チタングレード4とグレード2の耐食性比較
チタン グレード 2 (商業用純チタン、CP Ti グレード 2) とチタン グレード 4 (CP Ti グレード 4) はどちらも広く使用されている非合金チタン グレードですが、不純物含有量、酸素レベル、機械的特性の変化により、その耐食性は微妙かつ重要な点で異なり、これらが電気化学的安定性と環境適応性に影響します。以下は、腐食性能の詳細な分析です。
1. 市販純チタンの基本的な腐食メカニズム
市販の純チタングレードはすべて、自然に形成され、緻密で自己修復性のある二酸化チタン (TiO₂) 不動態膜-腐食防止用。この酸化物層は非多孔質で化学的に不活性で、酸化環境で損傷しても迅速に修復でき、ほとんどの工業用および自然媒体に対するチタンの優れた耐食性の中核を形成します。グレード 2 とグレード 4 の違いは、この不動態皮膜の安定性と材料の微細構造の完全性に対する格子間元素 (酸素、窒素、炭素、水素) の影響に起因します。
2. 一般環境における耐食性
(1) 一般的な酸化媒体および中性媒体
酸化性の酸（希硝酸、クロム酸など）、中性電解液（海水、淡水など）および大気中では、グレード 2 とグレード 4 の両方が優れた耐食性を示します、周囲温度での腐食速度は通常 0.025 mm/年 (1 mpy) 未満です。これらの不動態皮膜はこれらの環境でも安定したままであり、通常の動作条件下ではどちらのグレードも重大な孔食、隙間腐食、または全体的な腐食を示しません。
わずかな違いは酸化膜の密度にあります。グレード 4 の酸素含有量は高くなります (0.18 ～ 0.25 wt% に対して、グレード 2 の . 0.12 ～ 0.18 wt%)。酸素濃度が高くなると、TiO₂ 層の緻密性が高まり、グレード 4 の不動態皮膜は、弱い攻撃性の酸化媒体 (例、微量の塩化物イオンを含む希硝酸) 中での軽度の機械的磨耗や化学的摂動に対する耐性がわずかに高くなります。ただし、この利点は、ほとんどの標準アプリケーションでは無視できます。
(2) 酸性環境の低減
還元酸（塩酸、硫酸、リン酸など）では、不動態皮膜が破壊されやすい（TiO2 の安定性を維持するのに十分な酸化剤が不足しているため）。グレード 2 は耐食性においてグレード 4 を上回ります。。グレード 2 では格子間不純物（特に酸素と窒素）の含有量が低いため、チタン マトリックスの格子歪みが減少し、非酸化性の酸性条件下での電気化学的安定性が向上します。-
たとえば、25 度の 5% HCl では、グレード 2 の腐食速度は約 0.05 mm/年ですが、グレード 4 の腐食速度は 0.08 ～ 0.10 mm/年に増加します。室温の 10% H2SO4 中で、グレード 2 は最小限の腐食で不動態化されたままですが、グレード 4 は、長時間暴露すると目に見える表面の変色を伴うわずかな全体的な腐食が発生する可能性があります。これは、グレード 4 のより高い格子間元素が材料の電気化学反応性を高め、還元環境での水素の発生とマトリックスの溶解を促進するためです。
(3) 塩化物-を含む環境（孔食および隙間腐食）
塩化物-が豊富な媒体（海水、塩水、高い Cl- 濃度の産業排水など）では、孔食と隙間腐食がチタンの主要な故障モードです。グレード 2 は、グレード 4 よりも局部腐食に対する耐性がわずかに優れています。高温、高塩化物環境では。-
ここで重要な指標となるのは臨界孔食温度 (CPT) と臨界隙間温度 (CCT) です。
グレード 2 の 3.5% NaCl 溶液における CCT は約 80 ～ 85 度ですが、グレード 4 の CCT は約 75 ～ 80 度です。
大気圧の 10% NaCl では、グレード 2 の CPT は 100 度を超えますが、グレード 4 の CPT は約 95 度です。
グレード 4 の酸素含有量が高いと、微細構造欠陥 (転位、格子間クラスターなど) の数が増加します。これは、不動態皮膜が塩化物イオンによって局所的に損傷されると、孔食の開始点として機能します。ただし、どちらのグレードも塩化物環境では依然としてほとんどのステンレス鋼よりはるかに優れた性能を示します。-その局所耐腐食性は、80 度未満の温度で海洋、油田、化学処理用途に優れたままです。
(4) 高温-高圧-環境
酸化性媒体または中性媒体（高圧蒸気、熱硝酸など）を伴う高温環境（150 ～ 300 度）では、-グレード4はグレード2より優れた耐食性を示します。。グレード 4 の酸素含有量が高いと、TiO₂ 不動態皮膜の熱安定性が向上し、熱サイクルや高圧条件下での皮膜の亀裂や剥離が防止されます。-。たとえば、200 度、98% 濃硝酸 (核再処理における一般的な媒体) では、グレード 4 は次の腐食速度を維持します。<0.01 mm/year, while Grade 2 may experience slight film thickening and a marginally higher corrosion rate (~0.015 mm/year) over long-term exposure. Additionally, Grade 4's better creep resistance at high temperatures reduces stress-corrosion cracking (SCC) risk in corrosive, high-stress environments, whereas Grade 2 is more prone to SCC under combined high temperature, corrosion, and tensile stress.
3. 特殊な腐食シナリオ
(1) 耐水素脆化性
水素を含む環境（陰極防食システム、高温水、還元酸など）では、チタンが水素を吸収し、脆化を引き起こします。-グレード 2 はグレード 4 よりも優れた耐水素脆化特性を持っています格子間含有量が低いため、マトリックス内の水素の拡散速度が低下するためです。グレード 4 のより高密度の格子（酸素が多いため）により、水素の侵入が速くなり、長期の-水素-暴露条件での水素化物の形成と脆性破壊のリスクが増加します。
(2) アルカリ性環境
In strong alkaline media (e.g., NaOH, KOH solutions), both grades display good corrosion resistance, as the TiO₂ film reacts to form soluble titanates only at very high concentrations (>50% NaOH) and temperatures (>100度）。このような極度のアルカリ性環境では、グレード 2 は腐食速度がわずかに低いグレード 4 よりも異なりますが、その差は最小限であり、実際のアプリケーションに影響を与えることはほとんどありません。
4. 腐食性能のトレードオフの概要-
| 腐食環境 | グレード 2 アドバンテージ | グレード4のアドバンテージ |
|---|---|---|
| 還元酸 (HCl、H₂SO₄) | 全体的な腐食速度が低く、安定性が優れています | なし |
| 塩化物媒体（局部腐食） | 高い CCT/CPT、孔食/隙間リスクの低減 | なし |
| 水素-を含む環境 | 水素拡散が少なく、耐脆化性が向上 | なし |
| 高温酸化媒体（熱硝酸、蒸気）- | なし | より安定した不動態皮膜、より低いクリープ{0}}腐食リスク |
| 一般的なアンビエント/ニュートラル メディア | グレード4相当 | グレード2相当 |
結論として、グレード 2 は、還元酸、厳格な局部腐食要件を伴う塩化物が豊富な環境、および水素に曝露されるシナリオでの用途に適しています。-グレード 4 は、高温酸化環境や高応力腐食環境に適しています。熱的に安定した不動態皮膜と強化された機械的強度（許容可能な耐食性と組み合わせる）により、全体的な性能バランスが向上します。-
