因でもある。
 そこで,金属の腐食現象を簡単に理解できるよう,金属学的な基礎知見,腐食を電気化学で扱う理由,金属表面で起きる化学反応の基礎,腐食のし易さと腐食速度の違いなどについて,できるだけ平易に解説することを心がけた。
 なお,構造物で使用実績の多い鋼の実用環境,すなわち大気環境,海水環境,土壌環境などにおける腐食は,「鋼の腐食」の項で詳しく紹介する。
 
 ここでは,腐食理解のための基礎情報を,次に示す構成で紹介する。
 金属表面の特徴では,腐食開始に大きく影響する金属組織や表面構造などの特徴について紹介する。
 腐食は化学反応では,腐食時に起きる金属表面の化学反応,電気化学で扱う理由などの,腐食反応の理解を助ける情報を提供する。
 腐食の開始と継続では,経験的に理解されている金属の腐食し易さ,金属の腐食速さについて,その化学的根拠を紹介する。
 腐食現象の分類では,一般的な分類を紹介し,その中で経験されることの多い均一腐食については,その原理と腐食速度に影響する要因を,局部腐食については,代表的な酸素濃淡電池,異種金属接触による局部的な腐食現象を紹介する。

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 【腐食とは】

 各種金属の中で,金属状態のまま天然で産出されるのは,金,水銀,自然白金,自然銅や隕鉄などで,実用金属の多くは,酸化物あるいは硫化物の鉱石を還元して得られる。いいかえれば,実用金属の多くは,化学的に不安定な状態にあり,酸化して元の安定な酸化物状態に戻ろうとする。

 実用金属の多くは,比較的長期間にわたって,金属として有効活用されている。これは,化学的にいうと,金属状態より酸化物状態の方が,化学ポテンシャルが低く酸化物状態に戻ろうとする傾向が強い。しかし,化学ポテンシャルの低い状態に移行するためには,超えなければならない障壁(活性化エネルギー)があり,金属の置かれた環境(実用環境)では,この障壁を超える電子の数が少ないため,全体として,設計時に推測・期待した金属状態が維持される。
 しかし,何らかの要因(温度上昇や腐食促進因子の付着など)で,障壁を超える電子数が増えた場合や,障壁の高さが低くなった場合には,金属の酸化反応が想定以上に進むことになる。
 これらを簡単に言うと,金属の腐食し易さは,金属状態と酸化物との化学ポテンシャルの差(金属種に依存)で一義的に決まるが,腐食の速さは,置かれた環境でのエネルギー障壁の高さと,それを超える電子の数に依存するため,金属の表面状態を含めた金属を取り巻く環境条件,例えば温度や反応成分の量(濃度)に依存すると考えられる。

 実用金属の多くは,水と接触する場合と接触しない場合とでは,腐食反応の経路が著しく異なる。このため,腐食現象は基本的に,水の関与する腐食【湿食(wet corrosion)】,水の関与しない腐食【乾食(dry corrosion)】に分類される。
 湿食は,一般的に水の関与した化学反応のため,エネルギー障壁が小さく,比較的低温で起こる腐食の大半を占める。乾食は,エネルギー障壁が大きい反応経路を通るため,実用的に問題となる速度での腐食は,高温の空気や反応性ガスなどの雰囲気で見られる。

  一般的には,金属の腐食に対し,金属表面に腐食生成物(さび,rust)が付着・堆積する現象との認識が多い。実際には,金属表面に“さび”が付着しない現象も少なくない。また,表面上に変化が観察されなくとも,環境物質により金属材料の内部で特性が大幅に変化(劣化)する現象も腐食として分類される。
 このため,JIS Z 0103「防せい・防食用語」では,腐食を環境物質によって,化学的又は電気化学的に侵食されるか若しくは材質的に劣化する現象と定義している。

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