ガルバニック腐食防止：ファスナーにおける異種金属の混合

ガルバニック腐食は、異種金属が電解質（水、塩水噴霧、湿気）の存在下で電気的に接触したときに発生する電気化学的プロセスです。より卑な（より陽極的な）金属は加速された速度で腐食し、より貴な（陰極的な）金属は保護されます。ファスナーは、接合する部品よりも表面積が小さいため特に脆弱です — ファスナーがガルバニック対のアノードである場合、腐食速度は均一腐食の10〜100倍になることがあります。

ガルバニックシリーズは、海水中の電極電位によって金属を分類します。アノードインデックスは、ファスナーエンジニアが二金属腐食のリスクを迅速に評価するために使用する簡略化・正規化されたバージョン（海水中のカロメル電極に対するボルト単位で測定）です。接触する2つの金属間のアノードインデックスの差が大きいほど、加速腐食のリスクが高くなります。

3つの条件が同時に存在する必要があります：(1) 異なる電極電位を持つ2つの金属、(2) 金属間の電気的連続性、(3) 電解質の存在。このうちの1つを取り除けば、腐食は停止します。

ファスナーエンジニアにとって、結果は単純です：設計段階で下される材料選択の決定が、アセンブリを数十年持続させるか数か月で破壊するかを決定します。絶縁なしでステンレス鋼とアルミニウムを混在させること、炭素鋼ファスナーを銅製フィッティングと一緒に使用すること、ガルバニックシリーズのグループを誤って横断することは、海洋、建設、発電用途でのファスナー早期破壊の主な原因です。

ガルバニック腐食を防ぐ最も信頼性の高い方法は、ファスナーと母材に同じ金属を使用するか、アノードインデックスで非常に近い金属を選択することです。これが不可能な場合（例えば、耐食性のためにステンレス鋼が必要だが、基板が溶融亜鉛めっき鋼である場合）、材料選択戦略には、より貴な金属をファスナーとして選択する（ファスナーは母材構造物より交換が容易）、またはファスナーが犠牲として交換可能な場合はより卑な金属を指定する、ことが含まれます。

次の参考表は、アノードインデックスで評価された最も一般的なファスナー-基板の組み合わせをまとめたものです。0.25 Vを超えるアノードインデックスの差には保護対策が必要；0.50 Vを超える差には物理的絶縁または完全な再設計が必要です。

塩化物の存在が継続的な海洋および化学プロセス環境では、アノードインデックスの計算に関係なく、ステンレス鋼とアルミニウムまたは炭素鋼基板の組み合わせは避けるか、完全に絶縁する必要があります。塩化物誘起孔食は、全体的なガルバニックしきい値より低い電圧で開始する可能性があるためです。

国際プロジェクトのファスナーを指定する際は、ファスナーと基板の両方が同じISOまたはASTM規格ファミリーに準拠していることを確認してください — ASTM F593/F594（ステンレス鋼）認定ファスナーは、保証責任に影響する可能性があるトレーサビリティのギャップを避けるために、ASTM規格にも準拠する基板とのみ組み合わせる必要があります。

異種金属を接合する必要があり、アノード電位差が0.25 Vを超える場合、絶縁方法は電気回路を遮断し、ガルバニック電流の流れを防ぎます。最も一般的な絶縁方法は、非導電性ワッシャ、スリーブ、ガスケット、ガスケットシール、ガスケットコンパウンドです。最も使用される絶縁材料は、EPDM（エチレンプロピレンジエンモノマー）、ネオプレン、ナイロン、PTFE（ポリテトラフルオロエチレン、商標テフロン）、およびマイカです。

EPDMワッシャとスリーブは、アルミニウムまたは溶融亜鉛めっき鋼基板からステンレス鋼ファスナーを絶縁するための業界標準です。EPDMはオゾン、紫外線、水に耐性があり、-50°Cから+150°Cの温度範囲で機能します。2〜3 mm厚のEPDMワッシャは、ほとんどの用途で電気的連続性を遮断するのに十分です。

ナイロン製スリーブは、ねじ付きファスナーに人気があります。安価で、設置が容易で、ほとんどの化学薬品に耐性があるためです。ただし、ナイロンは時間とともに湿気を吸収し、紫外線暴露下で劣化する可能性があるため、屋外または水没用途にはあまり適していません。PTFEスリーブは、最高の温度性能（-200°C〜+260°C）と耐薬品性を提供しますが、より高価で、正確な公差への機械加工がより困難です。

フランジ接続でのガスケットシールは、グラファイトまたはアラミド繊維のインサートを備えた複合ガスケット、またはPTFEを含有するエラストマーガスケットで実現されます。蒸気サービスでは、金属インサート付きグラファイトガスケットが標準です。選択されたガスケット材料に関係なく、ガスケットの厚さは、フランジ表面のすべての不規則性を埋め、荷重下で接触を維持するのに十分でなければなりません — 標準的な配管フランジでは通常1.5〜3.0 mmです。

機械的絶縁の代替は、ねじ部およびファスナーの頭部の下にガスケットコンパウンドまたはシーラントを適用することです。これらの製品は、金属表面間の微視的な隙間を埋め、電気的連続性を中断します。海洋用途向けに配合されたガスケットコンパウンドには、絶縁界面で犠牲陰極保護を提供するために、亜鉛またはアルミニウムの粒子が含まれていることがよくあります。

コーティングと仕上げは、金属間のバリアとして機能するか、犠牲アノード（亜鉛など）として機能するか、または対の電気化学電位を等しくすることにより、ガルバニック腐食に対する別の防御を提供します。コーティングの選択は、母材、用途、環境条件に依存します。

亜鉛コーティングは、炭素鋼ファスナーの最も一般的な保護です。亜鉛は鋼に対して犠牲です — 腐食に曝されると、亜鉛が最初に腐食し、下地の鋼を保護します。主なタイプは次のとおりです：ASTM F2329による溶融亜鉛めっき（HDG）、標準皮膜厚50〜85 µm；ASTM B633による電気亜鉛めっき、皮膜厚5〜25 µm；ASTM F1941による亜鉛フレークコーティング、皮膜厚5〜15 µm、水素脆化のリスクなし。

亜鉛コーティングは、サービスの種類と期待耐用年数によって指定されます。屋外または海洋環境では、85 µm以上のHDGが最初のメンテナンスまで20〜50年のサービスを提供します。乾燥した屋内環境では、8〜12 µmの電気亜鉛めっきで十分です。亜鉛フレークコーティング（自動車および風力タービンのファスナーに一般的に使用される）は、高い耐食性と水素脆化の不在を組み合わせ、高強度ファスナー（クラス10.9以上）に理想的です。

ファスナー上のPTFEまたはXylanコーティングは、低摩擦と耐薬品性を提供しますが、ガルバニック保護は提供しません。これらのコーティングはバリアであり、犠牲ではありません — コーティングへの損傷は、母材を露出させます。したがって、PTFEコーティングされたファスナーは、ガルバニック適合性が他の方法で制御されている用途でのみ使用する必要があります。

攻撃的な環境でのステンレス鋼ファスナーについては、酸洗と不動態化（ASTM A967）が耐食性を提供する酸化クロム層を回復します。不動態化は、溶接、機械加工、または取り扱いの後、不動態層が汚染または損傷している可能性がある場合に不可欠です。

ガルバニックペアリングが不可避で、構造物の期待耐用年数が25年を超える場合、陰極防食（CP）システムが最も信頼性の高いオプションです。犠牲アノードCPは、構造物に接続された亜鉛またはマグネシウムのブロックを使用し、これらが代わりに腐食します。外部電源CPは、保護電流を駆動するために外部電源を使用します。両方のシステムは、認定された腐食エンジニアによって設計およびコミッショニングされ、文書化されたプログラムに従って定期的な監視とアノードの交換が必要です。