水中の鉄の酸化現象に及ぼす高磁界効果

水 中

の

_鉄

の

_{酸 化現 象}

に

及

ぼ

_す

高磁

界

効 果

渡 辺 裕 幸

＊

・

_{荻 原 宏 康}

＊ ＊

・

_{佐 藤}

_昭

＊＊

Inhomogeneous

　

Oxidization

　of　

lron

　

Surface

　

in

　

Water

Hiroyuki

　

WATArslABE

，

　

Hiroyasu

　

OGIwARA

　and 　

Akira

　

SATo

　

Amagnedc

　

field

　_{perpendicular}　tQ　the　axis　of　an　

iron

　rod 　

hl

　water 　will　cause 　the　su  ace　to　the　rod　to　

badly

　corrode

，

The　su 匠 ace　_parallel　to　the  gnetic丘el¢ howeve鴫will　hardly　corrode

．

　

The

　magnetic 　field　is　enhanced 　at　the　surface

facing　to　the　magnetic 負eld

．

　Therefor　along 　the　surface 　of　the　rod　a　rnagnetic 　field　distribution　arises

．

　An　enhanced 　mag

−

netic 　field　area　will  cur　

in

　

front

　of　the　cylinder

，

　while 　a　weakened 丘eld　area　near　the　sides　of　the　rod

．

　

Following

　the magnetic 血eld　

distribution

，

　the　

distribution

　of　the　

dissolved

　oxygen 　concentrat_至on　in　water 　varies

．

　

The

　

dissolved

　oxygen with 　weak 　magnetism 　concentrates 　at　the　enhanced 　field　area

，

　and 　attacks 　the　su   ace 　of　the　iron　rod

．

　

Corrosion

　is

hardly

　observed 　at　the　

both

　sides　of　the　rod　where 　the　

field

　is　weakened

．

　

III

　order　to　study　the　performance　of　oxygen

more 　precisely　an　experiment 　was 　conducted 　

in

　which 　surface 　corrosion 　along 　the　axis 　of　the　

long

　

iron

　rod　_placed　

in

　the

magnetic 　

field

　_parallel　

to

　

the

　axis　of　a　solenoid　magnet 　was 　observed

．

　

The

　solenoid　magnet 　

had

　a　

field

　

distribution

　and

the　

distribution

　of　magnetic 　

force

　along　the　axis　of　the　rod

．

　As　a　result

_，

　corrosion　was　observed 　at　the　part　where 　the

higher

　magnetic 　

force

　existed　on　the　

iron

　rod　and 　the　corrosion　

in

　water　migrated 　

following

　the_且ow　of　oxygen 　

in

　wateL

1 ．

は じ め に 　磁 界 中に鉄などの 強 磁 性 体があっ た場 合

，

強 磁 性体は 磁 場 を集 中させ る働き があ る

。

強 磁 性 体の周 りに は磁 気 勾配が生じ るこ とに な る。 つ ま り

，

超電 導磁 石などの強 磁 界 発生源の近 くに鉄が あった場 合そ の近辺に は非 常に 強い磁 気 勾 配 が 発 生 し て い る こ とにな る

。

これ は 水 中に あ る 強 磁性体 につ いて も同じで

，

その周 りには 磁 界の集 中し た部 分 と そ れに伴 う磁 界の勾 配 ができて い る

。

と く に

，

水 中に置かれ た 鉄 円 筒の軸に直 角 方 向に高 磁 界 を加 え る と

，

鉄 円 筒の磁 界に垂直な面は激しく腐食し

，

平行 な面はほ と ん ど腐食を受け ない ことを 発 見し

，

報 告して あ る1］ 。 鉄円 筒の 存 在に よっ て 磁 界 は

，

垂直な 面 に 集 中 する

。

こ のた めに鉄 円 筒の 円 周に沿っ て印 加 磁 界 よ り磁 界が高い部 分

，

弱い 部 分が生 じ る

。

こ の磁 界 分 布に し た がっ て水 中の溶 存 酸 素の濃 度 分布が変 化する。 磁 界の強 い 部 分に

，

弱い な が らも 磁 性 を 持つ _{溶 存}酸 素が集ま り

，

その部 分 を酸 化 腐 食 し

_，

弱い部 分で は腐 食が起 き ない

。

この現 象 を 確かめ る 目 的で

_，

軸 方 向に磁 界 分 布 を持 ち

，

＊ _{大 学 院} 1_{二学 研 究 科 博 士 前 期課程 電 気工 学} 専攻 ＊ ＊ _{電 気工学科 　教授} 　 平成 12 年 10月31 日受 付 磁気勾配をもつ ソ レ ノ イ ドコ _イル の中で

，

軸方 向に置い た鉄円筒で酸化の様 子を 調べ た

。

その 結 果

，

磁 気力の 大 きい とこ ろで腐 食 が 激 しい こと

，

腐食が 水 中の酸 素の移 動に沿っ て進 行 するこ と を 確か めた 2｝

。

な お

，

加 える磁 界はJj、_{型 極 低 温 冷 凍 機}直 接_{冷 却 式 超 電 導}マ グネッ ト （液 体ヘ _{リ ウ}ム _を必要と し ない の で別名ド ラ イマ グ ネッ ト と もい う） 「湘6」に よっ て発 生さ せ た 3）

。

　 湘

6

は

，

近 年 ビス マ ス系 超伝 導体 が 発 見 され

，

電流 リ

ー

ドへ の使 用に よ り超 電導磁 石へ の 熱流入を 大幅に減 らすこ と が 可能に なっ た

。

ま た

，

蓄冷 材の改 良な ど に よ る 小 型 冷 凍 機 技 術の進 歩 も あい まって

，

液 体ヘ _リウム を 必 要 とせ ず 冷 凍 機直接 冷 却に よる冷 凍 機直接冷 却 式 超 電 導 磁石 が開 発さ れ た

。

こ の 冷 凍 機 直 接 冷 却 式 超 電 導 磁 石 を 使 用 する こ と によ り比 較 的 安 価に高 磁 界

，

高 磁 気 勾 配 を 利 用するこ と が 可 能 に なっ た

。

　本 研究で は水 中に鉄を置き腐 食 模様 を観察し た。 腐 食 とは鉄が酸 化 す るこ とで あ り

，

そこ では酸 素が消 費され る。 酸 素は常磁性 物 質なの で磁気の強い ところ に磁気 力 を う けて引 き寄せ られる

。

つ ま り

，

強 磁 界 中で は鉄の 近 傍で 磁 気 勾 配が あ るの で 腐食に偏り が見ら れ たの で報告 す る

。

13

2

．

理

論

　

2．

1

　 酸 素が溶け てい る水 中で の鉄の腐 食反応 　 水溶 液 中で は鉄は溶解 して鉄イ オ ン と なって溶 出する。 これはア ノ

ー

ド反 応すな わ ち鉄の _溶解 反 応 と呼ば れる

。

反 応式は

Fe

→

Fe2

＋十

2e

一

（1）

　

ま た

，

水 溶 液 中に溶けた 酸素 （溶存酸素 ）

02

が存在 す る と酸 素 が 水 と 結 合し て水 酸 イ オンになる

。

これ をカ ソ

ー

ド反 応 （還 元 反 応 ）とい う

。

反応 式は （

1

／

2

）

02

＋

H20

＋

2e

−

→

20H

一

（

2

） 　こ こ で金 属 材 料の淡 水 腐 食 とし て 実 験で使 用 した炭 素 鋼 （鉄 ）の 腐 食 を 考 え た 場 合

，

溶 存 酸 素が水と結 合 し て 水 酸イ オ ンをつ _くる

。

こ れ と溶 解 し て イ オ ン化 し た鉄と が電 子の や りとり行い 水酸化 第 2鉄にな る

。

鉄の 腐 食 反 応 式は Fe十（112｝

02

十H20 → Fe_（

OM2

_（3_〕

　

ここで

Fe

（

OH

）2は さ ら に酸 素の存 在する水 中で は酸 化 され

，Fe

（

OM3

で 表 され る 赤 錆 と な る

。

赤 錆は水 酸 化 イ オンと結合し て最 終 的に黒 錆 と な る

。

　2

．

2　 溶 存 酸 素 と水に対 する勾 配 磁 場 効 果 　

一

般に勾 配 磁場 下で は

，

磁化さ れ た磁気粒 子は磁場 勾 配に よ る磁気 力に よっ て重心位 置に対 する移 動力を 受け る。 常 磁 性物 質で あ る溶 存酸素は勾 配 磁 気 力の影 響 をう けて磁 場の強い 部 分に移 動し

，

反 磁 性 物 質で あ る水は逆 に磁 場の弱い部 分へ の 移 動 力 を受け る

。

　溶 存 酸 素の 溶 解した水に働 く単位 体積あた りの 磁気力 は次 式の よ う に表 され る

。

F −

［

pa

π1＋_ρ（

1−

c）

X2

］grad（

B2

／2μ

dl

〔

4

） こ の式で ρは酸 素の溶 解し た水の密 度

，

cは溶 存 酸 素の 質 量 濃 度

_，X1

は酸 素の磁 化率

，

　

X2

は水の磁 化率

，

　

B

は磁 束密度

，

μo は 真 空の透磁率である

。

　こ こ で

，

磁束 密度 を5T

，

磁 場 勾 配磁場 勾配 200T ！m と し た場 合

，

単 位面積あたりに働 く磁 気力は

720

　

dyn

_， 溶 存 酸 素に働 く力 は

4．

5

　

dyn

と なる

。

ρ

・

＝

1．

Oglcm

−

3

，

ρc

＝O．

41xlO

−

4g ！cm

−

3

_，

Xl＝

109XlO

−

69

−

1

_，

X2＝− O．

72x10

−

6g

−

1 と し て計 算 し た

。

酸 素の 磁化 率は水 の そ れ に 比べ

150

_{倍程 度に大 き}い が

，

溶存 酸素の 質 量濃 度が小 さい た め に それら に働 く磁 気 力は比較 的 弱い こと がわか る。

　

また

，一

般に体 積 磁化率 x の磁気物質に作 用する単 位 面 積あ たり働く勾 配 磁 気 力F は その 磁 気物 質の_存在 す る 場の磁 場 強 度が

B

_［

T

_］で

，

磁 場 勾 配 が （

d81

砒 ｝［

T

！m］と し た 場 合

，

そ れらの積に比 例 し次の よ うに も表 される

。

F

＝（z！ito）

B

（

dtB

！

dx

） （

5

） ここ で

_X

は磁 気 物 質の体 積 磁 化率

，

μo は真 空の透磁率

。

　

一

方

，

反 磁性物質で あ る 水 に は溶存 酸 素と は 逆 方 向 の 勾配 磁気 力が作用 する ことにな る。 し か し

，

水は溶存 酸 素 を 含む混 合 流 体で ある た め

，

二 つ の磁 性 物 質の各 磁 場 効 果 が 合 成 された形で磁場効 果 を 受 ける

。

3

．実

験

　試 料の鉄 円 筒は高 炭 素ク ロ ム軸 受 鋼 材

SUJ

−2

を 旋 盤 加 工 し て

，

直径

15mm

の太 さに し てい る。 長 さは

，

40mm と

400mm

の 二_{種 類}を用意 し た_。

40

　_mm の _試料は垂直磁 界の印加用で

，

図

1

の ような容 器に等間 隔に_（a_）

〜

_〔g）

7

_本 の 鉄 柱を配置

，

固定 し て

，

蒸留 水を満た し て か ら

，

湘 6 の ボア に挿入 し た

。

容 器 は 幅

120m

膈 さ

120

  ，奥 行 き

455mm

で上 方 は 開 放 して あ る

。

　

こ の実 験では

_，4

本目（

d

）の 試 料

，

中 央の鉄 柱が超 電導 磁 石の中心 にくるよう に固定し た

。

この _時

，

2_{本 目 〔}

b

_）と 6_{本 目 （}f）の 鉄柱は磁 気 力 最大の 部 分に く る よ うに なって い る

。

実 験で は湘 6で 5T の 磁 界 を 発 生さ せ た状 態で 6 時 間 放 置し た

。

　次に平 行 磁 界の 錆へ の _影響 を 見る た め長 さ

400mm

の 試 料 を

，

40mm の_試料と同 じ大 き さの_容器に磁界の軸方 向に沿っ て置い た

。

超 電導磁 石の軸方 向の酸素の流 れ を 見 る た め で あ る。 実 験で は 5T の磁 界 を3時 間か け た 4 ）

_。

　磁 界を発 生 させ る た め に使っ た磁 界 発 生装置は東 芝 製 横 型の冷凍 機 直 冷 式 超 電 導 磁石

TM −6

で

，

本 研 究 室で は

_，Sh

（ト

6

（湘

6

）と 呼 んでい るもので あ る

。

湘

6

の磁界 発 生 空 間 （常温 ボァ

ー

）は直径

180mm ，

長 さ

570

  で

，

最大発生 磁界は ボア

ー

_中心 に おい て 6T で あ る

。

こ の磁 石の最大磁 気力

B ・

ttBldUは

，

6T に おいて中心か ら

O．

12 メ

ー

ト ル のところで約 130　

T2

／m である

。

実 験で使 用した 5T に おける軸方 向 磁 場 分 布

，

軸 方 向 磁 気 力 分 布 を 図 2 に示 す

。

磁 気 力 は

5T

発 生 時 中 心か ら

0．

12

メ

ー

トル の と ころ で 約

90T2

！m であ る

。

　な お

，

実 験に使っ た鉄 柱の 前 処 理と して ア セ トンで油

一

一

膜 を落とし て あ る

。

φ15

｝

4

．

実 験 結 果

1

：垂 直 磁

界

の

場合

　

40mm

試 料 をに対し て行っ た垂 直磁 界印加の結 果 を 図 3（1）

，

〔2）に示 す

。

図 3（1）は磁 界に向い て磁 界が強 まっ た部 分 の鉄 円 筒 表 面に 生 じ た酸 化 腐 食である

。

図 3  はそ れ と は直 角な向き

，

つ まり 磁 界 と平 行 な 面であ る

。

こ の 面 で は ほ と ん ど酸 化 腐 食は 起 こっ てい ない 。 ま た

，

磁 界 に 正 対し て い る面の腐食と腐 食が ない _面と で明瞭な境 界が 認め られる

。

一 _mo （e｝ （b｝   （d｝ （e｝ （t）   ｝ 図

1

　ア ク リル 製 実 験 容 器

●

●

●

●

●

●

●

5 ．

実

験

結 果

11

：平

行

磁 界の場 合 　長 さ400mm の 長い試料を 磁界と平 行に置い た場 合の 腐 食 状 況 を 図 4に示 し た

。

円 周に沿っ て腐 食の差は認め ることが で き ない が

，

長 さ 方 向の 腐 食の 様 子にはい ろい ろ特 徴 的な変 化が認め られる

。

　と くに磁気力の強い 両端 部分で は腐 食が鉄 円 筒の中 央 に向かっ て 流れ てい る よ うに なってい るの が特 徴 的で あ る

。

水 中に溶 存 酸 素の 移 動が あっ て ， それに対 応 し て腐 食が発生 し てい るよう に見え る。

6 ．鉄製

円

柱

に お け る

磁 束密度

の

等高 図

　 　 　 お よ び 磁 気 勾 配 　 磁 場分布の 解 析は図 5に示 すよ うに解 析 範 囲 を

一

辺 が

10

  の 立 方 体 と し

，

鉄製円柱の位 置 を その 中 央 部 と し て空 気 中で磁 束密度 3T の

一

様 磁 界 を 加えた場合につ い て行っ た

。

こ の有 限 要素法によ る軸 対 象

3

次 元静磁場解 析に はア ン ソ フ ト社の Maxwell　3D を用い

，

鉄 製 円 柱

，

鉄 球

，

及び鉄 製 円 錐 柱に対 する各 要 素は最 適 自 動 要 素 機 能 1

銘

il

：

簑

：

：

蠶

ll

　 　 O 　 　 　 O 5 10　 　 　 15　 　 　

20

中 心 か らの距 離 （

1

び2m ） 25

6

5 4

　ε

3_窘 糎申 磁 場 2　 一 磁 気 力 1 　 030 図

2

　

Sho・

6 軸方向磁界分布 15

（

1）

磁 界 に

正

対

_レ

てい る

面

（

2

）

磁 界 面 と垂

直

な

部分

図

3 　

垂直磁 界 を印 加し た場 合の鉄の腐食結果 　 　 　

5T ，

　

6

時 間 放 置

。

左 ：図

1

（

d

）の磁場最大の 　 　 鉄 柱

，

右 ：図 1（

b

）の 磁気力 最 大の 鉄柱 に よ り14028

，

6824，11105

で あっ た

。

図 6は この 解 析に用 い た 炭素含 有 量

1

％ の炭 素鋼の磁 化 特 性 を示 す

。

な お

，

高 炭 素ク ロム軸 受 鋼 鋼材

SUJ−

2は 炭素 含 有 量 約 1％ の 炭 素鋼 で あ る。 　図 5の解 析 範 囲に対 し て鉄製円柱 周 囲の磁 気分布の解 析を 行っ た結 果

，

鋼 材 （

SUJ・

2

）の 比透磁率_焦 が _μ ，》 1で ある た めに

_，

_{水 平}に固定し た鉄製円 柱の 上 下 部 分に磁 束 は収束する

。

し た がっ て

，

その 上 下の 表 面 付 近にお ける 磁 束 密 度は印 加 した磁束 密度

3T

に対し て 45T に増 大 し

_，

鉄 製 円柱の側 面 部分に お いて は逆に L6T に減 少 す る

。

図 7は これを空 気 中におけ る 磁 束 密 度の等 高 線 図で あ る。 図 8は鉄 製 円 柱の表 面 位 置か ら水 平 方 向お よび 垂 直方 向の磁 束 密 度 特 性 であ り

，

表 面 か ら 5mm の 間で 200T ！m の 高い 磁 場 勾配 が あ る

。

こ の 磁 場 勾 配 か ら 常 磁 性 物 質に対 し鉄製 円柱の上 下部分に おい て は

，

外から そ の鉄 表 面に向かっ て勾 配 磁気力が 生 じ

，

側 面 部 分に お い て は

，

逆 に鉄 表 面か らその 表 面に_沿っ て上下 方 向 （

Z

軸 方 向 ） を 主に鉄 表 面か ら遠 ざか る方 向勾配 磁気力が生 じ るこ と が わ か る。 すな わ ち ， 鉄 と空 気の 透 磁率の 差に よって

，

鉄の上 下 部 分 と左 右 側 面では

，

逆の勾 配磁 場が 発生する

．

7 ．

実 験 結 果 ・考 察 　図

3

に磁気力による影 響 を見る た めの_実験 結 果 を示 す

。

これ は磁 界 5T で 6時 間 実 験 したもの で あ る

。

容器内に は

0．

2

μ

S

カ  2の精 製 水 を 満た して実 験 した

。

_（

d

_）の鉄 柱 が 中 心 部 分 （磁 場最大 ）の 部分

，

（

b

）の 鉄 柱が磁 場 勾 配 最 大の部 分で あ る。 こ こ の鉄柱を 見 ると くっ き り と腐 食 に に境 目 ができ

，

腐食に偏りがあ るこ とがわか る

。

これ は 鉄柱の磁 場 勾 配に よ り磁 界に面 し た_部分で は酸 素が磁 気 力 を う け 集 中 し

，

磁 界 と垂直な面で は磁 場が弱い の で 酸 素が排 除さ れ た 結 果で あ る と 思 わ れる

。

ま た

_，

_（b_）の 鉄 柱と_（

d

_）の鉄柱で は差違がない こと が わか る

。

この実験 結 果で は超 電 導 磁 石の磁 気 力に よる影 響はあらわ れな か っ た

。

これは超 電導磁 石に よる磁 気 力が約

90T21m

で あ る の に対 し て

，

鉄 柱の作 り出 す磁気力は非 常に大 きい の で 容 器の場 所による差 異は現 れな かっ たもの と見られる

。

　 次に対 流 を見 るために軸 方 向に鉄 柱 を 入 れ た と きの実 験 結果 を図 4に し めす

。

鉄 柱の 両 端

，

図 4（

b

）

，

（

d

）で は錆 は中央に向か っ て横に のびてい るの が確認 で き る

。

ここ は中央か ら10 セ ン チ以 上 離 れたとこ ろ

，

つ ま り図

2

の磁 気 力が最 大の _部分に重な る

。

こ の ことよ りこれは酸 素が 容 器 内で磁 気 力 を受 け 中 央付近へ _{移 動}してい っ た跡だ と

図

4

　磁 界と平行に鉄柱を置いた場 合の腐食 写真

　　　

上か ら

，

（a_）全 体写真

，

（

b

）左 側 拡 大 写 真

，

（c_{）中 央 拡 大 写 真}

，

_〔d_）右 側 拡 大 写 頁

uniform

　

magnetic

　

fietd

◎

　

IB

◎

ter

由 3mber ：　

Purified

　water

γ

Stee

中 　

F

o

舎

x

Magnet

署c　

force

図 5　 磁 場 分 布の 解 析 範 囲 思 わ れ る。 ま た

，

図3で 見 ら れ た よ う な鉄 柱の 円 周 方向 での錆の 差 異 は 見 ら れ ない

。

これ は 円 周 方 向で は磁 界は 均

一

で磁気力が は た ら か ない の で

，

円周方 向は差 異 が 見 ら れ なか っ た と 思 わ れ る

。

　 1

，

6

　

昌 1

．

4

・

81

・

2

要

100

・

8

萄

。

．

6ao

．

4 偲 Σ

_0．

₂

　 　

0

　 　 　

0

C 闔 ．

0

（％

20

　 　 406080 　 　 100

Magnetk

：

field

　

intensity

　

H

_【

AT

_／

cm ］

図 6　 炭 素 鋼の磁 化 特 性

8 ．

ま　 と　 め 　鉄柱を

7

本い れた超 電 導 磁 石の磁 気 力による差 異 を 見 る今回 の実 験で は

，

場所による差 異 は 明 瞭には 現 れ な か っ た

，

、

し か し

．

個 々 の 鉄 柱 で は 鉄柱 自身の 磁 気 力に よっ て腐 食の偏 り が 見られた

．

また次に行っ た軸 方 向の 酸 素の移動に よ る腐 食模様 を 見る実 験で は

，

鉄 柱の 腐 食 模 様 よ り酸 素 は 超 電 導 磁 石の磁 気 力によ り容 器の中を両 端か ら 中 央へ _向か っ て 移 動して い るこ と が確 認で き た

。

こ の こ と よ り

，

超電導磁 石の_{磁 気}力は容器 全 体で み ると 17

図 7

　

磁 束密度の_等高 線 図 　 　 　 　 　 　 　 　 ヨ 　 　 　 ヱ 　 　 　 　

E

ロ   コ o 弔 o

髢

＝

曾

Σ

0

　

0

　 　

5

　 　

10

　　

15

　 　

20

　 　

2S

　 　

30

　 　

35

　　　　　　

Distance

　

y

，　

Z

【

mm

】

・

駲 呂 7

By

図

8

　鉄 製円柱の表面 位 置か らの 水 平 方 向 お よ び 垂 　 　直 方 向の _{磁束 密 度 特 性} 酸 素に影 響 を 及ぼ し中 央へ _{向かっ て移 動さ せ}

，

_{鉄柱 付近} で は鉄 柱 自 身の作 り 出 す 磁 気 力 に よっ て腐 食の かた よ り が出 来るこ と がわか る

。

よっ て

，

今回 の 超 電導磁 石 の 磁 気 力による影 響を見る実 験で は場所による違い が現 れな かっ た が

，

腐 食が進行し てい く段 階で は差異が現 れる の で は ない か と 思 わ れ るの で

，

今 後 実 験して い く予 定で あ る

。

参 考 文 献

1） 佐 藤　 昭

，

Prooeeding　of　The　Syrnposium　on　

New

　

Magrietic

　

SCienoe

’

　

97，

260，1997．

2

） 佐 藤 昭ほ か

，

趾 肥

ding

　of　

The

　

S

澗 posi  on 　

N

｛w

　

Magnetic

　

S

_（ゴence

，

98

，381，1998

．

3_）

_Ogiwara，

　H

．

，

　

Conference

　

Plrooeedings

　of　

ICEC18，19，

　

2000．

4

） 渡 辺裕 幸ほ か

，

2  年度 秋 季 低 温工学

・

超 電 導 学

　

会講 演 概 要 集， 277，2000

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