トライボ腐食は、腐食と摩耗の複合的な影響による材料劣化プロセスです。[1]トライボ腐食という名称は、トライボロジー（摩擦学）と腐食（腐食学）という基礎分野を表しています。トライボロジーは摩擦、潤滑、摩耗（摩擦を意味するギリシャ語の「tribo」に由来）の研究に関係し、腐食は材料（通常は金属）とその環境との間の化学的および電気化学的相互作用に関係しています。研究分野としてはトライボ腐食は比較的新しいものですが、トライボ腐食現象は機械や設備が使用されるようになって以来、存在してきました。
摩耗は、摩擦または衝突する表面で発生する機械的な材料劣化プロセスであり、腐食は材料の化学的または電気化学的反応を伴います。腐食は摩耗を加速させる可能性があり、摩耗は腐食を加速させる可能性があります。 [2]これらの現象は、フレッティング腐食（接触面間の微小振幅振動によって生じる）と同様に、より広い意味でのトライボ腐食に分類されます。エロージョン・コロージョンは、機械的および化学的影響を伴う別のトライボ腐食現象です。衝突する粒子または流体が、摩耗、欠け、または疲労によって固体表面を侵食すると同時に、表面が腐食します。[3]
さまざまな工学分野における現象
トライボ腐食は多くの工学分野で発生しています。パイプ、バルブ、ポンプ、廃棄物焼却炉、採鉱設備、医療用インプラントの寿命を縮め、原子炉や輸送システムの安全性にも影響を及ぼす可能性があります。その一方で、トライボ腐食現象は、例えばエレクトロニクス産業におけるウェハーの化学機械平坦化[4]や水性エマルジョンの存在下での金属の研削や切断など、有効に活用することもできます。この点を念頭に置いて、有用性や損傷の概念や特定の種類の機械的相互作用とは関係なく、より一般的な方法でトライボ腐食を定義することができます。トライボ腐食は、相対運動している表面間で同時に起こる機械的相互作用と化学的/電気化学的相互作用の結果として生じる、材料またはその機能の不可逆的な変化に関係しています。
バイオトライボ腐食
バイオトライボコロージョンは、生物学的環境に曝露されたトライボロジーシステムの要素間で生じる機械的負荷と化学/電気化学反応の相互作用によって生じる表面変化に関する科学です。[5] 人工関節を対象に研究されています。関節インプラントの材料劣化プロセスを理解することは、このようなデバイスの耐用年数を延ばし、安全性を向上させる上で重要です。
不動態金属
摩擦腐食現象は多くの材料に影響を及ぼしますが、金属、特に通常は耐食性がある、いわゆる不動態金属にとって最も重大です。工学分野で用いられる耐食性金属や合金の大部分（ステンレス鋼、チタン、アルミニウムなど）がこの範疇に入ります。これらの金属は酸素や水の存在下では熱力学的に不安定で、金属とその周囲環境との間の保護バリアとして機能する不動態膜と呼ばれる薄い酸化膜が表面に存在することで耐食性を得ています。 [6]不動態膜は通常、わずか数原子層の厚さです。それでも、不意に損傷を受けても金属の酸化によって自然に自己修復するため、優れた耐腐食性を発揮します。
しかし、金属表面が激しい摩擦や衝突粒子の流れにさらされると、不動態皮膜の損傷は継続的かつ広範囲に及ぶ可能性があります。自己修復プロセスはもはや有効ではなくなり、さらに金属の酸化速度が速くなる必要があります。言い換えれば、保護的な不動態皮膜が再形成される前に、下地の金属が激しく腐食してしまうということです。このような場合、摩擦腐食による材料損失は、摩耗のみ、あるいは腐食のみが発生する実験で測定される摩耗と腐食の合計よりもはるかに大きくなります。
この例は、摩擦腐食の速度が単純に摩耗速度と腐食速度を足し合わせたものではなく、機械的メカニズムと化学的メカニズムの相乗効果および拮抗効果によって強く影響されることを示しています。実験室でこのような効果を研究するために、電気化学セルを備えた機械的摩耗試験装置が最もよく使用されます。[7]これにより、機械的パラメータと化学的パラメータを独立して制御できます。例えば、摩擦する金属に所定の電位を印加することで、環境の酸化電位をシミュレートできます。さらに、特定の条件下では、電流の流れが瞬間腐食速度の尺度となります。電気化学的溶解による体積損失は、ファラデーの電気分解の法則によって測定でき、摩擦腐食における総体積損失から差し引くことで、機械的摩耗損失と相乗効果の合計を計算できます。[8]より深い理解を得るために、摩擦腐食実験は、接触面の詳細な顕微鏡的および分析的研究によって補完されます。
高温下では、温度と摩擦摩耗時のトライボロジー作用の組み合わせにより酸化物がより急速に生成され、「グレーズ」と呼ばれる耐摩耗性の高い酸化物層が形成される可能性があります。このような状況下では、トライボ腐食は潜在的に有益な方法で利用される可能性があります。
エロージョン腐食
エロージョン腐食は、液体の衝突、スラリーによる摩耗、高速で流れる液体や気体中の粒子、気泡や液滴、キャビテーションなどによる機械的作用によって材料表面が劣化する現象です。[9]そのメカニズムは次のように説明できます。
- 材料の機械的侵食、またはその表面の保護（または不活性）酸化物層、
- 材料の腐食速度が酸化物層の厚さに依存する場合、材料の腐食が促進されます。
エロージョン腐食のメカニズム、影響を受ける材料、発生条件は、流動加速腐食とは一般に異なりますが、流動加速腐食はエロージョン腐食のサブタイプとして分類されることもあります。
参考文献
- ^ D. Landolt, 摩擦腐食システムの電気化学的および材料的側面, J. Physics D: Appl. Phys. 39, 1-7 (2006)
- ^ SWワトソン、FJフリーダースドルフ、BWマドセン、SDクレイマー、Wear 181-183、(1995)476-484
- ^ K. Sasaki, G. T. Burstein, Philosophical Magazine Letters, 80 (2000) 489-493
- ^ S. Tagella、AK Skder、A. Kumar、J.電気化学。社会151 (2004) G205
- ^ Y.Yan, バイオトライボコロージョン - 摩耗と腐食の相互作用の時間依存性の評価 パートII：表面分析. Journal of Physics D: Applied Physics. 39(2006) p.3206-3212
- ^ D. Landolt, 金属の腐食と表面化学、EPFL Press、ローザンヌ、スイス、2007年、p. 227-274。
- ^ S. ミシュラー、P. ポンティオー、ウェア (ジャーナル)、248 (2001) 211-225
- ^ D. Landolt, S. Mischler, 不動態金属およびコーティングの摩擦腐食, Woodhead, Oxford, 2011
- ^ DIN EN ISO 8044:2023-10、金属腐食とLegierungen_- Grundbegriffe (ISO/DIS_8044:2023); Deutsche und Englische Fassung prEN_ISO_8044:2023、 Beuth Verlag GmbH、doi :10.31030/3483311 、 2024-02-03取得
