ガルバニック腐食

ガルバニック腐食（異種金属腐食とも呼ばれる）は、電解質の存在下で、ある金属が別の金属と電気的に接触すると優先的に腐食する電気化学プロセスです。同様のガルバニック反応は、ポータブルデバイスに電力を供給するための有用な電圧を生成するために一次電池で利用されています。この現象は、イタリアの医師ルイージ・ガルヴァーニ（1737-1798） にちなんで名付けられました。

異種金属および合金はそれぞれ異なる電極電位を持ち、2 種類以上の金属が電解液中で接触すると、一方の金属 (反応性の高い方) は陽極として機能し、他方の金属 (反応性の低い方) は陰極として機能します。2 つの電極での反応の電位差が、陽極金属への攻撃を加速させる原動力となり、陽極金属は電解液に溶解します。これにより、陽極の金属は通常よりも速く腐食し、陰極の腐食は抑制されます。ガルバニック腐食が発生するには、電解質と金属間の電気伝導経路の存在が不可欠です。電解質はイオン 移動の手段となり、イオンが移動して反応を停止させる電荷の蓄積を防止します。電解液に含まれるのが還元されにくい金属イオン (Na ⁺、Ca ²⁺、K ⁺、Mg ²⁺、Zn ²⁺など)のみの場合、陰極反応は溶解した H ⁺から H ₂への、または O ₂から OH ⁻への還元となります。^{[1] [2] [3] [4]}

場合によっては、このタイプの反応が意図的に促進されます。たとえば、安価な家庭用バッテリーには通常、炭素亜鉛セルが含まれています。閉回路(電子経路)の一部として、セル内の亜鉛は、電気を生成するバッテリーの重要な部分として優先的に腐食します (イオン経路)。別の例としては、埋設または水没した構造物や温水貯蔵タンクのカソード保護があります。この場合、犠牲陽極はガルバニックカップルの一部として機能し、陰極金属を保護しながら陽極の腐食を促進します。

配管内の混合金属（銅、鋳鉄、その他の鋳物など）などの他のケースでは、ガルバニック腐食がシステム部品の腐食を加速させます。亜硝酸ナトリウムやモリブデン酸ナトリウムなどの腐食防止剤をこれらのシステムに注入して、ガルバニック電位を下げることができます。ただし、これらの腐食防止剤の適用は厳密に監視する必要があります。腐食防止剤の適用によりシステム内の水の伝導率が上昇すると、ガルバニック腐食電位が大幅に上昇する可能性があります。

酸性度またはアルカリ度（pH）も、閉ループバイメタル循環システムに関する重要な考慮事項です。pHと腐食抑制剤の投与量が不適切であれば、ガルバニック腐食が加速されます。ほとんどのHVACシステムでは、犠牲陽極と犠牲陰極の使用は選択肢ではありません。システムの配管内にそれらを適用する必要があり、時間が経つと腐食して粒子が放出され、循環ポンプ、熱交換器などに潜在的な機械的損傷を引き起こす可能性があるためです。^[5]

ガルバニック腐食の一般的な例は、亜鉛メッキ鉄（亜鉛コーティングで覆われた鉄または鋼のシート）で発生します。保護用の亜鉛コーティングが破損しても、その下の鋼は攻撃されません。代わりに、亜鉛は「貴金属」ではないため腐食されます。亜鉛が消費されて初めて、ベースメタルの錆が発生します。対照的に、従来のブリキ缶では、保護効果の逆のことが起こります。つまり、スズはその下の鋼よりも貴金属であるため、スズコーティングが破損すると、その下の鋼がすぐに優先的に攻撃されます。

ガルバニック腐食の顕著な例は自由の女神像で発生し、1980年代の定期保守点検で銅の外皮と錬鉄製の支持構造の間で腐食が起こっていることが判明した。1880年代にフレデリック・バルトルディの設計でギュスターヴ・エッフェルが建造した際にこの問題は予想されていたが、2つの金属の間にあるシェラックの断熱層が経年劣化で劣化し、鉄製の支持構造が錆びてしまった。大規模な改修が行われ、元の断熱材がPTFEに交換された。影響を受けていない接続部が多数あったため、構造が安全でないというわけではなかったが、これは米国の国家的シンボルを保護するための予防措置とみなされた。^[6]

1681年、サミュエル・ピープス（当時海軍長官）は、舵鉄とボルト頭の不可解な崩壊を防ぐためにイギリス海軍の艦艇から鉛の被覆を取り除くことに同意したが、鉛が腐食を引き起こす理由については困惑していると告白した。^{[7] [8]}

この問題は、海草の蓄積を減らし、フナクイムシから船を守るために船が銅で覆われたときにも再発した。1761年、イギリス海軍は実験でフリゲート艦アラームの船体に12オンスの銅板を取り付けようとした。西インド諸島への航海から戻ったとき、銅は良好な状態を保っており、フナクイムシの寄生を確かに防いでいたが、銅の取り付けに使用された鉄釘が「一種の錆びたペーストに溶けていた」ため、多くの場所で木製の船体から銅が剥がれ落ちていたことが判明した。^[9]しかし、検査チームを驚かせたのは、鉄釘のいくつかがほとんど損傷を受けていなかったことである。さらに詳しく検査すると、釘の頭の下に挟まっていた防水性の茶色の紙が、意図せず釘のいくつかを保護していたことが判明した。「この覆いが完璧だった場所では、鉄は損傷から守られていた」。銅の被覆は紙で包まれた状態で造船所に運ばれましたが、船体に釘で留める前に紙が取り除かれることは必ずしもありませんでした。そのため、1763年に海軍本部に報告された結論は、海水中の鉄と銅が直接接触しないようにすべきだというものでした。^{[10] [11]}

米海軍の最新鋭沿岸戦闘攻撃艦USSインディペンデンスでは、アルミニウム船体に取り付けられた鋼鉄製ウォータージェット推進システムが原因で、深刻なガルバニック腐食が発生したことが報告されている。鋼鉄とアルミニウムの間に電気的絶縁がないと、アルミニウム船体はステンレス鋼の陽極として機能し、激しいガルバニック腐食を引き起こす。^[12]

2011年にボストンのビッグディグ車両トンネルの天井から重い照明器具が突然落下した事件では、腐食により照明器具の支持が弱まっていたことが明らかになった。ステンレス鋼と接触するアルミニウムの不適切な使用により、塩水の存在下で急速な腐食が引き起こされた。^[13]ステンレス鋼とアルミニウムの電気化学的電位差は、合金の種類によって0.5～1.0Vの範囲にあり、不利な条件下では数か月以内にかなりの腐食を引き起こす可能性がある。数千個の故障した照明器具を交換する必要があり、推定コストは5,400万ドルとなる。^[14] 

「ラザニアセル」は、塩分が多く水分の多い食品、例えばラザニアをスチール製のベーキングパンに入れてアルミホイルで覆うと、偶然に発生します。数時間後、アルミホイルがラザニアに触れた部分に小さな穴が開き、食品の表面は腐食したアルミニウムでできた小さな斑点で覆われます。^[15]この例では、塩分の多い食品 (ラザニア) が電解質、アルミホイルが陽極、スチール製の鍋が陰極です。アルミホイルが電解質に接触する部分が狭い場合、ガルバニック腐食が集中し、腐食がかなり急速に進行します。アルミホイルが異種金属の容器で使用されなかった場合、反応はおそらく化学反応です。塩分、酢、その他の酸性化合物が高濃度で含まれると、ホイルが分解する可能性があります。これらの反応のいずれの生成物もアルミニウム塩です。食品に害はありませんが、沈殿物があると、好ましくない風味や色を与える可能性があります。^[16]

銀やスターリングシルバー（または銀メッキされた物）とアルミニウム片（箔はインゴットよりも表面積がはるかに大きいため好まれるが、箔に「ノンスティック」面がある場合は、最初にスチールウールでこれを除去する必要がある）を熱い電解槽（通常は水と重曹、つまり家庭用の重曹で構成）に浸して銀製品を洗浄する一般的な方法は、ガルバニック腐食の例である。銀は空気中の硫黄分子の存在下で黒ずみ腐食し、スターリングシルバーの銅はさまざまな条件下で腐食する。これらの腐食層は、硫化銀分子の電気化学的還元によって大部分除去できる。重曹槽にアルミニウム（銀や銅よりも卑な元素）が存在すると、硫化銀から硫黄原子が剥がれ、それがアルミニウム箔（はるかに反応性の高い金属）に移って腐食し、元素銀が残る。この過程で銀は失われません。^[17]

この種の腐食を軽減および防止する方法はいくつかあります。

• 2 つの金属を互いに電気的に絶縁します。電気的に接触していない場合は、ガルバニック結合は発生しません。これは、異なる電位の金属間に非導電性材料を使用することで実現できます。配管は、プラスチック材料で作られたスプール、または内部がコーティングまたはライニングされた金属材料で作られたスプールで絶縁できます。スプールは、効果を発揮するために十分な長さであることが重要です。安全上の理由から、電気アース システムが配管を接地に使用している場合、または等電位結合がある場合は、これを試みるべきではありません。
• 岸から電力供給を受ける金属製のボートは、安全上の理由から、通常、船体をアースに接続する必要があります。ただし、アース接続の末端はマリーナ内に埋め込まれた銅棒である可能性が高く、その結果、約 0.5 V の鋼鉄銅の「バッテリー」になります。さらに、各ボートの船体は他のすべてのボートの船体に接続されているため、プロペラ (青銅製の場合もあります) と鋼鉄の船体の間にさらに「バッテリー」ができ、高価なプロペラが腐食する可能性があります。このような場合、ガルバニック アイソレータの使用が不可欠です。これは通常、2 つの半導体ダイオードを直列に、2 つのダイオードを逆方向に導通 (逆並列) する並列に接続します。このデバイスは、船体と岸の保護導体間の保護アース接続に挿入されます。これにより、印加電圧が1.4 V (つまり、ダイオードあたり 0.7 V)未満の間は保護導体に電流が流れませんが、電気障害の場合は最大電流が流れます。ダイオードを通じた電流のごくわずかな漏れが依然として発生し、通常よりも腐食がわずかに早く進む可能性があります。
• 電解質と接触しないようにします。これは、グリースなどの撥水性化合物を使用するか、適切な塗料、ワニス、プラスチックなどの不浸透性の保護層で金属をコーティングすることで実現できます。両方をコーティングできない場合は、より貴な、つまり電位の高い材料にコーティングを適用する必要があります。これが推奨されるのは、コーティングをより活性の高い材料にのみ適用すると、コーティングが損傷した場合に、大きな陰極領域と非常に小さな陽極領域が生じ、露出した陽極領域の腐食速度がそれに応じて高くなるためです。
• 抗酸化ペーストを使用すると、銅とアルミニウムの電気接続部間の腐食を防ぐのに役立ちます。このペーストは、アルミニウムや銅よりも貴金属の少ない金属で構成されています。
• 電位が似ている金属を選択してください。個々の電位が近いほど、電位差が小さくなり、ガルバニック電流も小さくなります。すべての構造に同じ金属を使用するのが、電位を合わせる最も簡単な方法です。
• 電気メッキやその他のメッキも役立ちます。この方法では、腐食に強い貴金属が使用される傾向があります。クロム、ニッケル、銀、金はすべて使用できます。亜鉛メッキは、犠牲陽極作用によって鋼鉄のベースメタルを保護します。
• 陰極防食では、保護する金属よりも活性の高い金属で作られた1 つ以上の犠牲陽極を使用します。犠牲陽極によく使用される金属合金には、亜鉛、マグネシウム、アルミニウムなどがあります。この方法は、給湯器や多くの埋設または浸漬された金属構造物で一般的に使用されています。
• 腐食性のガルバニック電流に対抗するために直流(DC) 電源を接続することによっても陰極防食を適用できます。 ( 「陰極防食」の「§ 印加電流陰極防食 (ICCP)」を参照してください。)

すべての金属は、標準の参照電極に対して特定の電解質内で発生する電位を表すガルバニック系列に分類できます。このような系列における 2 つの金属の相対的な位置は、どの金属がより速く腐食する可能性が高いかを示す良い指標となります。ただし、水の通気や流量などの他の要因は、プロセスの速度に著しく影響を与える可能性があります。

2つの異なる金属の適合性は、それらの陽極指数を考慮することによって予測できる。このパラメータは、金属と金の間に発生する電気化学電圧の尺度である。2つの金属の相対電圧を求めるには、それらの陽極指数を差し引くだけでよい。^[18]

倉庫での保管や温度や湿度が制御されていない環境など、通常の環境で保管されている金属のガルバニック腐食を減らすには、 接触している2つの金属の陽極指数の差が0.25V以下である必要があります。温度と湿度が制御されている管理された環境では、0.50Vまで 許容されます。屋外、高湿度、塩分の多い環境などの過酷な環境では、陽極指数の差が0.15V以下である必要があります 。たとえば、金と銀の差は0.15Vである ため、過酷な環境でも2つの金属に大きな腐食は発生しません。^{[19] [ページが必要]}

設計上の配慮により異なる金属を接触させる必要がある場合、陽極酸化指数の差は仕上げとメッキによって管理されることが多い。選択された仕上げとメッキは、異なる材料を接触させながら、より卑な材料をより貴な材料による腐食から保護する。^{[19] [ページ必要]} ガルバニック不適合が作用している場合、最終的に腐食の影響を受けるのは常に最も負の陽極酸化指数を持つ金属である。このため、スターリングシルバーとステンレススチールの食器を食器洗い機に同時に入れてはならない。サイクルの終わりまでにスチール製のアイテムが腐食する可能性が高いため（石鹸と水が化学電解質として機能し、熱がプロセスを加速するため）、このためである。

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