JP7420282B2 - 金属部材 - Google Patents
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Description
本発明は、金属部材に関する。
鋼材などの金属材料は、自然環境下に長期間曝されると、腐食により自身の厚みが減少する（非特許文献１）。腐食現象により金属製構造物は劣化が進行し、トンネルの崩落や橋梁の崩壊といった重大な事故が、世界各国で発生している。腐食反応は、金属がイオン化する酸化反応（アノード反応）と、水や溶存酸素などが電子を受け取る還元反応（カソード反応）とがセットとなり進行すると知られている。また、腐食反応は、塩化物イオン等の各種イオンの存在によって促進される。
前述した金属製構造物の劣化に由来する事故を防ぐためには、大きく分けて２つの対策が考えられる。第１の対策として、腐食反応の発生および進行を抑制する対策がある。第２の対策として、構造物の劣化度を正しく認識して。適切にメンテナンスをする対策がある。
第１の対策では、腐食反応の抑制を実現するために、アノード反応における金属のイオン化を抑制するために、カソード反応における電子の受け取り手を遮断することや、腐食促進に寄与する各種イオン類を除去することなどが考えられる。当然ながら、何も処理を施していない金属を自然環境中に暴露すると、腐食因子に曝されているので、腐食反応が進行する。これに対し、金属表面にめっきや粉体塗装などの被覆をすることで、腐食因子から金属を守ることができる。
ただし、被覆の一部が破壊されると、露出された金属素地が巨視的なアノード領域となり、これ以外の被覆領域が巨視的なカソード領域となり、いわゆるマクロセル腐食が発生する恐れが考えられる。このマクロセル腐食は、カソード領域と比べてアノード領域が極端に小さいために、アノード領域における腐食速度は大きく、母材の厚みによっては穴あきが発生し、重大な事故につながりかねない。
第２の対策では、最も効果的な方法として、定期的な点検を実施することが挙げられる。構造物の母材に使用される金属の種類や、曝される自然環境によって腐食速度や腐食モードは大きく異なるため、目視による点検で劣化状況を確認することが好ましい。前述した金属被覆により腐食を抑制する対策により、構造物の寿命が延伸して点検の周期を減らすことができるが、先に述べたマクロセル腐食によるリスクがある以上、点検をゼロにすることはできない。
M. Barbalat et al., "Electrochemical study of the corrosion rate of carbon steel in soil: Evolution with time and determination of residual corrosion rates under cathodic protection", Corrosion Science, vol. 55, pp. 246-253, 2012.
第１の対策では、設備の長寿命化に貢献することができるが、具体的に何年長寿命化できるか分からず、金属製構造物の劣化に由来する事故を防ぐという観点では、次にいつ更改すれば良いかが不明なケースが多い。第１の対策によれば、喫緊で構造物の劣化を心配する必要はなくなるが、長期的な視点で考えると重大な事故を防ぐためには不十分であると考えられる。また、被覆を施したことで、曝される環境や状況によっては、先に述べたマクロセル腐食が発生し、通常よりも劣化による故障リスクが大きくなる可能性もある。
マクロセル腐食は、被覆が剥がれた局所的なアノード領域が集中して腐食するモードの劣化現象であり、アノード領域に穴あきが発生するケースも散見される。この穴あきは、水道管やガス管等の設備にとっては重大な事故に繋がる恐れがある。
第２の対策では、メンテナンスができない箇所に設置されている設備に対しては、いつ更改すれば良いか分からず、設置されてからの年数で更改時期が決定される、タイムベースメンテナンスを採用せざるを得ない。金属材料は、その種類や環境によって腐食速度が異なる。このため、タイムベースメンテナンスでは、腐食の進行が速い場所では劣化によるリスクが高く、また、腐食の進行が遅い場所では、まだ使用できるものを撤去することからコスト面での無駄が生じる。
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、無駄なコストを発生させることなく、金属製構造物の劣化が防げるようにすることを目的とする。
本発明に係る金属部材は、酸化する金属から構成された金属構造体と、金属構造体の表面を覆い、金属構造体の表面に接して形成された第１被膜と、第１被膜の外面を覆い、第１被膜の外面に接して形成された第２被膜と、第２被膜の外面を覆い、第２被膜の外面に接して形成された第３被膜とを備え、第１被膜は、溶存酸素を含まない純水から構成され、第２被膜および第３被膜の一方は、金属構造体の側への水および酸素の浸入を遮断する第１材料から構成され、他方は、金属構造体の側へのイオンの浸入を遮断する第２材料から構成されている。
以上に説明したように、本発明によれば、溶存酸素を含まない純水から構成された第１被膜で金属構造体の表面を覆うので、無駄なコストを発生させることなく、金属構造体による金属製構造物の劣化が防げるようになる。
以下、本発明の実施の形態に係る金属部材について図１を参照して説明する。この金属部材は、酸化する金属から構成された金属構造体１０１と、金属構造体１０１の表面を覆う第１被膜１０２と、第１被膜１０２の外面を覆う第２被膜１０３と、第２被膜１０３の外面を覆う第３被膜１０４とを備える。
第１被膜１０２は、金属構造体１０１の表面に接して形成され、金属構造体１０１の表面の全域を覆っている。第２被膜１０３は、第１被膜１０２の外面に接して形成され、第１被膜１０２の外面の全域を覆っている。第３被膜１０４は、第２被膜１０３の外面に接して形成され、第２被膜１０３の外面の全域を覆っている。
金属構造体１０１は、鋼材などの金属製構造物の母材として使用される金属から構成されている。金属構造体１０１は、酸化する金属であれば任意の金属から構成することができる。金属構造体１０１の大きさ、形状、厚さなどは、用いられる金属製構造物の仕様に合わせて任意に決定することができる。
第１被膜１０２は、溶存酸素を含まない純水から構成されている。例えば、純水を脱気することで製造した純水から第１被膜１０２を構成することができる。脱気の方法としては、例えば窒素ガスを用いたバブリングがある。バブリングに限らず、純水中の溶存酸素を除去できる方法を用いることができる。また、用いる純水は、イオンなどが含まれないものとする。
第２被膜１０３および第３被膜１０４の一方は、金属構造体１０１の側への水および酸素の浸入を遮断する第１材料から構成し、他方は、金属構造体１０１の側へのイオンの浸入を遮断する第２材料から構成する。第２被膜１０３により、金属構造体１０１の周囲に溶存酸素を含まない純水を閉じ込めることで、第１被膜１０２を形成する。第２被膜１０３により、第１被膜１０２を構成する純水が、外部へ流出することを防ぐ。金属構造体１０１と第２被膜１０３との間に、溶存酸素を含まない純水から構成された第１被膜１０２が設けられ（挿入され）たものとなっている。
第１材料による被膜は、金属構造体１０１が配置される環境から、金属構造体１０１もしくは第１被膜１０２に到達する水および酸素を遮断する役割を担う。第１材料は、酸素、水を遮断することができる材料であり、ガスバリア膜を表面に形成したプラスチックフィルムとすることができる。例えば、食品や医療分野で使用されるＰＥＴ（ polyethylene terephthalate）にガスバリア膜をコート（形成）したフィルムとすることができる。ガスバリア膜は、蒸着やスパッタなどにより形成した酸化シリコンからなる薄膜とすることができる。また、ガスバリア膜は、プラズマ励起化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）法により形成した窒化シリコンからなる薄膜とすることができる。
また、第１材料は、電場を印加することで水の透過を遮断することが可能なグラフェン膜とすることができる。また、ガスバリア膜およびグラフェン膜の両者を採用することで気体としての水と酸素、および液体としての水を遮断することで環境遮断性を強固なものとしても良く、これらを組み合わせることは、第１材料としてより好ましい。
第２材料は、イオンを遮断することができれば良く、構成や素材などは不問である。例えば、第２材料は、細胞膜とすることができる。細胞膜は、いわゆる脂質二分子膜であり、主な構成要素はリン脂質であり、高い親水性を有する極性の高い頭部と、疎水性の尾部とを併せもつ両親媒性の脂質分子が二層になった膜である。脂質二分子膜は、二層になった脂質分子の疎水性の尾部が互いに向かい合い、外側に親水性の頭部が位置する構成となっている。
脂質二分子膜は、酸素などの極性をもたない分子や、極性があっても水などの分子量が小さい分子は自由に透過することができる。一方、糖類などの極性をもつ大きな分子量の分子や、イオンや電荷をもつ分子は、脂質二分子膜を透過することができない。従って、脂質二分子膜で構成される細胞膜は、第２材料とすることができる。脂質二分子膜は、人工的に作製することができるため、人工細胞膜を第２材料とすることができる。
金属の劣化は主に腐食によって進行することが知られている。腐食現象は、酸化還元反応であり、金属がイオン化する酸化反応（アノード反応）と、溶存酸素等が電子を受け取る還元反応（カソード反応）がセットとなり進行する。例えば、鉄における腐食反応は、「Ｆｅ→Ｆｅ2
+＋２ｅ- ・・・（１）、Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ＋４ｅ-→４ＯＨ- ・・・（２）」となる。（１）式は金属（鉄）がイオン化するアノード反応である。（２）式は、電子を受け取るカソード反応である。
環境中に腐食因子に由来する項は、（２）式に記載の水と酸素、すなわち溶存酸素であるため、水もしくは酸素が金属表面と相互作用できないよう遮断することができれば、金属構造体１０１における腐食反応の発生を抑制することができる。
実施の形態によれば、金属構造体１０１は、電子の受け取り手である溶存酸素を除去した純水による第１被膜１０２と、第１被膜１０２を金属構造体１０１に表面に保持するとともに、第１被膜１０２に対して、水および酸素の浸入およびイオンの浸入を遮断する第２被膜１０３，第３被膜１０４を設けることで、金属構造体１０１における腐食の抑制を実現している。
上述した実施の形態における金属部材の腐食の抑制について、より詳細に説明する。金属構造体１０１は、溶存酸素が存在しない純水による第１被膜１０２が接触しているため、水自体が電子の受け取り手となり腐食進行することが知られている。
ここで、カソード反応における電子の受け取り手が溶存酸素の場合、鋼材表面の水の対流の有無にもよるが、鋼材の腐食速度は、１年で０．１ｍｍ／であると言われている。一方、溶存酸素が含まれていない純水で鋼材の表面が覆われ、カソード反応における電子の受け取り手が水（Ｈ2Ｏ）自身の場合（水還元腐食反応）、鋼材の腐食速度は、およそ１年で０．００２ｍｍである。
これらのことから、通常の自然環境中で起こり得る鋼材の腐食反応と比べて、第１被膜１０２、第２被膜１０３、および第３被膜を設けた金属構造体１０１の腐食速度は、およそ１／５０まで抑えることができる。例えば、金属製構造物に厚さ５ｍｍの鋼材が使用されていた場合、通常の腐食反応ではおよそ５０年で腐食深さが５ｍｍまで達し、鋼材が消滅してしまう計算である。一方で、実施の形態における水還元腐食反応では、腐食深さ５ｍｍに達するまで２５００年を要する計算となる。
通常の金属製構造物では、腐食深さが母材の厚みに達する以前に、ある一定の閾値（安全率）を設けることで設備の安心・安全を担保した状態でメンテナンスを実施する。従って、金属製構造物が、通常の自然環境におかれ、酸素が金属表面と相互作用できる通常の腐食反応となっている状態では、５０年を待たずして新しい設備への更改もしくは延命処理が必要となる。更に、特異的に不良が生じていないか定期的に点検する必要がある。
これらに対し、実施の形態による、酸素が金属表面と相互作用できない状態とした水還元腐食反応による状態では、１０００年を経過した段階においても母材の厚さは半分以上を維持しており、高い安全率を保ったまま設備の安心・安全を担保することができる。また、酸素が金属表面と相互作用できない状態とした水還元腐食反応による状態では、溶存酸素の対流などの影響が全くないため、腐食進行の速度が一定である。このため、実施の形態によれば、金属構造体１０１の劣化速度を予め求めておけば、設備の更改などのスケジュールが容易に設定できる。
なお、第２被膜１０３、第３被膜１０４は、劣化によって所期の機能を失うより前に交換するなどのメンテナンス処理を施すことにより、金属部材の健全な状態を保つことが好ましい。例えば、第２被膜１０３、第３被膜１０４の各々について、使用される環境下での耐久性を調べておき、この結果を反映させて、適切な時期にメンテナンスすることが好ましい。第２被膜１０３、第３被膜１０４が健全な状態で維持されていれば、水（Ｈ2Ｏ）還元に基づく遅い腐食速度で、金属構造体１０１の腐食が進行するので、実施の形態に係る金属部材は、高い安全率でもって、その健全性を維持することができる。
以上に説明したように、本発明によれば、溶存酸素を含まない純水から構成された第１被膜で金属構造体の表面を覆うので、無駄なコストを発生させることなく、金属構造体による金属製構造物の劣化が防げるようになる。
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。
１０１…金属構造体、１０２…第１被膜、１０３…第２被膜、１０４…第３被膜。
Claims (1)
- 酸化する金属から構成された金属構造体と、
前記金属構造体の表面を覆い、前記金属構造体の表面に接して形成された第１被膜と、
前記第１被膜の外面を覆い、前記第１被膜の外面に接して形成された第２被膜と、
前記第２被膜の外面を覆い、前記第２被膜の外面に接して形成された第３被膜と
を備え、
前記第１被膜は、溶存酸素を含まない純水から構成され、
前記第２被膜および前記第３被膜の一方は、前記金属構造体の側への水および酸素の浸入を遮断する第１材料から構成され、他方は、前記金属構造体の側へのイオンの浸入を遮断する第２材料から構成され、
前記第１材料は、ガスバリア膜を表面に形成したプラスチックフィルムまたはグラフェン膜であり、
前記第２材料は、細胞膜である
ことを特徴とする金属部材。
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