アルミニウムとステンレス鋼の反応: 電解腐食を防ぐ方法

太陽光発電所のメンテナンス記録には、よく知られた物語が記されていました。白いチョーク状の堆積物がアルミニウム製取り付けレール上のステンレス鋼ボルトの周囲に広がり、各ボルトの頭の下で孔食が始まりました。これは実際のアルミニウムとステンレス鋼の反応であり、混合金属アセンブリの早期故障の最も一般的な原因の 1 つです。この反応は、2 つの金属を決して一緒に使用できないことを意味するものではありません。これは、電解腐食を明確に理解して接合部を設計する必要があることを意味しており、それがまさにこの記事で提供される内容です。

アルミニウムとステンレス鋼の反応の実際とは

アルミニウムとステンレス鋼の反応は、バイメタル腐食とも呼ばれる電解腐食の一種です。 2 つの金属が電気的に接触しており、両方が波しぶき、雨水、結露、または単なる持続的な湿気などの電解質にさらされると、ガルバニックカップルが形成されます。貴金属ではないアルミニウムが陽極となり、金属イオンを放出し始めます。貴金属であるステンレス鋼が陰極になります。電子は金属接続を通ってアノードからカソードに移動し、電解質が電気回路を完成させます。その結果、アルミニウムはそれ自体よりもはるかに速く腐食します。

これはステンレス鋼によるアルミニウムへの化学的攻撃ではありません。ステンレス鋼は、アルミニウムの自然腐食を促進する大きく効率的な陰極として機能するだけです。目に見える兆候は特徴的です。アルミニウムの表面に白または灰色の腐食生成物が発生し、ファスナーのヘッドやワッシャーの周囲に穴が開き、ひどい場合にはアルミニウムの厚みが薄くなるにつれて締め付け力が徐々に失われます。

満たさなければならない3つの条件

ガルバニック腐食は自動的には発生しません。 3 つの同時条件が必要で、どれか 1 つを取り除くと反応が停止します。

• 電気接点。 2 つの金属は導電パスを介して接続する必要があります。アルミニウム レールに打ち込まれたステンレス鋼のボルト、またはステンレス鋼のナットで締め付けられたアルミニウム ブラケットが、まさにその経路を提供します。
• 電解質。導電性流体は 2 つの表面を橋渡しする必要があります。塩水は最も攻撃的な電解質ですが、雨水、結露、さらにはコーティングの下に吸収された水分によっても、反応がかなりの速度で促進される可能性があります。
• 電気化学ポテンシャルの違い。金属は腐食の傾向が異なるはずです。アルミニウムとステンレス鋼は海水中で約 0.5 ボルト異なりますが、これは重大な腐食に耐えるには十分以上です。

実際の結果は簡単です。金属を乾燥した状態に保つか、電気的に分離した状態に保つか、アルミニウムが腐食することを受け入れるかです。効果的な予防方法はすべて、これら 3 つの状態のいずれかを攻撃します。

アルミニウムが常に犠牲金属となる理由

すべての金属には、特定の環境における腐食の可能性によって材料をランク付けするガルバニック系列上の位置があります。海水中では、ステンレス鋼はアルミニウムよりもはるかに優れています。つまり、湿式アセンブリで 2 つが接続される場合は常に、ステンレス鋼がカソードとなり、アルミニウムがアノードになります。

知っておく価値があるニュアンスが 1 つあります。ステンレス鋼は、その不動態酸化層が損傷を受けていない限り、貴金属となります。ボルト頭の下の隙間やしっかりと締め付けられた表面の間など、酸素の少ない隙間では、ステンレス鋼が不動態層を失い、活性化する可能性があります。アルミニウムが存在しなくても、ステンレス製ファスナーに隙間腐食が発生するのはそのためです。しかし、風雨にさらされたアルミニウムと鋼の組み合わせでは、実際の結果は一貫しています。アルミニウムは材料を失う金属です。

アルミニウムとステンレスが安全に併用できる場合

アルミニウムとステンレス鋼の反応は避けられないものではありません。無数の混合金属アセンブリは、電気腐食の条件が満たされなかったため、長い耐用年数を実現してきました。

• 屋内の乾燥した環境。加熱され換気された内部では、電気腐食を維持するのに十分な電解質が供給されることはほとんどないため、カップルは数十年間活動しないままになる可能性があります。
• 密閉されたジョイント。界面が互換性のあるシーラントでコーティングされている場合、または湿気を排除するバリアで隔てられている場合、電解液は接合部に到達できず、回路は開いたままになります。
• 良好な面積率です。アルミニウム部品が大きく、ステンレス鋼部品が小さい場合、ガルバニック電流は広いアルミニウム表面に広がるため、局所的な腐食速度は、意図した設計寿命に対して許容できる可能性があります。危険なケースはその逆です。大きなステンレス鋼の構造物に取り付けられた小さなアルミニウム部品は、すべての腐食を小さな陽極に集中させ、すぐに故障します。

屋外または海洋でのサービスでは、最終的には湿気が存在することが保守的に想定されています。太陽光発電ラック、建築外装材、ボートのハードウェア、および天候にさらされる産業機器では、防止はオプションではなく設計要件です。

混合金属アセンブリのガルバニック腐食を防ぐ方法

電気腐食を止める最も確実な方法は、2 つの金属間の電気回路を遮断するか、電解液を接合部から遠ざけることです。いくつかの対策は組み合わせるとうまく機能します。

1. 非導電性バリアで隔離してください。ステンレススチールのファスナーヘッドの下にあるナイロンまたは繊維のワッシャーと、ボルトシャンク上の絶縁スリーブとの組み合わせにより、金属間の直接接触を防ぎます。これが最も効果的な唯一の方法です。
2. ジョイントをシールします。多硫化物、ポリウレタン、またはブチル シーラントをファスナー ヘッドの周囲と接合部の端に沿って塗布すると、湿気が排除され、表面が物理的に分離されます。
3. コーティングは注意して使用してください。組み立て前にアルミニウムを粉体塗装または塗装するとバリアが強化されますが、傷や欠けがあると局所的な陽極が生じる可能性があります。コーティングが唯一の防御手段であってはなりません。
4. 排水を考慮した設計。水がファスナーの周りに溜まるのではなく、ファスナーから排出されるようにジョイントを配置します。

このシステムでは、ステンレス製の平ワッシャーが 2 つの役割を果たします。クランプ荷重をより広い領域に分散しますが、これは軟質アルミニウムにとって重要であり、ナットやボルトの頭に滑らかな座面を提供します。絶縁層によってアルミニウムから分離されない限り、それ自体では電気腐食を止めることはできません。 304 ステンレス鋼の平ワッシャーをナイロン ワッシャーまたはシーラント ビードと組み合わせると、長い耐用年数と安定したクランプ性能が得られます。

M10ボルト用SS304平ワッシャー、DIN125/GB97 この 304 ステンレス鋼の平ワッシャーは、柔らかいアルミニウムにクランプ荷重を分散させ、滑らかな座面を提供しますが、ガルバニック絶縁には分離層が必要です。 製品を見る→

適切なステンレス鋼ファスナーのグレードの選択

設計でアルミニウムと接触するステンレス鋼の留め具が必要な場合、標準的な選択肢は 304(A2) および 316(A4) ステンレス鋼の 2 つです。どちらも炭素鋼よりもはるかに優れた耐食性を備えたオーステナイト系グレードであり、ガルバニック シリーズでは同様の位置にあります。この選択によって、カップルのガルバニック動作は変わりません。どちらのグレードもアルミニウムの保護において他方よりも有意に優れているわけではないため、実際の決定は、ファスナー自体が使用環境でどれだけ良好に耐えられるかによって決まります。

304 ステンレス鋼は、ほとんどの工業および建築作業のデフォルトです。大気腐食、真水、およびさまざまな化学薬品に対して耐性があります。内陸の太陽電池アレイや建物のファサードの場合、グレード 304 のステンレス鋼製ファスナーが実績があり、費用対効果の高い選択肢となります。 304 と 316 は両方とも、DIN 933、GB5783、および ISO 4017 規格に従って製造されています。 304 対 316 ステンレス鋼六角ボルト 2 つのグレードをさらに詳しく比較します。

SS304 M10 六角ボルト、DIN933 規格 内陸または一般環境向けの実績のあるコスト効率の高い 304 ステンレス鋼ボルトで、構造接続に大気腐食耐性と信頼性の高い耐荷重性能を提供します。 製品を見る→

316 ステンレス鋼にはモリブデンが添加されており、塩化物に対する耐性が向上しています。海岸設備、ボートのハードウェア、および道路塩にさらされる環境では、ファスナーは最も厳しい条件下でアセンブリよりも長持ちする必要があるため、ファスナーに 316 を使用する必要があります。原則として、 ステンレススチール製ファスナーのラインナップ 混合金属プロジェクトの場合は、別のグレードが何らかの形でアルミニウムを保護すると仮定するのではなく、塩化物への曝露に基づいて選択する必要があります。

沿岸に設置する場合、特に時間の経過とともに検査されるネジ接続の場合、316 六角ナットと 316 ボルトの組み合わせが最も信頼性の高いオプションです。海洋大気中での 304 と 316 の耐食性の違いは、316 の高コストを正当化するのに十分な大きさです。

SS316 M10 六角ナット、DIN934 規格 A4-80 グレードの 316 ステンレス鋼六角ナットは、海洋および塩化物が豊富な環境向けに設計されており、316 ボルトと組み合わせることで確実なクランプと長期的な耐食性を実現します。 製品を見る→

実践的な組み立てガイドライン

基本を無視すると、混合金属のアセンブリは失敗します。次の順序は、太陽光発電の取り付け、海洋デッキのハードウェア、産業用フレーム、および建築用アルミニウム構造に効果的であることが証明されています。

1. 組み立てる前に両方の接合面をきれいにしてください。グリース、砂、または導電性の汚染により、設計が正しい場合でも腐食セルが発生する可能性があります。
2. 最初に絶縁層を取り付けます。ナイロンワッシャーまたはシーラントビーズをステンレススチールのファスナーヘッドの下とナットの座面に配置します。
3. 定格トルクで締め付けてください。過剰なトルクは絶縁層を押しつぶし、アルミニウムを変形​​させ、接合部を電気腐食と応力緩和の両方に対して脆弱な状態にします。
4. 最初のシーズンの曝露後に検査してください。初期の腐食は、白い粉またはかすかな孔食として現れます。問題が発生した場合、修理は構造的な修理ではなく、ワッシ​​ャーを交換し、シーラントを少量塗るだけです。

このようなことは、エンジニアや製造業者がアルミニウムとステンレス鋼を併用することを妨げるものではありません。上記のルールに従えば、2 つの材料はシステムとして適切に機能します。アルミニウムが腐食するのは、ガルバニック回路が完全なままであり、その回路が簡単に遮断できる場合に限られます。