腐食の速さは電流からどう求めますか？

腐食は金属が電子を出してイオンになる反応なので、流れる電流がそのまま溶ける量に対応します（ファラデーの法則）。鋼（鉄が2価で溶ける）では、1 μA/cm²が年11.6 μmの減肉に当たります。海水中で酸素の供給が15 μA/cm²に限られる例では、年0.174 mmになりました。

異種金属を接触させると、なぜ腐食が速くなるのですか？

電位の低い金属（鋼）が陽極、高い金属（銅）が陰極になり、陰極の表面で起きる酸素の還元に必要な電子を、陽極がすべて出すからです。酸素の供給で反応が決まるとき、陽極の腐食電流は陰極と陽極の面積の合計に比例します。銅の面積が鋼の100倍なら、鋼は単独のときの101倍、年17.6 mmで溶けます。

電気防食に亜鉛はどれくらい要りますか？

守る面積で必要な電流が決まります。裸の鋼100 m²を15 μA/cm²で守ると15 A、年131,400 Ahになり、亜鉛（実用で780 Ah/kg、利用率0.85）は年約198 kgです。塗装して裸の部分を2%にすれば年約4 kgで済むので、実際には塗装と電気防食を組み合わせます。

腐食シミュレーション

カテゴリ: 連成解析・電気化学 | 2026-10-01 改稿

理論：腐食は電池と同じ電気化学反応

概要

🙋

腐食のシミュレーションでは、何を計算しているのですか？

🎓

金属の表面を流れる電流を計算している。鉄がさびるとき、表面のある場所で鉄が電子を出してイオンになり（陽極の反応）、別の場所でその電子が水に溶けた酸素を還元する（陰極の反応）。つまり腐食は小さな電池で、流れる電流がそのまま溶ける金属の量になる。海水のように塩分を含む水では、陰極の反応は酸素が表面に届く速さで頭打ちになることが多い。2種類の金属が接していると、電位の低いほうが陽極になり、相手の表面の酸素の還元まで引き受けて速く溶ける。シミュレーションでは、電解質の中の電位の分布と、表面の反応の速さを同時に解いて、どこがどれだけ溶けるかを求める。

電流と減肉の換算

$$ \frac{dx}{dt} = \frac{i\,M}{nF\rho}\qquad (\text{steel: } 1\ \mu\mathrm{A/cm^2} \approx 11.6\ \mu\mathrm{m/yr}) $$

M はモル質量、n は電子の数、ρ は密度。鋼では M = 55.85 g/mol、n = 2、ρ = 7.87 g/cm³。

異種金属の接触（酸素の供給で決まる場合）

$$ i_a A_a = i_L\,(A_a + A_c)\ \Rightarrow\ i_a = i_L\left(1 + \frac{A_c}{A_a}\right) $$

i_L は酸素の供給で決まる限界電流密度（この例では15 μA/cm²）、A_a と A_c は陽極と陰極の面積。陽極の溶ける電流は、陰極が大きいほど増える。

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銅の船底と亜鉛

1824年、デービーは英国海軍の船底に張った銅板の腐食を防ぐため、鉄や亜鉛の塊を取り付けることを提案した。電位の低い金属を犠牲にして銅を守る、いまの電気防食の始まりである。腐食は見事に止まったが、思わぬ問題が起きた。銅が溶け出さなくなったため、それまで抑えられていた貝や海藻が船底にびっしり付いてしまったのだ。腐食を止めることが、別の働きまで止めてしまった例として知られている。

計算例

例1：鋼と銅の接触と面積比（海水）

銅の面積/鋼の面積	鋼の腐食電流	鋼の腐食速度	電位の上昇
鋼だけ	15 μA/cm²	0.174 mm/yr	—
0.1	16.5 μA/cm²	0.19 mm/yr	+0.002 V
1	30 μA/cm²	0.35 mm/yr	+0.018 V
10	165 μA/cm²	1.91 mm/yr	+0.062 V
100	1,515 μA/cm²	17.6 mm/yr	+0.120 V

電位の上昇は鋼の溶ける反応のターフェル勾配（1桁あたり60 mV）から求めた。銅のリベットで留めた鋼板（面積比0.1）はほとんど影響を受けないが、鋼のリベットで留めた銅板（面積比100）ではリベットが年17.6 mmで溶ける。

例2：亜鉛による電気防食

条件	防食電流	年間の電気量	亜鉛の消耗
裸の鋼 100 m²	15 A	131,400 Ah	約198 kg/年
塗装（裸の部分2%）	0.30 A	2,628 Ah	約4.0 kg/年

亜鉛の理論の電気量は820 Ah/kg、実用で780 Ah/kg、利用率0.85とした。

🙋

面積比が100で腐食が100倍になるなら、銅の板が遠く離れた部分も効いているんですか？

🎓

いいところに気づいた。例1は、陰極のどこでも同じように電子を受け取れると仮定した上限の見積もりだ。実際には、遠くの陰極まで電流を届けるには電解質の中を電流が流れる必要があり、その抵抗で電位が下がる。海水のように電気をよく通す水では、かなり遠くの陰極まで効くので、面積比の効果がそのまま現れやすい。一方、雨水や結露の薄い水の膜では電気を通しにくく、接合部のすぐ近くの陰極しか働かない。その代わり腐食は接合部のすぐ脇に集中して深い溝になる。このように、どの範囲の陰極が効くかは電解質の電気の通しやすさと水の厚さで決まる。だから腐食のシミュレーションでは、電解質の中の電位をラプラス方程式で解き、表面の反応の速さを境界条件として与えて、電流の分布を求める。

モデリングの進め方

各金属の分極曲線（電位と電流の関係）を、使う環境の水で測る。
電解質の電気の通しやすさと、水の膜の厚さを決める。
電解質の中の電位を解き、表面の分極曲線を境界条件にする。
求めた電流からファラデーの法則で減肉を計算する。
必要なら形の変化を反映して、時間を追って解き直す。

Coffee Break よもやま話

「ステンレスの配管につないだ鋼の継手」

ある工場の冷却水の配管で、ステンレス鋼の配管の途中に入れた炭素鋼の短い継手だけが、数年で穴があいた。継手の内面は配管全体に比べてごくわずかな面積で、まわりの長いステンレスの内面が陰極として働いていた。電位の分布を解析すると、継手の両端、ステンレスとの境目に腐食が集中することがわかり、実際の穴の位置と一致した。継手をステンレスに替え、異種金属が避けられない箇所には絶縁のフランジを入れて電気的に切り離した。

よくある間違い

間違いと対策

間違い	起きること	対策
電位の差だけで判断	面積比の影響を見逃す	面積と電流で評価
陰極全体を有効とする	薄い水膜で分布を誤る	電解質の電位を解く
平均の減肉だけを見る	局所の穴あきを見逃す	電流の分布を求める
別の水の分極曲線を流用	速度を大きく誤る	使う環境で測定
防食電流を裸の面積で見積もる（塗装あり）	亜鉛が過大	塗装の劣化を含めて見積もる

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