腐食 vs 酸化 vs 錆
金属加工は、部品や構成要素の多様性において刺激的な成果をもたらしますが、同時にいくつかの課題も伴います。製造業者が直面する重要な問題の一つは、腐食、酸化、錆の区別です。それぞれが何であり、どのような対策が講じられるのでしょうか？
腐食とは、金属やその他の物質が環境中の化学反応によって劣化する現象です。鉄とその合金にこの現象が起こると、錆びと呼ばれます。酸化とは、物質が酸素と反応して電子を失う現象です。
これらの金属劣化は、部品の機能性、性能、および外観に重大な影響を及ぼします。使用される材料の種類、製造工程、および環境は、錆び、腐食、および酸化を促進する要因の一部です。
本稿では、これらの金属劣化現象について、その誘因、影響を受ける材料、防止メカニズム、および主な相違点に焦点を当てて概説する。
酸化とは？
金属の酸化とは、金属が他の元素に電子を放出する化学反応です。この反応は多くの工業プロセスにおいて中心的な役割を果たしています。酸化は製造業において多くの有益なプロセスを生み出す一方で、鋼鉄の錆びやその他の金属腐食といった有害なプロセスにも寄与します。
したがって、この現象を理解することは有益である。その保護特性が一部の産業上の要求をどのように満たすか、また、CNC加工部品やその他の環境において、金属を損傷させる可能性をどのように管理できるか、という両面から理解する必要がある。
酸化化学反応
金属が酸化状態にあるとは、金属が酸素にさらされた状態を指します。マグネシウムの場合が示すように、この過程で金属は電子を失います。
2 Mg + O2 → 2 [Mg2+][O2-]、
これは以下のように2つの部分に分けて書くことができる。
Mg → Mg2+ + 2 e-
O2 + 4 e- → 2 O2-
CNC加工環境では、アルミニウム、鉄、鋼鉄など、さまざまな加工可能な金属で酸化が頻繁に発生します。これらの材料はそれぞれ、動作条件や電子配置によって酸化速度が異なります。
この現象の化学反応表現は、各金属に特定の保護戦略が必要な理由を示しています。 プロリーンテック酸化しやすい性質は、CNC加工部品を製造する際に考慮すべき重要な点の1つです。
酸化の例
金属の酸化は、日常生活における金属との接触の中で様々な形で起こります。銀の場合、この化学反応は金属部分に黒い変色として現れます。 アルミニウムは酸化の影響を受け、くすんだ灰色の酸化アルミニウム層を形成する。 不動態化 その過程で、保護バリアが形成され、さらなる損傷を防ぎます。
アルミニウムの不動態化
鋼鉄や鉄の部品には、赤褐色の被膜として酸化が見られることもあります。 上記に化学反応式が示されているマグネシウムは、灰白色の粉状の被膜を形成する。 外観の違いだけでなく、これらの酸化は部品の機能や寿命にも様々な影響を与える。
腐食の定義
腐食とは、化学物質、微生物、水分、酸化、異種金属との接触などによって引き起こされる金属の緩やかな劣化のことである。 腐食は、上述の電子移動酸化プロセスよりも広範な現象であり、複数の環境要因やその他の要因が関与している。これらの要因が複合的に作用することで、金属の分解プロセスが加速される。 この区別は重要です。なぜなら、酸化はすべての腐食プロセスに存在しますが、必ずしも破壊的ではないからです。一部の酸化プロセスは、 板金サービス.
腐食にはどのような2種類がありますか？
CNC加工部品で最も一般的な腐食の種類は、ガルバニック腐食と孔食の2つです。しかし、他にも以下のような種類の腐食があります。
- 隙間
- 粒界
- 均一攻撃
- 侵食腐食
- 生物腐食
- 応力腐食割れ
- 選択的浸出
腐食の種類は、環境と材料の組成によって異なります。それぞれの腐食の種類は、異なるメカニズムによって金属に影響を与えます。
メカニズムの詳細については、後ほど説明します。
ガルバニック腐食
ガルバニック腐食は、2種類の金属が腐食性環境にさらされたときに発生します。電極電位が発生し、腐食が進行します。このような2つの金属間に電気的な接続が生じると、より活性の高い金属が陽極となります。
ガルバニック腐食
この種の腐食は、銅板を固定するために鋼製のボルトが使用されている箇所などで顕著に見られます。ガルバニック腐食に対する対策は様々ありますが、最も効果的なのは異種金属の使用を避けることです。
孔食
孔食は、金属に穴を開ける腐食の一種で、特に金属表面に保護酸化皮膜がある場合に顕著です。ステンレス鋼は特にこの腐食を受けやすいです。この破壊的な腐食は、隙間腐食、傷、化学攻撃などの二次的な要因によって引き起こされることがよくあります。
隙間腐食
隙間腐食
隙間腐食は、重ね継ぎ目の隙間部分で発生する局所的な腐食現象です。腐食性環境にさらされると、この腐食が発生する可能性があります。部分的に遮蔽された金属部分も、隙間腐食を起こしやすい傾向があります。
粒界腐食
粒界腐食
金属の結晶粒界には不純物が蓄積したり、不純物が除去されたりすることがあり、こうした変化は粒界腐食を引き起こす可能性がある。この種の腐食は、溶接されたステンレス鋼によく見られる。熱処理もこの腐食を促進する可能性がある。
均一攻撃（腐食）
均一腐食では、材料の表面全体がほぼ均一な腐食攻撃を受けます。このタイプの腐食は、電解質と接触している陰極と陽極の領域から発生し、絶えず変化します。
侵食・腐食
浸食腐食は、電解液が高速で流れる際に、腐食を促進する研磨環境が形成されることで発生します。電解液に固体粒子が含まれている場合、腐食はさらに悪化します。そのため、金属の種類によって、許容される電解液流速の閾値が異なります。
生物腐食
金属の腐食は、生物学的要素からも発生する可能性がある。この腐食は、微生物誘発腐食（MIC）またはマクロファウリング効果のいずれかである。
応力腐食割れ
特定の合金では、以下のいずれかの閾値条件が満たされると、応力腐食割れが発生します。
- 腐食環境
- 金属組成
- 金属構造
- 引張応力
- 温度
応力腐食割れは、ステンレス鋼や真鍮合金でよく見られる現象である。
選択的浸出（脱合金）
選択的浸出
選択的浸出腐食は、冶金学的に異なる表面を持つ金属で発生します。この問題は、銅と亜鉛の合金である真鍮でよく見られます。腐食性の環境にさらされると、亜鉛が腐食して銅が残るため、変色が生じます。
腐食の影響
企業の収益は、安全性の低下、性能信頼性の低下、部品寿命の短縮、信頼性の低下によって損なわれます。部品やコンポーネントの突然の故障のリスクは常に存在します。このようなリスクは、適切な適用によって軽減できます。 板金仕上げ および金属部品のその他の処理。
これらの影響はすでに深刻な問題ですが、さらに懸念されるのは、時間の経過とともに悪化していくことです。最初は単なる表面的な欠陥だった問題が、数ヶ月のうちに深刻な構造的欠陥へと発展する可能性があり、橋梁などの構造物で実際にそのような事例が報告されています。
橋の腐食
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腐食する材料
すべての金属および合金は腐食する可能性があるが、その速度と深刻度は、環境、金属の反応性、および金属の化学組成によって異なる。 一方、 耐腐食性金属 プラチナや金のように例外的な金属がある一方で、亜鉛やマグネシウムは最も腐食しやすい金属の一つである。この腐食抵抗のばらつきは、金属の電極電位から判断または予測することができる。
電極電位は、電気化学および腐食理論において用いられる指標である。これは、電気化学反応において物質が電子を失ったり得たりできる能力を示す尺度である。
以下に、一般的にCNC加工される金属の電極電位を示す表を掲載する。
|
金属 |
電極電位 |
|
マグネシウム（Mg） |
-2.37 |
|
アルミニウム（Al） |
-1.66 |
|
亜鉛（Zn） |
-0.76 |
|
鉄（Fe） |
-0.44 |
|
鋼（炭素鋼、鉄含有量約） |
-0.44 |
|
ニッケル（Ni） |
-0.25 |
|
チタン（Ti） |
-0.17 |
|
銅（Cu） |
+0.34 |
|
ステンレス鋼（鉄クロムニッケル合金） |
+0.40（約） |
|
真鍮（銅亜鉛合金） |
+0.45（約） |
腐食を防ぐ方法
効果的な腐食防止 板金製造プロセス これには、主に電気化学的保護技術、適切な材料の選択、腐食抑制剤の使用、表面処理、および表面仕上げといった、複数の戦略の組み合わせが必要となる。
これらの戦略は、酸化腐食のさまざまな段階に対処するように設計されています。最も効果的な腐食抑制方法は、環境、材料の種類、およびコストを考慮して、他の戦略を組み合わせたものです。
酸化と腐食の違い
酸化と腐食は、プロセスタイプ、保護能力、可逆性の違いにより、CNC加工部品に異なる影響を与える、それぞれ異なる化学プロセスを指します。
以下に、主な相違点を比較表にまとめました。
|
素子 |
酸化 |
腐食 |
|
|
酸素が関与する化学反応 |
金属の破壊的劣化 |
|
影響を受ける材料 |
すべての金属 |
特定の金属とその合金 |
|
材料への影響 |
有害か保護的か |
材料を劣化させることが多い |
|
可逆性 |
逆転することもある |
回復不能な損傷 |
|
速度 |
速い場合も遅い場合もある |
通常は緩やかな劣化 |
|
例: |
酸化アルミニウム層 |
鋼鉄の錆び |
|
保護性能 |
保護バリアを提供することができる |
保護が必要 |
錆びとは何か？
錆は、鉄または鉄含有金属特有の腐食現象であり、鉄、水、酸素の反応によって酸化鉄が生成されることで生じます。錆の発生は進行性で不可逆的なプロセスです。そのため、修復よりも予防が常に推奨される対策となります。
錆の3つの種類
錆には、黒錆、赤錆、黄錆の3種類があります。それぞれ外観、危険度、発生方法が異なります。
ブラックラスト
黒錆
黒錆は、低酸素環境で形成される酸化鉄（II）（Fe3O4）の薄い層です。通常、金属表面に何らかの被覆があり、急速な劣化を防いでいる場合に、この錆が発生します。
赤錆
赤錆は水酸化鉄(Fe2O3・H2O)であり、高酸素・高水分環境下で生成されます。腐食は下図に示すように均一に進行します。
赤錆
黄錆
黄錆、すなわち酸化鉄水酸化物（FeO(OH)H2O）は、水分が豊富な場所で発生します。主に停滞した水辺で見られます。
黄色い錆
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錆びは化学変化ですか？
はい、錆びは鉄またはその合金が水分と酸素にさらされることで起こる化学変化です。この多くの場合ゆっくりとした過程で、鉄原子は酸素原子と結合して酸化鉄を生成します。その結果、鉄原子間の結合が弱くなります。
まず、鉄は酸素と反応して電子を失います。水の存在はこの反応を促進します。続いて、水酸化鉄が生成されます。 では、酸化鉄とは何でしょうか？水酸化鉄は水分を失う（乾燥する）と、例えばFe₂O₃のような酸化物になり、赤褐色の錆として現れます。
錆の生成に関わる全体的な化学反応は次のとおりです。
4Fe+3O2+6H2O→4Fe(OH)3
そして、以下に示すように、乾燥・脱水して酸化物を形成する。
4Fe(OH)3→2Fe2O3⋅3H2O+3H2O
錆はどのような条件下で発生するのか？
錆は、水分、酸素の存在、温度、環境、表面状態などの特殊な条件下で発生し、加速する。
水（水分）の利用可能性
湿気の多い環境
水は錆の形成において重要な電解質である。錆の発生に必要な酸化還元反応を担っている。
酸素の存在
酸素は錆びる上で不可欠な要素である。酸素が豊富な場所ほど、錆びやすいため危険である。
温度
温度は錆の発生に重要な役割を果たします。一般的に、高温は化学反応を促進し、錆の発生もその一つです。
環境
酸性およびアルカリ性のどちらの環境条件も錆びを促進するが、酸性の環境条件の方がより激しく錆びを促進する。
表面状態
汚れた表面には水分が溜まりやすく、錆びやすくなります。ゴミや表面の形状自体が、水分の付着を促す要因となることがあります。
錆びやすい材料
露出度と錆びやすさによって、錆が材料に及ぼす影響が決まります。
まとめると、最も影響を受けやすい材料のリストは以下のとおりです。
- 炭素鋼（特に低炭素鋼）
- 錬鉄
- 鋳鉄
- 純鉄
- 低炭素および中炭素合金鋼
炭素鋼は錆びる
代替テキスト: 表面に錆と青緑色の沈着物が付着した、錆びた炭素鋼管
錆びない金属とは？
錆びない金属には以下のようなものがあります。
- ステンレス鋼
- 亜鉛めっき鋼
- アルミ
- 銅
- 真鍮
- ブロンズ
- チタン
- Platinum
- ゴールド
さびを防ぐ方法
部品や機器の錆びを防ぐには、以下の一般的な対策が有効です。
- 機器や機械は定期的に洗浄してください。
- 乾燥した場所に保管してください
- 錆びやすい機器の定期点検
- 耐腐食性材料を使用する 亜鉛メッキ板金
- 塗装またはコーティング装置
- 乾燥剤の使用
- 可動部品の潤滑
- 防錆剤を塗布する
錆と腐食は同じものですか？
いいえ、腐食と錆の違いを理解することが、これらの用語を区別する鍵となります。錆は鉄とその合金に影響を与える腐食の一種です。言い換えれば、腐食とは、金属が化学反応または電気化学反応によって徐々に劣化していく現象の総称です。
錆びは酸化と呼べるのか？
はい、錆びは酸化の一種と言えます。具体的には、鉄またはその合金が酸化して酸化鉄を形成する現象です。
比較表：腐食 vs 酸化 vs 錆
腐食、酸化、錆のさまざまな要素を比較した表を以下に示します。
|
素子 |
腐食 |
酸化 |
Rust |
|
|
化学反応による金属の劣化 |
物質からの電子の損失 |
鉄の腐食により酸化物が生成される。 |
|
エフェクト |
構造的完全性の喪失 |
材料組成の変化 |
赤褐色の断片の形成 |
|
影響を受ける材料 |
すべての金属 |
金属と非金属 |
鉄および鉄合金 |
|
反応体 |
金属、酸素、水分。 |
酸素 |
鉄、酸素、水分。 |
|
予防と管理 |
コーティング、陰極防食 |
酸素への曝露を防ぐ |
亜鉛メッキ、塗装 |
お問い合わせ 上記の問題に対する予防策と保護策についてさらに詳しく知りたい場合は、こちらをご覧ください。
まとめ
これら3つの金属関連現象には類似点もあるが、今回の議論で明らかになったように、それぞれに固有の原因と影響がある。CNC加工や関連プロジェクトに使用する金属および金属合金は、これらの問題への反応に基づいて選定する必要がある。
錆び、腐食、酸化といった弱点を持つ金属でも、それらを利用する方法はあります。当社の専門家が、これらの現象の複雑な仕組みと、それらを回避する方法を詳しくご説明いたします。 詳細についてはBodaまでお問い合わせください。 見積もりを取得 して、高成長のクロスチャネル戦略の構築を始めましょう！