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,如表1所示,是可預期的。其壽命遠超過其它防蝕方法。
                                                                                                                                                                                                                                                              表1 曝放1至10年後腐蝕速率
曝放地點 1年期 10年期
            碳鋼           
         腐蝕速率         
(µm/yr )
    鋅    
腐蝕速率
(µm/yr )
碳鋼
        腐蝕速率          
(µm/yr )
   鋅    
           腐蝕速率          
(µm/yr )
臺北市
(陽明山)
53.50 2.6 15.39 1.88
新北市
(貢寮區澳底)
213.00 2.4 -- 1.94
桃園縣
(觀音工業區)
112.70 2.9 51.11 1.27
臺南市
(安平港)
55.30 1 12.13 1.07
高雄市
(中鋼小港廠區)
62.10 2.3 10.64 1.86
屏東縣
(枋山鄉)
55.30 2.6 -- --
臺東縣
(大武鄉)
55.20 0.8 11.97 0.83
花蓮縣
(花蓮港)
20.80 1.1 14.90 4.36
澎湖縣
(馬公市)
456.50 1.6 -- 1.01
金門縣
(金門科技大學)
59.50 2.3 15.72 1.00
雲林縣
(麥寮工業區)
75.01 4.91 85.83 1.10
南投縣
(溪頭)
14.72 1.91 4.95 0.71
台中市 台中港
(臺中火力發電廠、港研中心)
105.30 9.03 30.26 --
台北市
(臺科大 T3大樓)
16.07 0.87 13.62 0.93
資料來源:金屬材料長期大氣曝放試驗與資料庫建置計畫(交通部運輸研究中心港灣研究中心109.05)
  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2 熱浸鍍鋅在各種環境的腐蝕速率及耐用年限
腐蝕性分類 鋅金屬的腐蝕速率
(rlin,μm/yr)
耐用年限(年)
600 g/m2 550 g/m2 350 g/m2
C1 rlin≦0.05 >100 >100 >100
C2 0.05<rlin≦0.4 >100 >100 >100
C3 0.4<rlin≦1.1 68.2~ >100 62.5~ >100 39.8~ >100
C4 1.1<rlin≦2.2 34.1~68.2 31.3~62.5 19.9~39.8
C5* 2.7<rav≦5.5 13.6~27.8 12.5~25.5 8.0~16.2
CX* 5.5<rav≦16 4.7~13.6 4.3~12.5 2.7~8.0
註:*為鋅金屬最初10年之平均腐蝕速率。C1~C4為鋅金屬穩定態(30年之平均)的腐蝕速率。
 
  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1.5~2.3倍之壽命,如表2所示。
 
表3 熱浸鍍鋅加油漆(duplex-system)之耐用年限參考值
腐蝕性分類 耐用年限(年)
600 g/m2+塗裝 550 g/m2+塗裝 350 g/m2+塗裝
C5 58.2~79.5 56.4~76.1 49.5~62.0
CX 44.6~58.2 44.0~56.4 41.7~49.5
註:本表之耐用年限係採用D=〔D鍍鋅+D塗裝〕×1.5之公式推算之。D鍍鋅是指熱浸鍍鋅之耐用年限,取自表1之參考值;而D塗裝為25年,是依據ISO 12944-1塗裝的耐久性(durability)在非常高(vh,very high)的等級時(即第一次需要維修的時間),為25年。
  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4 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