糸状腐食の防止：コーティング下保護のための専門戦略

糸状腐食は、薄いコーティング下でフィラメント状にランダムに分布したスレッドとして発生する特殊な腐食形態です。糸状腐食は、フィルム下腐食、フィラメント腐食、ワームトラック腐食とも呼ばれます。この記事では、糸状腐食の原因、発生しやすい場所、進行メカニズム、検出方法、防止策について検討します。

糸状腐食とは？

糸状腐食は、通常0.05〜0.1 mm（2〜4ミル）厚の薄い有機膜でコーティングされた金属表面が、温暖で湿潤な大気中に曝露されたときに発生します。糸状腐食は常に、スクラッチなどのコーティング欠陥や、ヒゲ、切断端、穴などの弱点から始まります。（無料のコーティング失敗と欠陥ガイドを参照）

図1. 糸状腐食のフィラメント状の性質（左）。コーティング下に形成される糸状腐食トンネル（右）。
出典：NASA腐食工学研究所

糸状腐食の発生メカニズム

多くの点で、アルミニウム（Al）とマグネシウム（Mg）での糸状腐食は鋼での腐食と類似しています。糸状腐食は、コーティング基材の欠陥部位での差動通気電池の形成によって駆動されます。

糸状電池は、活性なヘッドと、施されたコーティングのクラックを通じて酸素と凝縮水蒸気を受け取るテールで構成されます。ヘッドが非常に酸性の場合、アルミニウムではアルミナゲルとガス泡で満たされることがあります。マグネシウムでは、マグネシウムのエッチングによりヘッドが黒っぽく見えますが、ヘッドを破ると腐食流体は透明です。アルミニウムとマグネシウムの糸状テールは白っぽい外観です。腐食生成物はそれぞれアルミニウムとマグネシウムの水酸化物と酸化物です。陽極反応でAl³⁺またはMg²⁺イオンが生成され、テールで優勢に起こる酸素還元反応で生成される水酸基イオンと反応して難溶性沈殿物を形成します。

アルミニウムとマグネシウムでの開始と活性化のメカニズムは、コーティング鋼の場合と本質的に同じです。酸性化したヘッドは移動する電解質プールですが、テールはアルミニウムイオンが輸送され、水酸基イオンとの緩やかな反応が起こる領域です。最終的な腐食生成物は、多孔質なテールで部分的に水和され完全に膨張しています。テールのヘッドと中間部は、水系媒質中で腐食するアルミニウムのさまざまな初期反応イオンと中間生成物に対応する位置です。（詳細：アルミニウム腐食：知っておくべき5つの驚くべき事実を参照）

鋼とは対照的に、アルミニウムとマグネシウムは酸性媒質でブリスターを形成する傾向が強く、ヘッド領域での陰極反応で水素ガスが発生します。テールの腐食生成物は、三水酸化アルミニウムAl(OH)₃（白色ゼラチン状沈殿物）または水酸化マグネシウムMg(OH)₂（白色沈殿物）です。

糸状腐食に影響する要因

糸状腐食の開始に影響するさまざまな要因には以下が含まれます。

コーティングの性質

糸状腐食は、アクリルラッカー、エポキシ-ポリアミド、エポキシ-アミン、ポリウレタンなどすべてのタイプの塗料で発生し、液体塗料や静電粉体塗装など、古典的な塗布方法に関わらず発生します。電気工事用テープのような密封コーティング下では発生しません。

表面処理

これは重要な要因です。糸状腐食は、表面処理を受けていない金属、不十分な処理を受けた金属、塗装前に表面が汚染された金属で発生します。

合金の性質

合金の性質は本質的な要因ではありません。糸状腐食はすべてのアルミニウム合金に影響を与える可能性があります。Alusuisse、Hydro Aluminium、Pechineyの3つのヨーロッパ企業による最近の共同研究では、建設業界で最も一般的に使用される6060と6063合金において、銅濃度が0.1%を超える場合を除き、合金組成に影響がないことが示されました。

糸状腐食が発生しやすい場所

通常、糸状腐食は塩害や重度に汚染された工業地域を経験する温暖な沿岸・熱帯地域で深刻です。より粗い表面も糸状腐食の深刻度が高くなります。糸状腐食は通常、湿度75%〜90%、温度範囲20℃〜40℃（68°F〜104°F）でアルミニウム合金に発生し、相対湿度（RH）85%で成長が加速します。大気の相対湿度が糸状腐食を開始する単一の最も重要な要因です。（関連記事：大気腐食の5つの要因）

糸状腐食を支配する他の主要パラメータは、合金組成、インゴット・ビレットのスカルピング、熱処理、金属表面層の状態、温度、研削、酸洗い、予備表面処理です。有機コーティングの厚さと温度は糸状腐食の開始においてマイナーな役割を果たしますが、相対湿度が臨界範囲内に留まる場合、温度上昇はフィラメント成長を増加させます。

糸状腐食の検出方法

糸状腐食は顕微鏡を使用せずに視覚的に認識できます。薄いスズ、金、銀、リン酸塩、エナメル、ラッカーコーティングを施したコーティング鋼、アルミニウム、マグネシウムで観察されています。

米国で有機コーティング金属の糸状腐食耐性を特定する標準試験は、ASTM D 2803「有機コーティング金属の糸状腐食耐性試験ガイド」です。この試験では、コーティング金属試験片を素地までスクライブし、最大24時間塩霧雰囲気に曝露し、蒸留水で洗浄後、25℃（77°F）、85% RHの密閉キャビネットに湿った状態で配置します。曝露時間は通常100〜1000時間で変動します。試験結果は、コーティング材料が糸状腐食を発生させるかどうかを示します。

糸状腐食の影響を最も受ける産業

航空機構造部品はボルトとリベットで締結されます。これらのファスナーとその他の鋭いスキンエッジは、糸状腐食の一般的な開始点です。温暖な海洋環境で運用される航空機は、ポリウレタンやその他のコーティングを施した2024および7000系アルミニウム合金で、相当な腐食被害を受けることが報告されています。

湿度は腐食伝播の最も重要な変数で、塩イオンを溶解させるために必要だからです。

腐食は通常、基材とコーティング層の不完全な箇所から始まります。不完全さは、基材とコーティングの接着結合を弱めるスクラッチや飛び石によって導入される可能性があります。

腐食はこの箇所から始まり、腐食欠陥のヘッドを形成します。腐食は通常、コーティング表面下に明確な糸状フィラメント、ワームトラックのように現れます。

ダメージはアルミニウムに対して広範ではないものの、特にトラックが長く白色の場合、美観上問題となります。

このタイプの糸状腐食は、ホイール、自動車ボディ、航空機など、あらゆるタイプのアルミニウム製品を損傷させます。損傷修復にはサンディングと新しいコーティング層の塗布が必要です。糸状腐食を防ぐには、適切な表面前処理が必要です。

糸状腐食は、金属上の塩化物濃度が高いときにより深刻でした。主に航空機が頻繁に海上を飛行する場合や、沿岸飛行場のハンガーに配備されている場合です。

アルミニウムは缶やその他の包装に広く使用されます。アルミニウム箔は頻繁に紙や板紙にラミネートされ、湿気や蒸気バリアを形成します。アルミニウム箔が糸状腐食で侵食されると、蒸気バリアが破られるため製品が汚染されたり乾燥したりする可能性があります。箔ラミネート板紙の劣化は、製造中やその後の湿潤環境での保管中に発生する可能性があります。

自動車業界では、ツートーン表面（研磨部分）や研磨表面を持つ鍛造・特徴的な軽合金ホイールで糸状腐食の傾向が高まることが示されています。

糸状腐食の防止方法

通常、糸状腐食は相対湿度を60%未満に下げることで防止できます。残念ながら、航空機や自動車などの移動物体で直接湿度を下げることは現実的ではありません。しかし、長期保管施設のコンポーネントでは、乾燥ファンと湿度計、またはプラスチック包装への乾燥剤添加により湿度レベルを容易に制御できます。

エポキシコーティングシステム2層とポリウレタン塗装2層でプライミングされたコンポーネントは、単層コーティングシステムよりも糸状腐食に強く耐えられます。

鋼基材が亜鉛めっきされていると、糸状腐食の可能性は低減します。亜鉛リッチプライマー、クロム酸処理およびリン酸塩処理プライマー、タフで遅延硬化型の中間塗りポリウレタンとエポキシは、鋼基材での糸状腐食感受性を低減させました。クロム酸亜鉛プライマー、クロム酸陽極酸化、クロム酸塩またはクロム酸-リン酸塩変成皮膜は、アルミニウム合金での糸状腐食から様々な程度の緩和を提供してきました。（別の選択肢：輸送・再生可能エネルギー産業向け液状ナイロンマルチポリマーコーティングの進歩を参照）

金属表面への複数塗装は、単層塗装システムよりも水分の拡散を遅らせ、浸透と欠陥部位が少なくなります。多層システムは機械的摩耗による浸透に強く、ヒルとバレーが少なくなります。層厚増しと遅延硬化による厚いコーティングは、酸素と水分の浸透減少、溶媒残留減少、開始部位減少により、糸状腐食に対して大幅に優れた耐性を示しています。粉体塗装システムも、熱融着されるため、水分透過性に優れたタフなコーティングとなり有益です。滑らかで適切に調整されたプライミング済み金属表面は、一般的に粗い表面よりも優れた耐性を持ちます。

鋼、アルミニウム、マグネシウムはすべて化学的に活性です。それらの合金には、熱間圧延と焼鈍時に分散、析出、凝集した金属間化合物が含まれます。これらの合金は一般的に機械的特性が向上していますが、最近の研究では、それらの不均質性（混合）と表面活性層の存在が、糸状腐食への感受性を高めることが示されています。