金属の腐食は機能強度を低下させ、ひび割れ、部品の部分的な破損、そして極端な場合には材料全体の破損など、重大な構造劣化につながる可能性があります。アルミニウムとその合金は、高い強度対重量比と固有の不動態性により、様々な産業で広く使用されています。この記事では、アルミニウムの主な5種類の腐食と、それらの発生を防ぐ方法について説明します。
アルミニウム腐食とは何ですか?
アルミニウムの腐食とは、アルミニウム分子が徐々に酸化物へと分解していく過程であり、これによりアルミニウムの物理的および化学的性質が低下します。アルミニウムは本来反応性の高い金属ですが、同時に不動態金属でもあります。つまり、生成したばかりのアルミニウムは環境中の酸素や水と反応しますが、生成された化合物が表面に保護層を形成し、下地のアルミニウムをそれ以上の劣化から守ります。この非反応性の酸化層は表面にしっかりと密着し、ステンレス鋼のように容易には剥がれません。レーザーエッチングやアルミニウム陽極酸化処理といった意図的なプロセスとは異なり、腐食は数ヶ月から数年かかることもある緩やかなプロセスです。
アルミニウムの腐食の種類
アルミニウムの腐食の程度と形態は、腐食媒体だけでなく、アルミニウム合金の組成と質別性にも密接に関連しています。一般的な使用環境において、アルミニウムおよびその合金の主な腐食形態には、孔食、粒界腐食、剥離腐食、応力腐食割れ（SCC）、およびガルバニック腐食があります。
孔食
孔食は、アルミニウムおよびアルミニウム合金で観察される最も一般的な劣化形態です。一般的に、大気中のアルミニウム合金の孔食は深刻ではありませんが、水中では著しく進行が速く、比較的短期間で穴が開く可能性があります。孔食が発生しやすい条件としては、一般的な腐食を抑制するイオン（SO 4 2-、SiO 3 2-、PO 4 2-など）と、不動態皮膜を局所的に破壊するイオン（Cl –など）の存在、および陰極反応を促進する促進剤（酸化剤）の存在が挙げられます。
アルミニウム合金の孔食を防止するための環境管理対策として、塩化物イオンなどの酸化イオンを媒体から除去することがしばしば行われます。水中の銅イオンの存在はアルミニウムの孔食の一般的な原因であるため、水中の銅含有量を最小限に抑えることが不可欠です。
高純度アルミニウムは耐孔食性に優れています。しかし、工業用純アルミニウムにおける不純物の含有量と分布は、耐孔食性に大きく影響します。銅含有アルミニウム合金は、耐孔食性が最も低くなります。アルミニウム-マンガン合金およびアルミニウム-マグネシウム合金は、加工品質を維持すれば、より優れた耐孔食性を実現できます。
粒界腐食
粒界腐食（IGC）とは、特定の腐食環境下で金属の粒界に沿って、またはそのすぐ隣で発生・進行する腐食損傷を指します。粒界の物理化学的状態は、粒内部とは異なります。特定の腐食媒体では、この違いにより微小ガルバニ電池作用による局所的かつ選択的な腐食損傷が発生します。実用上、純アルミニウムはIGCを起こしません。Al-Cu、Al-Cu-Mg、およびAl-Zn-Mg-Cu系の合金は、IGCに対して著しい感受性を示します。不適切な熱処理は、IGCの発生傾向を著しく高める可能性があります。具体的には、銅に富むCuAl₂相が粒界に沿って連続的に析出すると、同時に粒界に隣接して銅欠乏領域が形成されます。CuAl₂と銅欠乏領域がそれぞれ陰極と陽極となる腐食セルが形成されます。銅欠乏領域が腐食し、IGCが発生します。
さらに、粒界析出は他の合金系でも発生する可能性があります。例えば、高マグネシウムアルミニウム合金の粒界には、マグネシウムを多く含む相の粗大析出物が現れることがあります。この相は陽極として作用し、選択的に損傷を受けて粒界腐食（IGC）を引き起こします。これらの条件は合金の加工処理や熱処理に敏感です。適切な加工処理を施すことで、感受性の高い合金の感受性を軽減できますが、不適切な加工処理を施すと、当初は感受性がそれほど高くなかった合金であっても、深刻な粒界腐食（IGC）を引き起こす可能性があります。
粒界に沿った有害相の連続析出を排除するための適切な熱処理により、IGC の傾向を効果的に緩和できます。
剥離腐食
剥離腐食は、アルミニウム合金に影響を及ぼす特定の腐食形態です。合金プロファイルの表面に平行な粒界に沿って横方向に伝播する特徴があります。この損傷は、粉化、剥離、膨れ、さらには層間剥離として現れます。剥離はアルミニウム合金の強度と延性を著しく低下させ、構造物の耐用年数を短縮します。剥離腐食は、アルミニウム合金材料が焼鈍されていない、または焼鈍が不十分な場合によく発生します。安定化処理を受けたアルミニウム合金は、剥離腐食に対してより高い感受性を示す傾向があります。温度などの環境条件が満たされると、剥離腐食が始まり、局部的な腐食が加速し、合金は特徴的な層状剥離形態を伴う深刻な損傷を受けます。
アルミニウム合金の剥離腐食を軽減または排除するための主な対策は次のとおりです。
- Cr、Mnなどの結晶粒微細化遷移元素を添加することで、粒界に沿った第二相の析出を抑制または遅延させ、粒内および粒界における第二相の均一な分布を促進します。これにより、腐食の進行における陽極経路が阻害されます。
- Al-Mg 合金に制御された量の Zn を添加するなど、相間の電位差を低減する要素を組み込む。
- 適切な熱処理手順を使用する。
- 犠牲陽極による陰極保護の使用。
応力腐食割れ
応力腐食割れ（SCC）とは、特定の媒体中で応力を受けたアルミニウム合金材料に発生する遅れ割れまたは破壊を指します。この現象は、腐食性媒体と機械的応力の複合作用によって相乗的に生じます。
SCCは主に硬質アルミニウム合金および超硬質アルミニウム合金で発生します。純アルミニウムおよび低強度アルミニウム合金は、一般的にSCCの傾向を示しません。アルミニウム合金におけるSCCは常に粒界腐食です。粒界腐食（IGC）の影響を受けやすいアルミニウム合金は、SCCに対しても敏感です。SCCは、アルミニウム合金が大気、特に沿岸域の大気や海水に曝露されると頻繁に発生します。SCCに対する感受性は、温度と湿度の上昇、塩化物イオン濃度の上昇、pH値の低下とともに高まります。
アルミニウム合金の SCC を防止または排除するための対策には次のものがあります。
- 内部応力を軽減するための熱処理。
- Mn、Cr、V、Zr、Mo などの微量元素を合金化して引張 SCC に対する耐性を向上させます。
- 表面の応力状態を修正するためのビーズブラスト（有益な圧縮残留応力を導入）。
ガルバニック腐食
ガルバニック腐食は、アルミニウムがより貴な（反応性の低い）金属と物理的または電解的に接続されている場合に発生します。貴金属とは、アルミニウムと比較して反応性の低い金属のことです。金属の反応性は、電気化学系列における位置によって決まります。ガルバニック系列において、他の金属がアルミニウムから遠いほど、腐食は激しくなります。腐食の強さは、2 つの金属が接触する界面で最も高く、この界面からの距離が長くなるにつれて弱くなります。例えば、アルミニウムと真鍮が接触しているか近接していて海水に置かれた場合、ガルバニック電池が形成されます。アルミニウム部品は陽極として機能するため、腐食します。これは、真鍮の継手がアルミニウムの継手の近くにあり、両方が海水に浸かっている船舶では重大な問題になる可能性があります。電子は、海水（電解質）を介してアルミニウム（陽極）から真鍮（陰極）に流れます。
