热浸镀锌介绍.doc

前言鋼鐵材料為今日人類生活中不可或缺的重要資源。然而因其本身特性使然，使得銹蝕無日不時伴隨著我們，並無時無刻地損耗著我們的資源鋼鐵。尤其，台灣地處高溫高濕的海洋性季風的惡劣環境下，銹蝕問題較其他各國更為嚴重。先進諸國，很早就注意到銹蝕的嚴重性，據估計，因防蝕所造成的損失，在日本一年約達國民生產毛額（GNP）的三五 。在美國，此一比率為四二 ，在英國為三五，西德為三 ，而台灣則遠超過以上比率。如以日本之三五 來計算，在2001年我們不知不覺中損失了新台幣三千三百三十億元（2001年國民生產毛額約為新台幣九兆五千一百三十九億）。所以先進國家均成立了有關的防蝕技術研究機構，以採取各種有效的措施，來避免或減少其損失。然而我國目前似乎尚沒有一主要機構來正視此一問題。因此，到處可以看到因防蝕技術不良或防蝕方法錯誤所造成的銹蝕景觀，實在令人非常痛心。熱浸鍍鋅防蝕技術是目前各先進國家，使用最廣泛，也是最有效的大氣防蝕方法，其性能、特點及經濟效益，在本簡介中均有論及。盼能藉著本簡介之說明，使大家對熱浸鍍鋅之防蝕方法，有更深一層的認識，並加以採用。但願早日我們在台灣各地都可以看到那沉著、穩健的鋅的色彩，充滿在我們生活中的每一個角落而為我們人類有限的資源，負起維護保衛的重責大任。熱浸鍍鋅的使用已有一五年以上的歷史了，其原理至今尚無改變。且因有無數的研究報告針對其作業流程作詳細檢討，因此才有從最原始的濕式法鍍鋅演變至今天的乾式法及連續法等作業。其防蝕效果也被公認為是目前最好的，且最具經濟效益的。據估計，全世界每年經熱浸鍍鋅保護的鋼材約有20,000,000 tons，其對人類有限資源之維護價值實在是難以估計。先進國家熱浸鍍鋅的使用已非常廣泛。舉凡電力、電信、道路、運輸、橋樑、港灣、建築等都可使用。誇大地說有鐵的地方，就有熱浸鍍鋅應不為過。台灣地區身處亞熱帶潮濕型海洋性環境，腐蝕問題比其它各國嚴重有過之無不及，但卻因對於防蝕問題之警覺性不夠，使得隨處可見鋼鐵因銹蝕而廢棄的景觀，實在值得令人深思。熱 浸 鍍 鋅 流 程 簡 介熱浸鍍鋅的原理，簡單的說即是將已清洗潔淨的鐵件，經由Flux 的潤濕作用，浸入鋅浴中，使鋼鐵與熔融鋅反應生成一合金化的皮膜。 其作業流程簡示如下： 良好的熱浸鍍鋅作業，應是各製程均在嚴格的管制下，徹底發揮該製程的功能。且若前一製程的不良，會造成後續製程的連鎖不良反應，而大量增加作業成本或造成不良熱浸鍍鋅產品。若前處理不良，則熔鋅無法與鋼鐵正常完全反應，形成最完美的鍍鋅皮膜組織。若後處理不良，則破壞鍍鋅皮膜外觀，減低商品價值等。 熱 浸 鍍 鋅 的 優 點1. 整個鐵材表面均受到保護，無論在凹陷處管件內部，或任何其它塗層 很難進入之角落，溶融鋅均很容易均勻的覆蓋上。 2. 鍍鋅層之硬度值比鋼材還大。如圖1 ，最上層之Eta layer 只有 70 DPN 硬度，故易受碰撞而凹入，但下層之Zeta layer 及 delta layer 分別有179及211 DPN 硬度值比鐵材的159 DPN硬度值最還 高，故其抗衝擊及抗磨耗性均相當良好。 圖 1：熱浸鍍鋅皮膜斷面顯微鏡組織 鐵地（Base steel）為原來之鐵基，一般硬度約為159 DPN hardness。層（Zeta layer）最靠近鐵基之一層緻密合金層，構造複雜，富有韌性及延展性，以Fe Zn7之化成存在，鐵含量約711 。1層（Delta layer）為一顯著單斜系柱狀組織，以Fe Zn13化成存在，鐵含量約6，硬度值約179 DPN。層（Eta layer）最上部之純鋅層，為一稠密六方晶系，質軟、富於延展性，變形加工不易破裂。鋅純度約98.5 以上，硬度值約70 DPN。3. 在邊角區，鋅層往往比其它地方還厚，參照圖2，且有良好的韌性 及抗磨耗性。而其它塗層在此邊角處，往往是最薄最不易施工，最 易受傷害處，故常須再維護。 圖 24. 即使因受很大的機械傷害或其它原因。造成一小部份的鋅層脫落， 將鐵基裸露，此時，周圍鋅層就會發揮犧牲陽極的功能，來保護此 處鋼鐵，使不受浸蝕。而其它塗層則剛好相反，銹會馬上生成，且 迅速漫延至塗層下面，引起塗層剝落。請參照圖3所示。 1熱浸鍍鋅塗裝原表材破裂發生腐蝕狀態結果抑制腐蝕（犧牲陽極）加速腐蝕圖 3：保護皮膜破裂之腐蝕示意圖 5. 鋅層在大氣中的消耗是非常緩慢的，請參照圖4示，約為鋼鐵腐蝕 腐蝕速率的1/17至1/18，且是可預估的 。其壽命遠超過其它任何 塗層。 圖 4：熱浸鍍鋅的耐久年數6. 鍍層壽命在某一特定的環境下，主要視鍍層厚度而定。而鍍層厚度又受鋼鐵厚度之厚薄而決定，即越厚的鋼鐵易得較厚的鍍層，故同一個鋼構中厚的鋼鐵部位一定也得到較厚的鍍層，以保證得到更長的壽命。參考表1。 表 1：使用環境別熱浸鍍鋅的腐蝕速度暴露環境腐蝕速率（g/年）平均（g/年）耐用年數（註）平均重工業地區28403416都市地區12181536海岸地區11141342田園地區512960山間地區38690乾燥地區254135註：以附著量600g/來估計。7. 因美觀、藝術，或在特定嚴重腐蝕環境使用時，鍍鋅層可再施以上漆處理duplex system，只要漆的系統選用正確、施工容易，其防蝕效果比單獨上漆及熱浸鋅之壽命加起來還要好上1.52.5倍。請參照表2。 表 2：熱浸鍍鋅及熱浸鍍鋅漆（duplex-system）耐用年數比較表熱浸鍍鋅皮膜附著量田園地帶海岸地帶工業區地帶單位oz/ft2單位g/單獨熱浸鍍鋅耐用年數duplex-system耐用年數單獨熱浸鍍鋅耐用年數duplex-system耐用年數單獨熱浸鍍鋅耐用年數duplex-system耐用年數0.350.751.01.61.62.510722730548848876341518373560102535504570211132828407242546376014516152151512302032註：1、0.350.75oz/ft2附著量為一般鍍鋅鋼板規格。2、耐用年數以鐵材95 部位均受到有效保護而言。3、耐用年數視現場環境及塗材系統而有很大不同。8. 用鋅層來保護鋼鐵，除了熱浸鍍鋅法外，尚有其它數種方法，其優劣比 較如表3，一般使用最廣、防蝕效果最好且經濟效益最佳者，為熱浸鍍 鋅法。 表 3：各種鍍鋅方式之優缺點比較比較項目特 性 原 理優 點缺 點方法熱 浸 鍍 鋅(hot dip Galvanizing)溶融入法請參閱本章1.太小件作業困難2.大於鍍鋅槽構件作業較複雜均勻鋅及鋅、鐵合金層噴 鋅 法(熔射鋅, thermal spray)原子狀鋅噴射銲法1. 尺寸、大小不拘2. 厚度可達0.01英吋以上1.隅角均一性差2.經濟性差純鋅層電 鍍 法(Zinc plating)電流電位差析出法1. 形狀大小不夠2. 外觀良好1.厚度有限2.堅實性差純鋅層滲 鋅 法鋅粉加熱機械附著法1. 均勻性良好2. 耐磨性好1.大構件作業困難2.外觀暗灰色厚度有限純合金層塗 鋅 法(加鍍鋅, Ziga)噴漆法或刷塗法1. 作業簡單1.耐磨性差2.隅角均一性差9295 高鋅含量漆 熱 浸 鍍 鋅 品 質 判 定 標 準 及 要 因 解 說1. 附著量：耐蝕性主要決定於鍍鋅層的厚度，故量測厚度常為主要判定鍍鋅品質好壞的根據，鍍鋅層受鋼材表面的成分、組織、結構不同而有不同的反應，另進出鋅溶液的角度、速度亦有很大的影響。故預得完全均一的鍍層厚度，實際上不太可能。所以量測附著量絕對不能以單一點（部位）來判定，必須要量測其單位面積（）平均附著鋅重（g）才有意義。最通用的標準為ASTM A-123，如表4及表5，而表6為台灣電力公司規範。 表 4： ASTM A-123 鋼材種類與鍍層厚度等級 材料種類in(mm)1/16以下（1.6）以下1/16至1/8（1.6至3.2）1/8至3/16（3.2至4.8）3/16至1/4（4.8至6.4）1/4以上（6.4）以上結構構件及鋼鈑45657585100鋼條及鋼棒45657585100鋼 管4545757575鋼 線3550606580表5 ：ASTM A-123 鋼層厚度等級對應表 厚度等級MilsOz/ft2m g/351.40.8 35245451.81.0 45320502.0 1.250355552.21.3 55390602.41.4 60425652.6 1.565460753.01.7 75530803.11.980565853.32.0 856001003.92.3100705表 6：台灣電力公司規範 材 料 等 級最低鍍鋅量每平方公尺公克（g/）試樣品平均數任一樣品A級鑄造物鍛鐵，鋼610549B級滾壓，壓榨鍛鍊(不包括C級和D級材料)B-1厚度在0.5公分（包括0.5公分）以上及長度超過20 公分（不包括20公分）610549B-2厚度在0.5公分（不包括0.5公分）以下及長度超過 20公分（不包括20公分）457381B-3厚度在20公分（包括20公分）以下及其任何厚度396335C級直徑超過1公分（不包括1公分）的螺栓、螺帽和類似材料，以及厚度為0.5公分和0.6公分以上墊圈381305D級直徑在1公分（包括1公分）以下的螺栓、螺帽、鉚釘、釘子 和類似材料，以及厚度為0.5公分以下墊圈305259量測附著量的方法有很多種，如破壞性的切片金相觀測法、酸洗法，非破壞性的膜厚計法、電化學法、進出貨重量差估計法等。一般常用的為膜厚計法及酸洗法。膜厚計為一利用磁場感應來量測鋅層厚度最普遍省事之方法，其基本條件為鋼鐵表面必須平滑、完整，才可得較準確數字。故在鋼材邊角處或粗糙、有角度之鋼件或鑄件等，均不太可能會的一準確的數字。普通鐵件用原鐵材當歸零基材，尚可得相當準確的數字，鑄件就絕對不準確了。酸洗法為正式檢驗報告用，最準確的方法，惟切片時必須注意上下部位的公平取捨，才可得準確數字。但其亦有缺點，如費時甚多，複雜鋼材面積不易求得，太大件無法整個酸洗等。故充分利用膜厚計來控制現場製程，而用酸洗法來做最後之檢測，實在就足夠了。2. 均一性：熱浸鍍鋅鋼鐵最易生銹之部位，仍是鋅層最薄的地方，故必要測其最薄部位是否符合標準。均一性的試驗法，一般都用硫酸銅試驗，但此方法對於由鋅層和合金層組成的鍍鋅層皮膜測試很有問題。此因鋅層與合金層在硫酸銅試驗液中的溶解速度不同，合金層中也因鋅/鐵的比率差異而不同。所以，以一定浸漬時間的反覆次數來判定均勻性並不是很合理。因此，最近歐美規格及JIS中，均有廢止此試驗方法的傾向，以分佈取代均一性，以目視或觸感為主，必要時才用膜厚計檢查分佈狀態。又形狀複雜的小構件因面積量測不易，不易求得平均膜厚，有時不得不用硫酸銅試驗法來做參考，但絕不能以硫酸銅試驗取代附著量測定的目的。3. 堅實性：所謂堅實性就是鍍鋅層與鋼鐵之密合性，主要要求鍍鋅構件在整理、運搬、保管及使用中具有不得剝離的性質，一般檢驗法有鎚打法、擠曲法、卷附法等。鎚打法是以鎚打擊試片，檢查鍍層皮膜表面的狀態。如圖4所示，把試片固定，免得因鎚支持台等高且水平，鎚以支持台為中心，使柄重垂直位置自然落下，以4mm間隔平行打擊5點，觀察皮膜是否剝離以為判斷。但是，距離角或端10mm以內，不得作此試驗，同一處不可打擊2次以上等。此法最普遍，適用於鋅、鋁等之皮膜堅實測試。其它如擠曲法、捲附法一般很少用，故暫且不提。圖4：堅實性、鎚打法試驗用鎚子 一般人常有一錯誤觀念，往往為了方便量測堅實性，拿兩個鍍鋅鋼材，以邊角互相敲擊，觀察邊角剝落情形以為判斷。若邊角處剛好有幾處較厚的鋅粒。在作業中沒處理好，則一用力敲擊，厚的鋅粒一定會剝落。故此法不能用來判定正常鍍鋅皮膜與鐵基的密合性。附著量、均一性及堅實性，即為一般規格定義熱浸鍍鋅品質檢驗的項目。亦是一般正式檢驗報告的標準。有關規範，請參照表7。表 7：熱浸鍍鋅有關規範 1. 中國國家標準(CNS)CNS 1247 鍍鋅檢驗法CNS 8503 熱浸鍍鋅作業方法CNS 10007 鋼鐵之熱浸法鍍鋅2. 美國材料測試標準(ASTM)A90 Methods of test for weight of coating on zinc coating(galvanized) iron and steel articles A123 Zinc(hot galvanized)coating on products fabricated from rolled,pressed,and forged steel shape, plates, bars,and stripA153 Zinc coating(hot-dip) on iron and steel hardwareA325 High strength bolts for structural steel joints,including suitable nuts and plainA385 Providing high-quality zinc coating(hot-dip)A780 Repair of damaged hot-dip galvanized coatingsA767 Zinc-coated(galvanized)steel bars for concrete reinforcementE376 Practice for measuring coating thickness by magnetic-field or eddy-current (electromagnetic) test methods3. 日本工業標準(JIS)：H8641 Zinc hot dip galvanizingsH9124 Recommended practice for zinc coating(hot-dipped)H0401 Methods of test for hot dip galvanized coatings4. 英國工業標準(BS)：BS 729 Hot dip galvanized coatings on iron and steel articles 影 響 品 質 諸 要 素 研 討 1. 鋼構尺寸大小、重量：鋼構尺寸以能一次全數浸入鋅浴，以達均一鍍鋅皮膜組織最好，若太長或太寬，以致須分二次浸鍍作業者，接合處的鋅層外觀將會顯得粗澀、太厚等不良。另外，如鋼構的單重太重，超過鍍鋅設備負荷者，將使其作業困難。故與熱浸鍍鋅廠事前的溝通，最為重要。2. 鋼構的材質：鋼構的材質，會影響熱浸鍍鋅皮膜的組織、厚度等，但若經事前的溝通，將可技術性的將其影響減至最少。如高張力鋼材含矽、碳量較高，易於快速地與熔鋅反應，合金化過度成長的結果，將造成灰黑色的外觀，但並不影響其防蝕性能。又如熱處理鋼材，若其抗拉強度超過90kg/mm2時，經熱浸作業後，易使其強度降低等。3. 異種金屬的組合：如鋼材與銅、錫、鉛等非鐵金屬的組合，於熱浸作業時，此非金屬的溶出，將會造成鋅皮膜組織的變化。又如新舊鋼材的組合，於酸洗作業時，新材質易酸洗過度。此外如部份加工構件，加工處的酸洗過度亦是。4. 鋼材的污染：如油漆的污染、特殊油脂的污染等，於普通的鹼性脫脂液中不易除去，此時必須使用特殊溶劑清除或用燃燒法、噴砂法等，使成本增加且作業困難。此外如銲接觸的銲渣清除亦是相當重要的。5. 銲接方式：焊接方式對熱浸鍍鋅鋼鐵結構物的品質影響很大，嚴重者甚至引起裂開，或成品之變形。如下圖示。圖5：A、為全周銲接式，易引起爆裂。B、為全周銲接式，但留孔。C、為斷續銲接式，角落處不予銲接。以上三式，以B、C法為優良。圖 6 ：不同形式鋼材之正確銲接方式 圖 7 ：不同形式銲接引起的變形6. 設計上的問題：鋼鐵結構物之設計，是熱浸鍍鋅作業品質成敗之主要因素。其設計之主要原則，為使溶鋅在結構物內、外部能流動順暢。以下數圖，請參閱本網站結構物設計要點。7. 可動部鐵材注意要點：鍍鋅後須能自由轉動靈活之鐵配件，於設計時，需預留一定大小的餘裕，以為鋅皮膜所佔空間。圖 8：可動部餘裕1.6mm以上圖 9 ： 螺柱加大0.4mm以上8. 變形、歪變之防治：鋼鐵因加工時所發生之殘餘應力，易於熱浸或冷卻時放出，若應力不均勻釋出，則造成變形。如鋼材作90度以上之彎曲冷加工，亦易造成變形。因殘留應力不均勻所造成之變形，可於熱浸鍍鋅前作600以上之消除應力退火之熱處理以避免。又設計上應避免不同材厚之組合，以免因熱膨脹不均勻而變形，其組合參考表8。所有的變形，可於熱浸前增加適當的補強材，以盡可能避免。表8：銲接相對板厚之極限（單位：mm）板厚t1 以t1為基單t2之最大值351.4451.8502.0 552.2602.4652.6 753.0803.1853.31003.99. 氫脆化之避免： 脆化之發生原因有二種：（1）鋼鐵經較大冷加工後之時效應變（strain aging），於熱浸時大量發生。（2）抗拉強度（ultimate tensile strength）超過150 Ksi 之鐵材，及嚴重冷加工之鋼材，經酸洗過後所吸收之氫原子，於熱浸時釋出所致。 氫脆化之避免有以下三種方法：（1）儘可能用熱加工，尤其於嚴重變形時；（二）用噴砂來替代酸洗除銹；（三）熱浸前，經適當之熱處理。 上述9點因素，對熱浸鍍鋅成品品質之影響均很大，但均可有效的事先加以注意、防治。故鋼構廠與鍍鋅廠事前之密切溝通，最為重要。 外觀研討外觀，對熱浸鍍鋅的防蝕性或品質標準，實在完全沒有影響。亦因鋅層組織不同而無法得到有電鍍鋅那種美觀。熱浸鍍鋅皮膜的目的本來就不是裝飾，主要用在防蝕。因而，判定品質之良否，可忽略此點。當然，外觀之良好，可增加商品的價值，亦是鍍鋅業者技術開發的主要目標。以下說明外觀上的幾個缺陷及其影響。 1. 局部沒鍍上：指局部沒鍍上鋅皮膜，使鋼鐵露出呈黑點的狀態。研究報告指出直徑小於3 mm的黑點，或黑點面積總和不超過40 mm2時，因鋅本身的犧牲陽極保護作用，對整體的防蝕壽命幾無影響，故此時可合理的用富鋅（含95 以上鋅）塗料來補修。請參照圖18。黑點發生的原因大都為前處理不良，或設計上的不適當等，為鍍鋅業者首要克服的技術問題。 圖18：各種直徑未鍍鋅黑點腐蝕試驗圖註：1. 此試驗置於嚴重工業污染區一年所得。2. 此試驗結果證明直徑小於5 mm 之未鍍鋅黑點，均可受到犧牲陽極有效保護。 2. 燒 灰：這是皮膜上的純鋅層完全轉變成合金化的顏色，主要還是決定於鋼材的材質，如（Si , semi-killeld steel）Si 脫氧的半淨鋼，或噴砂或酸洗過度的鋼材表面粗糙化時，擴散反應激烈而易得，另冷卻時間及速度控制亦是一大主因。燒掉或合金化，雖缺乏金屬光澤，但在大氣中的防蝕性及防白銹性，均比光亮的純鋅層好，純鋅層在大氣中放置一段時間，亦自然會轉變成氧化鋅而成暗灰色。故吾人實不必太在意外觀之光亮度。 表9：在日本各種不同環境之大氣曝露試驗備註：1. 推定耐用年限以鋅附著量600g/之90 腐蝕時，推定。2. 試驗片使用SS41，32mm厚之鐵材。3. 腐蝕量單位為g/每年。 3. 鋅垂、積滯：即鋅在製品端部殘留成臘燭般的崩垂狀或瘤狀，或鋅積滯於局部的狀態。此主要決定於鍍鋅業者的技術及設備。此多餘的鋅有助於耐蝕性，可用銼刀輕輕磨平，惟須注意不可過力削落，會使其整個剝落而露出鋼鐵生銹。當然，嚴重的崩垂，會因搬運中的不小心撞擊而剝落，銳利的尖端會割刺手等。能避免則儘量減少其發生，若避免不了，個人認為盡量保持原態為宜。4. 傷 痕：形狀複雜或大形鐵件，鍍鋅治具的接觸處，或磨擦處易留下傷痕，有時鐵件相互間之碰撞亦會產生。此時應視傷痕之大小和深度來判斷。一般之傷痕只限於表面的鋅層，合金層仍完好無缺。傷痕，一般很難使其完全消失。5. 粗澀：即皮膜表面生成無數微粒狀凹凸，以手套擦撫有被鉤拉感覺。在商品價值中很是忌諱，但以耐蝕性而言不大有影響，輕輕以銼刀銼平即可。此粗澀發生的原因常為浮渣dross之附著所致。如鑽床的鑽屑在鋅浴中剝離，流成浮渣附著皮膜，或鑄造品在前處理時，所吸藏的氣泡從浴中起出時成微細氣泡噴出，或展性脫炭層剝離成鱗片狀時亦會變得粗澀。此時就須鍍鋅業者的技術加以克服。6. flux渣層：此為鋅浴面上的氧化渣或flux化合物之附著而成。常因操作者之撇渣不良造成，有時亦因鋼構形狀限制而很難消除。其在冷卻時常會剝落，或用鋼絲刷除去亦可。除去後對耐蝕性幾無影響。7. 局部過厚、起泡：此因鋼材過厚，或酸洗過度，或不良品重鍍，合金層過度發達或材質所致的異狀擴散（層），或鍍鋅作業條件不良等所致。商品價值雖不良，耐蝕性卻超群。8. 變 形：鋼材原有或二次加工所附加的殘留應力、素材形狀、裝配構造等設計上的要素為主因。此外，鍍鋅作業的技術亦大大影響變形程度。冷卻時以空冷處理，常可降低變形度。9. 白 銹：即鋅的光澤喪失，嚴重時生成白粉謂之。主要決定因素仍在鍍鋅成品的儲存技術不良所致，請參照圖19，用重鉻酸鹽皮膜處理為最有效的方法。白銹對整體鋅層皮膜之耐蝕性並無影響。10. 泡裂、接縫、疊層：即呈現鬆散、線狀突起、局部剝離等異狀。主要為鋼材在製鍊或軋延上的缺陷所致，與鍍鋅作業無關。圖19：鍍鋅成品儲存擺置例。 經 濟 效 益 分 析 比 較防銹系統選擇之考量經常是植基於經濟上的。但初期之成本往往不能代表各類防銹系統所需之整體花費。維護的費用，可能因系統不同而有顯著之差異。若是再維護時難以靠近工作物，或需停止操作，或是需額外的產品及機械覆蓋作業，或是需要架設鷹架等等，以上種種作業均可使維護之花費大幅增加。由於構造物或工作之尺寸可能影響其處理之難易程度，故亦影響鍍鋅處理之價格。不幸地，目前尚無法以各地通用之標準擬定鍍鋅之費用，但對其他表面處理系統而言情況亦是如此。通常鍍鋅之費用以工件之重量計算。此點不同於一般塗裝以表面積計價之方式。以歐洲之情況而言，熱浸鍍鋅之初期成本會低於塗裝，因為塗裝較鍍鋅耗用更多之人力成本。欲比較各類防蝕系統所需耗費的總金額時，由於個別維護需求之間隔可能改變。因此比較工作變得相當複雜。甚至在維護間格的這段時間維護費用即會變化。所以，鍍鋅所提供的長期防蝕壽命，加上即使出現小損傷也無礙抗蝕能力之優良特性，使得以長期防蝕的觀點而言，沒有其他的