材料科学と工学の領域では、腐食、酸化、錆という用語は、しばしば同じ意味で使用されます。ただし、これらのプロセスは関連していますが、明確な特性と影響を及ぼします。これらの現象は材料と構造の寿命と安全性に大きな影響を与える可能性があるため、建設から航空宇宙に至るまでの産業にとって、それらの違いを理解することは重要です。
腐食とは何ですか？
腐食 とは、化学的または電気化学的反応によって引き起こされる材料、通常は金属の徐々に分解されます。材料を弱め、その構造的完全性に影響します。腐食は、チェックされていないままにすると故障につながる可能性があります。
材料特性の劣化
腐食が発生すると、材料の物理的特性が変わります。これには、強度、外観、さらには導電性が含まれます。金属とその環境の間の電気化学反応により、この劣化が原因になります。
腐食の種類
すべてのシナリオで腐食は同じではありません。さまざまな環境と材料は、さまざまな形態の腐食につながります。以下はいくつかの一般的なタイプです。Ecell
=e⁰cathode -e⁰anode-（rt/nf）ln（[ox]/[red]）
ECELL =セル電位、E0 =標準電極電位、r =ガス定数、t =温度、n =伝達される電子の数、fはファラデー定数です。
腐食率
この式では、ΔGはギブス自由エネルギーの変化であり、Rはガス定数であり、tは温度です。
ピッティング：これは、金属の表面に小さな穴や穴をもたらす局所的な腐食の形です。検出が難しく、急速な障害につながる可能性があります。
顆粒間腐食：このタイプの腐食は、多くの場合、不純物の沈殿または異なる相の形成により、金属の粒界に沿って発生します。
侵食腐食：腐食性液が高速度で金属表面上を移動し、機械的摩耗と化学的分解の両方を引き起こすと発生します。
応力腐食亀裂：これは、金属が引張応力と腐食性環境の両方にさらされ、亀裂の形成と伝播につながるときに発生します。
選択的浸出：このタイプの腐食には、合金から1つの要素を選択的に除去することが含まれ、弱体化した多孔質構造が残ります。
腐食の影響を受ける材料
腐食は金属に影響するだけではありません。他の材料も劣化する可能性があります：
金属：鉄、アルミニウム、銅、およびその合金は、腐食の影響を最も受けます。
セラミック：あまり一般的ではありませんが、セラミックは環境との化学反応を通じて分解する可能性があります。
ポリマー：腐食の代わりに、ポリマーは分解します。この弱体化は、ひび割れ、反り、または変色につながる可能性があります。
酸化とは何ですか？
酸化と は、材料が電子を失い、通常は酸素と反応する化学プロセスです。それは日常の化学の一部であり、多くの場合、色や質感などの目に見える変化をもたらします。
電子の損失を含む化学プロセス
酸化では、物質が電子を別の電子に放棄します。酸素は通常、それらを受け入れる物質です。この反応は、有機材料と無機材料の両方で発生し、その特性を変えます。一般的な酸化反応は、
次のように表現できます。
ここでは、 'm 'は材料（しばしば金属）を失った電子を表し、正に帯電したイオン（M⁺）になります。
日常生活における酸化の例
酸化は、私たちが毎日使用する材料に影響を与えます。いくつかの一般的な例があります：
この赤茶色の層は金属を弱めます。
有機材料の酸化
生物でも酸化が起こります。しかし、金属とは異なり、効果は有益です。
さびとは？
錆は、鉄と鋼などの合金に影響を与える特定のタイプの腐食です。赤みがかった茶色の色とフレーク状のテクスチャーが特徴です。
この形式の腐食は、鉄が水分と酸素にさらされると発生します。錆の形成のプロセスにはいくつかのステップが含まれます。
酸化反応：鉄は電子を失い、水の存在下で酸素と反応して鉄（II）イオンを形成します。
fe→fe⊃2;⁺ +2e⁻
水酸化鉄の形成：fe⊃2;⁺イオンは水と酸素と反応して鉄（II）水酸化物を形成します。
fe⊃2;⁺ +2h₂o +o₂→fe（oh）₂
水酸化鉄の酸化：鉄（II）水酸化物はさらに酸化して鉄（III）水酸化物を形成します。
4fe（OH）₂ +o₂ +2H₂O→4fe（OH）₃
錆の形成：鉄（III）脱水酸酸塩（鉄（III）酸化酸化加熱酸化を形成し、一般的に錆として知られています。この錆は、酸化鉄と水酸化物の複雑な混合物です。
4fe（OH）₂→Fe₂o₃・3h₂o
いくつかの条件が錆の形成を促進することができます：
水分の存在：水は電解質として機能し、錆びに必要な酸化還元反応を可能にします。高い湿度または雨への直接暴露は、プロセスを加速する可能性があります。
酸素と電解質への曝露：酸素は錆の形成に不可欠です。良好な曝気または酸素濃度が高い領域は、錆びやすい傾向があります。塩と酸は、金属の電気化学的活動を増加させ、錆びたプロセスを高速化することもできます。
環境要因：温度は錆の形成に役割を果たします。温度が高いと化学反応の速度が増加し、錆びが速くなります。汚れや油などの表面汚染物質は、金属表面に水分を閉じ込めることができ、錆びやすい局所的な領域が生成されます。
腐食、酸化、錆の
| アスペクト | 腐食 | 酸化 | 錆の違い |
| 意味 | 環境との化学的または電気化学的反応による材料の劣化 | しばしば酸素を含む物質が電子を失う化学プロセス | 鉄と鉄の合金に影響を与える特定の腐食 |
| 範囲 | 最も広い用語で、さまざまな形態の物質的劣化を網羅しています | 特定のタイプの化学反応 | 鉄酸化の特定の生成物 |
| 影響を受ける材料 | 金属、セラミック、ポリマーを含むさまざまな材料 | 有機物質と無機物質の両方 | 具体的には鉄とその合金 |
| 環境要因 | 電解質が必要です | 酸素または別の酸化剤が必要です | 酸素と水分の両方が必要です |
| 製品 | さまざまな化合物をもたらす可能性があります | 酸化物を生成します | 酸化鉄と水酸化物を形成します |
| 化学プロセス | 多くの場合、材料と環境の間の電子移動が含まれます | 多くの場合、酸素に対する電子の損失 | 鉄は酸素と水と反応します |
| 外観 | さまざまな形式（例：ピッティング、スケーリング） | 材料に応じて、表示または見えないことがあります | 独特の赤茶色の色 |
| インパクト | 通常、材料特性に有害です | 有益な（たとえば、保護層）または有害な場合があります | 鉄ベースの材料に常に有害です |
| 経済的影響 | さまざまな業界で重要です | コンテキストによって異なります | 鉄を使用する産業では実質的です |
腐食、酸化、錆の影響
腐食、酸化、および錆は、材料の分解を超えて広範囲に及ぶ結果をもたらします。それらは、経済的損失の重大な損失につながり、安全性のリスクをもたらし、環境に害を及ぼすことさえあります。
経済的結果
腐食、酸化、錆に関連するコストは驚異的です。 NACE Internationalの調査によると、世界の腐食コストは年間2.5兆ドルと推定されており、これは世界のGDPの3.4％に相当します。
これらのコストは次のとおりです。
腐食した材料と構造の交換または修理の直接コスト
生産の喪失、環境被害、訴訟などの間接費用
腐食防止と制御措置のメンテナンスコスト
腐食によって最も影響を受ける産業には次のものがあります。
石油とガス
輸送（自動車、航空宇宙、鉄道、海洋）
インフラストラクチャ（橋、パイプライン、建物）
製造および加工プラント
安全上の懸念
腐食、酸化、および錆は、建物、車両、インフラストラクチャの構造的完全性を損なう可能性があります。この劣化は、壊滅的な失敗につながり、命を危険にさらします。
腐食によって引き起こされる安全上の危険のいくつかの例は次のとおりです。
環境への影響
腐食、酸化、および錆も、環境に重大な結果をもたらす可能性があります。腐食した構造が故障すると、危険物を環境に放出できます。
例えば：
腐食した貯蔵タンクは、化学物質または石油製品を漏れ、土壌と地下水を汚染することができます
錆びた金属廃棄物は、重金属が生態系に浸出する可能性があります
インフラストラクチャの劣化は、非効率性につながり、温室効果ガスの排出量の増加につながる可能性があります
予防と緩和戦略
腐食、酸化、錆の防止と緩和には、多面的なアプローチが必要です。これには、慎重な材料の選択、設計上の考慮事項、保護治療、環境管理、定期的な監視が含まれます。
材料の選択とデザイン
腐食を防ぐ最も効果的な方法の1つは、本質的に耐性のある材料を使用することです。腐食耐性合金のいくつかの例は次のとおりです。
これらの材料は、その表面に保護酸化物層を形成し、さらなる腐食を防ぐのに役立ちます。
設計は、腐食を最小限に抑える上で重要な役割を果たします。エンジニアは：
保護コーティングと処理
材料の表面に保護コーティングと処理を適用すると、腐食を防ぐことができます。いくつかの一般的な方法は次のとおりです。
塗料とオイル：これらは金属と環境の間に障壁を作り出し、腐食剤への暴露を防ぎます。
亜鉛めっき：これには、亜鉛の層で鉄または鋼をコーティングすることが含まれます。
電気めっき：クロムやニッケルなどのより腐食耐性金属の薄い層を別の金属の表面に堆積させます。
陽極酸化：このプロセスは、アルミニウムのような金属の表面に厚く保護酸化物層を作成します。
不快感：それには、保護酸化物層の形成を強化するために、化学溶液で金属の表面を処理することが含まれます。
環境制御
環境を制御すると、腐食剤への曝露を最小限に抑えることができます。いくつかの戦略には以下が含まれます。
空気中の水分を減らすために低湿度レベルを維持する
腐食を促進する可能性のある極端な変動を回避するために温度を調整する
除湿機、エアコン、またはヒーターを使用して環境を制御する
腐食性物質から離れた乾燥した換気のあるエリアに材料を保管する
腐食監視と検査
定期的な監視と検査は、腐食を早期に検出するのに役立ち、タイムリーな介入を可能にします。これには次のことが含まれます。
変色、孔食、剥離など、腐食の兆候について表面を視覚的に検査する
超音波の厚さの測定やX線撮影などの非破壊検査方法を使用して、材料を損傷することなく腐食の程度を評価する
検査結果の詳細な記録を保持して、腐食の時間の経過に伴う進行を追跡する
腐食防止と技術の進歩
腐食との戦いが続くにつれて、研究者とエンジニアは、その効果を防止し緩和するための革新的なソリューションを開発しています。これらの進歩は、高性能コーティングからリアルタイム監視システムや新しい材料にまで及びます。
高性能コーティングの開発
大きな進歩の領域の1つは、高度な保護コーティングの開発です。これらのコーティングは、腐食、摩耗、化学攻撃に対する優れた耐性を提供します。いくつかの注目すべき例は次のとおりです。
エポキシおよびポリウレタンコーティング：これらは、水分や化学物質に対する優れた接着、耐久性、耐性を提供します。それらは、産業用および海洋アプリケーションで広く使用されています。
フルオロポリマーコーティング：例外的な耐薬品性と低摩擦特性で知られるPTFE（Teflon）などのフルオロポリマーコーティングは、過酷な環境に最適です。
バイオ風の自己修復コーティング：これらの革新的なコーティングは、生物の自己修復特性を模倣しています。それらには、コーティングが損傷したときに放出される治癒剤で満たされた顕微鏡カプセルが含まれており、それ自体を修復することができます。
陰極保護および腐食阻害剤技術
陰極保護は、金属構造の腐食を防ぐための確立された方法です。それには、金属に小さな電流を適用し、電気化学セルのカソードにすることが含まれます。これにより、金属が腐食を防ぎます。
腐食阻害剤は、腐食性環境に添加すると腐食速度を低下させる物質です。彼らは、金属表面に保護膜を形成するか、環境の化学を修正することによって働きます。
これらのテクノロジーの最近の進歩には次のものがあります。
太陽光発電またはその他の再生可能エネルギー源を使用する感動的な現在の陰極保護システム
植物抽出物やその他の環境に優しいソースに由来する有機腐食阻害剤
腐食阻害剤を組み込み、必要に応じてそれらを放出するスマートコーティング
リアルタイムの腐食監視と早期警告システム
腐食を早期に検出することは、壊滅的な失敗を防ぐために重要です。リアルタイム監視システムは、センサーを使用して、腐食に関連するさまざまなパラメーターを継続的に測定します。
電気化学的可能性
腐食電流
環境要因（温度、湿度、pH）
これらのシステムは、腐食率が許容レベルを超えた場合にオペレーターに警告し、タイムリーな介入を可能にします。一部の高度なシステムは、機械学習アルゴリズムを使用して、履歴データに基づいて腐食率を予測することもあります。
海洋環境における腐食防止のための新しい材料と技術
腐食防止に関しては、海洋環境は特に困難です。塩水、生物学的ファウリング、および機械的ストレスの組み合わせは、最も堅牢な材料でさえ急速に低下させる可能性があります。
研究者は、次のようなこれらの課題に対処するための新しい材料と技術を開発しています。
高レベルのクロム、ニッケル、モリブデンを含む耐腐食性合金
金属の強度とポリマーの腐食抵抗を組み合わせた複合材料
超疎水性表面を作成するナノ構造コーティング、水やその他の腐食性物質が金属に付着するのを防ぎます
感動した現在の陰極保護や犠牲的な陽極などの電気化学腐食制御方法
結論
腐食、酸化、および錆は関連していますが、材料や構造に大きな影響を与える可能性のある明確なプロセスです。酸化は幅広い化学反応ですが、腐食は特異的に材料を分解し、錆は鉄とその合金のみに影響します。
これらの違いを理解することは、さまざまな資産の安全性と寿命を維持するために重要です。腐食科学における進行中の研究は、これらの永続的な課題に対抗するための新しい予防戦略と技術を開発することを目的としています。
