冶金学者に尋ねる：錆とは何ですか？

腐食の化学的性質：金属アイテムを洗浄および保護する方法

さびは、鉄が酸素や水と反応したときに生じる化学物質の一般名です。ただし、「錆」は化学では十分に定義されていません。鉄を露出させたままにすると、多くの化学物質が形成される可能性があります。ただし、一般的に、特定の化学物質に起因する赤くて薄片状の外観を錆と呼びます。

鉄や鋼を腐食させると、通常の環境条件でさまざまな化合物が生成されます。これらの化学物質のいくつかは、錆びている間に環境からどの分子をつかむかに応じて、黒、青、黄色、灰色、または茶色になります。たとえば、硫黄を含む酸性雨は鉄と結合して、「愚か者の金」と呼ばれる黄色い鉱物である黄鉄鉱の分子を作り出すことができます。これらの鉱物は、私たちが錆と考えるものではありません。私たちが通常意味するのは、ある種の酸化鉄（III）で、外観は赤または赤茶色です。

したがって、鉄の錆について話すとき、私たちが定期的に使用する他の金属で観察される化学変化と常にそれを関連付けるとは限りません。銀や銅の「錆び」については話しません。代わりに、銅は緑青を発達させると言われ、銀は変色すると言われています。これらの用語はすべて、露出した金属の腐食を表しています。

なぜ鉄が錆びるのですか？なぜ銅は錆びないのですか？

金属は、環境との化学反応によって腐食します。精製された人間が使用できる金属は、熱力学的に最も安定した形ではないことがよくあります。それらは周囲の空気中の分子と反応して、より安定した状態を見つけます。

錆びた鉄では、これは酸化のプロセスであり、酸素と水が作用して酸化鉄を生成します。ただし、腐食は他の分子で発生する可能性があります。銀の変色は、腐った卵のようなにおいがする硫化水素との反応によって生成されることが多く、低酸素環境での細菌の分解によって生成されます。沼の近くやゴミ捨て場の近くに銀があると、すぐに変色します！

一部の金属は、すでに化学的安定性があるため、腐食しません。金とプラチナはその一例です。このため、これらは地球の地殻で純粋な元素金属として見つかる可能性が高くなります。銀は、変色すると、変色自体が残りの金属の周りに熱力学的に安定したシールを作成するため、純粋な金属としても見られます。この不動態皮膜は、不動態化と呼ばれるプロセスで、さらに下の層の腐食を防ぎます。

自由の女神の独特の緑色の原因である銅の緑青は、下の金属を保護する不動態皮膜の例です。銅の風化によって形成された緑青は、下の銅の層との結合を維持し、大気中の分子から銅を密閉して保護します。

対照的に、赤い酸化鉄（III）は、その下の鉄に結合せず、引き離して剥がれ落ちます。したがって、錆は不動態化層を提供しませんが、代わりに腐食して、鉄の次の層を酸化にさらします。

ステンレス鋼のようないくつかの鉄ベースの合金は、錆びにくいことで知られています。錆びにくい鉄合金には、錆が発生する前に不動態化および保護膜を形成する金属が混合されています。ステンレス鋼の場合、不動態化はクロムの添加によって生成されます。クロムは急速に酸化し、鉄を保護する非常に薄い層を残します。 。

一般的な種類の金属腐食

金属は、さまざまなプロセスを通じてさまざまな環境で腐食します。最も単純な形態の腐食は、金属がその表面で水分と空気に反応するときに発生します。塩水環境では、塩に塩素が含まれていると、このプロセスが加速および緩和される可能性があります。酸性雨では、硫黄化合物が原因となる可能性があります。

塩水環境は、ガルバニック腐食と呼ばれる少し複雑なプロセスも促進します 。ガルバニック腐食では、電位が大きく異なる2種類の金属が、海水などの電解液浴で電気的または物理的に接触します。より受動的な金属である陰極金属は、活性金属または陽極金属から電子を引き出します。この化学反応は腐食の一形態であり、電気化学電池の基礎にもなります。

陽極金属の新しく帯電した分子は、環境内の分子と結合して安定し、通常は酸化物やその他の鉱物を生成します。鋼では、これらの酸化物は錆びています。

アルミニウムは、通常、腐食時に不動態皮膜によって保護される金属の1つです。ただし、アルミニウムは、ガルバニック腐食のために、ステンレス鋼のネジでボルトで固定するとすぐに腐食して故障する可能性があります。一方、鋼製のネジは錆びにくいです！アノードが安定した電子の流れを提供することで、カソード金属の腐食を防ぎます。このため、船体のように海にさらされる金属に「犠牲陽極」が取り付けられ、電気化学的に船の膜を保護することがあります。

孔食 は、金属の表面全体に均一に発生しない腐食の用語です。代わりに、金属に小さな穴が現れます。腐食が速いこれらの領域は、通常、塗料や粉体塗装などの人工シーラントであろうと、腐食の最上層の不動態皮膜シーラントであろうと、材料の「シール」の失敗が原因です。金属に介在物がある場合、または合金が均一でない場合、パッシベーション層が機能しなくなる可能性があります。金属は粒子でできた結晶構造であり、それらの粒子構造にはさまざまな相があります。化学的性質が不規則または変形している場合、腐食に対してより脆弱なスポットを引き起こす可能性があり、同じ金属であるものの本体全体にガルバニック腐食を引き起こすことさえあります。

ステンレス鋼は錆びることがありますか？

ステンレス鋼は、クロムを添加することで錆と戦う耐食性の鉄合金です。 316ステンレス鋼のように、通常の使用や塩水環境での頻繁な使用に耐えられるように、さまざまなクロムの割合が使用されています。

ただし、ステンレス鋼でも錆びることがあります。金属に閉じ込められているすべての鉄は、反応するために露出する必要があります。それを保護するために、酸化クロムの「シーリング」不動態層に依存しています。

酸化クロム層はほんの数分子の厚さであり、瞬時に形成されるわけではありません。ステンレス鋼を作るとき、それは酸できれいにされます。この酸は、クロムの化学反応に問題を引き起こす可能性のある表面レベルの鉄、塩、またはグリースの堆積物を取り除きます。使用する酸の種類に応じて、不動態化プロセスの一部にすることも、単に空気中で自然に不動態化するように鋼を準備することもできます。

この不動態皮膜は化学物質であるため、破壊される可能性があります。 750°Fを超える非常に高い熱は、酸化を妨げるクロムの分子変化を引き起こす可能性があるため、ステンレス鋼の溶接部位の周囲に錆が発生する可能性があります。他の場合では、酸化クロム層は、急速な熱変化、摩耗、破損、塩分、酸、および他の金属堆積物の蓄積によって損なわれる可能性があります。ステンレス鋼が鉄と接触しすぎると、クロムの局所的な割合が、膜を維持するために必要な最小割合（下限は10.5％）を下回る可能性があります。

したがって、ステンレス鋼をスチールウールで精練すると、錆の問題が悪化する可能性があります。クロムが摩耗すると、スクラバーからの鋼分子が卑金属の一部になり、局所的なクロム含有量が低下する可能性があります。ステンレス鋼で不動態化が失敗し、鉄が水と空気にさらされると、錆が発生します。

ステンレス鋼の錆を取り除く方法

ステンレス鋼のクリーニングに関するアドバイスでは、「クロムの表面を傷つけないように注意する」必要があることがよくあります。そのため、研磨剤やその他の化学薬品を使用しないことをお勧めします。これは完全には正しくありません。錆は、酸化クロムの表面がすでに損傷していることを示しています。非産業的状況（家庭または小さな業務用厨房）でステンレス鋼から錆を除去する目的は、最初にステンレス合金を完全に洗浄し、すべての錆だけでなく、すべての鉄の堆積物、塩、グリース、または酸を除去することです。次に、材料を「自動不動態化」させます。これは、空気と反応してシールを再形成することを意味します。これを行うときは、あらゆる形態の鉄鋼から離れることが、結果に満足する1つの方法です。

ステンレス鋼の錆を取り除くには：

1. 重曹のような中性の研磨剤を使用して、布、スポンジ、または柔らかい毛のブラシで表面をこすり、錆を取り除くことができます。
2. 錆や汚染物質が除去されると、クロムは即座に自動不動態化し、独自の保護シールドを作成します。
3. 酸化クロムの層は次の数日で厚くなるので、一晩風乾することで保護を強化できます！
4. よくすすいだ後、ステンレス鋼を風乾させるか、カスタムのステンレス鋼クリーナーで洗浄および研磨することができます。

製造現場では、ステンレス鋼を硝酸の高温浴で洗浄することがあります。これにより、不動態化のより厚い層が「強制」されます。環境上の理由から、多くのメーカーは現在、家庭でより一般的であるように、洗浄にクエン酸を使用し、ステンレス鋼を「自動不動態化」できるようにしています。

鋳鉄や鋼の錆を取り除く方法

ステンレス鋼合金から錆を取り除くのとは異なり、スチールウールまたはワイヤーブリストルブラシを使用すると、鋳鉄または鋼から錆を取り除くのに役立ちます！

錆びた鋳鉄製のフライパンなど、シンプルで小さな表面の場合：

1. たわしと少量のエルボーグリースで酸化鉄層を取り除くことができます。塩は一般的に使用される研磨剤です。
2. その後、鍋をよく洗う必要があります。
3. 鍋を熱で乾燥させて、表面のすべての細孔から液体が排出されるようにする必要があります。
4. 鋳鉄は油で味付けする必要があります。油は表面に焼き付けるとポリマーシーラントを形成します。
5. この油は、表面に薄い層で塗ってから、375°で1時間（逆さまにして）焼くことができます。必要に応じて、レイヤーを追加できます。
6. 食品グレードの亜麻仁油は、調味料オイルの理想的な選択肢であり、硬くて光沢のある仕上がりになります。

複雑な形状やサイズの多くのオブジェクトでは、スクラブは実用的ではありません。この場合、化学的除去方法が最善のアプローチです。関係する合金の種類に応じて、効果はさまざまです。酢、糖蜜、クエン酸などの一般的な家庭用食材を使用できます。糖蜜は驚くべき選択であり、酢よりも時間がかかりますが、シュウ酸に分解されて錆を取り除くのに役立つため、非常に効果的です。

多くの場合、より強い酸で作られた市販の防錆製品も利用できます。これらの液体に浸してから取り出して乾燥させると、古いさびた宝物を復元するのに効果的です。

ただし、鋳鉄製の鍋と同様に、鋼と鉄が洗浄された後、要素からどのように保護されるかを考慮することが重要です。

鉄金属の保護

鉄は、空気と水の存在下で錆びます。これは、人類が鉄を使っている限り、私たちは鉄に最適なシーラントにも取り組んできたことを意味します。タイトなレイヤーを作成する方法はたくさんあります。

強制不動態化 —鉄または鋼を密封する非常に一般的な形式は、最初の層を酸化鉄（II）または黒色酸化物に腐食させることです。これは他の金属緑青のように機能し、金属を密封します。このプロセスと銅、亜鉛、またはクロムで発生するプロセスとの唯一の違いは、通常の環境条件下では発生しないことです。したがって、アイテムの最上層が損傷した場合は、アイテム全体を再仕上げする必要があります。これは、1つのプロセスで銃を使用した場合の「ブルーイング」、またはほとんどの機械工場で同様のプロセスでわずかに異なる化学物質による「黒化」として知られています。コールドブラックニングプロセスでは、酸化鉄（II）を表面に塗装することができるため、耐久性がわずかに低下します。

給油やワックスがけを含む定期的な使用と手入れ -一部の作業用の鉄または鋼は、ほとんど生のままにされ、使用、手入れ、または環境によってそれらが輝き続けます。伝統的に、剣のような武器やナイフのようなギアは「生」のままであったかもしれませんが、定期的な再塗布が必要な一時的なシーラントである鉱物油または食用油で乾燥して油をさしていました。長期間保管する場合は、ワックスやその他の研磨剤を使用してシールを作成することもできますが、使用しても摩耗する可能性があります。

通常のオイルにさらされたエンジン部品は、エンジン周辺の熱とオイルによって錆びにくくなるため、生のままになる可能性がありますが、外面は塗装されている可能性があります。車の排気システムは、腐食を防ぐために完全に高温のエンジンの高温に依存しているため、エンジンブロックが加熱するのに十分な時間運転することは、マフラーの錆を防ぐ方法です。 （高性能レーシングエンジンでは、内部も塗装されている場合がありますが、これは主にオイルの循環を助けるためです。）

塗布されたシーラント -多くの鉄鋼製品は、別の物質の硬質層でコーティングすることによって保護されています。これらには以下が含まれます：

• 重合油： 亜麻仁油（亜麻でできていますが、食品グレードの基準ではありません）は、錬鉄製品の元々の仕上げの1つでした。鍛冶屋は、油で急冷するか、油でオブジェクトをペイントしてからトーチし、今日でも錬鉄でエミュレートする伝統的な黒茶色の光沢を提供します。通常は、ラッカー、ペイント、またはワニスを使用します。
• 溶融亜鉛めっき： このプロセスでは、亜鉛は溶融浴で鋼または鉄に適用されます。亜鉛亜鉛メッキにはいくつかの保護特性があります。まず、それは緑青を作成し、それは亜鉛とその下の鉄または鋼の両方を密封します。第二に、それはそれが適用される金属よりも「活性」です。亜鉛メッキされた鋼の物体の寿命にわたって、亜鉛は「犠牲陽極」として機能します。劣化すると、たとえ鋼が露出したとしても、下の鋼の腐食を保護して遅らせます。
• 電気めっき： 亜鉛は、浸漬浴ではなく、鋼の物体に電荷を流し、物体に帯電した亜鉛粒子を噴霧することによって鋼に適用することができます。これにより、金属の表面全体で均一で途切れのない電気的結合が発生します。
• 粉体塗装： 粉体塗装を適用するプロセスは、オブジェクトとシーラントの両方が静電的に帯電しているという点で亜鉛を適用するプロセスに似ています。つまり、湿気を通過させる小さな中断さえなく、分子結合を意味します。次に、樹脂粉体塗装をホットオーブンでオブジェクトに焼き付けます。コートは何年も光沢を維持し、優れた保護を提供し、最小限の維持を必要とします。
• ペイント： 屋内と屋外の両方で、そして高性能エンジンの心臓部でさえ、塗料は人気があり用途の広いシーラントです。安価なシーラントとして、それはまだ要素から鉄と鋼を保護するのに非常に良い仕事をします。ひびが入って磨耗すると、砂を塗って再塗布するのに十分簡単です。塗料の欠点は、天候によってひび割れたり剥がれたりする傾向があることです。シーラント層に小さな穴があっても、下の錆のプロセスが始まる可能性があります。ただし、これらの欠点は、定期的なメンテナンスルーチンの一部または一部を使用することで管理できる場合があります。

金属物体の手入れ

金属は古典的に耐久性のある素材であり、多くの寿命にわたって続くオブジェクトや構造を作成するために使用されます。それでも、ほとんどの金属は依然として腐食や電気化学的崩壊に対して脆弱です。プロジェクトを開始するとき、金属が置かれる環境を考慮して、設計者はそれらの条件で最もよく持ちこたえる金属を選ぶことができます。

鉄は非常に酸化しやすく、さびは通常、水と酸素のわずかなヒントで始まります。他の金属とは異なり、この酸化はそれ自体のシーリング不動態層を形成しません。したがって、シーラントは通常、鉄金属とともに使用されます。適切な種類を見つけ、その使用の数十年にわたって金属を監視することは、あらゆる金属物体の寿命を延ばすのに役立ちます。