チタン耐食性

多くの金属材料の中でも、チタンはその優れた耐食性で際立っています。塩分濃度の高い海洋環境でも、強酸や強アルカリを含む化学媒体でも、チタンは安定した構造と表面の完全性を長期間維持できます。このユニークな利点により、チタンは航空宇宙、海洋工学、化学機器、その他の分野で好まれる材料となっています。

チタンの耐食性原理

チタンの耐食性は、その表面に自発的に形成される緻密で安定した酸化膜( TiO₂ )に由来します。チタンの標準電極電位は-1.63Vと熱力学的に不安定ですが、空気や水にさらされると、表面電位は約+0.09V(海水25°C)で安定し、酸素、水分、腐食性イオンを効果的に遮断する密着性が高く自己修復性のある不動態化膜を形成します。

酸化皮膜の1〜2.5で、金属表面を完全に覆うことができ、割れにくいです。膜厚は初期の1.2〜1.6nmから約9nm(545日)まで自然に成長し、陽極酸化などの方法で厚くすることもできます。したがって、陽極酸化と熱酸化によって生成された酸化皮膜は、チタンの耐食性を大幅に向上させます。

さまざまな媒体におけるチタンの耐食性

無機酸

チタンは、ほとんどの酸化性無機酸、特に硝酸、クロム酸、次亜塩素酸、過塩素酸などの媒体において優れた耐食性を持っています。これは、表面不動態化膜の安定性によるもので、高温でも自己修復し、耐食性を維持できます。硝酸を例にとると、チタンは193°Cまで60%濃度の硝酸に長期間使用しても腐食の兆候がなく、硝酸系において理想的な金属材料です。

対照的に、硫酸、塩酸、リン酸などの還元酸では、純チタンの耐食性が比較的低く、不動態化膜が破壊されやすく、温度と酸濃度の増加とともに腐食速度が大幅に増加します。例えば：

• 空気が流れる室温で硫酸中で5%未満。
• 室温で7%未満の塩酸に;
• リン酸に対する耐食性は温度の上昇とともに低下し、100°Cで2%未満の濃度にしか耐えられません。

ただし、重金属イオン (Fe、Ni、Cu、Mo など) または合金化 (チタン - パラジウム合金、チタン - ニッケル - アルミニウム合金など) を添加すると、還元性酸における耐食性が大幅に向上します。たとえば、チタン - パラジウム合金は、室温で最大 27% の塩酸溶液に耐えることができます。

したがって、チタン装置を無機酸環境で使用する場合は、酸化特性、温度、酸の濃度、腐食防止剤の導入や合金強化の有無を総合的に考慮して、耐用年数と安定性を確保する必要があります。

有機酸および有機化合物

チタンはほとんどの有機化合物に対して優れた耐食性を示しますが、これは主に表面に安定した不動態化膜があるためです。チタンの有機酸に対する耐食性は、媒体の酸化還元特性と密接に関係しており、通常、酸化性または通気性条件下で安定しています。高温ギ酸、高温シュウ酸、空気を含まない濃トリクロロ酢酸など、ほんの少数の高還元性媒体のみがチタンに腐食を引き起こす可能性がありますが、酸素が導入されると腐食速度が大幅に低下します。

有機媒体中の水分と空気は、チタンの受動状態を維持するのに役立ちます。逆に、高温・無水条件下では有機物が分解して水素を放出し、チタンが水素を吸収して水素脆化を誘発することがあります。したがって、チタンはこのような環境では腐食性が低いですが、特に高温または密閉システムで使用する場合は、水素脆化や応力腐食に対する感受性に注意する必要があります。

実際の用途では、チタンは酢酸、クエン酸、酒石酸、乳酸などのさまざまな有機酸に安定して耐えることができ、204°C、濃度67%のテレフタル酸およびアジピン酸媒体での使用に成功しており、有機化学および腐食環境における信頼性と耐久性を十分に実証しています。

アルカリ性媒体

チタンはアルカリ性媒体で非常に強い耐食性を示します。水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、またはアンモニア、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウムなどの一般的なアルカリ溶液であっても、チタンは長期間安定して使用できます。沸騰状態では、飽和水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、アンモニアでもチタンの腐食速度はほぼゼロであり、非常に高い耐食性を示します。

188°Cの水酸化ナトリウム溶液、濃度50%から73%などの過酷な条件下でも、チタンの腐食速度は通常1.09 mm / aを超えませんが、これはまだ非常に遅い腐食です。ただし、この高温高アルカリ性環境では、水素脆化の問題に特別な注意を払う必要があります。研究によると、溶液温度が 77°C を超え、pH 値が 12 を超えると、チタンが水素を吸収し、材料の水素脆化を引き起こし、構造の安全性に影響を与える可能性があります。

したがって、チタンはアルカリ性環境下で全体的な耐食性に優れていますが、高温・高アルカリ性条件下で使用する場合、装置の長期的な信頼性を確保するためには、水素脆化のリスクを総合的に考慮する必要があります。

塩素、塩化物および塩素含有化合物

チタンは、湿った塩素ガス、塩化物溶液、およびほとんどの塩素含有化合物に対して優れた耐食性を備えています。塩素酸塩、次亜塩素酸塩、亜塩素酸塩、過塩素酸塩などの媒体では、チタンは安定した不動態化膜を維持でき、漂白プラント、電解塩素装置、廃水処理システムで広く使用されており、優れた長期安定性を示します。

しかし、ZnCl₂、AlCl₃、CaCl₂などの高温高濃度の塩化物溶液では、チタンは特にポリテトラフルオロエチレンなどの材料と接触して狭い隙間を形成すると、隙間腐食を起こす可能性があります。したがって、腐食のリスクを軽減するために、構造設計では隙間の形成を避ける必要があります。

チタンは乾燥塩素中で非常に不安定であり、塩素と激しく反応してTiCl₄を形成し、大量の熱を放出し、火災や自然発火を引き起こすことさえあります。塩素中に十分な水分がある場合にのみ、TiCl₄ は加水分解して安定した水酸化チタンになり、チタンの燃焼を阻害します。

研究によると、工業用純チタンが200°Cの塩素環境で不動態状態を維持するために必要な最小含水率は約1.5%ですが、室温では自然発火を避けるために必要な水分は0.3%から0.4%だけです。チタン-パラジウム合金およびチタン-ニッケル-アルミニウム合金は、低湿度条件下でより安定しており、より要求の厳しい塩素含有環境に適しています。

臭素、ヨウ素、フッ素およびそれらの化合物

臭素およびヨウ素環境におけるチタンの耐食性は、塩素の耐食性と同様です。媒体中に一定量の水分がある限り、チタン表面は安定した不動態化膜を維持し、腐食を避けることができます。したがって、チタンは通常、湿った臭素ガスまたはヨウ素化合物の条件下で安全に使用できます。

対照的に、チタンはフッ素とその化合物に対して優れた耐食性を持っていません。特にフッ化水素酸や酸性フッ化物溶液では、チタンは低濃度でも急速に腐食します。現在、このプロセスを防ぐ効果的な腐食防止剤はほとんどないため、チタンはフッ素含有雰囲気やフッ化水素酸関連環境での使用には適していません。

ただし、フッ化物が金属イオンと錯体を形成する場合、または構造的に安定したフルオロカーボンである場合、これらの特殊な形態のフッ化物は、特定の例外を除いて、一般にチタンを腐食しません。これは、設計アプリケーションの特定の媒体組成に基づいて判断する必要があります。

川水および海水中のチタンの耐食性

チタンは河川水や海水、特に海水環境において非常に強い耐食性を持ち、その耐食性はステンレス鋼の約100倍であり、天然水中で最も耐食性のある金属材料の1つです。260°Cまでの高温海水でも、チタンは安定して機能します。実際の用途では、たとえばチタン管コンデンサーは汚染された海水で20年以上使用されており、表面は明らかな腐食なしにわずかに変色しただけです。

チタンは、海水中の孔食、隙間、衝撃腐食に対して優れた耐性があり、応力腐食や腐食疲労にも影響を受けません。高速海水(36.6m/sなど)では、精練効果はわずかに向上しますが、それでも銅合金やアルミニウム合金よりも優れています。

海水中に砂などの粒子がある場合、チタンの侵食は一定の影響を及ぼしますが、全体的な損傷は比較的軽いです。チタンは海水中のキャビテーション腐食に対する耐性にも優れており、過酷な海洋条件に適しています。

チタン材料の表面は無毒で非腐食性であり、海洋生物の付着の基質になりやすく、生物付着などの問題を引き起こす可能性があり、海洋用途で考慮すべき重要な要素であることに注意してください。

さまざまな媒体におけるチタンの腐食速度

工業用純チタンの腐食速度は、媒体の種類、濃度、温度だけでなく、換気されているかどうか、酸化性化合物または還元性化合物が添加されているかどうかなどの媒体の状態にも依存します。

チタンの腐食の種類

チタンは、その安定した不動態化皮膜により、さまざまな腐食環境で強力な耐食性を持っています。ただし、腐食破壊は、特定の媒体、構造条件、または応力下で発生する可能性があります。腐食の範囲と形態に応じて、チタン腐食は一般的な腐食と局所腐食の 2 つのカテゴリに分類できます。

一般的な腐食

一般的な腐食とは、チタンが腐食性媒体の表面に均一に溶解する現象を指します。通常、高温の濃塩酸やフッ化水素酸など、不動態膜が形成できない、または破壊される強い還元環境で発生します。このタイプの腐食は予測可能で制御が容易であり、機器の寿命への影響は肉厚設計と定期的なメンテナンスを通じて管理できます。ほとんどの中性または弱腐食性媒体では、チタンは一般的な腐食をほとんど受けないため、化学、海洋、医療分野で広く使用されています。.

局所的な腐食

一般的な腐食と比較して、局所腐食はより破壊的であり、局所的に急速に発生および拡張することが多く、機器の穿孔、故障、または突然の破損を引き起こしやすくなります。チタンの局所腐食には、主に次の典型的なタイプが含まれます。

隙間腐食 は、媒体の構造ギャップまたは停滞領域でのチタンの腐食であり、フランジ接続、ガスケットシール、または堆積物の下で一般的です。酸素透過が制限されているため、局所的な不動態膜が破損して腐食セルを形成し、酸性化と隙間領域の腐食の増加につながります。チタンはほとんどの海水や工業用水中で安定していますが、その隙間に塩化物イオンが蓄積すると隙間腐食が発生する可能性があります。

孔食 は局所穿孔腐食を特徴とし、Cl⁻、Br⁻、F⁻などのハロゲンイオンの存在下でしばしば発生する。これらのイオンは不動態化膜に破壊的な影響を及ぼし、腐食が狭い領域に集中して急速に浸透し、肉眼では検出が困難であるが破壊性の高い腐食ピットを形成します。チタンは、静的な海水や塩化物溶液などの環境でのこの種の腐食に対して特に警戒する必要があります。

応力腐食割れは 、腐食媒体と引張応力の複合作用によって引き起こされる亀裂および脆性破壊の一形態です。チタンはほとんどの媒体でこのような亀裂を起こしにくいですが、一部のチタン合金は、塩化物を含む高温環境や残留応力の存在下で応力腐食を受けやすい場合があります。

研磨腐食 は、機械的侵食と電気化学的腐食の複合的な影響によって引き起こされる腐食現象です。高速流の砂質水または海水冷却システムでは、チタンの表面不動態化膜が侵食により定期的に破壊され、局所的な金属の露出や腐食の加速が生じる可能性があります。これは、熱交換器、コンデンサー、配管システムでは特に注意を払う必要があります。

ガルバニック腐食 は、チタンが他の金属材料と直接接触し、導電性媒体が存在する場合に発生します。チタンは電極電位が高いため、炭素鋼やステンレス鋼などの金属と結合すると、電位の低い金属が陽極になって最初に溶解し、腐食が加速します。したがって、チタンと異種金属の混合構造を設計する場合は、直接接触を避けるか、絶縁および陰極防食対策を講じる必要があります。

水素の吸収と水素脆 化も、特定の条件下でのチタン材料の故障メカニズムとして考えられます。チタンは水素原子を容易に吸収し、高温アルカリ溶液や酸性フッ化物などの活性水素源の存在下で水素化物を形成します。水素が固体溶解度の限界を超えると、チタンは靭性を失い、亀裂が発生し、ひどい場合には材料の破壊や破損につながる可能性があります。

チタンとアルミニウムの耐食性の比較

腐食性の高い産業におけるチタンの典型的な用途

クロールアルカリおよび酸産業

チタンは、塩アルカリ、電気分解、酸製造システムにおいて、高濃度塩化物イオン、硝酸、塩酸などの強い腐食性媒体に耐えることができ、電解槽、熱交換器、酸循環パイプライン、その他の機器に広く使用されています。従来の金属と比較して、チタン材料はこれらの環境において安定性が高く、寿命が長く、メンテナンスコストが低くなります。

海水淡水化と海洋工学

チタンは塩化物、砂の侵食、海水中の海洋生物の付着に対して非常に耐性があり、淡水化装置、凝縮器、ポンプとバルブ、海洋構造物に最適な材料です。高速および高塩分環境では、チタンは孔食や隙間腐食をほとんど受けず、機器の長期にわたる信頼性の高い動作を保証します。

核エネルギー

原子力発電システムでは、チタンは高温、高圧、腐食性冷却剤に耐えることができ、優れた耐放射線性を備えています。過酷な作業条件下での機器の安全かつ安定した動作を確保するために、原子力グレードの熱交換管、構造支持部品、配管システムによく使用されます。

Chalcoはチタン製品に対してどのような腐食防止サービスを提供していますか?

合金強化

チャルコは合金化によりチタンの耐食性を向上させます。パラジウム、ニッケル、モリブデンなどの元素を添加すると、還元性酸および高塩化物環境におけるチタンの安定性が大幅に向上します。たとえば、チタンパラジウム合金は塩酸や硫酸媒体で優れた性能を発揮し、化学工業、冶金、海水処理などの分野で広く使用されています。

環境管理

特定の作業条件下では、Chalco は、チタン表面の不動態皮膜を安定させ、媒体組成を調整することで腐食速度を下げるための腐食防止剤の使用に関する推奨事項を提供できます。この戦略は、冷却水システム、閉ループプロセスフロー、および材料の交換が不便なその他のシナリオに適しています。

貴金属表面処理

電気化学環境が強いシステムや腐食リスクが高いシステムの場合、Chalco は貴金属表面処理ソリューションを提供できます。チタン表面にプラチナやパラジウムなどの貴金属を堆積させることで、不動態化膜の安定性と再生能力をさらに向上させることができ、クロールアルカリ、電気分解、海洋システムで広く使用されています。

熱酸化処理

Chalco は、チタン材料に熱酸化処理を施して、表面に厚くて緻密な酸化皮膜を形成し、高温、水蒸気、酸性気相での耐食性を高めることができます。タワーや熱交換装置などの高温・高腐食の場面に適しています。

陽極保護

連続稼働する機器や大型のチタン構造物において、Chalco は、印加電流を通じてチタンを受動電位に保つ陽極保護システムの確立を支援し、それによって腐食を効果的に遅らせることができます。この方法は、石油化学、電気分解、水処理などの産業における主要部品の保護に適しています。