2020 Fiscal Year Annual Research Report
Design of Protective Rust Layer on Carbon Cteel Considering Cathodic Reduction Behaviour
| Project/Area Number |
19H02479
|
|---|
| Research Institution | Osaka University |
|---|
Principal Investigator |
山下 正人 大阪大学, 工学研究科, 招へい教授 (60291960)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
花木 宏修 大阪大学, 工学研究科, 招へい准教授 (20336829)
藤本 愼司 大阪大学, 工学研究科, 教授 (70199371)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | 炭素鋼 / 鉄さび / 大気腐食 / 防食 / カソード還元 / 放射光 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
社会資本鋼構造物は腐食しやすく、SDGsの強靭なインフラ構築のためにも防食が重要である。鋼材の腐食で「鉄さび」を生じるが、鉄さびが還元されると腐食が加速すると考えられる。本研究は鉄さび中に非鉄金属イオンを導入することで還元されにくいさびを育成し腐食を抑制することを指向しており、社会資本の長寿命化に資する新規な防食法の基礎を作る点で重要であると考える。研究実績を報告する。
①大気暴露試験で育成したさび層を有する鋼材のカソード還元挙動の調査：無被覆炭素鋼およびNi, Alイオンを含む樹脂を被覆した炭素鋼を海浜環境で大気暴露しさび層を育成した。放射光構造解析を行った結果、炭素鋼にはγ-FeOOH主体のさび層が形成したが、Ni, Alイオンを作用させるとα-FeOOHが主体となった。γ-FeOOH主体のさび層は還元されカソード反応を加速しながらマグネタイトを生成し酸素還元も加速するため腐食を促進するが、α-FeOOHが主体の場合はさび層の還元速度が低下する傾向が確認できた。
②非鉄金属イオン含有水溶液中におけるさび層のカソード還元挙動：
Ni, Al, Naイオンを含む水溶液中でさび層を有する鋼材をカソード還元した結果、イオン種にかかわらずさび層中のγ-FeOOHがマグネタイトに還元されるが、Ni, Alイオンを含有した場合は酸素還元が抑制されさび層が防食的に振舞う可能性が示唆された。
③非鉄金属イオンを添加した塗料による防食性：鋼構造物の長寿命化に資する新規な防食法の基礎を研究する観点から、非鉄金属イオンを添加した塗膜の防食挙動を調査した結果、非鉄金属イオンによりさび層がα-FeOOH構造に変化し、防食性が改善することがわかった。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
さびの構造に鉄以外の金属元素を導入することで、還元されにくい（＝酸化剤として作用し難い）さびの設計と育成の基礎を構築することを目的として研究を開始したが、昨年度までに、①すでにさびている鋼材のさび層に非鉄金属イオンを作用させるとカソード反応のみならずアノード反応も抑制する効果があること、②厳しい腐食環境である酸性環境においても同様の効果が見られること、を明らかにした。また、塩化物飛来環境で大気暴露試験を開始するとともに、さび層を有する鋼材の電気化学的還元特性を定量的に評価する方法が確立できた。
本年度は、まず大気暴露試験により生成したさび層を有する鋼材のカソード還元挙動の調査を行い、γ-FeOOHは還元されやすくカソード反応を加速することや、Ni, Alイオンをさび層に作用させるとα-FeOOHが主成分になりさび層の還元速度が低下すること等を確認した。
さらに、種々の非鉄金属イオンを含有する水溶液環境におけるさび層のカソード還元挙動を調査し、Ni, Al, Naイオンを含有するいずれの水溶液環境においてもγ-FeOOHがマグネタイトに還元されるが、Ni, Alイオンを含有する場合はマグネタイト生成後の酸素還元速度が抑制されさび層が防食的に振舞う可能性が示唆された。
また、非鉄金属イオンを添加した塗料によるさび層の改質と防食性の調査に着手し、非鉄金属イオンを添加した場合さび層がα-FeOOH構造に変化するとともにカソード反応速度が低下し、塩化物イオンの侵入抑制効果の発現を伴いながら耐食性が大きく改善することがわかった。
以上のことより、本研究はおおむね順調に進展していると考える。
|
| Strategy for Future Research Activity |
本年度において、大気暴露試験により生成した種々のさび層を有する鋼材のカソード還元挙動に関する知見が得られるとともに、種々の非鉄金属イオンを含有する水溶液環境におけるさび層のカソード還元挙動、および非鉄金属イオンを添加した塗料によるさび層の改質と防食性に関する基礎的知見が得られたことから、今後の研究について以下の推進方策を計画している。
①鋼板表面に様々な非鉄金属イオンを作用させながら、種々の腐食試験を実施し鋼板にさび層を育成する。その際、非鉄金属イオンを作用させる方法の一つとして、鋼板表面に非鉄金属層を形成し腐食試験により非鉄金属イオンを溶出させる方法も試みる予定である。
②すでにさび層を有する大気腐食後の鋼材を対象として、水溶液中で非鉄金属イオンをさび層にドープする方法を用いて、さび層を有する鋼材のカソード反応を抑制する効果の高い非鉄金属イオンを探索する。
③本研究で確立した、窒素脱気条件でカソード分極しさび層自体の還元特性を調査した後、引き続き空気を吹き込み溶存酸素の還元挙動を確認する手法を用いて、非鉄金属イオンを作用させて育成したさび層や、非鉄金属イオンを含有する水溶液中で非鉄金属イオンをドープしたさび層のカソード還元挙動を調査する予定である。
④非鉄金属イオンを添加した塗料を鋼材に塗布することによりカソード反応を低減する機構をさらに追及し、防食性の向上に資する。
⑤詳細にさび層の構造解析を行うために、SPring-8などの大型放射光施設を活用し、放射光XRDやX線吸収微細構造（X-ray Absorption Fine Structure, XAFS）解析を実施する。得られた成果については、積極的に学会において公表を行う予定である。
|
