介紹

--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3.5%,在美國,則為4.2%,在英國為3.5%,德國為3%,而台灣則遠超過以上國家。如以日本之3.5%來計算,在2015年我們不知不覺中損失了新台幣5,865.65億元(2015年國民生產毛額約為新台幣16兆7590億)。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。但願我們早日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170年以上的歷史了,其原理至今仍無改變。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鍍鋅演變至今的乾式及連續式等作業。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、橋梁、港灣、建築等都使用,所以「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而無不及,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熱浸鍍鋅不良品。若前處理不良,則熔鋅無法與鋼鐵正常完全反應形成完美的鍍鋅層組織。若後處理不良,則容易破壞鍍鋅層外觀,降低鍍鋅的商品價值等。


--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。
ζ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7~11 %。
δ1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。
η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。
  1. 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 2:鋼構件邊角之鍍鋅層較厚

  1. 即使因受很大的機械傷害或其它原因而造成一小部份的鋅層脫落,致使鋼鐵底材裸露,此時,此處周圍的鋅層會發揮犧牲陽極的功能,保護鋼鐵使其不受浸蝕。而其它防蝕方法則剛好相反,銹會馬上生成,且迅速漫延至塗層下面,引起塗層剝落,如圖3所示。
  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:鍍鋅層與油漆破裂之腐蝕差異
  1. 鋅層在大氣中的消耗是非常緩慢的,如圖4所示,約為鋼鐵腐蝕速率的1/17至1/18,且是可預估的。其壽命遠超過其它防蝕方法。


圖 4:熱浸鍍鋅的耐久年限

  1. 鍍鋅層在某一環境的壽命,主要視鍍鋅層厚度而定。鍍層厚度又受鋼鐵厚度之厚薄而影響,即越厚的鋼鐵容易獲得較厚的鍍層,故同一個鋼構中厚的鋼鐵部位一定可得到較厚的鍍層,且可得到更長的壽命,如表1所示。
表1 熱浸鍍鋅在各種環境的腐蝕速率
暴露環境 腐蝕速率
(g/m2/年)
平均
(g/m2/年)
耐用年限(註)
平均
重工業地區 28~40 34 16
都市地區 12~18 15 36
海岸地區 11~14 13 42
田園地區 5~12 9 60
山間地區 3~8 6 90
乾燥地區 2~5 4 135
註:
  1. 以附著量600g/m2來估計。
  2. 參考日本熱浸鍍鋅環境。
  1. 因美觀、藝術,或腐蝕特別嚴重的環境,鍍鋅層上可再施以油漆處理duplex system,只要油漆的系統選用正確、施工容易,其防蝕效果也比單獨油漆或熱浸鍍鋅之壽命加起來還要好,約可達1.5~2.5倍之壽命,如表2所示。
表2 熱浸鍍鋅及熱浸鍍鋅加油漆(duplex-system)之耐用年限比較
熱浸鍍鋅層附著量 田園地帶 海岸地帶 工業區地帶
單位oz/ft2 單位g/m2 單獨熱浸鍍鋅耐用年限 duplex-system耐用年限 單獨熱浸鍍鋅耐用年限 duplex-system耐用年限 單獨熱浸鍍鋅耐用年限 duplex-system耐用年限
0.35~0.75
1.0~1.6
1.6~2.5
107~227
305~488
488~763
4~15
18~37
35~60
10~25
35~50
45~70
2~11
13~28
28~40
7~24
25~46
37~60
1~4
5~16
15~21
5~15
12~30
20~32
註:
  1. 0.35~0.75oz/ft2附著量為一般鍍鋅鋼板規格。
  2. 耐用年限係以鍍鋅鋼材仍有95%部位受到有效保護而言。
  3. 耐用年限視現場環境及塗料系統而有不同。
  1. 用鋅層來保護鋼鐵,除了熱浸鍍鋅法外,尚有其它種方法,其優劣點比較如表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)
熔融擴散法 請參閱本節前段 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
3.會受天候影響
4.會受前處理清潔度、粗糙度影響
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
92~95 %高鋅含量漆