腐食概論:鋼の腐食

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         【溶存酸素濃度の影響】

 淡水中の溶存酸素濃度を変えた時,鋼腐食速度に与えるの影響の検討例を下図に示す。この図は,中性で塩化物イオンを多く含まない淡水を緩やかに攪拌し,この中に鋼板(1950年代のSS材)を入れ,腐食速度(厳密には腐食度)を計測した例である。
 穏やかに攪拌しているので,静止水とは異なるが,「流速の影響」の項で解説する影響の小さい状況での試験と考えられる。

淡水中の鋼腐食速度と溶存酸素濃度

淡水中における鋼の腐食速度と溶存酸素濃度の関係
参考:H. Uhlig, D. Triadis, M. Stern, J. Electrochem. Soc., 102, 59(1955)


 不活性ガスで脱気し,溶存酸素を含まない条件では,中性水溶液中におけるカソード反応である酸素還元反応が進まないため,計測できるほどの腐食は観察されない。
 溶存酸素の濃度増加と共に,鋼表面のカソード部で還元できる酸素量が増加し,腐食度が増加する。
 溶存酸素濃度が,大気と接触する水の飽和濃度(図中の赤線,5.6mℓ/ℓ)を超え,10mℓ/ℓ*程度までは,酸素濃度増加に伴い腐食度も増加し続ける。しかし,それ以上の高酸素濃度では,腐食度の減少が始まる。
 酸素の分子量32,20℃の気体 1モルの体積は 22.4リットルなので,10mℓは 32(g)×10-2(ℓ)/22.4(ℓ)=14.3mgとなる。従って,溶存酸素濃度10mℓ/ℓは,ppm表示で14.3ppmとなる。ちなみに,空気飽和状態の溶存酸素濃度は,常温で概ね8ppm(≒5.6mℓ/ℓ)である。

【腐食速度について】
 一般的には,化学反応の速度は,【酸素拡散律速とは】で解説したように,鋼腐食の実際の律速段階は,カソード部における化学反応ではなく,水中の溶存酸素が拡散し,鋼表面に達する過程である。
 溶存酸素の拡散は,後で説明するが,Fickの第一法則に従うと仮定すると,鋼表面に到達する溶存酸素量は,沖合の酸素濃度と一次の比例関係にある。
 また,鋼表面に到達した溶存酸素が直ちにカソード反応で消費されると仮定すると,腐食速度は,沖合の溶存酸素濃度と拡散層の厚みに比例することになる。

【図に示された腐食度の挙動について】
 溶存酸素濃度が約 3mℓ/ℓまでは,鋼の表面に供給される溶存酸素が沖合の溶存酸素濃度の増加に比例して腐食速度が増加する。
 更に溶存酸素濃度が増加すると,腐食速度の増加に伴い鋼表面近傍での二価鉄イオン量も増加する。これにより,鋼表面近傍において,二価鉄イオンの加水分解,酸化反応による溶存酸素が消費される。また,鋼表面への腐食生成物の付着などの酸素拡散障害があり,溶存酸素濃度 3~10mℓ/ℓでは,溶存酸素濃度の増加に比較して,腐食速度の増加の伸びが小さくなると考えられる。
 さらに,溶存酸素濃度が高くなると,鋼表面に緻密な酸化皮膜が形成される不動態化が見られるようになり,約 12mℓ/ℓを超えて腐食速度の急激な低下に至る。なお,鋼の不動態化の難易は水質(塩化物イオン量など)に依存する。

【参考資料】
H. Uhlig, D. Triadis, M. Stern, J. Electrochem. Soc., 102, 59(1955)

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