第６章　金属の腐食と摩擦摩耗

腐食の発生しやすい場所の例

腐食の事例写真

ステンレス鋼の腐食 鉄筋コンクリート構造物を貫通する鋼管の腐食

摩擦摩耗の事例

クルマのブレーキ・パッド

新品

摩擦後

6.1 材料表面の性質

（金属内部） （金属表面）＜

エネルギ

原子間力が残る

⇒ 過剰なエネルギが存在

表面エネルギ

（材料固有値）

表面の物理的性質に影響

（空孔、微小き裂、介在物）

金属

数Å（気体吸着層）

数百Å（酸化被膜）良 … 低い摩擦係数を与える

悪 … よごれ、汚染物質

6.2.1 化学的腐食Ⅰ（腐食）

液体金属

液体金属による脆化

固体金属

結晶粒界

エネルギ値が高い

粒界き裂　⇒　粒界割れ

脱成分腐食

① 15％以上のZnを含む黄銅　⇒　脱亜鉛

② 黄銅の内部の多孔質状態

③ ねずみ鋳鉄の黒鉛腐食

環境との反応が材料に損傷を引き起こすこと

腐食

6.2.2 電気化学的腐食Ⅰ（卑な金属、貴な金属）

金属と溶液の界面における金属イオンの挙動

金属

溶液

（a）卑な金属の場合

金属

溶液

（b）貴な金属の場合

－ ＋

＋－

＋－

－ ＋

電子 M＋nH2O

l

金属イオンとして溶解

l－＋

＋ －

＋ －

－＋陽イオン 陰イオン過剰な陰イオンを

引きつける

（陽イオンの吸着）

図6.1　金属／溶液界面での金属イオンの挙動

6.2.2 電気化学的腐食Ⅱ（腐食電池①）

金属箔

（電気めっき）

陽極

電解質溶液

電流

M

e－ e－

M＋

−+ +→ eMM

酸化反

H＋H＋

H2

2＋ H22H →+ −e

eｰ MM＋ →+ −e

還元反

e－e－

M＋

陰

（アノード） （カソード）

Zn , Fe , Mg Pt , Ag , Au

図6.2　腐食電

6.2.2 電気化学的腐食Ⅲ（腐食電池②）

水素発生型の腐食

電解質溶液　…　

酸素を含まない塩酸、硫酸のとき

酸素消費型の腐食

電解質溶液　…　

酸素を含む硫酸、塩酸のとき

陽極（アノード）

陰極（カソード）

M＋ H2H＋H＋ e－

e－

陽極（アノード）

陰極（カソード）

M＋ H2OH＋H＋ e－

e－O2

OHeHO 22 244 →++−+

−− →++ OHeOHO 442 22

陰極での反応陰極での反応

222 HeH →+−+

6.2.3　腐食の原因(1)

V

A

Cu Zn

ZnSO4CuSO4

R

a

cImax÷Re

電位　減少

電流　I

電位

　E

図6.3　ダニエル電池の分極線図

EZn

（回路オープン）

ECu

（回路オープン）

Ecorr（腐食電位）

Imax（腐食電流）

e

b

Iid と e の差a と b の差

分極の大きさ

電位　増加

d

6.2.3　腐食の原因(2)

nFItMw = …　（式　6.1）

w ; 腐食速度　［g/s］I ; 腐食電流　［A］

M ; 金属の原子量

n ; 金属イオンの活量

t ; 時間　［s］F ; ファラディ定数（＝96500C）

陽極に相当する領域の腐食速度

,,,

ファラディの法則

金属の腐食原因

水溶液

Fe（アノード）

不純物

鉄表面

（カソード）

Fe2+H+ H+

H H

2e－

図6.4　金属表面の局部電池

6.3 腐食の種類Ⅰ

・　全面腐食　～　金属全面がほぼ一様に腐食

・　局部腐食　～　集中して部分的に腐食

金属表面における局部電池の影響

腐食

全面腐食

①　組成が不均一

②　結晶粒の異方性

③　局所的なひずみ

電気化学的な活性点

金属表面

電気化学的に不均一

（局部電池の発生）

（時間と共に変化）

連続的に移動　⇒　表面を均一に腐食

局部腐食 （カルバニック電池）

金属表面

陽極となる部分を固定 ⇒　集中的に腐食

6.3 腐食の種類Ⅱ（粒界腐食）

金属表面

結晶粒C

結晶粒B結晶粒A

粒界

析出粒子

析出粒子

M+

M+

e－

e－

オーステナイト系ステンレス鋼

熱処理の不適当な

アルミニウム合金　など

粒界にある金属が溶ける

粒界腐食

図6.5　粒界腐食の進行形態

6.3 腐食の種類Ⅲ（異なる局所的応力場における腐食）

応力腐食割れ

引張応力（残留応力、外部応力）＝

＋

腐食環境

（どちらか一方では起きない）e－

e－

Fe2+

Fe2+

Fe2+

Fe2+

高残留応力領域

高残留応力領域

低残留応力領域低残留応力領域

応力腐食割れ図6.6　異なる局所応力場における腐食

6.3 腐食の種類（すき間腐食）

溶接

低酸素濃度域　（陽極）

高酸素濃度域　（陰極）すき間

腐食

水溶液

図6.7　すき間腐食

すき間腐食

応力腐食割れ

腐食疲労のき裂の起点

材料強度　低下

6.4 腐食の防止法

（１）金属構造物の最適な設計 （４）電気化学的防食法

・異種金属や非金属との接触を避ける・陰極防食法（cathodic protection）・すき間や凹部をできるだけ作らない

・表面の凸凹少なくする

・表面に異物をつけない

・陽極防食法（anodic protection）

（２）被膜

（５）材料の選択・亜鉛やすずの膜を電気メッキ

・塗装や防錆油を塗る

（３）環境処理

6.5 摩耗

摩耗とは　…２つの固体が互いに接触しながら　　　　水平あるいは回転運動する時に金属表面に起こる損傷のこと

①　凝着摩耗

２つの物体が接触することで融着、さらにせん断力により破壊する

②　アブレシブ摩耗

表面が粗く硬い物体が軟らかい相手面を引っかく

③　腐食摩耗

腐食環境中における摩耗

6.5.1 凝着摩耗Ⅰ

融着

すべり方向

荷重被摩耗材

摩耗材

荷重

すべり方向融着部の破壊

すべり方向

荷重

摩耗粉の形成

摩耗粉

図6.8　凝着摩耗の進行形態

6.5.1 凝着摩耗Ⅱ

0 500 15001000 20000.1

0.2

0.5

0.4

0.3

すべり距離　［m］

摩擦

係数

　μ

膜の剥離

膜厚

0.7μm1.5μm

図6.9　摩擦係数に及ぼすDLC膜の剥離の影響

基板材料 ; 超硬40% + 鉄60%最大粗さ = 8.5s負荷荷重 = 10N

すべり速度 = 0.05m/s

膜の剥離が起きない場合

摩擦係数　μは　　すべり距離によらず　　　あまり変化しない

剥離は摩耗に大きな影響を持つ

6.5.2 アブレシブ摩耗

表面が粗く硬い物体が軟らかい相手面を引っかき、表面を損傷する摩耗形態

アブレシブ摩耗とは　…

（やすり、エメリー紙で擦る）

アブレシブ粒

移動方向

荷重

被摩耗材

アブレシブ粒の移動

突起部摩耗材

摩耗粉

図6.10　アブレシブ摩耗の進行形態

6.5.3 腐食摩耗

フレッティング摩耗(fretting wear)

・互いに接触する二つの個体の微小な振動によって金属粉が形成され、それが参加されてコーヒー色の腐食生成物を作り摩耗する現象

発生例

・鉄道車軸等に用いられる圧入軸

・ワイヤロープの素線

・ボルト・リベット結合部付近の板