チタンの耐食性の原理

チタンは非常に耐食性の高い金属です。 しかし、チタンの熱力学データは、チタンが熱力学的に非常に不安定な金属であることを示しています。 チタンが溶解して Ti2+ を形成できる場合、その標準電極電位は非常に負 (-1.63V) となり、その表面は常に鈍い酸化チタンの膜で覆われます。 これにより、チタンの安定化電位は着実に正になります。たとえば、25 度の海水中でのチタンの安定化電位は約 +0.09V です。

チタン電極の反応電位データは、その表面が非常に活性であることを示しており、通常は空気中で自然に生成される酸化膜の層で覆われています。この層が安定性、強力な付着力、保護酸化膜であり、チタンの優れた耐食性を決定します。チタン。 理論的には、保護酸化膜のピリング/ベッドワース比は 1 より大きくなければなりません。この比が 1 未満の場合、酸化膜は金属表面を完全に覆うことができず、保護の役割を果たしません。 この比率が大きすぎると、その分酸化皮膜中の圧力応力が大きくなり、酸化皮膜の破壊が起こりやすくなり、保護の役割も果たせなくなる。 酸化皮膜の組成や構造が異なるチタンのP/B比は、1～2.5の間です。

チタン表面を大気中または水溶液中に暴露すると、直ちに新たな酸化皮膜が生成され、例えば室温大気中では酸化皮膜の厚さが約1.2～1.6nmとなり、放置後70日程度で時間が経つと厚くなる。 5nmの自然な厚さ、545日後に8〜9nmの徐々に増加。 酸化条件（加熱、酸化剤、陽極酸化など）を人為的に強めると、表面の酸化膜の成長が促進され、より厚い酸化膜が得られます。 酸化皮膜が成長して厚くなり、チタンの耐食性が向上します。 したがって、生成した酸化皮膜を陽極酸化および熱酸化することにより、チタンの耐食性は大幅に向上します。

酸化チタン膜（熱酸化膜や陽極酸化膜を含む）は通常単一の構造ではなく、条件の発生や変化により酸化物の組成や構造が変化します。 一般に、酸化膜と環境との界面にはＴｉＯ２が存在し、酸化膜と金属との界面ではＴｉＯが支配的である。 その間には、異なる価数状態の遷移層、または非化学的に等価な酸化物が存在する場合があり、これはチタンの酸化膜が多層構造であることを意味します。 この酸化皮膜の生成過程については、チタンと酸素との直接反応の結果として単純に理解することはできません。