さび

鉄は水と酸素に触れると錆びます。^{[ 5 ]}例えば海水や塩水噴霧のように塩分が存在すると、化学反応の結果として鉄はより速く錆びる傾向があります。鉄金属は純水や乾燥酸素の影響を比較的受けません。アルミニウムなどの他の金属と同様に、密着した酸化物被膜、不動態層が鉄本体をそれ以上の酸化から保護します。不動態化した酸化鉄層が錆に変化する原因は、通常酸素と水という2つの物質の複合作用によるものです。

その他の劣化溶液としては、水中の二酸化硫黄や水中の二酸化炭素がある。これらの腐食条件下では、水酸化鉄種が生成される。酸化鉄とは異なり、水酸化物は金属本体に付着しない。水酸化物が生成されて表面から剥がれ落ちると、新しい鉄が露出し、腐食プロセスは鉄がすべて消費されるか、システム内の酸素、水、二酸化炭素、二酸化硫黄がすべて除去または消費されるまで続く。^{[ 6 ]}

鉄が錆びると、酸化物が元の金属よりも体積が大きくなり、この膨張によって巨大な力が生み出され、鉄製の構造物に損傷を与える可能性があります。詳しくは経済効果の項をご覧ください。

鉄の錆びは、鉄から酸素への電子の移動から始まる電気化学的プロセスです。^{[ 7 ]}鉄は還元剤（電子を放出する）であり、酸素は酸化剤（電子を得る）です。腐食速度は水によって影響を受け、電解質によって加速されます。これは、道路の塩が自動車の腐食に及ぼす影響によって示されています。重要な反応は酸素の還元です。

O₂ + ⁴ e⁻ + ₂ H₂O → 4 OH⁻_​^​   

水酸化物イオンを生成するため、このプロセスは酸の存在によって大きく影響を受けます。同様に、酸素によるほとんどの金属の腐食は、低いpHで促進されます。上記の反応に必要な電子を供給するのは鉄の酸化であり、それは次のように説明できます。

^Fe → ^Fe²⁺ + 2e⁻ 

以下の酸化還元反応は水の存在下でも起こり、錆の形成に不可欠である。

4  Fe ²⁺ + O ₂ → 4  Fe ³⁺ + 2  O ²⁻

さらに、以下の多段階の酸塩基反応が錆の形成過程に影響を与える。

Fe ²⁺ + 2 H ₂ O ⇌ Fe(OH) ₂ + 2 H ⁺  

Fe ³⁺ + 3 H ₂ O ⇌ Fe(OH) ₃ + 3 H ⁺  

以下の脱水平衡も同様である。

Fe ₍ OH) ₂ _⇌ FeO + H₂O

Fe ₍ OH) _₃ ⇌ FeO(OH) + H₂O

2  FeO(OH) ⇌ Fe ₂ O ₃ + H ₂ O

上記の式から、腐食生成物は水と酸素の存在量によって決まることもわかります。溶存酸素が少ない場合は、FeOや黒色磁鉄鉱（Fe ₃ O ₄ ）などの鉄(II)含有物質が優先的に生成されます。酸素濃度が高い場合は、公称式 Fe(OH) _{3− x} O _{x ⁄ 2}で表される鉄( III )物質が優先的に生成されます。錆の性質は時間とともに変化し、固体の反応速度が遅いことを反映しています。^{[ 5 ]}

さらに、これらの複雑なプロセスは、 Ca ²⁺などの他のイオンの存在によって影響を受けます。Ca 2+は電解質として働き、錆の形成を促進したり、鉄の水酸化物や酸化物と結合してさまざまな Ca、Fe、O、OH 種を沈殿させたりします。

錆の発生は、実験室でフェロキシル指示薬溶液を用いることによっても検出できる。この溶液は、Fe²⁺イオンと水酸化物イオンの両方を検出する^{。Fe²⁺イオン}と水酸化物イオンの生成は、それぞれ青色とピンク色の斑点で示される。

ステンレス鋼は酸化クロム(III)の不動態層を形成する。^{[ 8 ] [ 9 ]}マグネシウム、チタン、亜鉛、酸化亜鉛、アルミニウム、ポリアニリン、その他の電気活性導電性ポリマーでも同様の不動態化挙動が見られる。^{[ 10 ]}

Cor-Tenなどの特殊な「耐候性鋼」合金は、錆が金属表面に保護層として付着するため、通常の鋼材よりもはるかに遅い速度で錆びます。この材料を使用する設計では、ほぼ理想的な条件下でも材料がゆっくりと錆び続けるため、最悪の暴露を避けるための対策を講じる必要があります。^{[ 11 ]}

亜鉛めっきとは、保護対象物に溶融亜鉛めっきまたは電気めっきによって金属亜鉛の層を塗布する処理のことです。亜鉛は安価で鋼材への密着性が高く、亜鉛層が損傷した場合に鋼材表面を陰極防食できるため、従来から使用されています。腐食性の高い環境（例えば海水）では、下地の保護金属の代わりにカドミウムめっきが好まれます。この過程で保護用の亜鉛層が消費されるため、亜鉛めっきによる保護効果は限られた期間しか持続しません。

より現代的なコーティングでは、亜鉛アルミニウム合金としてアルミニウムがコーティングに添加されます。アルミニウムは傷を覆うように移動し、より長期間の保護効果を発揮します。これらの手法は、従来の亜鉛めっきのように犠牲陽極として酸化するのではなく、アルミニウムと亜鉛の酸化物が一度傷ついた表面を保護するという原理に基づいています。非常に腐食性の高い環境や長寿命設計など、場合によっては、亜鉛とコーティングの両方を適用することで、より優れた防食効果を実現します。

屋外環境で日常的に風雨にさらされる鋼製品の一般的な亜鉛めっきは、85μmの溶融亜鉛めっきで構成されています。通常の気象条件下では、これは年間1μmの割合で劣化し、約85年間の保護を提供します。 ^{[ 12 ]}  

陰極防食は、埋設または水没した構造物の腐食を抑制するために用いられる技術であり、電気化学反応を抑制する電荷を供給することによって行われます。正しく適用すれば、腐食を完全に止めることができます。最も単純な形態では、犠牲陽極を取り付けることで、形成された電池内の鉄または鋼を陰極にします。犠牲陽極は、鉄または鋼よりも負の電極電位を持つ物質、一般的には亜鉛、アルミニウム、またはマグネシウムで作られなければなりません。犠牲陽極は、適切な時期に交換しない限り、いずれ腐食して防食作用を失います。

陰極防食は、印加電流を使用することによっても提供できます。これは、ICCP強制電流陰極防食として知られています。^{[ 13 ]}

錆の発生は、鉄を環境から隔離する塗料、ラッカー、ワニス、ワックステープなどのコーティングによって制御できます^{[ 14 ] 。 [ 15 ]}船舶や現代の自動車など、箱型断面の密閉構造を持つ大型構造物には、ワックスベースの製品（技術的には「スラッシュオイル」）がこれらの断面に注入されることがよくあります。このような処理には通常、錆抑制剤も含まれています。鋼をコンクリートで覆うことで、鋼とコンクリートの界面のアルカリ性pH環境により、鋼をある程度保護することができます。しかし、コンクリート中の鋼の錆は、膨張する錆が内部からコンクリートを破壊できるため、依然として問題となる可能性があります。^{[ 16 ] [ 17 ]}

密接に関連する例として、 1898年にギリシャのアテネにあるパルテノン神殿の修復作業中に大理石のブロックを接合するために鉄製のクランプが使用されましたが、保護されていない鉄が錆びて膨張したため、大理石に大きな損傷を与えました。古代ギリシャの建築家は、建設中に大理石のブロックに同様の固定システムを使用していましたが、地震の衝撃や腐食から保護するために、鉄の接合部に溶融鉛を流し込んでいました。この方法は2500年前の建造物には成功しましたが、1世紀も経たないうちに、粗雑な修復は崩壊の危機に瀕していました。 ^{[ 18 ]}保管や輸送のために一時的な保護だけが必要な場合は、鉄の表面に油、グリース、またはコスモリン などの特殊な混合物を薄く塗布することができます。このような処理は、鋼鉄製の船、自動車、その他の機器を長期保管するために「防錆」する際に広く使用されています。

特殊な焼き付き防止潤滑剤混合物が市販されており、金属ねじやその他の精密機械加工面に塗布して錆から保護します。これらの化合物は通常、グリースに銅、亜鉛、またはアルミニウム粉末、およびその他の独自の成分を混合したものです。^{[ 19 ]}

ブルーイングとは、銃器などの小型鋼製品に対して、錆びに対する限定的な耐性を与えることができる技術です 。この技術を成功させるには、ブルーイング処理を施した鋼材やその他の鋼材に、撥水性の油を塗り込む必要があります。

気相型や揮発性などの腐食抑制剤は、密閉されたシステム内部の腐食防止に使用できます。しかし、空気循環によってこれらの抑制剤が拡散し、新鮮な酸素や水分が流入すると、効果は低下します。

大気中の水分を制御することで錆を防ぐことができます。^{[ 20 ]}その一例として、海上輸送される機器の湿度を制御するためにシリカゲルパックを使用することが挙げられます。