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鋼の舞働態におよぼす水素イオンおよび塩素イオンの影響

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Academic year: 2021

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(1)

鋼の舞働態におよぼす水素イオンおよび塩素イオンの影響

長 船 忠 夫*

(昭和57年4月30日受理)

The Effect・ of Hydrogen ion and Chlorine ion on Steel Passivation

Tadao OsAFuNE

(Received April 30, 1982)

 In this investigation, the effect of H+ ion and C1一 ion on the passivation reaction of steel was examined.

The following results can be summarized.

(1) The corrosi on rate of steel increased with increasing H+ ion.

(2) Passivation current density decreased with increasing H+ ion.

(3) Crrosion potential shifted to more noble potential with increasing H+ ion.

(4) Fl・ade potential shifted to more base potential with increasing H+ ion.

(5) Oxygen evolution potential shifted to more noble potential with increasing H+ ion.

(6) Adding Cl一 ion to aeid aq. solution, passivation £ilrn of steel was destroyed, and passivation current density   increased violently with increasing Cl一 ien.

1.緒

言

 鉄の酸溶液中の挙動として,最もよく検討されてきたも のの一つとして,:不働態挙動がある。電位的には充分反応 が進行しうるにもかかわらず,極度に腐食速度が低下して

しまう。

 この現象に関しては,従来多くの報告がみられるが,こ とに液中の水素イオン濃度および塩素イオン濃度との関係 については多くの興味ある実験結果がみられる。

 不働態現象の理論的機構に関しては,酸化皮膜説と吸着 説の両説が並存し,いずれの説をとるかにより,各現象に 対する理論上の裏付けが異ってくる。特に塩素イオンによ る不働態化反応の妨害現象についての理由づけも,上記の 両説のとり方により異った考え方が必要である。

 一方不働態に関する研究において,腐食環境と同時に,

材料自身の条件が問題である。鉄材料中のクUム等の含有

量と不働態挙動との関係についても,多くのデーターが発 表されてきている。しかしながら,これらのデーターは,

酸濃度の比較的低い溶液中での挙動についてのものがほと

んどで,pH値で示す程度の酸濃度についてのものが多い。

そこで本実験では,やや高い酸濃度の水溶液中でのデータ ーを得ることを目的として,鉄鋼の不働態挙動が,水素イ オン濃度および塩素イオン濃度とどのような関係があるか について検討した。

*金属工学科

2.. タ験装置および方法

 不働態現象を起させる鋼材試料は,S30Cで,18φの丸 棒を厚さ5㎜に切断し,丸棒製造中に生じる内部ひずみ

を除去するため,および組織内部の組織上の偏りを平準化

するため,850℃の炉中で30分間加熱し,空冷したものを

用いた。試料表面の黒皮を除去し,エメリーペーパーにて 研磨し,アセトンで脱脂洗浄し水洗を充分に行なった。

 試料の片面の中央部に直径5㎜の円形部分をとり,そ

れ以外の部分はエポキシ系樹脂で被覆して 腐食反応が起

らないよう処理した。

 腐食環境としては,特級試薬による硫酸酸性水溶液を用 いた。水素イオンの不働態への影響については.硫酸濃度 は0.2,0.4,0.6,0.8,1.0規定とした。液温は全て30℃

一定として,試料の挿入直前に腐食液を窒素ガスで充分に

脱気した。

(2)

 一方塩素イオンの影響については,試薬特級食塩を上記 硫酸酸性溶液に混合した。酸濃度は0.6規定とした。

 混合する食塩(Nac1)の濃度は0.001,0.002,0. 005,

0.01,0.05molの5種類とした。この場合も反応前および 反応中は窒素ガスを吹き込んで充分脱気を行った。

 実験装置をFig.1に示す。使用された腐食反応容器は,

北斗電工製のガラス容器1で,Model HX−102(口径,100 mm)である。験液量はIGOOmlとし,液面下50㎜に試

料の申心部を設定した。

A: Thermoregutator B: Thermometer し・しou田er eieCTroae D:Sampte electrode E: Luggin capMary

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F: Calomel electrode G: HaSO4 sotution

君9■  巳」 _ユー.一 ,AnA亀 r1・ VVUler馬O)一し

1: KCI saturated $olution

J: Selt bridge

K: Potentiostat Fig.1 Corrotion testing apparatus.

 potentiostatは島津製PS2形で設定電位による電流の

測定は卑電位から順次貴電位に移行させた。

 所定の電位に設定して30秒経過後の電流値を測定値とし た。設定電位の間隔は0.05voltとした。設定電位は,飽和 甘ff・ zz極基準である。なお電流値の測定にあたってはPS

2形付属の電流計では,その精度が不充分であるのでディ ジタルマルチメーターを接続して電流値を求めた。

 試料は毎回新しいものと取替えた。

3.実験結果および考察

3−Z不情態化におよぼす水素イオン濃度の影響

 Fig・2に硫酸酸性水溶液中での鋼の下働態化について鋼 の腐食表面での,電流電位曲線により求めた模式的なグラ フを示す。ここでEcorrは腐食開始電位であり, Epはピ ーク電位で,この電位において鋼材表面は最も活発に腐食 が進行している。さらに電位を貴方向へ移行すると,電流 値は振幅現象を呈する。この領域がいわゆる,sulfation領 域で,鉄鋼表面がSO42+イオンによるFeSO4膜の形成と,

量

  Ecorr Ep Ef r−t

  Electrode potential (V vs.SCE)

Fig.2 Typical passivation curve.

その皮膜が破られて腐食が進行しようとする動きとの競合 状態が続く。この電位幅および電流値は,試料の表面状態 による影響に加えて腐食液の酸濃度に大きく左右される。

酸化皮膜形成の力が,それを破壊する力に優り,腐食表面 はほぼ完全に酸化皮膜に覆われる。この時点で腐食電流は 激減する。このときの電位を,いわゆる,Flade電位Eアと いう。電位を更に貴方向へ移行すると,電流値は極小のま ま増加せず,横ばい状態を継続する。これが不働態化であ り,このとき示す電流値を不艶態保持電流Ipという。また

電流密度がピークとなるときの電位をEpで示し,そのと

きの電流密度を臨界電流密度といい,Ikで示した,腐食表 面上の電位を更に貴方向へ移行しつづけると,やがて皮膜 表面上で酸性領域における酸素の発生電位Eo2に達し,水 は分解して,酸素発生反応が現われる。

  2H20.02十4H+十4e一 Eo2==1.229v

 Fig.3には腐食液中の硫酸濃度とS30Cのアノード分極

曲線との関係を示した。図に示すように,活性態領域での 各濃度と曲線との間には差がほとんどみられず,いずれも 電位の増加にともなって,腐食速度は急増していく。しか し0.2規定とうすい硫酸濃度の場合には,腐食速度の上昇

速度がしだいにゆるやかになっていく。そしてFlade電位

では,いずれも急激な腐食速度の減少がみられるが,Flade 電位自体は,硫酸濃度の増加にともなって,卑方向へ移行 していく。また,不働態化している領域の電位幅は,硫酸 濃度が高くなるにつれて広くなっている。

 液中の硫酸濃度を0.2Nから1Nまで5通りについてア

ノード分極曲線を測定し,その曲線の臨界電流密度と水素

(3)

500

O  O      O  5  0  5

︵●・ε受くE︾書ω=8↑5﹄﹂30 ㎝⁝⁝〃〃T260ωα0︒しO

S

4

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一1

   1    −O.6 O 1.0 2.O

     EIectrode potential (Vvs. SCE)

Fig.3 Passivation of steel (S30C) in sulfuric acid

   solution.

イオン濃度との関係を示したのだがFig・4である。水素イ オン濃度の増加とともに,臨界電流密度は次第に増加して いくが,0.6規定ぐらいから,臨界電流密度の上昇速度は ゆるやかになり,ほぼ横ばいとなっていく。即ち,鋼材は 硫酸濃度を高くすれば,それにともなって必ずしも腐食速 度が増加していくとはいえない。

密度は,次第に小さくなっていく。つまり不働態化が一層 進むことがわかる。

︵麗∈憂くE︾盆q︒3℃覧9告O 09876

5

4

3

2.5

2

t.5

   l       O.2 O.4 O.6 O.8 t.O

         H+ion coficentration (N}

Fig.5 Relation between passivation current density    and H二+ion concentration.

 500

pt−

xO 400 E

藩

V     L

.h一 500

運

8 250菩

ヒ 200

6

150

o o

o

  lOO

       O.2 O.4 O.6 O.8 1.O

        H響ion concen廿ro奮bn(N)

Fig.4 Relation between peak current density and H+

   ion concetration.

不働態電流密度についてこの傾向をみると,Fig.5にみ られるように,硫酸濃度の増加にともなって,不働態電流

 一般に臨界電流密度を示す領域すなわち,活性領域で

は,高級酸化皮膜でおおわれる1)といわれるが硫酸濃度が

高くなると鉄への酸化力が強くなり,Fe203の生成が速や

かに,かつ,完全に進むと考えられる。

次にアノード分極曲線上にみられる電位と水素イオン濃

0   .07    84    4

一      謄

︵国Oω.馴●︸﹀∈U

  0  9

  

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o o

o o

      O.2 O.4 O.6 O.8 t.O

       H十ion cencentration {N)

Fig.6 Relation between corrosion potenti al and H+

   ion concentration.

(4)

度との関係について検討してみる。

 Fig.6に腐食電位におよぼす水素イオン濃度の影響につ いて示した。水素イオン濃度が増すにつれて,腐食電位は 貴方向へ移行している。これは腐食液中の水素イオン濃度 の増加とともに,鋼材の腐食面で局部電池形成により生じ るカソード極の水素過電圧が小さくなっていくと,アノー ド側の分極曲線との交点が,水素イオンの増加とともに,

貴方向へ移行していくためと考えられる。すなわち,低い 酸濃度ほど,鋼材の腐食は卑な電位で進むことがわかる。

800

 700

臼

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暮400 著

碧300

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g 200

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面 800

 OF o

−100

       O.2 O.4 O,6 O.8 1.O

        H+ion comentrafion C N}

Fig.7 Relation between Ep and H+ ion concentration.

 次に最高の腐食電流密度を示す電位すなわちpeak電位

およびFlade電位と酸濃度との関係をFig・7およびFig・8

に示す。peak電位およびFlade電位は水素イオン濃度の

増加とともに明らかに卑方向へ移行していく。水素イオン 濃度の増加とともに腐食面での酸化反応が活発となり,不 働態皮膜形成が活発に進行する。

 Schottkyは2),鉄の不働態化過程において,活性状態で は2価でとけ,溶解形態はFeOH+であ.り,不働態領域で は酸化物はFeO+なる3価の形でとけるものと仮定した。

その場合Flade電位はFeO+/FeOH+なる酸化還元系の平

衡電位に相当するとすれば,

    Ef=V,十RT/F ln [FeOH+]/[FeO+]

    Voは標準単極電位である。

となる。実測値の傾向から考えて,水素イオン濃度が増加

すると不働態皮膜の形成が進むので,FeOH+よりもFeO+

濃度の高いところで両イオンの平衡が保たれるとすると,

Efは次第に卑方向に移行することになる。

1710

1oo

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Fig.8

100

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葦168

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量

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o o

o

   O.2 O.4 O.6 O.8 ID

     H+ion coneentratien {N)

Relation between Flade potential and H+ ion

concentration.

       O.2 O.4 06 O.8 t.O

       Hやion concen奮rα打on 髄}    

Fig.9 Relation betwwn Oxygen evolution potential    and H+ ion concentration.

 Fig.9に酸素の発生電位と水素イオン濃度との関係を示 した。酸素の酸化還元反応は,

    02十4H+÷4e=2H20

酸素の発生電位Eo2.は

    Eo2==1. 23−O. 0591pH十〇. 0148Po2

で示されるため,理論上水素イオンの増加とともに,Eo2

は貴方向へ移行することが裏づけられる。Fig.9の電位の

値は上記のEo2に更に酸素の発生過電圧が加算されるため

に,更に平な値を示している。Fig.9から得られる水素イ

オン濃度(pH)と電位との勾配は一〇.070ぐらいで理論値と

(5)

ほぼよい一致をみている。

3−2不働態化におよぼす塩素イオンの影響

 鋼の腐食液中に塩素イオンを添加すると,一働雨下が妨 害される。本実験では0.6規定硫酸酸性水溶液に食塩(Naci)

を所定量加えた場合のS30C鋼材の不働態分極曲線がNacl

量の増加とともにどのように変化するかを検討した。

500

0

0

0 5

0

︵︒・EミくE︼惹窪︒で噸毎ヒ50

5

O.05 O.Ol     P,005 O.OOt     O.002

o

    一α6    0        置ρ       2ρ

      臼oc雪rodo poね鼎鰐ol VvsSCE}

Fig.le Effect of Cl一 ion on passivation of steel (30CO)

 Fig.10に上記の関係を得る曲線を示した。実験方法は全 て3−1項の水素イオン濃度の影響の場合と同じである。塩

素イオン濃度は腐食電位には,ほとんど影響を及ぼさない が,不軸心電流密度に対しては顕著な影響がある。すなわ ち,塩素イオンが0.001皿olでも加わると,不働王化は全 く破壊されてしまい,十分な不冷製化現象はみられない。

Fig.11に絶倒態電流が塩素濃度とともに,急激な増加を 示している状況を示した。塩素イオンの増加とともに急激 な電流密度の増加が認められるが,塩素イオンが高濃度に

なって0.005mol以上になると,次第にその増加の割合が

ゆるやかになってくる。つまり不働二化現象を破壊するの に必要な塩素イオン量は0.001〜0,002mo1で充分であるこ とがわかる。

500

 O  O      O

      5 0   5       一

︵醐εミくε︸h亀ωCO宅巴﹂コO

e

4.結

1

O O.OOI O.002 O.005 O.Ol O.05  Cl ton eoncentration {Mot}

Fig.11 Relation between passivation current density    a皿dC卜ion concentratio且。

言

 鋼材の不働四二反応におよぼす水素イオンと塩素イオン の影響について検討した。本実験では,酸濃度の高い領域

での挙動について調べ,pH値で示される比較的,酸濃度

の低い領域での挙動と比較検討した。その結果次のような 結論を得た。

 (1)鋼材の腐食速度は水素イオンが増すと増加する。酸   濃度のうすい領域では水素イオンの増加に対してほぼ   直線的に腐食速度は増加するが,0.4〜0.5規定と高度   に達すると,腐食速度の増加の度合はゆるやかになつ   ていく。

 (2)不働態化電流密度は永素イオンの増加とともに減少   するが,pH領域ではゆるやかに減少するのに対して,

  高濃度では,不旧態化電流密度は激減する。

 (3)腐食開始電位は水素イオンの増加とともにゆるやか   に貴方向へ移行する。

 (4)Flade電位は水素イオンの増加とともに卑方向へ移   行ずる。

 (5)酸素発生電位は水素イオンの増加とともに貴方向へ   移行する。

 (6)不働態化電流密度は塩素イオンの増加とともに急増   するが,O. 002molぐらいで,不働態化は破壊されてし   まう。

文 献

1)前田正雄;電極の化学(1961)231,応報堂

2) 同  上

3) H.H.Uhlig ; Corrosion and Corrosion control 71.

 産業図書

4)伊藤伍郎;腐食科学と防食技術(1970)18!コロナ社

s ) H.H.Uhlig, P.King ; J.Electrochem Soc. 106. 1 (1976)

6) D.T.Chin and S.Venkatash ; J.Electrochem. Soc. vol,

  126 1908 (1979)

7) D.T.Chin,Corrosion, vol, 35, 514 (1979)

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