ガルバニック腐食
ガルバニック腐食（異種金属腐食とも呼ばれる）は、ある金属が別の異なる金属と電気的に接触し、電解質が存在する場合に、その金属が優先的に腐食する電気化学的プロセスです。同様のガルバニック反応は、使い捨て電池セルで利用され、携帯機器に電力を供給するための有用な電圧を生成します。この現象は、イタリアの医師ルイージ・ガルヴァーニ（1737–1798）にちなんで名付けられました。
外部電流の存在によって引き起こされる同様のタイプの腐食は、電食と呼ばれます。
概要
異種金属および合金はそれぞれ異なる電極電位を持ち、2 種類以上の金属が電解液中で接触すると、一方の金属 (反応性がより強い) が陽極として働き、もう一方の金属 (反応性がより弱い)が陰極として働きます。2 つの電極における反応の電位差が、陽極金属への攻撃を加速させる原動力となり、陽極金属は電解液に溶解します。その結果、陽極の金属は通常よりも速く腐食し、陰極の腐食は抑制されます。ガルバニック腐食が発生するためには、電解質と金属間の電気伝導路の存在が不可欠です。電解質はイオン移動の手段となり、反応を停止させる電荷の蓄積を防ぐためにイオンが移動します。電解液に含まれるイオンイオンが容易に還元されない金属イオン (Na +、Ca 2+、K +、Mg 2+、Zn 2+など) のみである場合、陰極反応は溶解した H +がH 2に、または O 2が OH −に還元されることです。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]
場合によっては、この種の反応が意図的に促進されることがあります。例えば、低価格の家庭用電池には通常、炭素亜鉛電池が使用されています。閉回路（電子経路）の一部として、電池内の亜鉛は、電池の発電に不可欠な要素として、優先的に腐食します（イオン経路）。別の例としては、埋設または水没した構造物や温水貯蔵タンクの陰極防食が挙げられます。この場合、犠牲陽極はガルバニック対の一部として機能し、陽極の腐食を促進しながら陰極金属を保護します。
配管に銅、鋳鉄、その他の鋳物などの金属が混在している場合など、ガルバニック腐食がシステム部品の腐食を加速させる要因となる場合があります。亜硝酸ナトリウムやモリブデン酸ナトリウムなどの腐食抑制剤をこれらのシステムに注入することで、ガルバニック電位を低減できます。ただし、これらの腐食抑制剤の使用は綿密に監視する必要があります。腐食抑制剤の使用によってシステム内の水の導電率が上昇すると、ガルバニック腐食電位が大幅に上昇する可能性があります。
酸性度またはアルカリ性度（pH）も、閉ループ二金属循環システムにおいて重要な考慮事項です。pHと腐食抑制剤の投与量が不適切だと、ガルバニック腐食が加速されます。ほとんどのHVACシステムでは、犠牲陽極と犠牲陰極の使用は選択肢ではありません。なぜなら、これらはシステムの配管内に設置する必要があり、時間の経過とともに腐食して粒子を放出し、循環ポンプや熱交換器などに機械的損傷を引き起こす可能性があるからです。[ 5 ]
例
ガルバニック腐食の一般的な例は、亜鉛メッキ鉄（鉄または鋼板に亜鉛コーティングを施したもの）で発生します。保護層である亜鉛コーティングが破損しても、下地の鋼板は腐食されません。亜鉛は「貴金属」であるため腐食します。亜鉛が消費されて初めて、下地の金属が錆びることがあります。一方、従来のブリキ缶では、保護効果とは逆の現象が起こります。錫は下地の鋼板よりも貴金属であるため、錫コーティングが破損すると、その下の鋼板が直ちに優先的に腐食されます。
自由の女神
自由の女神像では、1980年代の定期保守点検で銅製の外板と錬鉄製の支持構造部の間で腐食が起こっていることが明らかになり、ガルバニック腐食の顕著な例が見られた。1880年代にフレデリック・バルトルディの設計でギュスターヴ・エッフェルが建造した際にこの問題は予想されていたが、2つの金属の間にあるシェラックの断熱層が経年劣化で劣化し、鉄製の支持構造部が錆びてしまった。大規模な改修工事が行われ、元の断熱材がPTFEに交換された。影響を受けていない接合部が多数あったため、構造自体が安全上の問題になることはなかったが、これはアメリカ合衆国の国家的象徴を保護するための予防措置とみなされた。[ 6 ]
英国海軍とHMSアラーム
1681年、サミュエル・ピープス（当時海軍長官）は、舵鉄とボルト頭の不可解な腐食を防ぐためにイギリス海軍の艦艇から鉛の被覆を取り除くことに同意したが、鉛が腐食を引き起こす理由については困惑していると告白した。[ 7 ] [ 8 ]
この問題は、海藻の堆積を減らし、フナクイムシの被害を防ぐために船舶を銅で覆った際にも再発しました。1761年、イギリス海軍はフリゲート艦アラーム号の船体に12オンスの銅板を張る実験を行いました。西インド諸島への航海から帰港した際に、銅板は良好な状態を保っており、フナクイムシの被害を確かに防いでいたものの、設置時に使用された鉄釘が「一種の錆びたペースト状に溶解していた」ため、多くの箇所で木造船体から剥がれ落ちていることが判明しました。[ 9 ]しかし、検査チームを驚かせたのは、鉄釘の一部がほとんど損傷を受けていないことでした。さらに詳しく調べたところ、釘の頭の下に挟まっていた耐水性の茶色の紙が、意図せず釘の一部を保護していたことが判明しました。「この覆いが完璧であった場所では、鉄は損傷から守られていた」のです。銅の被覆は紙に包まれた状態で造船所に運ばれましたが、船体に釘付けされる前に紙が取り除かれることは必ずしもありませんでした。そのため、1763年に海軍本部に報告された結論は、海水中の鉄と銅を直接接触させてはならないというものでした。[ 10 ] [ 11 ]
アメリカ海軍の沿岸戦闘艦インディペンデンス
米海軍の最新鋭攻撃型沿海域戦闘艦USSインディペンデンスにおいて、アルミニウム船体に取り付けられた鋼製ウォータージェット推進システムが原因で、深刻なガルバニック腐食が発生したことが報告されています。鋼とアルミニウムの間に電気的絶縁がないため、アルミニウム船体はステンレス鋼の陽極として作用し、激しいガルバニック腐食を引き起こします。[ 12 ]
腐食した照明器具
2011年、ボストンのビッグディグ車両トンネルの天井から重い照明器具が突然落下した事故は、腐食によって支持力が弱まっていたことを明らかにしました。ステンレス鋼とアルミニウムの接触が不適切なため、塩水の存在下で急速な腐食が発生しました。[ 13 ]ステンレス鋼とアルミニウムの電気化学的電位差は、合金の種類によって0.5～1.0 Vの範囲にあり、不利な条件下では数ヶ月で深刻な腐食を引き起こす可能性があります。数千個の故障した照明器具を交換する必要があり、その費用は推定5,400万ドルとされています。[ 14 ]
ラザニアセル
ラザニアやザワークラウトなどの塩分を多く含み、水分の多い食品をスチール製のベーキングパンに入れ、アルミホイルで覆うと、 「ラザニアセル」が偶発的に発生します。数時間後、アルミホイルがラザニアと接触した部分に小さな穴が開き、食品の表面は腐食したアルミニウムでできた小さな斑点で覆われます。 [ 15 ]この例では、塩分を多く含んだ食品（ラザニア）が電解質、アルミホイルが陽極、スチール製のベーキングパンが陰極となります。アルミホイルが電解質に接触する部分が狭い場合、ガルバニック腐食が集中し、腐食がかなり急速に進行する可能性があります。アルミホイルが異種金属容器で使用されなかった場合、反応はおそらく化学反応です。高濃度の塩、酢、またはその他の酸性化合物によってアルミホイルが分解する可能性があります。これらの反応のいずれの生成物もアルミニウム塩です。食品に害はありませんが、沈殿物により望ましくない風味や色を与える可能性があります。[ 16 ]
電解洗浄
銀食器を洗浄する際に、アルミニウム片を高温の電解槽に浸すという一般的な方法は、ガルバニック腐食の一例です。インゴットよりも表面積がはるかに大きいため、アルミホイルの使用が推奨されますが、アルミホイルに「ノンスティック加工」が施されている場合は、まずスチールウールで表面を拭き取る必要があります。電解槽は通常、水と重曹（家庭用の重曹）でできています。
銀は空気中の硫黄分子の存在下で黒ずみ、腐食します。また、スターリングシルバーに含まれる銅も様々な条件下で腐食します。これらの腐食層は、硫化銀分子の電気化学的還元によってほぼ除去できます。重曹浴中のアルミニウム（銀や銅よりも卑な金属）の存在により、硫化銀から硫黄原子が剥離し、アルミニウム（はるかに反応性の高い金属）に転移して腐食させ、元素状の銀だけが残ります。この過程で銀は失われません。[ 17 ]
防止
この種の腐食を軽減および防止する方法はいくつかあります。
- 2つの金属を電気的に絶縁します。電気的に接触していない場合は、ガルバニック結合は発生しません。これは、電位の異なる金属間に非導電性材料を使用することで実現できます。配管は、プラスチック製のパイプ、または内部をコーティングまたはライニングした金属製のパイプを巻いて絶縁することができます。巻いたパイプは、効果を発揮するために十分な長さが必要です。安全上の理由から、電気接地システムで配管を接地に使用している場合、または等電位ボンディングされている場合は、この方法を試みるべきではありません。
- 岸壁から電力供給を受ける金属製ボートは、通常、安全上の理由から船体をアースに接続する必要があります。しかし、アース接続の末端はマリーナ内に埋設された銅棒であることが多く、その結果、約0.5Vの鋼鉄と銅の「電池」が形成されます。さらに、各ボートの船体は他のすべてのボートの船体に接続されるため、プロペラ（青銅製の場合もあります）と鋼鉄製の船体の間にも「電池」が形成され、高価なプロペラの腐食を引き起こす可能性があります。このような場合、ガルバニックアイソレータの使用が不可欠です。ガルバニックアイソレータは通常、2つの半導体ダイオードを直列に接続し、2つのダイオードを逆方向に導通させます（逆並列）。この装置は、船体と岸壁保護導体間の保護アース接続部に挿入されます。これにより、印加電圧が1.4V（ダイオード1個あたり0.7V）未満の間は保護導体に電流が流れませんが、電気系統の故障時には最大電流が流れます。ダイオードを通して微量の電流漏れが依然として発生し、通常よりも腐食が若干早くなる可能性があります。
- 電解質との接触がないようにしてください。グリースなどの撥水性化合物を使用するか、適切な塗料、ワニス、プラスチックなどの不浸透性保護層で金属をコーティングすることで対応できます。両方をコーティングできない場合は、より貴な、つまり電位の高い材料にコーティングを施す必要があります。これは、より活性の高い材料にのみコーティングを施すと、コーティングが損傷した場合、陰極面積が広く陽極面積が非常に小さくなり、露出した陽極面積の腐食速度がそれに応じて高くなるためです。
- 銅とアルミニウムの電気接続部間の腐食を防ぐには、酸化防止ペーストの使用が効果的です。このペーストは、アルミニウムや銅よりも貴金属度が低い金属で構成されています。
- 電位が近い金属を選びましょう。個々の電位が近いほど電位差が小さくなり、ガルバニック電流も小さくなります。すべての構成部品に同じ金属を使用することが、電位を合わせる最も簡単な方法です。
- 電気めっきやその他のめっきも効果的です。これらのめっきでは、耐腐食性に優れた貴金属が使用される傾向があります。クロム、ニッケル、銀、金などが使用できます。亜鉛めっきは、犠牲陽極酸化作用によって鋼板を保護します。
- 陰極防食では、保護対象金属よりも活性の高い金属で作られた1つまたは複数の犠牲陽極を使用します。犠牲陽極に一般的に使用される金属合金には、亜鉛、マグネシウム、アルミニウムなどがあります。この方法は、給湯器や多くの埋設または浸漬された金属構造物で広く採用されています。
- 腐食性のガルバニック電流に対抗するために直流（DC）電源を接続することによっても、陰極防食を適用できます。（陰極防食 § 印加電流陰極防食（ICCP）を参照。）
ガルバニ系列
すべての金属は、特定の電解液中で標準参照電極に対して発生する電位を表すガルバニ系列に分類できます。この系列における2つの金属の相対的な位置は、どちらの金属がより速く腐食するかを示す良い指標となります。しかし、水の通気や流量などの他の要因も、腐食速度に大きく影響する可能性があります。
陽極指数
異なる2種類の金属の相性は、それらの陽極指数を考慮することで予測できます。このパラメータは、金属と金の間に発生する電気化学電圧の尺度です。2種類の金属の相対電圧を求めるには、それぞれの陽極指数を差し引くだけで済みます。[ 18 ]
倉庫保管や温度・湿度管理されていない環境など、通常の環境で保管される金属のガルバニック腐食を低減するには、 接触する2つの金属の陽極酸化指数の差が0.25V以下である必要があります。温度・湿度が管理された管理環境であれば、0.50Vまで 許容されます。屋外、高湿度、塩分の多い環境などの過酷な環境では、 陽極酸化指数の差が0.15V以下である必要があります。例えば、金と銀の陽極酸化指数の差は0.15Vである ため、過酷な環境でも2つの金属は顕著な腐食を起こさないでしょう。[ 19 ]
設計上の配慮により異種金属を接触させる必要がある場合、陽極酸化指数の差は仕上げやメッキによって調整されることが多い。仕上げやメッキの選択により、異種材料の接触が可能となり、同時に卑金属を貴金属による腐食から保護することができる。[ 19 ] ガルバニック不適合性が生じる場合、最終的に腐食するのは常に最も負の陽極酸化指数を持つ金属である。そのため、スターリングシルバーとステンレススチールの食器は食器洗い機に同時に入れるべきではない。なぜなら、食器洗い機のサイクル終了時には、スチール製の食器が腐食する可能性が高いからである（石鹸と水が化学電解質として作用し、熱がそのプロセスを加速させるため）。
| 金属 | インデックス（V） |
|---|---|
| 最も陰極的な | |
| 金、純金、メッキ、金プラチナ合金 | −0.00 |
| 銀メッキ銅にロジウムメッキ | −0.05 |
| 銀、純銀またはメッキ、モネル金属、高ニッケル銅合金 | −0.15 |
| ニッケル（固体またはメッキ）、チタンおよびその合金、モネル | −0.30 |
| 銅（純銅またはメッキ）、低真鍮または青銅、銀ろう、ドイツ銀、高銅ニッケル合金、ニッケルクロム合金 | −0.35 |
| 真鍮と青銅 | −0.40 |
| 高級真鍮とブロンズ | −0.45 |
| 18%クロム系耐食鋼 | −0.50 |
| クロムメッキ、スズメッキ、12%クロム系耐食鋼 | −0.60 |
| 錫メッキ；錫鉛はんだ | −0.65 |
| 鉛（固体またはメッキ）、高鉛合金 | −0.70 |
| 2000シリーズ鍛造アルミニウム | −0.75 |
| 鉄、錬鉄、ねずみ鋼、展延鋼、低合金鋼および普通炭素鋼 | −0.85 |
| アルミニウム、2000シリーズアルミニウム以外の鍛造合金、シリコン型鋳造合金 | −0.90 |
| アルミニウム、鋳造合金（シリコン系以外）、カドミウム、メッキおよびクロメート | −0.95 |
| 溶融亜鉛めっき鋼板 | −1.20 |
| 亜鉛、鍛造品、亜鉛基ダイカスト合金、亜鉛メッキ | −1.25 |
| マグネシウムおよびマグネシウム基合金、鋳造または鍛造 | −1.75 |
| ベリリウム | −1.85 |
| 最も陽極的な |
電食
「電食」という用語は、外部から金属に電流が流れることで生じる腐食を指すのに最もよく用いられます。この腐食のメカニズムは、ガルバニック腐食と本質的に同じです。[ 20 ]
参照
参考文献
- ^デッカー、フランコ・ラン（2005年1月）「ボルタと『パイル』「 .電気化学百科事典. ケース・ウェスタン・リザーブ大学. 2012年7月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。
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亜鉛と銅のような単純な円環が希硫酸によって励起されると、ボルタ作用で発生した水素はすべて銅の表面で発生します。
- ^ Goodisman, Jerry (2001). 「レモン細胞の観察」 . Journal of Chemical Education . 78 (4): 516– 518. Bibcode : 2001JChEd..78..516G . doi : 10.1021/ed078p516 .グッディスマン氏は、多くの化学の教科書では酸性電解質中の亜鉛と銅の電極を備えたセルのモデルが誤っていると指摘している。
- ^グレアム＝カミング、ジョン (2009). 「テンピオ・ヴォルティアーノ」 .オライリー・メディア. p. 97. ISBN 9780596523206。
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- ^ 「金属界のファーストレディの衣替え - 修理の詳細」銅開発協会。 2019年8月16日閲覧。
- ^ブライアント、アーサー（1935年）『サミュエル・ピープス：危機の年』ケンブリッジ：マクミラン社、370頁。
- ^ 「電気化学的腐食防止」corrosion-doctors.org . 2023年5月25日閲覧。
- ^ 「ガルバニック腐食…その本質と対策」『モーターボーティング』誌、82 (1)、ハースト・マガジンズ社、1948年7月50日。
- ^ 「CLI Houston」 。 2010年12月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年1月15日閲覧。
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- ^デビッド・アックス。「新造軍艦の崩壊、造船会社が海軍を非難」Wired。
- ^ Mullan, Jeff (2011年4月6日). 「トンネル安全天井照明器具の最新情報」(PDF) . MassDOT理事会への報告書. MassDOT. 2013年7月1日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2012年4月9日閲覧。
- ^ Murphy, Sean P. (2012年4月5日). 「Big Dig needs $54m light fix」 . boston.com . The Boston Globe. 2012年4月6日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年4月9日閲覧。
- ^水。 Hemat、RAS エディター: Urotext。 ISBN 1-903737-12-5826ページ
- ^ 「食品安全教育」 2024年1月20日。
- ^ 「銀貨のガルバニック洗浄 - チュートリアル」www.metaldetectingworld.com。
- ^ Wheeler, Gerson J., 電子機器の設計：生産と製造のためのマニュアル、Prentice-Hall、1972
- ^ a b c「腐食工学ハンドブック」www.corrosion-doctors.org .
- ^マカラム＆ローガン 1913、3ページ。
出典
- McCollum, B.; Logan, KH (1913).土壌中の鉄の電気分解腐食. 米国標準局技術論文. 米国政府印刷局. 2025年1月8日閲覧.
外部リンク
