金属腐食の分担電流モニタリング装置の開発

Author(s):
北海道大学 工学研究科 - 伏見 公志氏
北海道大学 工学研究科 - 長沼 淳氏
北海道大学 工学研究科 - 安住 和久氏

Industry:
University/Education

Products:
LabVIEW, Data Acquisition

The Challenge:
本課題では、水溶液環境におかれたさまざまな金属材料上における腐食反応の分担状況を解析あるいはモニタリングすることを目的として、DAQボードとLabVIEW、そしてDAQmx Baseを組み合わせた測定装置を開発した。

The Solution:
本研究では、用途に応じて2種類の装置を試作した。

背景
　現代文明は、各種の建築物や機器を形づくる様々な材料が長期にわたり安全に使用できることにより維持されている。しかし多くの金属材料は熱力学的に「さびる」運命にある。この「さびる」速度をいかに遅くして製品寿命を延ばすかが、現代文明にとって避けることのできない課題となる。金属の腐食は、原子状態の金属原子がイオンあるいは酸化物の状態に変化する「酸化反応」と、酸素や水分解が関与する「還元反応」の組合わさった「電気化学反応」として理解されている。このプロセスでは電子がやり取りされるため、反応速度を「電流」として測定することができる。実際の金属腐食では、材料組成の違いや環境によって部分的に「酸化反応」と「還元反応」が分担され、腐食が進行することが多い。そこで本課題では、水溶液環境におかれたさまざまな金属材料上における腐食反応の分担状況を解析あるいはモニタリングすることを目的として、DAQボードとLabVIEW、そしてDAQmx Baseを組み合わせた測定装置を開発した。

ソリューション
　図1に基本的な装置の構成を示す。水溶液環境中で腐食している金属上では、腐食反応（アノード反応）とこれにより生成した電流を消費するカソード反応が同時に起こる（これを「カップリング」という）。このような反応の空間的な分布状況を知るために、試料を幾つかの小片に分割し、それぞれの間に流れる電流を測定する。ただし、試料で起こる反応は試料と水溶液の間の電気化学的電位差で大きく変化するため、各試料片は同じ電位に保つ必要がある。このため、各試料片をオペアンプを用いて仮想接地し、電子回路から見て0 Vとなるようにする。またこのとき各試料から流れる電流が、オペアンプにより電圧に変換されて出力される。この電圧をDAQボードで読み込み、各試料の分担電流を測定することができる。また各試料から外部に電流が流れない状態にすると（開回路状態）、試料と溶液の間の電位差は試料表面で起きているアノード反応とカソード反応の相対的な大きさで決まるようになる。すなわち、開回路状態の試料電位を測定することにより、試料表面の腐食状態に関する情報が得られる。これを「浸漬電位測定」という。溶液の電気化学的電位は「参照電極」を用いて測定する。本装置では、一定時間間隔で「分担電流測定」と「浸漬電位測定」を切り替えて測定するため、低抵抗のPhoto-MOSリレーを用いて回路内部の接続状態を変えている。このリレーの制御用にデジタルI/Oを使用している。

   本研究では、用途に応じて2種類の装置を試作した。装置Aは10分割した試料を想定しており、溶接部の腐食速度分布測定やすきま腐食計測に用いている（図2）。多数の測定／制御端子が必要なので、DAQボードとしてNI PCI-6229を用いた。制御ソフトウェアはWindows上のLabVIEWにより開発した。電気化学系では電流値がn Aからm A程度まで大きく変化するため、A Dコンバータの分解能は高い方が望ましい。NI PCI- 6229は16 bit分解能を持ち、増幅率可変のプリアンプが内蔵されているのが選定理由である。また外来ノイズを低減するために、装置全体を恒温装置を兼ねたシールドボックスに収めた。化学反応の速度は温度によって変化するため、NI PCI-6229で溶液温度測定とペルチェ冷却器のo n/of f制御を行い、水溶液の温度を25 ℃に維持している。

   装置Bは4分割した試料とノートパソコンの使用を想定してDAQボードにNI USB-6009を採用した（図3）。NI USB-6009は多くのアナログおよびデジタル入出力端子を持つが、分担電流測定、浸漬電位測定、リレー制御、測定系の環境制御のためにこれらのほとんどの端子を使っている。NI USB-6009は安価で入力レンジ切替付き14 bit分解能のADコンバータを持つが、これは差動入力時のみ有効であり、また入力インピーダンスが低くオペアンプによる外部バッファ回路を必要とするなど制約が大きかった。制御ソフトウェアはDAQmx Base 2.0を用い、MacOS X 10.4上でC言語で作成した。Mac OS XはCコンパイラやIDE、perl、rubyなど開発環境が標準添付されており、UNIX系OSとしては格段に使いやすい。

図1. 測定装置の概要

図2. 測定装置Aの写真

図3. 測定装置Bの写真

測定結果例
　装置Aを、ステンレススチールの基材を異種金属で溶接した試料の腐食分布状況測定に応用した結果の例を図2に示す。各試料の面積は1×1cmで、溶接部付近を切り出して9個の試料片（1つの溶接材#0と8個の基材#1-7）を調整し、樹脂に埋め込んだ状態で工業用水相当水溶液（希釈食塩水）に浸漬した。工業用水中では海水等と比較して腐食速度が小さく、浸漬後150 ks程度から腐食電流が顕在化し、アノード電流（腐食反応）とカソード電流（水溶液中にとけ込んだ酸素の還元反応）を分担する試料に分かれている様子がわかる。腐食試料におけるアノード電流はいったん増加した後減少に転じている。これは腐食試料表面ではまず金属の溶解反応が起こり、ついで溶解した金属イオンが表面に腐食生成物（いわゆる錆）を形成して腐食反応をある程度抑制することを表している。図4では、このような反応が幾つかの試料片で順次起こっていることがわかった。腐食反応は主に#2、#3 の試料で持続的に起こっており、一方カソード反応は#0と＃4で優先的に分担されている。従って、これらの部分で腐食しやすい、あるいはカソード反応が起こりやすい特異的な条件が存在することが予想される。特に基材では、同じ材料であるにもかかわらずアノードとカソードに役割が分担され、全体としての腐食速度を高めていることがわかる。

  図5に各試料の分担電流の経時変化を、図6に腐食試験後の試料の写真を示す。アノード電流が流れていた試料で錆が形成され、カソード電流が流れていた試料では錆があまり形成されていないことが確認できる。

図4. 溶接したステンレス鋼のを工業用水中に浸漬した際の分担電流の分布状況

図5. 試料片毎の分担電流の経時変化

図6. 浸漬実験後の試料の腐食状況

まとめ
　本研究では、DAQボードを用いて金属腐食の分担電流測定装置を試作し、溶接部の腐食分布測定に応用して定量的な解析を行うことができた。本装置はこの他にもすきま腐食環境中の腐食速度分布解析、塗膜被覆材の端面腐食の解析などに用いている。本装置は多チャンネルのアナログ入力、デジタル出力を必要とすることから、マルチファンクションDAQボードを有効に活用することができた。また装置としてはDAQボードのアナログ出力を用いて多チャンネル同時分極測定も可能な構成となっており、様々な電気化学系への応用が可能である。

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北海道大学 工学研究科
伏見 公志氏

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