JP2014119415A - 腐食速度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多くの手間をかけることなくより簡便に金属部品の腐食速度が再現性よく測定できるようにする。
【解決手段】初期値，暴露後測定値，部品の密度，環境中で生じる金属の腐食生成物の密度，腐食生成物における金属の重量分率から、部品を環境中に設定された時間暴露した後の部品における腐食生成物を除いた金属からなる部分の物理量を算出して算出値とする。この後、ステップＳ１０５で、初期値と算出値との差と暴露の時間との関係から腐食速度を算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、金属から構成された部材の腐食速度を測定する腐食速度測定方法に関する。

金属材料は、屋外やプラント内などの構造材料として、屋外の環境中で多く使用されている。このような金属材料を用いて構成された部材や構造体の寿命を評価するには、実際に使われている部材や構造体、もしくは、実際に使われる部材や構造体と同じ材料で構成された試験体を実際に使用される環境に暴露し、注目する金属の経年による減少量を測定することにより得る腐食速度を指標とすることが多い。

例えば、金属素地に金属めっきが施された金属構造体では、金属めっき膜の膜厚を予め測定し、対象とする環境に一定期間暴露した後、残存した金属めっき膜の膜厚を測定し、膜厚の差分を期間で除して腐食速度を得る。膜厚の単位がμｍ、期間が年数で与えられれば、腐食速度の単位はμｍ／年となる。この測定方法によれば、ある時点でのめっき膜の膜厚、あるいは、めっき膜の膜厚の一定割合に相当する膜厚を、腐食速度で除することで、その時点からの金属構造体の寿命を評価することができる。

上述したような金属構造体の腐食速度測定方法は、例えば、金属素地に金属めっきが施された金属構造体では、金属めっき膜の膜厚を予め測定し、対象の環境に一定期間暴露した後、残存した金属めっき膜の膜厚を測定する必要がある。しかしながら、暴露の後には、金属めっき膜の上には、汚れを除いて、多くの場合、金属めっきの成分を主成分とする腐食生成物が形成されている。腐食生成物は、主に、金属めっきの金属成分の酸化物または水酸化物である。このため、上述した測定方法を実施する場合、金属ブラシまたは特定の溶液を用いて腐食生成物を除去した後に、残存した金属めっき膜の膜厚を測定する必要がある。

市場幹之 他、「溶融亜鉛系めっきの除錆方法に関する研究」、第５９回材料と環境討論会 講演集、Ｄ−２０６，４２１−４２２頁、２０１２年。

しかしながら、上述した測定方法では、金属ブラシまたは特定の溶液を用いて腐食生成物を除去する方法に任意性があり、実験者によって除去の度合いが異なる恐れがある。このため、腐食生成物を除去して測定を行う上述した測定方法では、除去後のめっき膜厚の測定値に影響を及ぼし、結果として、腐食速度の決定に影響を及ぼし、得られる腐食速度の再現性を低下させることになる。

このような任意性を排除するため、複数の機関が集まって、腐食生成物を除去する方法を一律にそろえる検討が行われている（非特許文献１参照）。例えば、塩化アンモニウムの溶液を用いて腐食生成物を除去する方法が提案されている。しかしながら、塩化アンモニウムを用いる場合、溶液に浸漬する時間の終点の判定は困難である。また、クロム酸液の溶液を用いて腐食生成物を除去する方法も提案されている。この方法では、終点の判定の見極めが可能である。ただし、クロム酸塩を用いる方法では、六価クロムを多量に含む溶液を使う必要があり、この取り扱いが容易ではなく複雑であり、例えば、十分な廃液処理施設が整えられない場合は使用できない。

また、腐食速度は、腐食生成物の生成量によって変化する。言い換えると、腐食速度は経過時間に対して一定ではない。一般に、腐食速度は期間を減るごとに徐々に減少する。このとき、上述した腐食速度測定法では、同一とみなせる試験体を複数用意し、金属めっき膜の膜厚を予め測定し、使用環境中に暴露し、ある暴露期間ごとに試験体を抜き出し、腐食生成物を除去し、金属めっき膜の膜厚を測定することになる。この方法では、各試験体は腐食生成物を除去するので、試験体の再利用はできない。このため、暴露期間ごとに腐食速度を得たい場合、暴露期間の数だけ、同一とみなせる試験体を複数用意することが不可欠となる。

上述したように、現在行われている測定方法では、複数の試験体について、めっき膜厚の測定、暴露、腐食生成物の除去、めっき膜厚の測定を行う必要があり、手間が多い。また、必要とする複数の試験体を同一の暴露条件で暴露する試験環境の広い領域が求められる。

上述の腐食生成物の除去方法の任意性による腐食速度の決定上の問題、複数の試験体を扱う手間の多さ、試験場の広さなどの課題は、金属部材自体の厚みや重量の測定によって腐食速度を決定する場合も同様である。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、多くの手間をかけることなくより簡便に金属部材の腐食速度が再現性よく測定できるようにすることを目的とする。

本発明に係る腐食速度測定方法は、金属から構成された測定対象の部材の物理量を測定して初期値を得る初期値測定工程と、部材を部材が使用される環境中に設定された時間暴露する暴露工程と、部材を環境中に設定された時間暴露した後で部材の物理量を測定して暴露後測定値を得る暴露後測定工程と、初期値，暴露後測定値，部材の密度，環境中で生じる金属の腐食生成物の密度，腐食生成物における金属の重量分率から、部材を環境中に設定された時間暴露した後の部材における腐食生成物を除いた金属からなる部分の物理量を算出して算出値とする暴露後物理量算出工程と、初期値と算出値との差と暴露の時間との関係から腐食速度を算出する腐食速度算出工程とを備える。

上記腐食速度測定方法において、暴露後物理量算出工程では、初期値ｄ０，暴露後測定値ｄ１，部材の密度ρ，腐食生成物の密度ρｃ，腐食生成物における金属の重量分率ｗを用いた（ρ×ｄ０−ρｃ×ｗ×ｄ１）／（ρ−ρｃ×ｗ）により、算出値を算出すればよい。

上記腐食速度測定方法において、部材は、金属めっき膜であり、物理量は、金属めっき膜の膜厚である。

以上説明したことにより、本発明によれば、多くの手間をかけることなくより簡便に金属部材の腐食速度が再現性よく測定できるようになるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における腐食速度測定方法を説明するフローチャートである。 図２は、金属素地２０１に金属めっき膜２０２が形成されている状態を示す断面図である。 図３は、部材が金属めっき膜の場合の、実施例における腐食速度測定方法を説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図１を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における腐食速度測定方法を説明するフローチャートである。

この腐食速度測定方法は、まず、ステップＳ１０１で、金属から構成された測定対象の部材の物理量を測定して初期値を得る（初期値測定工程）。例えば、腐食生成物がほとんど形成されていない状態の部材において、初期値を得ればよい。次に、ステップＳ１０２で、部材を部材が使用される環境中に設定された時間暴露する（暴露工程）。次に、ステップＳ１０３で、部材を環境中に設定された時間暴露した後で部材の物理量を測定して暴露後測定値を得る（暴露後測定工程）。例えば、物理量は、部材の物質量の変化に比例して変化する測定可能な量であればよく、例えば、質量，体積，比重などであればよい。また、部材が板状，膜状であれば、物理量は、板厚，膜厚であってもよい。

次に、ステップＳ１０４で、初期値，暴露後測定値，部材の密度，環境中で生じる金属の腐食生成物の密度，腐食生成物における金属の重量分率から、部材を環境中に設定された時間暴露した後の部材における腐食生成物を除いた金属からなる部分の物理量を算出して算出値とする（暴露後物理量算出工程）。この後、ステップＳ１０５で、初期値と算出値との差と暴露の時間との関係から腐食速度を算出する（腐食速度算出工程）。例えば、初期値と算出値との差を暴露時間で除した値を腐食速度とする。

上述した実施の形態によれば、腐食生成物を除去することなく、暴露後における腐食生成物を除いた部材の物理量を算出しており、腐食生成物の除去方法の任意性がなく、再現性よく高い精度で腐食速度が得られるようになる。また、腐食生成物を除去していないので、多くの手間をかけることなくより簡便に金属部材の腐食速度が得られるようになる。例えば、腐食生成物を除去していないので、同位置の試験体をそのまま再利用することも可能であり、複数の試験体を取り扱う必要がなく、広い試験場を確保する必要もない。

以下、実施例を用いてより詳細に説明する。

［実施例］
以下では、対象とする部材が金属めっき膜である場合を例に説明する。図２の（ａ）に示すように、建築物に用いられる鋼材などの金属構造体は、金属素地２０１の表面に金属めっき膜２０２を形成して用いられている。よく知られているように、金属めっき膜２０２を形成することで、金属素地２０１を、この使用環境における腐食因子から保護することができる。

ただし、使用環境で用いられることにより、時間の経過に伴い金属めっき膜２０２は腐食し、この表面側に腐食層２０３が形成され、図２の（ｂ）に示すように、金属めっき膜２０２の表面に腐食層２０３が形成された状態となる。屋外などの腐食が進行する環境中では、腐食層２０３が増加して金属めっき膜２０２は減少し、いずれは金属めっき膜２０２がなくなる。金属めっき膜２０２がなくなれば、金属素地２０１を保護する膜がなくなることになり、金属素地２０１が腐食する状態となる。従って、金属めっき膜２０２の膜厚が０になるまでの期間を、金属構造体の寿命とすることができる。

実施例では、物理量を膜厚とし、金属めっき膜２０２の初期状態で測定される膜厚（初期値）ｄ０と、金属素地２０１（金属めっき膜２０２）を環境（屋外）に設定された時間Ｔ暴露した後での金属めっき膜２０２と腐食層２０３とを合わせた膜厚（暴露後測定値）ｄ１と、金属めっき膜２０２の密度ρ，腐食層２０３を構成する腐食生成物の密度ρｃ，腐食生成物における上記金属の重量分率ｗを用い、暴露した後の金属めっき膜２０２の膜厚（算出値）ｄを算出する。

膜厚の測定は、電磁膜厚計，超音波膜厚計，蛍光Ｘ線膜厚計など、よく知られた膜厚計を用いて行えばよい。例えば、磁性体である鉄鋼の上の非磁性体である亜鉛のめっき膜厚の測定は、電磁膜厚計での測定が可能である。

また、金属めっき膜２０２の密度ρは、文献などを調査することで得られる。例えば、電気亜鉛めっきであれば、純粋な亜鉛の密度を採用して差し支えない。金属めっき膜２０２から生じる腐食層２０３を構成する腐食生成物の密度ρｃについては，腐食生成物が金属めっき膜２０２を構成する金属の酸化物や水酸化物など既知の化合物であれば、文献などを調査することで得られる。

また、Ｘ線回折などの分析（測定）により、腐食生成物を同定することで、密度ρｃを求めるようにしてもよい。例えば、腐食生成物が既知の化合物の混合物であれば、既知の化合物の密度と、Ｘ線回折により得られる混合比から、腐食生成物の密度ρｃが計算できる。腐食生成物が既知または同定されれば、腐食生成物に占めるもともとの金属めっきの金属成分の重量分率ｗは一意に決定できる。

本発明では、金属めっきの金属成分自体および腐食生成物のいずれも水に不溶であり、金属めっき膜２０２を構成している金属は、暴露の前後でほとんど不変と考える。もし、金属めっき膜２０２を構成している金属が水溶性であれば、めっきとして用いられることがない。また、腐食生成物が水溶性であれば、腐食生成物を水で十分洗い流すことで、暴露後の金属めっき膜２０２の膜厚ｄが容易に測定でき、初期値ｄ０と暴露後の膜厚ｄとから、容易に腐食速度が算出できる。従って、本発明では、上述したように、金属めっきの金属成分自体および腐食生成物のいずれも水に不溶であり、金属めっき膜２０２を構成している金属は、暴露の前後でほとんど不変であることを前提とする。

上述したことを前提とすれば、「ρ×ｄ０＝ρｃ×ｗ×（ｄ１−ｄ）＋ρ×ｄ・・・（１）」が成立する。この式（１）から，暴露後の金属めっき膜２０２の膜厚ｄは、「ｄ＝（ρ×ｄ０−ρｃ×ｗ×ｄ１）／（ρ−ρｃ×ｗ）・・・（２）」で与えられる。

従って、暴露期間Ｔの後の腐食速度ｒは、「ｒ＝（ｄ０−ｄ）／Ｔ＝ρｃ×ｗ×（ｄ１−ｄ０）／｛（ρ−ρｃ×ｗ）×Ｔ｝・・・（３）」により算出できる。

次に、上述した金属めっき膜を例にした場合の、実施例における腐食速度測定方法について、図３のフローチャートを用いて説明する。

まず、本発明は、環境中に曝された金属めっき膜表面の面内において均一に腐食が進行する場合への適用が期待される。これに対し、ある一箇所において特異的に腐食が進む場合は適用が容易ではない。均一に腐食が進行する例は多く、鉄、亜鉛などの金属材料が該当する。

式（３）におけるρ、ρｃ、ｗ、Ｔの各値が正確に求められることから、腐食速度ｒの決定精度を、ｒの相対的標準偏差（変動係数ＣＶ）で規定すると、式（３）から明らかなように、ｒの決定精度ＣＶ（ｒ）は、ｄ１−ｄ０の相対的標準偏差ＣＶ（ｄ１−ｄ０）に等しい。また、ｄ１、ｄ０の測定を独立事象として扱えば、ｄ１とｄ０は同じオーダーの数値となることから、以下の式（４）に示すように、ＣＶ（ｒ）に等しいｄ１−ｄ０の相対的標準偏差ＣＶ（ｄ１−ｄ０）は、ｄ１とｄ０の相対的標準偏差の各々の二乗の和の平方根となる。

金属めっきを施した金属構造体や金属部品の場合、工業的なめっき工程により製造されるので、式（４）における初期の金属めっき膜厚の相対的標準偏差ＣＶ（ｄ０）は、暴露後のＣＶ（ｄ１）より十分小さいとみなせる。このとき、「ＣＶ（ｒ）＝ＣＶ（ｄ１）・・・（５）」である。

従って、本発明において腐食速度ｒを決定する場合、仮にｒの決定精度を１０％としたければ、ｄ１の想定的標準偏差が１０％以下となるような均一な面内腐食である必要がある。従って、実施例における腐食速度測定方法では、まず、ステップＳ２０１で、試験体となる金属めっき膜の膜厚ｄ０を複数箇所測定し、ｄ０の相対的標準偏差がｒの決定精度より十分小さいことを確認する。

次に、ステップＳ２０２で、設定されている期間Ｔの間、試験体を対象となる環境中に暴露する。次に、ステップＳ２０３で、環境中に設定された時間暴露した後で試験体の膜厚ｄ１を複数箇所測定する。

この測定の結果、ステップＳ２０４で、測定された膜厚ｄ１の相対的標準偏差が、要求されるｒの決定精度より小さいかどうかを判定する。この判定で、ｄ１の相対的標準偏差がｒの決定精度より大きい場合（ステップＳ２０４のｎ）、本発明による方法は適していないとして終了する。一方、この判定で、ｄ１の相対的標準偏差がｒの決定精度より小さい場合（ステップＳ２０４のｙ）、ステップＳ２０５で、前述した式（３）により、腐食速度ｒを算出する。

以下の表１に、ＪＩＳ規格Ｚ５５相当の亜鉛めっき鋼板３枚を約６ヶ月間実際に沖縄県の屋外に暴露して、実際の暴露後の膜厚ｄ１を測定した結果を示す。

表１に示すように、面内でｄ１を計１０箇所測定し、ｄ１の相対的標準偏差を求めた結果、５〜８％程度に留まった。この場合、均一な面内腐食とみなすことができることから、この亜鉛めっき鋼板では、本発明により、腐食速度を５〜８％で測定（評価）できることがわかる。

以上に説明したように、本発明によれば、測定対象の部材の物理量の初期値，暴露後測定値，部材の密度，環境中で生じる金属の腐食生成物の密度，腐食生成物における金属の重量分率から、部材を環境中に設定された時間暴露した後の部材における腐食生成物を除いた金属からなる部分の物理量を算出して算出値とするようにしたので、腐食生成物を除去することがなく、多くの手間をかけることなくより簡便に金属部材の腐食速度が再現性よく測定できる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述した実施の形態（実施例）では、めっき膜厚測定による腐食速度を測定するようにしたが、これに限るものではなく、対象とする金属部材自体の厚さや重量の測定によって、腐食速度を評価するようにしても、上述同様である。

例えば、初期値測定工程および暴露後測定工程によって得られた金属部材自体の厚さの差から、式（２）により、上記金属部材のうち腐食生成物に変化した分の厚さを算出し、暴露期間Ｔで除して、腐食速度ｒを得るようにすればよい。

また、初期値測定工程および暴露後測定工程によって得られた金属部材の重量（質量）の差から、式（２）により金属部材のうち腐食生成物に変化した分の重量を算出し、密度で除し、表面積で除し、この結果を暴露期間Ｔで除して、腐食速度を得るようにしてもよい。この場合、測定される重量の初期値をｄ０，暴露後測定値をｄ１とすればよい。

２０１…金属素地、２０２…金属めっき膜、２０３…腐食層。

Claims (3)

1. 金属から構成された測定対象の部材の物理量を測定して初期値を得る初期値測定工程と、
   前記部材を前記部材が使用される環境中に設定された時間暴露する暴露工程と、
   前記部材を前記環境中に設定された時間暴露した後で前記部材の前記物理量を測定して暴露後測定値を得る暴露後測定工程と、
   前記初期値，前記暴露後測定値，前記部材の密度，前記環境中で生じる前記金属の腐食生成物の密度，前記腐食生成物における前記金属の重量分率から、前記部材を前記環境中に設定された時間暴露した後の前記部材における前記腐食生成物を除いた前記金属からなる部分の前記物理量を算出して算出値とする暴露後物理量算出工程と、
   前記初期値と前記算出値との差と前記暴露の時間との関係から腐食速度を算出する腐食速度算出工程と
   を備えることを特徴とする腐食速度測定方法。
2. 請求項１記載の腐食速度測定方法において、
   前記暴露後物理量算出工程では、前記初期値ｄ０，前記暴露後測定値ｄ１，前記部材の密度ρ，前記腐食生成物の密度ρｃ，前記腐食生成物における前記金属の重量分率ｗを用いた（ρ×ｄ０−ρｃ×ｗ×ｄ１）／（ρ−ρｃ×ｗ）により、前記算出値を算出することを特徴とする腐食速度測定方法。
3. 請求項１または２記載の腐食速度測定方法において、
   前記部材は、金属めっき膜であり、前記物理量は、前記金属めっき膜の膜厚であることを特徴とする腐食速度測定方法。

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