粒界腐食

粒界腐食：金属材料の弱点と対策

金属材料において、結晶粒界と呼ばれる結晶粒同士の境界部分で腐食が優先的に発生する現象を粒界腐食といいます。これは局部腐食の一種であり、粒界に沿って腐食が進行し、ひどい場合は結晶粒が剥がれ落ちることもあります。ステンレス鋼は、この粒界腐食が問題となる代表的な材料として知られています。

粒界腐食のメカニズム

多結晶体の金属材料では、結晶粒界は結晶粒内部（粒内）に比べて結晶構造が乱れており、不純物が偏析しやすい状態です。そのため、粒界は粒内よりも腐食されやすい性質を持っています。金属組織を観察する際に、粒界を目立たせるために表面をエッチング処理しますが、これも粒界の腐食されやすさを利用した方法です。

しかし、粒界が腐食しやすいからといって、必ずしも粒界腐食が問題になるわけではありません。多くの金属材料では、粒界のみが著しく腐食することは少ないです。粒界腐食が深刻な問題となるのは、熱処理や溶接などによって金属組織が変化し、粒界腐食が起こりやすくなった状態、すなわち「鋭敏化」した状態です。鋭敏化によって粒界に沿ってき裂が進展する粒界応力腐食割れを引き起こす可能性もあるため、材料強度や安全性の観点からも重要な問題です。

材料別の粒界腐食

ステンレス鋼

ステンレス鋼は、粒界腐食が問題となる代表例です。その原因は、ステンレス鋼の耐食性を向上させるクロムと炭素の反応にあります。高温になると、炭素とクロムが結合してCr23C6などのクロム炭化物が粒界に析出します。このクロム炭化物の析出によって、粒界近傍のクロム濃度が低下し（クロム欠乏）、耐食性が低下するため、腐食環境下では選択的に粒界が腐食されます。

ステンレス鋼の鋭敏化の程度を表すために、温度と時間による鋭敏化の有無を示したTTS曲線（Time-Temperature-Sensitization curve）が用いられます。オーステナイト系ステンレス鋼SUS304の場合、550℃から800℃の温度域で保持したり、高温からこの温度域を徐冷すると鋭敏化が起こりやすくなります。各ステンレス鋼種ごとにTTS曲線が公開されており、材料選定や熱処理条件の設定に役立てられています。

ステンレス鋼の粒界腐食対策としては、以下の3点が挙げられます。

1. 低炭素鋼の使用: 炭素含有量を0.02%以下、あるいは0.001%以下に低減することで、クロム炭化物の生成を抑制します。
2. 炭素固定元素の添加: ニオブやチタンなどの元素を添加し、炭素と優先的に結合させることで、クロム炭化物の生成を防ぎます。
3. 溶体化処理: 既に鋭敏化してしまった材料は、溶体化処理によってクロム炭化物を溶解させ、均一な組織に戻します。

アルミニウム合金

アルミニウム合金でも、粒界に析出物が生成することで粒界腐食が起こることがあります。Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Mg-Si系、Al-Zn-Mg系などのアルミニウム合金は、粒界腐食のリスクが高いとされています。例えば、Al-Cu系合金では、銅を含む金属間化合物が粒界に析出し、その周囲で銅の固溶量が不足することで腐食が促進されます。Al-Mg系やAl-Zn-Mg系では、Mg5Al8やMgZn2などの粒界析出物が腐食を加速させる要因となります。

粒界腐食の試験方法

ステンレス鋼の粒界腐食性（鋭敏化）の評価には、JIS規格やASTM規格で定められた試験方法が用いられます。JIS G 0571（しゅう酸エッチング試験）、JIS G 0572（硫酸・硫酸第二鉄腐食試験）、JIS G 0575（硫酸・硫酸銅腐食試験）など、様々な試験方法があり、それぞれ評価対象や手法が異なります。電気化学的再活性化法（EPR法）を用いたJIS G 0580なども重要な試験方法です。これらの試験により、材料の粒界腐食の程度を定量的に評価することが可能です。

まとめ

粒界腐食は、金属材料の強度や耐食性を低下させる重要な腐食現象です。特にステンレス鋼やアルミニウム合金では、その対策が設計や製造工程において重要な課題となります。材料選定、熱処理条件、および適切な試験方法の選択が、粒界腐食の防止に不可欠です。

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