軽量自動車材料における腐食課題

自動車業界全体で、燃費向上と規制要件への適合のために軽量構造材料への関心が高まっています。ほとんどの自動車メーカーは、高張力鋼、超高張力鋼、アルミニウム合金、マグネシウム合金、複合材料の最近の進歩を活用しています。歴史的にアルミニウムは、従来の鉄や鋼と比較して優れた耐食性を提供するため人気がありました。この記事では、同等に優れた耐食性を提供するとは限らない、さらなる軽量材料の追求について探ります。

自動車業界におけるマグネシウムの腐食と防食ソリューション

マグネシウムは構造用途に使用される最も軽い工学金属です。しかし、マグネシウムとその合金の耐食性が劣るため、自動車分野でのマグネシウム採用は比較的限定的でした。マグネシウムは、自動車部品に使用される金属の中で最も低い（最も卑な）電気化学的ポテンシャルを持ちます。アルミニウムも反応性の高い金属ですが、マグネシウムは多孔質で非保護的な表面酸化物層を持ち、腐食からの不動態化を提供しません。

マグネシウム合金の耐食性向上における大きな一歩は、高純度合金の導入でしたが、これはマグネシウムが他の金属と電解質の存在下で接触する際に発生するガルバニック腐食問題を解決するものではありません。（ガルバニック腐食については：なぜ2つの異種金属が腐食を引き起こすのか？を参照）

バリアコーティングの使用は、マグネシウム合金腐食を防ぐ一つの可能な解決策です。しかし、バリアコーティングもコーティング欠陥部位で不利な陽極/陰極面積比を生み出す可能性があります。これまでの経験では、現在のほとんどの有機コーティングやエポキシ系コーティングは、水系電解質のマグネシウム基材への浸透を永久に防ぐことはできません。一度水系電解質がマグネシウム基材に到達すると、酸素を必要とせずに腐食反応が開始され、水素が発生します。水素はコーティング下にブリスターを形成し、最終的に防食システムを損ないます。

腐食エンジニアは通常、自動車設計の初期段階には関与せず、その時期は通常、構造要件のための有限要素解析（FEA）や鋳造プロセスの流れシミュレーションに焦点が当てられています。上記の問題に対処するため、以下の重要ポイントを考慮すべきです。

• 短期的には、マグネシウム合金向けの堅牢で自己修復機能を持ち、安価かつ環境に優しいコーティングシステムの開発を優先すべきです。コーティングシステムは耐傷性を持ち、GMW/SAE/ISO関連規格などの既存業界要件を満たす必要があります。経済的に競争力を持つためには、理想的な目標コストは1平方メートルあたり1米ドル以下とすべきです。
• 長期的には、耐食性マグネシウム合金は、腐食速度が0.1 mm/年未満（通常、3.5重量% NaCl溶液中7日間浸漬後）または、業界標準腐食試験において競合アルミニウム合金（Silafont 36、A356、あるいはAA5xxx、AA6xxx合金など）と同等以上の耐食性能を持つべきです。これは、耐食性を促進する合金元素の添加や、表面に緻密な不動態皮膜の形成を促進することで達成可能かもしれません。
• 表面コーティングは、マグネシウムの自動車用途の範囲を広げられます。プラズマ電解酸化（PEO）は、自動車部品とサブアセンブリを設計・仕様決定するエンジニアにとっての解決策です。PEOのユニークな技術は、電解質浴とプラズマを用いた3つの明確な段階で、マグネシウム合金にセラミック様の二重層コーティングを形成します。各段階でプロセスを調整して、精密なニーズに合わせたコーティングを作成できます。多層コーティングの最表層は高多孔質で、電解質浴の内容物を表面コーティングに取り込み、追加特性を付与できます。

炭素繊維強化ポリマーと金属間のガルバニック腐食

炭素は炭素繊維強化ポリマー複合材料（CFRP）の強化相として使用されます。CFRPは高い比強度を持ち、自動車用途向けの軽量材料であるため、エンジニアにとって魅力的です。

繊維強化複合材料単体は耐食性があると見なされます。しかし、金属と接合すると腐食問題が生じる可能性があります。CFRPは電気伝導性があり、電気化学的に非常に貴です。したがって、金属や合金がCFRPと不適切に接合され（電気的接続がある状態）、金属はガルバニック腐食の影響を受けやすくなります。（詳細：炭素繊維強化ポリマーに接続された金属のガルバニック腐食を参照）

ファスナー、ボルト、ナットと接合される場合、CFRPの大きな表面積が小さな金属部品と接合されるため、状況は悪化します。この状況では、高い陰極/陽極表面積比（Ac/Aa）により、ガルバニック腐食速度が加速される可能性があります。

金属と炭素複合材料の接合によるガルバニック腐食は1970年代から報告されています。しかし、適切な材料と適切な材料接合設計手法はまだ決定されていません。

自動車用途でのCFRP需要の継続は、炭素繊維複合材料と自動車工学材料（さまざまな表面処理を施した多様な鋼種、多数のアルミニウム合金を含む）間のガルバニック腐食に関する更なる体系的研究を必要とします。特に、異なる材料組み合わせ、形状、接合方法がその後の腐食強度に与える影響が重要です。

ボディ・イン・ホワイト段階における混合材料戦略でのガルバニック腐食

ボディ・イン・ホワイト（BIW）段階とは、自動車製造においてボディのコンポーネントが接合されたステップを指します。伝統的に、車両全体は最終組立時に、主に鋼製ボディに混合材料が順次取り付けられて製造されます。さらに軽量で高剛性な車両を実現するには、ボディ構造により複雑な「ハイブリッド」な異材混合が必要です。（関連記事：新しい材料科学研究が示唆する将来の腐食制御）

ゼネラルモーターズ初の混合材料車両であるキャデラックCT6は、図1に示すように、複数グレードの鋼板、アルミニウム板、鋳造品、押出材を採用しています。シボレー・マリブなど他の車両も同様の傾向をたどっています。

図1. シボレー・マリブとキャデラックCT6の混合材料ボディ・イン・ホワイト
出典：Corrosion avoidance in lightweight materials for automotive applications

異種材料と合金は、ガルバニック腐食と異なる熱膨張係数の観点から課題を生みます。数値シミュレーション手法は、ガルバニック電流分布の予測可能性を示しています。

自動車用途では、材料は薄い電解質膜環境下にあると見なせます。したがって、電気化学システムと伝導経路が常に進化・変化するため、腐食挙動（およびガルバニック腐食挙動）は複雑になります。

最近、あるソフトウェア会社により薄膜電解質下でのガルバニック腐食をシミュレートする薄膜モデルが開発され、その論理的なさらなる追求は、このようなモデルの広範な実験的検証です。初期研究は有望で、コンポーネントレベルでの塩水噴霧試験結果の予測見込みを示しています。更なる発展により、このようなモデリング・実験の統合アプローチが、混合材料車両全体の総電流と電位分布をシミュレートするのに有用になる可能性があります。

シミュレーションによる腐食モデリングの容易化

腐食モデリングにより、エンジニアは任意のコンポーネントが一定期間で腐食する可能性を予測できます。相対湿度や塩分堆積密度などのパラメータを入力できます。シミュレーション結果は実際の塩水噴霧試験と比較され、コーティング寿命の耐食性観点からのチェックや、結果の相関確認が可能です。

新技術に着想を得た未来の防食

車両には現在、タイヤ空気圧監視などの「スマート」な機能が多く組み込まれ、インテリジェント診断システムが業界標準となっています。したがって、将来的には腐食監視システムの実現が期待できます。例えば、重要箇所での腐食速度をリアルタイム監視できる適切なセンサーが、システム故障前に警告を提供できる可能性があります。

さらに、機械学習と人工知能が現場腐食データを収集し、リモートデータ分析を行って、より正確なラボ・ツー・フィールド相関を生成する可能性があります。これは極めて重要で、広範な腐食分野にとって関連性が高く、個々のエンジニアの経験を補完・拡張できます。