熱浸鍍鋅與品質

--熱浸鍍鋅品質判定標準及要因解說--

  1. 附著量
    耐蝕性主要取決於鍍鋅層的厚度,故量測厚度常為主要判定鍍鋅品質好壞的根據,鍍鋅層受鋼材的成分、表面組織、結構不同而有不同的反應,且進出鋅溶液的角度、速度亦有很大的影響。故欲得完全均勻的鍍層厚度,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(m2)之平均附著鋅重(g)才有意義。最通用的標準為CNS 10007,如表1;及ASTMA123,如表2、表3;表4為ASTM A153鍍鋅量標準。建議以CNS 10007為主,ASTM A123、A153為參考。
 

      表1  CNS 10007鍍鋅層附著量與硫酸銅試驗次數
種類 符號 硫酸銅試驗次數 鍍鋅層附著量 全區平均鍍鋅膜厚μm 局部鍍鋅膜厚μm 適用底材
1類A HDZ A 4次 -- 28~42 -- 厚度 5 mm以下之鋼材、鋼鐵製品、鋼管,直徑 12 mm以上之螺栓、螺帽及厚度超過 2.3 mm之墊圈。
1類B HDZ B 5次 -- 35~49 -- 厚度超過 5 mm之鋼材、鋼鐵製品、鋼管及鑄鍛造品。
2類35 HDZ 35 -- 350以上 49以上 35以上 厚度 l mm以上, 2 mm以下之鋼材、鋼鐵製品,直徑 12 mm以上之螺栓、螺帽及厚度超過 2.3 mm之墊圈。
2類40 HDZ 40 -- 400以上 56以上 49以上 厚度超過 2 mm, 3 mm以下之鋼材、鋼鐵製品及鑄鍛造品。
2類45 HDZ 45 -- 450以上 63以上 56以上 厚度超過 3 mm, 5 mm以下之鋼材、鋼鐵製品及鑄鍛造品。
2類50 HDZ 50 -- 500以上 69以上 63以上 厚度超過 5mm之鋼材、鋼鐵製品及鑄鍛造品。
2類55 HDZ 55 -- 550以上 76以上 69以上 嚴酷腐蝕環境下使用之鋼材、鋼鐵製品及鑄鍛造


表2  ASTM A123 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至5/8
(6.4至16)
5/8(16)以上
結構構件 45 65 75 75 100 100
鋼棒(條)及鋼板 45 65 75 75 75 100
鋼  管 45 45 75 75 75 75
鋼  線 35 50 60 65 80 80
鋼筋 -- -- -- -- 100 100

表3  ASTMA123鋼鋅層厚度等級與附著量對應
厚度等級 mils oz/ft2 μm g/m2
35 1.4 0.8 35 245
45 1.8 1.0 45 320
50 2.0 1.2 50 355
55 2.2 1.3 55 390
60 2.4 1.4 60 425
65 2.6 1.5 65 460
75 3.0 1.7 75 530
80 3.1 1.9 80 565
85 3.3 2.0 85 600
100 3.9 2.3 100 705

表4  ASTM A153鍍鋅量
材  料  等  級 最低鍍鋅量
每平方公尺公克(g/m2
試樣品
平均數
任一樣品
A級 鑄造物-可鍛鍛鐵,鑄鋼 610 550
B級
滾壓,壓軋及鍛造
(不包括C級和D級材料)
B-1-厚度在5mm(含)以上且長度超過381mm(不含381mm) 610 550
B-2-厚度在5mm(不含)以下但長度超過381mm(不含381mm) 458 381
B-3-長度在381mm(含)以下之任何厚度物件 397 336
C級 直徑1公分以上(不含)的螺栓、螺帽和類似材料,以及厚度為5mm和6mm以上墊圈 381 305
D級 直徑在10mm(含)以下的螺栓、螺帽、鉚釘、釘子 和類似材料,以及厚度為5mm以下墊圈 305 259
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方便之方法,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(需用鑄件當歸零基材)。
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,就足夠之。
  1. 均勻性
    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。
    均勻性的試驗法,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。
    當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。

  2. 附著性
    鍍鋅層附著性是指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,檢驗法有鎚打法與目視法,可參考CNS 1247熱浸鍍鋅檢驗法。
    鎚打法是以鎚打擊試片,檢查鍍層皮膜表面的狀態。如圖1所示,把試片水平固定之,鎚以支持台為中心,使柄由垂直位置自然落下,以4mm間隔平行打擊5點,觀察鍍鋅層是否剝離以為判斷。但是,距離角或端10mm以內,不得作此試驗,且同一處不可打擊2次以上。

 
圖1  附著性、鎚打法試驗用鎚子

一般,偶有一種錯誤的觀念,為了方便量測附著性而拿兩個鍍鋅鋼材,以邊角互相敲擊並觀察邊角剝落情形作為判斷。此法不能用來判定正常鍍鋅皮膜與鐵基的密合性
附著量、均勻性及附著性,即為一般定義之熱浸鍍鋅品質檢驗的項目,亦是一般正式檢驗報告的標準。相關標準、規範,如表5所示。
表5  熱浸鍍鋅相關標準與規範
1. 中國國家標準 (CNS) CNS 1247 熱浸鍍鋅檢驗法
CNS 4237熱浸鍍鋅螺栓及螺帽
CNS 8503 熱浸鍍鋅作業方法
CNS 10007 鋼鐵之熱浸鍍鋅
CNS 14771 鋼筋混凝土用熱浸鍍鋅鋼筋
CNS 15257 熱浸鍍鋅層損傷及裸點修補
2. 美國材料測試標準 (ASTM) A90Test methods for weight[mass] of coating on iron and steel articles withzinc or zinc coatings
A123 Zinc(hot galvanized)coatings on iron and steel products
A153 Zinc coating(hot-dip) on iron and steel hardware
A325 Structural bolts, steel, heat treated, 120/105ksi minimum tensilestrength
A385 Providing high-quality zinc coatings(hot-dip)
A780 Repair of damaged anduncoated areas of hot-dip galvanized coatings
A767 Zinc-coated(galvanized)steel bars for concrete reinforcement
E376 Practice for measuring coating thickness by magnetic-field or eddy-current (electromagnetic) examination methods
3. 日本工業標準 (JIS) H8641 Hot dip galvanized coatings
H0401 Test methods for hot dip galvanized coatings
4. 國際標準組織(ISO) ISO 1461Hot dip galvanized coatings on fabricated iron and steel articles
ISO 14657 Zinc-coated steel for the reinforcement of concrete
5.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液為最佳,可獲得較均勻鍍鋅層組織。鋼構若太長或太寬,以致須分二次浸鍍作業時,二次浸鍍的接合處之鋅層外觀將會顯得粗糙、太厚等不良現象。另外,鋼構的單重若太重而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,會影響熱浸鍍鋅層的組織、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。如含矽、碳量較高或高張力(強度)鋼材,易於與熔鋅快速地反應,使合金層過度成長而造成灰黑色的外觀,但並不影響其防蝕性能。另外,經淬火回火熱處理的鋼材,若其回火溫度低於熱浸鍍鋅溫度時,經熱浸作業後,易使其強度降低,但若事先注意回火溫度應可避免。
  3. 異種金屬的組合
    鋼材若有與銅、錫、鉛等非鐵金屬的組合,於熱浸作業時,可能會在非金屬鍍不上鋅或因其熔點低而熔解。另外,若鋼構為新舊鋼材或與鑄件組合時,於酸洗作業時因銹反應時間不同而新鋼材或鑄件易酸洗過度。此外,如部份加工構件,加工處(斷面)的酸洗過度亦可能發生。
  4. 鋼材的污染
    鋼構表面如油漆、特殊油脂的污染等,於正常作業中的鹼性脫脂液不易除去,必須使用特殊溶劑清除或用燃燒法、噴砂法等方式去除。這些事法將使鍍鋅成本增加且作業困難。此外,銲接處的銲渣或植釘處陶瓷保護套的清除亦是相當重要的。
  5. 銲接方式
    銲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,如圖2、3所示。


圖2  B板大於200×200mm時採取栓銲接


圖3  熱浸鍍鋅對不同形式銲接的變形難易

  1. 設計上的問題
    鋼結構之設計,是熱浸鍍鋅作業品質成敗之主要因素。其設計之主要原則,為使鋅液在鋼結構內、外部能夠流動順暢。相關圖示,請參閱本網站結構物設計要點。
  2. 結構有可動部之注意要點
    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,以容許鍍鋅層所增加的厚度及防止因鋅液凝固導致相互黏著,如圖4、5所示。


圖4  可動部餘裕1.6mm以上


圖5  螺柱加大0.4mm以上

  1. 變形、歪變之防治
    鋼鐵因加工時所產生之殘留應力,容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。為防止殘留應力釋出而造成變形,可於熱浸鍍鋅前作600℃以上之消除應力退火。另外,設計上應避免不同鋼材厚度之組合,以免因熱脹冷縮不均勻而變形,其組合如表6所示。所有的變形,可於熱浸前增加適當的補強加勁材,以儘可能避免。
表6  銲接相對板厚之極限(單位:mm)
板厚t1 以t1為基準之最大值t2 t1 t2 t1 t2
3 7 12 28 22 50
4 10 13 30 25 55
5 12 14 32 28 60
6 14 15 35 32 70
7 17 16 37 36 75
8 20 17 39 40 85
9 21 18 40 45 95
10 24 19 42 57 100
11 26 20 45    
  1. 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,於熱浸時產生時效應變(strain aging)。(2)抗拉強度(ultimate tensile strength)超過150 Ksi之鋼材,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,尤其是嚴重加工改變形狀時;(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,對熱浸鍍鋅成品品質之影響均很大,但均可事先有效的加以注意、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。亦因鍍鋅層組織不同而無法得到有電鍍鋅那種美觀。熱浸鍍鋅的目的原來就不是裝飾用,主要用在防蝕。因而,品質之判定,可忽略外觀之評定,應以平整實用,不得有妨礙使用或影響壽命之缺陷為主,更不得將鍍鋅色澤、燒灰、白銹等現象作為判定合格之依據。
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,使鋼鐵露出而呈黑點的狀態。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,如圖6所示,故此時可用富鋅(含92%以上鋅)塗料來補修。
    黑點發生的原因大都為前處理不良,或設計上不恰當等,為鍍鋅業者首要克服的技術問題。
圖6  各種大小的未鍍鋅黑點之腐蝕狀況
註:
  1. 此試驗為置於嚴重工業污染區一年之結果。
  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。
  3. 資料來源:澳洲熱浸鍍鋅協會http://www.gaa.com.au/
  1. 燒灰
    這是鍍鋅層中的純鋅層完全轉變成合金層的顏色,主要還是決定於鋼材的材質,特別是含矽量高的鋼材,或Si脫氧的半淨鋼(Si , semi-killeld steel),或噴砂或酸洗過度的鋼材表面粗糙化時,於浸鍍時鋅-鐵擴散反應激烈而易得。另外,冷卻時間及鍍後提升速度控制亦是一大主因。燒灰或合金化的鍍鋅層雖缺乏金屬光澤,但在大氣中的防蝕性及防白銹性,均比光亮的純鋅層好,如表7。況且,亮麗的純鋅層在大氣中放置亦自然會隨時間轉變成氧化鋅而成暗灰色。故不必太在意外觀之光亮度。
表7  在日本各種不同環境之大氣曝露試驗
備註:
  1. 耐用年限指600g/m2之鋅附著量被腐蝕90 %後之時間。
  2. 試驗片使用32mm厚之SS400鋼材。
  3. 腐蝕量單位為g/m2‧每年。
  1. 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,惟須注意不可過度用力敲落,否則會使其整個剝落而露出鋼鐵生銹。較嚴重的鋅垂,會於搬運中撞擊而剝落,而銳利的尖端會割或刺傷手等,所以,能避免則儘量減少其發生,若避免不了,則應儘量保持原態為宜。
  2. 撞痕或傷痕
    形狀複雜或大形鐵件,於鍍鋅冶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,合金層則仍完好無缺。傷痕,一般很難使其完全消失。
  3. 顆粒粗糙
    即鍍鋅層表面生成無數微粒狀凹凸,以手套擦撫有被鉤拉感覺。以商品價值而言是應在意的,但以耐蝕性而言則不大有影響,可利用銼刀輕輕銼平。
    此粗糙發生的原因常為浮渣dross之附著所致。如鑽床的鑽屑在鋅液中脫離形成浮渣附著於鍍鋅層表面,或鑄造品在前處理時所吸藏的氣泡於鍍件取出時成微細氣泡噴出,或脫碳層剝離成鱗片狀時亦會變得粗糙。此時就須鍍鋅業者的技術加以克服。
  4. 殘渣附著
    此為附著鋅液面上的氧化渣或flux化合物而成。此常因操作者之撥鋅灰不良所造成,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。
  5. 局部過厚、顆粒
    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(η+ζ層),或鍍鋅作業條件不良等所致。商品價值雖不良,耐蝕性卻極佳。
  6. 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。
  7. 白銹
    即鋅的光澤喪失,嚴重時生成白粉稱之。主要決定因素仍在鍍鋅成品的儲存方式,若儲放技術不良造成積水或間隙含水將容易產生白銹,建議如圖7方式堆置。另外,鍍鋅產品用重鉻酸鹽處理在鍍鋅層皮膜上會形成鈍態膜,是最有效的防治方法。實時上,白銹對整體鋅層皮膜之耐蝕性並無影響,純屬外觀之視覺感覺。
  8. 鋼材加工痕跡、疊層
    即呈現鬆散、線狀突起、局部剝離等異狀。主要為鋼材在煉製或軋延上的缺陷所致,與鍍鋅作業之技術無關。


圖7  鍍鋅成品儲存時減少積水或淋雨可避免白銹。