ガルバニック腐食とは何ですか? 原因と予防
ガルバニック腐食とは、腐食電位の異なる材料同士が接触することで起こる金属の急速な損失現象です。電気的な接続と、塩水や湿った汚染膜などの共通の電解質が必要です。腐食電位の高い材料が陽極となり、単独で腐食する場合よりも速く腐食します。完全に乾燥した環境で異種金属が接触しても、接触だけではこの湿性腐食セルは形成されません。
ガルバニック腐食回路の仕組み
湿潤状態で電気的に接続された電極対は、小型電池のように振る舞います。陽極は金属原子が溶解する際に電子を供給し、陰極は還元反応でその電子を受け取ります。AMPPの定義では、この結合によって生じる変化、すなわち陽極側の腐食速度の加速と陰極側の腐食速度の減速が強調されています。
露出した材料は、実際の流体および表面状態において異なる挙動を示す。合金名、コーティング、不動態皮膜はすべて重要である。
直接接触、ボルト、溶接、ワイヤー、または共通のフレームによって、材料間で電子が伝達される可能性がある。
イオン伝導性の液体または湿った膜が露出した表面同士を繋ぐ。結露や湿った塩分付着物でも十分な場合がある。
湿った表面での直接接触は必須ではありません。ガスケットで隔てられた2つの部品は、ボルトの軸部やボンディングワイヤを介して他の場所で電気的に接続されている可能性があります。導電性の液体が露出した表面同士をつないでいる場合も、回路は完全な状態を維持できます。
電子は電気接続部を通って移動し、イオンは電解質中を電荷を運びます。陰極では、酸素還元などの反応によって到着した電子が消費されます。酸素が供給されたほぼ中性の水中では、簡略化された反応式は次のように表すことができます。
陽極：金属溶解M → M n+ + ne −
陰極：酸素を含む中性水中での一般的な反応O₂ + 2H₂O + 4e − → 4OH −
Mは金属の種類を、nはそのイオン電荷を表す。他の電解質は、異なる陰極反応を促進する可能性がある。
最初に腐食するのはどの金属ですか？
使用環境下でより活性の高い材料が、通常は陽極となります。ガルバニック系列は、特定の電解液中で測定された腐食電位に基づいて材料をランク付けしたものです。ASTM G82では、このような系列の使用方法と、その環境がなぜ重要なのかを説明しています。
以下は、多くの気泡を含む湿潤環境において有用な傾向です。ただし、すべての合金、コーティング、流体、または温度に対して適合する接合方法を示すものではありません。
| 関連資料 | 通常はより脆弱 | 確認すべきこと |
|---|---|---|
| アルミニウム＋不動態化ステンレス鋼 | アルミ | 露出部分、塩分、閉じ込められた水、穴の縁、およびファスナーの完全な絶縁の詳細。 |
| アルミニウム＋銅または真鍮 | アルミ | 電気的な接続、共有される湿気、コーティング、そして露出した各表面のサイズ。 |
| 炭素鋼＋不活性ステンレス鋼 | 炭素鋼 | 小さな鋼鉄製の留め具で大きな湿ったステンレス鋼の表面を支えるのは、好ましくない配置である。 |
| 亜鉛メッキ鋼板＋銅または不動態化ステンレス鋼 | 亜鉛コーティング | 追加のカップリングを使用すると、亜鉛の消費が速くなる可能性があります。露出している亜鉛の面積と環境を確認してください。 |
| アルミニウム＋導電性炭素繊維複合材 | アルミ | 露出した繊維、導電性の粉塵、留め具、および端部の損傷。炭素は金属ではないにもかかわらず、陰極として作用する可能性がある。 |
小型画面では左右にスワイプしてください。参考資料：BSSAの材料ペアに関するガイダンス、米国亜鉛めっき協会、およびFAAのグラファイト/エポキシ複合材に関する議論。
表面状態によってランキングが変わる可能性があります。不動態皮膜が intact なステンレス鋼は、その皮膜が破壊された部分とは異なる挙動を示すことがあります。また、海水系列は、高温の酸、アルカリ溶液、または特定の冷却剤に対する信頼できるランキングではありません。標準電極電位は理想化された半反応を表しており、これらの値から 2 つを差し引いても、現場での適合性や耐用年数は確定しません。
亜鉛防食機構とコーティングの選択肢については、「亜鉛めっき鋼板：種類、等級、用途」を参照してください。より広範な加工方法の選択については、 「板金加工におけるステンレス鋼とアルミニウムの比較」を参照してください。
小さな陽極と大きな陰極が問題となる理由
大型の湿式陰極は、はるかに小型の陽極が供給しなければならない還元電流を支えることができる。そのため、陽極電流は露出した金属部分のごく一部に集中する。したがって、ボルト、リベット、切断面、またはコーティングの欠陥は、全体のサイズから想像されるよりも速く断面積を失う可能性がある。
接触面だけでなく、濡れている接触面積全体を数える必要があります。小さなボルト接点でも、大きなパネルを電気的に接続できる場合があります。逆に、同じ導電性膜で濡れているのはパネルの一部だけということもあります。コーティング、電解質抵抗、排水性、濡れている領域の形状などが、有効面積に影響を与えます。
陽極のみをコーティングすると、弱点が生じる可能性があります。コーティングに傷がつくと、大きな陰極の横に小さな陽極領域が露出してしまうからです。米国標準局が議論したコーティング陽極の問題も、この面積比の原理に基づいています。穴や端部を含め、可能な限り両方の部材を保護する計画を立ててください。片方の部材にしかバリアコーティングを施せない場合は、露出した陰極を減らす方が一般的に安全です。
接合部でのガルバニック腐食を防ぐ方法
まず、セルを維持する要因を取り除くことから始めます。それが現実的でない場合は、材料の選定、バリア、水管理、適切な面積比を組み合わせます。米国亜鉛めっき協会のガイドラインでは、亜鉛めっきアセンブリに対してこの回路ベースのアプローチを採用しています。
実際の露出に適した材料を選択してください。
基材合金と表面処理（締結具のコーティングを含む）を指定してください。適切なガルバニック系列、関連する使用実績、または試験を用いて、組み合わせを評価してください。屋内での使用に適した材料でも、船舶の飛沫が飛び散る場所や塩化物洗浄エリアでは、異なる保護が必要になる場合があります。
部品の他の機能も考慮に入れる必要があります。耐食性、機械的負荷、温度、および必要な電気伝導率をすべて満たさなければなりません。留め具をより高貴な材料に交換することで、その留め具を保護できる一方で、腐食の問題は周囲のパネルに移る可能性があります。
許可されている場合は、電気経路全体を隔離してください。
完全な構造にするには、接合面間に吸水性のないガスケット、ボルト軸の周囲にスリーブ、ボルトの頭部とナットの下に絶縁ワッシャーが必要になる場合があります。ワッシャーだけでは、ボルトが穴の壁に接触している場合、絶縁効果は得られません。
金属のバリ、導電性の破片、共通フレーム、またはバリアを迂回するボンディング接続がないか確認してください。電気的ボンディングが必要な場合は、その機能を維持し、それと連携する腐食防止剤を選択してください。絶縁部品とシーラントは、接合部の荷重、動き、および使用温度にも耐えられるものでなければなりません。
水を遮断し、水が逃げる道を作る
接合面および脆弱な端部は、材質と使用環境に適したシステムを使用して密閉してください。排水および点検のためのアクセス経路を確保してください。シール不良により締結具周辺に水が溜まるような箇所は避けてください。
穴、ねじ山、切断面、および摩耗しやすい箇所におけるコーティング範囲を指定してください。広いパネル全体に無傷の表面膜があっても、設置時の損傷によって最も脆弱な小さな部分が露出してしまうと、ほとんど役に立ちません。点検および修理に関する規定は設計の一部です。
公開されている船舶用はしごの例が示すこと
BSSAは、海洋環境下で絶縁されていないステンレスボルトで固定されたアルミニウム製踏み板に局所的な腐食が発生したと報告している。同じはしごで防音ワッシャーを使用した箇所では腐食は見られなかった。この観察結果は、局所的な接続を遮断することの重要性を示している。ただし、ワッシャー1枚で全てのボルト配置を遮断できることや、同じ材料の組み合わせが全ての環境に適していることを証明するものではない。
犠牲保護を設計システムとして使用する
ガルバニック作用も有効です。亜鉛、アルミニウム、マグネシウムの陽極は、適切な環境下で他の構造物に保護電流を供給するために使用されます。AMPPはこの陰極防食の原理について説明しています。
陽極は電解液に適しており、電気的に接続され、保護対象領域に十分な電流を供給できるものでなければなりません。設置場所、コーティングの状態、消耗、交換についても考慮が必要です。単に活性金属片を取り付けるだけでは、完全な保護設計とは言えません。
損傷がガルバニック損傷かどうかを確認する方法
異種金属接合部付近に優先的な損傷が見られる場合は、原因究明の手がかりとなる。原因を特定する前に、回路構成と実際の金属損失箇所を特定すること。
- 関連する材料を特定してください。 合金、めっき、コーティング、および締結具を記録してください。隠れた電気接続部と配管の内部接液面も記録してください。
- 液体の流れをたどる。 結露、漏れ、洗浄、塩分沈着、残留水、または流出がないか確認してください。電解液が該当する露出面に到達できることを確認してください。
- 証拠を保全し、被害状況を測定してください。 清掃前に、パターンを写真に撮り、必要な堆積物やサンプルを保管してください。その後、適切な検査方法を用いて、ピットの深さ、残存壁、または留め具の断面を評価してください。
- 競合する説明も確認してください。 二次合金を使用しなくても、孔食や隙間腐食が発生する場合があります。広範囲のコーティング剥離、錆の転移、または外部からの電気的影響がある場合は、別の修復方法が必要になる場合があります。
FAAの腐食ガイドでは、ガルバニック腐食を他の腐食メカニズムと区別しています。航空機の修理手順はガルバニック腐食に特化したものですので、ご自身の部品に適用される受入および修理要件に従ってください。
ガルバニック腐食と迷走電流腐食は、発生要因が異なります。ガルバニック電池は、材料間の反応によって電流を発生させます。一方、迷走電流による腐食は、直流電源などの外部電源によって引き起こされます。損傷の見た目が似ていても、修復方法は同じではありません。
溶接接合部においては、溶加材、熱影響部、表面汚染、隙間形状などが腐食の要因となる可能性がある。溶接継手腐食ガイドでは、こうしたより広範な診断について解説している。
金属はどれくらいの速さで腐食しますか？
2つの材料名や電圧差から信頼できる普遍的な速度を算出することはできません。速度は、実際の電流、露出面積、電解質抵抗、表面膜、反応速度、酸素などの物質の輸送などによって決まります。温度、堆積物、接合部が湿潤状態にある時間も影響します。
ガルバニックチャートは、好ましくない傾向を特定することはできますが、「アルミニウム＋ステンレス鋼」を年数に変換することはできません。平均質量損失が小さくても、重要な小さな領域に深い局所的な腐食が隠れている可能性があります。
設計上の決定を行うには、関連する材料の積層状態と表面状態を代表的な環境で試験する必要があります。有効な比較方法としては、濡れ面積比が明確に定義され、損傷の程度が明確に測定された、結合された試験片と結合されていない試験片の比較が挙げられます。ASTM G71は、浸食腐食やキャビテーションが発生しない条件下での液体電解質中でのガルバニックカップル試験の手順を規定しています。
部品にとって重要な要素（最大浸透度、残存面積、コーティング状態、機能など）について合意してください。試験時間と暴露条件は結果とともに記録してください。実験室での暴露時間だけでは、耐用年数を予測することはできません。
レーザー洗浄はガルバニック腐食を防ぐことができるか？
レーザー洗浄は、適切な錆や酸化層を除去することはできますが、ガルバニック回路を解消したり、失われた金属を復元したりするものではありません。露出した材料の組み合わせ、電気経路、および電解質が残っている限り、再腐食の条件も残ります。
TRUMPFのレーザー洗浄用途には、接合前に錆やその他の層を除去することが含まれます。ただし、適合性は基材、コーティング、堆積物、形状、および選択されたプロセスによって異なります。あるアセンブリでの洗浄結果が、別のアセンブリでの結果を保証するものではありません。
- 診断の証拠を保存してください。 被害を受けた場所を記録し、原因特定のために必要なサンプルを採取する。
- 表面の状態と残存材料を評価する。 適切な洗浄試験および検査方法を使用してください。ピットや部分的な欠損がないか、部品の許容限界値と比較して評価してください。
- 原因を是正し、保護機能を回復してください。 接続部、材料、濡れ性、または保護システムの問題に対処した後、指定された修理または仕上げを施し、検証する。
表面処理のオプションについては、レーザーによる錆除去を参照してください。見た目がきれいだからといって、荷重がかかる部品や圧力がかかる部品が使用再開に適しているとは限りません。
Oceanplayer Laserを使用した洗浄アプリケーションの評価を行ってください。基材、コーティングの詳細、鮮明な写真、影響を受けた領域、および必要な最終表面状態を共有してください。洗浄プロセスで遵守しなければならない残存厚さや補修限界も記載してください。
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