JP2005134161A - 腐食センサーおよび合わせ構造部の腐食環境計測方法および構造体の設計方法および合わせ構造部に使用する材料の腐食試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 材料が重なり合った部位の腐食環境を定量的に、且つ適切に計測できる腐食センサーおよびこの腐食センサーを用いての合わせ構造部の腐食環境計測方法および合わせ構造部を有する構造体の設計方法および合わせ構造部に使用する材料の腐食試験方法を提供する。
【解決手段】 検出部の一部または全部と所定の間隙をもって対向した隙間形成部材を設けることにより、前記検出部と隙間形成部材との間にセンサー外部と通じた腐食環境の擬似空間を形成したことを特徴とする腐食センサー。
【選択図】図１

Description

本発明は、構造体に存在する材料の合わせ構造部の隙間内部が曝される腐食環境を計測して定量評価する腐食センサーおよび合わせ構造部の腐食環境計測方法および合わせ構造部を有する構造体の設計方法および合わせ構造部に使用する材料の腐食試験方法に関するものである。

構造体における各部位の腐食環境の計測については、従来、橋梁や住宅での計測に代表されるようにＡＣＭ型腐食センサー、ＱＣＭ、交流インピーダンス型腐食センサーなど各種原理の大気腐食センサーによる計測手法が報告されている。例えば、住宅内の建材の腐食について、工業化住宅内の各部位の腐食環境をＡＣＭ型腐食センサーを用いて連続的に計測している。ここでは計測結果を用いて各部位の耐用年数の試算などを行っている。（例えば、非特許文献１参照。）。

電気化学反応による電流や抵抗を計測するセンサーや水晶振動子の圧電効果を利用したセンサーを制御装置内の電機・電子機器の腐食に対して適用して、環境の腐食性や材料の腐食をモニタリングしている例もある。（例えば、非特許文献２参照。）。

自動車、家電、建材など多くの構造体では、材料同士が重なり合い、微小な合わせ構造部（隙間構造部）を構成している部位が存在する。このような合わせ構造部は微小隙間による毛細管現象や堆積した塵埃などにより低湿度においても水分を含み濡れやすく、隙間内部が一度濡れると、開放された平面部に比べて水分が滞留しやすい。また、自動車や家電などの製造工程では、製品である構造体を組み立てた後に塗装を行う場合も多く、このような構造体の材料が重なり合った部位には塗料が隙間に入り込まず、無塗装部分が形成される。このような理由から、各種構造体の合わせ構造を構成する材料は、平面部よりも激しく腐食する場合がある。このような腐食が激しい部位の腐食環境を定量的に把握することは、材料選定または製品の構造設計上で非常に重要である。

このような合わせ構造部の耐食性は種々の腐食試験により評価が行われている。実際の鋼板同士、または鋼板にダミー板を重ねて合わせ構造を形成し、その隙間内部の腐食を複合サイクル試験などにより評価している。（例えば、非特許文献３参照。）。
材料と環境 47，（1998）651-660 材料と環境討論会講演集 47（1989）39-42 Society of Automotive Engineers (SAE) 971000

非特許文献１および２に示された従来の腐食センサーを使用して構造物そのものが設置されている環境や平面部における腐食環境計測を行っても、実際に腐食が激しい材料が重なり合った部位の腐食環境を定量的に評価することはできないという問題がある。また、このような材料が重なり合った部位の間隙は非常に狭いので、腐食センサーを設置することは困難である。仮に腐食センサーを設置できたとしても、センサーそのものの厚さにより、センサー設置後の隙間は実際の隙間よりも小さくなってしまう。

また、非特許文献３に示された合わせ部の耐食性評価は、センサーによる計測でなく、実際の鋼板での合わせ部の耐食性評価であり、合わせ部の環境や腐食の連続的な変化を計測することはできない。また、腐食試験条件によって結果が大きく異なり、試験片間の腐食のばらつきも大きい。そのため、実際の構造体使用環境における腐食が再現されているか不明であり、腐食試験において良好な耐食性を示した材料が、実構造体において必ずしも耐食性がよいとは言い切れないという問題がある。

したがって本発明の目的は、材料が重なり合った部位の腐食環境を定量的に、且つ適切に計測できる腐食センサーおよびこの腐食センサーを用いての合わせ構造部の腐食環境計測方法および合わせ構造部を有する構造体の設計方法および合わせ構造部に使用する材料の腐食試験方法を提供することにある。

このような目的を達成するための本発明の特徴は以下の通りである。

（１）検出部の一部または全部と所定の間隙をもって対向した隙間形成部材を設けることにより、前記検出部と隙間形成部材との間にセンサー外部と通じた腐食環境の擬似空間を形成したことを特徴とする腐食センサー。

（２）検出部の一部または全部と対向した隙間形成部材との間隙は、１０〜３０００μｍであることを特徴とする上記（１）に記載の腐食センサー。

（３）腐食センサーの検出部が複数の電極を有し、水分付着により該電極間が電気的に短絡し、負荷電圧やガルバニックカップリングによる腐食に伴う電流、電圧、絶縁抵抗、インピーダンスのいずれかを計測することにより腐食環境を計測することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の腐食センサー。

（４）腐食センサーの検出部が水晶振動子からなり、電極表面の重量変化による水晶振動子の発振周波数の変化を計測することにより、腐食環境を計測することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の腐食センサー。

（５）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の腐食センサーを、構造体の合わせ構造部の近傍に設置し、構造体の合わせ構造部内の腐食環境を擬似的に計測することを特徴とする合わせ構造部の腐食環境計測方法。

（６）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の腐食センサーによる計測結果に基づく構造体の設計方法であって、前記腐食センサーの出力または該出力から算出される数値を比較することで、合わせ構造部または合わせ構造部近傍の腐食がより抑制されるように構造体の構造を設計することを特徴とする合わせ構造部を有する構造体の設計方法。

（７）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の腐食センサーによる構造体の腐食環境の計測結果に基づき、前記構造体の合わせ構造部に使用する材料の耐食性を評価するための腐食試験方法であって、実際の構造体において合わせ構造部の腐食環境を計測する工程と、腐食試験において合わせ構造部の腐食環境を計測する工程とからなり、構造体における前記腐食センサーの出力または該出力から算出される数値が、腐食試験の全期間または一部期間で再現するように腐食環境を設定することを特徴とする構造体の合わせ構造部に使用する材料の腐食試験方法。

本発明によれば、多種多様な構造体の合わせ構造部の腐食性を定量評価できることから、構造体の防錆構造および防錆設計への反映が期待できる。

本発明は建築物、各種車両、電機製品など構造体全般に対して適用可能であり、その材料同士の重ね合わせ内部の腐食環境を計測し、さらに合わせ構造部を有する構造体の構造設計および構造体に使用する材料の腐食試験方法を行う技術である。ここでは合わせ構造部を有する構造体として自動車を例にとり、実施の形態について以下に詳細に説明する。

自動車で腐食が起こりやすい部位は、主としてドアのヘム部やサイドシルなどで、ここでは鋼板同士が重なり合い、そのため製造工程において電着塗料が入り込まず、塗装の付きまわりが悪い部位である。このような部位は塗装が付いていない上に、水が入り込むと乾燥しにくいため、しばしば腐食穴あきなどの問題を起こしてきた。塗料が入り込まないような隙間が狭い合わせ構造部に腐食センサーを設置することはできない。従って、予め合わせ構造部を有する腐食センサーを実際の自動車合わせ構造部の近傍に設置することにより、実際の合わせ構造部の腐食環境を擬似的に定量評価する。

図１は、本発明の腐食センサーの一実施形態を示すもので、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は断面図を示したものである。

本発明の腐食センサーは従来型の腐食センサー１の検出部２の一部または全部と所定の間隔をもって対向した隙間形成部材３を絶縁体のスペーサー４を介して設けることにより、検出部２と隙間形成部材３との間にセンサー外部と通じた腐食環境の擬似空間を形成している。本実施形態では検出部にＡＣＭ型腐食センサーを使用し、検出部全部に隙間形成部材３を重ね合わせて、腐食センサーを作製した。

図２は、図１に示すスペーサー４の厚さを変えることによって、本発明の腐食センサーの検出部２の一部または全部と対向した隙間形成部材３との間隔を０〜５０００μmまで変化させたセンサーと従来型の腐食センサーとを自動車ドア内部の同一部位に設置して、降雨後のある一定期間について腐食環境計測を実施した結果の一例である。ここでは、従来型の腐食センサーにＡＣＭ型腐食センサーを使用し、センサー出力である電流を時間積分した電気量（単位：Ｃ（クーロン））で比較している。本発明の腐食センサーは約３０００μｍ以下の間隙で高い出力を示し、隙間構造に起因する高い腐食性を示した。逆に３０００μｍを超えると、降雨後すぐに検出部表面が乾いてしまうため、合わせ構造部と合わせ構造でない開放部で腐食性に差が出ない。また、１０μｍ未満の間隙では、隙間が小さすぎて水分が入りにくくなるために腐食センサーの出力が非常に小さくなってしまう。したがって、検出部２の一部または全部と対向した隙間形成部材３との間隔を１０〜３０００μｍとすることで、実際の合わせ構造部の厳しい腐食環境を示している。

また、１０〜３０００μｍの間においても、間隔による出力差があるので、上述した検出部２の一部または全部と対向した隙間形成部材３との間隙は、計測対象とする実際の製品や構造体における合わせ構造部の間隔に近くなるように作製することが好ましい。合わせ構造部の間隔は絶縁体のスペーサー４を検出部２と隙間形成部材３の間に挟んで調整するとよい。

本発明の腐食センサーの検出原理は従来の腐食センサーの中から最適な種類を選択すればよい。ＡＣＭ型腐食センサーと同様に水分が付着して電極が電気的に短絡することで、負荷電圧やガルバニックカップリングによる電流、電圧、絶縁抵抗をセンサー出力として測定する検出原理では、塩化物や相対湿度に対する環境の腐食性を定量的に評価できる。ＱＣＭによる腐食検出原理では、水晶振動子の発振周波数をセンサー出力として計測する。この原理では、周波数変化を重量変化に換算することで、水分や塵埃が電極表面に付着する、または電極自身が腐食することによる微量な重量変化を計測することができる。また、電気化学インピーダンスによる検出原理では、水膜環境下における電極間のインピーダンス変化から腐食環境における分極抵抗や溶液抵抗を計測し、電極の腐食速度に換算することができる。これらの腐食センサーは連続計測可能であるから、本発明の腐食センサーも同様に腐食環境を連続計測可能である。

この腐食センサーを構造体の合わせ構造部近傍に設置し、腐食センサー出力を連続または断続計測することにより、構造体合わせ構造部内部の腐食環境を擬似的に計測することができる。

本発明の腐食センサーによる計測結果に基づいて、合わせ構造部を含めた構造体の設計を行うことができる。つまり、腐食センサー出力またはこの出力から算出される数値を所定範囲内としたり、数値を比較したりすることにより、合わせ構造部の腐食の厳しさを定量的に評価することで、新規構造の構造体への適用可否を判断したり、構造の修正、変更などの構造設計を行うことができる。

さらに、本発明の腐食センサーによる構造体の合わせ構造部の腐食環境計測結果に基づいて、実環境における構造体の合わせ構造部の腐食を再現する合わせ構造部に使用する材料の腐食試験方法を決定することができる。実際の構造体において合わせ構造部の腐食環境を計測（実際の構造体において合わせ構造部の腐食環境を計測する工程）して、合わせ構造部内部の腐食環境の変化を捉える、または、腐食を支配する環境因子を推定する。次に腐食試験において合わせ構造部の腐食環境を計測（腐食試験において合わせ構造部の腐食環境を計測する工程）し、腐食試験における温度、相対湿度、塩水噴霧などの条件を調節することにより、腐食センサーの出力または該出力から算出される数値が、前記実際の構造体における腐食環境計測から得られた腐食センサーの出力または該出力から算出される数値を、腐食試験の全期間または一部期間で再現できるように腐食環境を設定する。この腐食環境の条件を実際の構造体における合わせ構造部の腐食、腐食環境を再現する腐食試験方法として、構造体の合わせ構造部に適用する材料の耐食性を評価する。

図３は、本発明の腐食センサー設置状況の一例を示した図である。この例では自動車のドアヘムおよびサイドシルの鋼板合わせ構造部における腐食環境を計測するため、実際の自動車のドアヘムおよびサイドシルの鋼板合わせ構造部近傍に腐食センサーを設置している。

また、図４は本発明の腐食センサーと従来型のセンサーにより、自動車ドア内部の同一個所の腐食環境をモニタリングした結果の一例である。本発明の腐食センサーは図３に示すようにドアヘム部の合わせ構造部を擬似して、ヘム部の近傍に取り付けた。また、従来型のセンサーも本発明のセンサーに近接して取り付けた。本発明の腐食センサーの出力は降雨後の高い出力が保たれていることから、ドアヘム部では濡れが持続し、ドア内部の開放部に比べて腐食が厳しいことが判る。実際の試験片を合わせ構造形状と平板形状としてドア内部の互いに近傍の位置に取り付けて、一定期間後の両試験片の腐食量を比較してみると、本センサーと従来センサーの出力の大小と対応するように、合わせ構造形状の試験片の腐食量は平板形状の試験片の腐食量よりも大きくなったので、図４に示す結果が妥当であることが判る。例え従来型のセンサーを合わせ構造部の近傍に取り付けたとしても、降雨後すぐに表面が乾き、センサー出力が低下するため、合わせ構造内部の腐食環境を計測できない。本発明の腐食センサーを用いることで合わせ構造内部の腐食環境を定量的且つ適切に評価することができた。

本発明の腐食センサーにより、図５に示すような２種類のドアヘム部について腐食環境計測を行った結果を図６に示した。鋼板合わせ構造部の腐食性は構造Ａに比べてＢの方が緩慢になっていることから、構造Ｂを採用することで、構造Ａよりもドアヘムにおける防錆性能を高めることができる。なお、実際にはコスト等も考慮した上で、最も防錆性能の優れた構造を選択することになる。このように本発明の腐食センサーによる計測結果に基づいて、合わせ構造部を有する構造体の構造を防錆の面から最適設計することができた。

図７は腐食センサーを用いて実環境における構造体の合わせ構造部の腐食環境を計測し、ここで得られた出力または出力から算出される数値が、腐食試験においても再現されるように腐食試験の条件を決定した一例である。ここでは、実環境における計測結果において、合わせ構造部の腐食時の特徴として、腐食センサー出力の最大値は約１０^-4Ａであり、
１０^-6Ａ以上の出力時には合わせ構造部内部が濡れているとすると、濡れ時間は全体の５０％であった。これらの腐食センサーの出力または出力から算出される数値条件が腐食試験における腐食環境計測で再現できるように腐食試験の条件を決定した。湿潤率（濡れ時間の全体時間に対する割合）は腐食試験機で調整し、腐食センサー出力の最高値１０^-4Ａは塩水噴霧時に塩水濃度を１％、噴霧量を０．５±０．１ｍL/（１００cm²・hr）とすることで腐食試験機内の環境で再現した。この腐食試験により実際の使用環境と相関性のある評価に基づいて、構造体の合わせ構造部に使用する材料を選定することができる。

本発明の腐食センサーの一実施形態を示すもので、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は断面図を示したもの 図１に記載の検出部の一部または全部と対向した隙間形成部材との間隔と腐食センサーの出力値との関係の一例を示すグラフ 本発明の腐食センサーの自動車への設置状況の一例を示した説明図 自動車のドアヘム内部における従来型センサーと本発明の腐食センサーによる計測結果の一例を示す説明図 ２種類のドアヘム鋼板合わせ構造部への本発明の腐食センサーの設置状況を示す説明図 図５に示すドアヘム鋼板合わせ構造部の腐食センサーによる計測結果の一例を示すグラフ 実際の構造体において合わせ構造部の腐食環境を計測し、ここで得られた腐食センサーの出力または該出力から算出される数値が腐食試験の全期間または一部期間で再現するように腐食試験環境を設定した一例を示す説明図

符号の説明

１ 従来型腐食センサー
２ 腐食センサー検出部
３ 隙間形成部材
４ スペーサー

Claims (7)

1. 検出部の一部または全部と所定の間隙をもって対向した隙間形成部材を設けることにより、前記検出部と隙間形成部材との間にセンサー外部と通じた腐食環境の擬似空間を形成したことを特徴とする腐食センサー。
2. 検出部の一部または全部と対向した隙間形成部材との間隙は、１０〜３０００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の腐食センサー。
3. 腐食センサーの検出部が複数の電極を有し、水分付着により該電極間が電気的に短絡し、負荷電圧やガルバニックカップリングによる腐食に伴う電流、電圧、絶縁抵抗、インピーダンスのいずれかを計測することにより腐食環境を計測することを特徴とする請求項１または２に記載の腐食センサー。
4. 腐食センサーの検出部が水晶振動子からなり、電極表面の重量変化による水晶振動子の発振周波数の変化を計測することにより、腐食環境を計測することを特徴とする請求項１または２に記載の腐食センサー。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の腐食センサーを、構造体の合わせ構造部の近傍に設置し、構造体の合わせ構造部内の腐食環境を擬似的に計測することを特徴とする合わせ構造部の腐食環境計測方法。
6. 請求項１乃至４のいずれかに記載の腐食センサーによる計測結果に基づく構造体の設計方法であって、前記腐食センサーの出力または該出力から算出される数値を比較することで、合わせ構造部または合わせ構造部近傍の腐食がより抑制されるように構造体の構造を設計することを特徴とする合わせ構造部を有する構造体の設計方法。
7. 請求項１乃至４のいずれかに記載の腐食センサーによる構造体の腐食環境の計測結果に基づき、前記構造体の合わせ構造部に使用する材料の耐食性を評価するための腐食試験方法であって、実際の構造体において合わせ構造部の腐食環境を計測する工程と、腐食試験において合わせ構造部の腐食環境を計測する工程とからなり、構造体における前記腐食センサーの出力または該出力から算出される数値が、腐食試験の全期間または一部期間で再現するように腐食環境を設定することを特徴とする構造体の合わせ構造部に使用する材料の腐食試験方法。

Images