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1、熱浸鍍鋅高強度螺栓蔡明達/臺鍍科技股份有限公司副總經理一、前言高強度螺栓（HighStrengthBolt、HighTensionBolt）常用於鋼橋、鋼結構大樓、廠房等工程，但在台灣工程上似乎無統一之名稱，工程上稱呼有高張力螺栓、高拉力螺栓、強力螺栓等，而依據中國國家標準（CNS）則稱為高強度六角螺栓（適用於摩擦接合用）。高強度螺栓作為鋼結構工程之續接，續接部之防蝕處理大多於高強度螺栓栓接鎖緊作業後現場施以噴塗油漆。但是，我們常發現大多數的工程之銹蝕都是從高強度螺栓開始生銹。熱浸鍍鋅，是利用鋅金屬披覆於鋼鐵表面，讓鋅金屬自已慢慢消耗保護鋼鐵不致銹蝕，藉由熱浸鍍鋅防蝕方法的長久耐蝕性而可減少維
2、修次數及費用。熱浸鍍鋅防蝕技術亦可運用於高強度螺栓，利用熱浸鍍鋅作為油漆系統之底漆之一以減少鋼結構續接處銹蝕之情形。二、高強度螺栓高強度螺栓係指其強度較普通螺栓（機械螺栓）為大者。高強度螺栓起源於1934年英國C.Bathos始使用60kgf/mm2螺栓，之後世界各國再以美國為中心開始研究高強度螺栓，而美國於1950年代制定A325標準，鋼骨結構開始使用90kgf/mm2摩擦接合高強度螺栓，1964年完成100公斤級標準。日本，1957年東京Bridgestone大樓增建工程中開始使用高強度螺栓，而其螺栓鋼材係採用S35C-S50C碳鋼。以日本工業標準（JIS）而言，普通螺栓的抗拉強度為4OO
3、N/mm2以上，而高強度螺栓之抗拉強度1.第一種F8T抗拉強度為8001,000N/nim22.第二種F10T抗拉強度為1,000l,200N/mn?3.第三種FlIT抗拉強度為1,2001,300N/mm2，其抗拉強度較普通螺栓高2-3倍。國內高強度螺栓大致可分美國與日本系統兩種，美國系統主要以ASTMA325及A490為主，而日本系統則以JISB1186及CNS11328之F8T及F10T為主，其鋼種材料除ASTH有對材料成分做明確規定外，其餘則是各家廠商自行選用鋼種，但鋼種仍以為硼鋼、中碳鋼、耐候鋼等為主。高強度螺栓之機械性質，如表一所示，JISF8T之F表示摩擦接合用、8表示抗拉強度8
4、0100kgf/伽十、T為抗拉強度。三、高強度螺栓的銹蝕與延遲破壞日常生活中，鋼材或鋼結構生銹似乎是很平常的事，尤其是無油漆的狀態下特別顯著。鋼鐵生銹（腐蝕）是一種電化學反應的現象，只要在表面有電解質水溶液存在/加上陰陽極反應就形成腐蝕的現象。以鋼結構（鋼鐵）為例，當鐵發生氧化反應（陽極反應）形成鐵離子溶解在水中，同時溶解在水（或水膜）中的氣氣會獲得鐵金屬氧化所釋出的電子後而發生還原反應（陰極反應）產生氫氣根離表一高強度螺栓機械性質國家標準種類直徑（英吋）降伏強度kgf/mm抗拉強度kgf/mm伸長率（%）斷面收縮率（）硬度HRCASTMA3251/2-164.4以上84.4以上25-34A4
5、901/4-11/291.0以上105-119A4491/4-164.4以上84.4以上JISB1186F8T64以上80-10016以上45以上18-31F10T90以上100-12014以上40以上27-38(F11T)95以上110-13014以上40以上30-40CNS11328F8T64以上80-10016以上45以上18-31F10T90以上100-12014以上40以上27-38(F11T)95以上110-13014以上40以上30-40註：（F11T）表示儘量避免使用子/這種現象就是腐蝕、生銹。同樣，鋼結構在有油漆保護狀態下，由於油漆老化龜裂或邊角因表面張力關係造成保護性不佳而
6、開始生銹，尤其是螺栓接合部份之螺栓，因螺栓表面油漬去除不完全、噴塗角度不佳或膜厚不足而容易生銹，如圖一/若再不注意未及時修補則更如嚴重，形成如圖二之嚴重情形。圖一螺栓表面油漆保護有缺陷而容易生銹圖二螺栓未即時補修而導致螺帽生銹開花鋼構或螺栓生銹，除受濕度、水分影響外，亦受大氣中氮離子、硫酸根離子、風向、交通狀況、環境變遷等影響，例如鋼結構位置距離海邊遠近不同而受到海上吹來的海鹽粒子影響不同，則對鋼結構螺栓生銹影響就不同，表二為海岸距離與鋼鐵生銹速率關係，由表中得知鋼結構離海邊越近鋼材生銹就越容易、嚴重。鋼結構之栓接工作都在工地現場且大部分在高空中作業，雖然鋼結構或高強度螺栓一般皆受油漆保護，但
7、常因油漆表面張力、噴塗角度、前處理不佳、油漆間隔時間不足、濕度、氯離子濃度高等因素而造成油漆缺乏保護力。表二海岸距離與鋼鐵生銹速率離海岸距離生銹速率(mil./年)備註50碼37.7mil.為1/1000英吋。生銹速率為無黑皮鋼材於1年中損失之厚度。200碼17.9400碼2.21300碼1.637英哩0.2延遲破壞(delayedfracture)*為高強度鋼在負荷狀態(一般為拉應力)下長時間使用中突然斷裂破壞，也可說是應力腐蝕破壞(SCC，StressCorrosionCrack)的一種，尤其常發生於鋼結構接合用之高強度螺栓，如圖三及圖四。延遲破壞，是從損傷、螺牙、腐蝕處等應力集中地方開始
8、產生微小裂縫而慢慢延伸，然後突然斷裂其發生的過程如圖五所示。日本鋼構造協會亦於1968年至1972年針對高強度螺栓進行延遲破壞的暴專試驗以了解螺栓破壞的位置，結果如圖六所顯示，螺栓斷裂處不管是濱海工業區或田園區環境都是以螺牙之頂部處斷裂最多。高強度螺栓，是由鉀釘逐漸發展出來的，由於鉀釘需要現場熱缎高超技術且容易產生噪音，加上鋼結構物大型化續接處需要更強的接合強度，所以日本高強度螺栓於1954年開發非調質型60kg/mm2級螺栓，分別於1956、1962年開發出8T及11T隨後於1964年發展出13T高強度螺栓，並於1964年制定JISB1186摩擦接合用高強度六角螺栓、六角螺帽及平墊圈組件標準
9、。1964年日本制定為標準之同時，日本橋梁也於當年開始使用F13T高強度螺栓（F13T於1967年改版時廢止）。但是，不幸的是高強度螺栓竟然於F13T級使用幾個月後即發生延遲破壞的情形，並且於1973年（昭和48年）道路橋示方書中明確禁止使用F13T高強度螺栓。日本於禁止使用F13T高強度螺栓後，工程採用F11T螺栓的案例及數量逐漸增多，雖然F11T級螺栓之抗拉強度介於110-130kg/mm2之間而有20kg/mm2_k下限範圍。但是，自1977年以後F11T螺栓仍有部分發生延遲破壞之案例，所以，於1979年JISB1186再次改版時雖然未將F11T廢止但仍建議盡量避免使用F11T。圖三螺栓
10、延遲破壞由牙部斷裂圖四螺栓延遲破壞由頸部斷裂四、熱浸鍍鋅高強度螺栓熱浸鍍鋅，是鋼結構在大氣中良好的防蝕方法，也可以當作油漆的底漆以供鋼結構作為雙重防護的油漆系統。因此，熱浸鍍鋅也運用在鋼結構方面，也是高強度螺栓防護方法之未來趨勢。熱浸鍍鋅，顧名思義是在較高溫的狀態下進行鍍鋅作業，利用鋅金屬加高溫使鋅金屬成為液體狀態，再將鋼構或高強度螺栓浸入鋅液中，使鋅金屬自然擴散附箸於鋼構或高強度螺栓上。由於是在較高溫度下進行，所以常令使用者或工程人員誤以為因此而會影響高強度螺栓之機械性質，其實不然，熱浸鍍鋅處理溫度450500C將不會影響常用的高強度螺栓及鋼構之機械性質，如表三及表四。況且，高強度螺栓經熱浸
11、鍍鋅處理後之鍍鋅層有隔絕作用，可防止氫氣被高強鍍螺栓吸收而產生延遲破壞，較其他未經任何處理之高強度螺栓可抗拒氫脆化。其他防蝕處理方法同樣具有隔絕作用，但是熱浸鍍鋅較其他防蝕具有更長期之防蝕能力，熱浸鍍鋅高強度螺栓之鋼材會延遲被腐蝕的時間而更延遲高強度螺栓吸收氫產生氫脆化而造成延遲破壞，如圖七。同時，熱浸鍍（窗材成分、組織効聚）X.銳脆化敏或性圖五高強度螺栓行程延遲破壞的過程他防蝕方式會產生邊角因表面張力覆厚度，反散附著而於邊角上附著層。因此，強度螺栓不開始生銹。鋅相較於其於邊角處不效應，不會關係降低塗而因鋅是擴高強度螺栓較厚之鍍鋅熱浸鍍鋅高會於邊角處圖六高強度螺栓延遲破壞試驗H.0X.鍍鋅層、
12、圖七熱浸鍍鋅層可抗拒氫脆化表三熱浸鍍鋅A325高強度螺機械性質直徑(mm)材料抗拉強度(kgf/inm2)心部硬度(HRC)規定84.4以上25-34A3257/8”UNCx2100B35鍍鋅後100.530.5表四熱浸鍍鋅F8T與F10T高強度螺栓機械性質直徑(mm)降伏強度(kgf/mm2)抗拉強度(kgf/mm2)伸長率(%)硬度(HRC)斷裂位置F8TM22x80規定64以上80-10016以上18-31鍍鋅前82.38&521.927.3螺紋鍍鋅後81.88&521.925.5螺紋F10TM22x80規定90以上100-12014以上27-38鍍鋅前106.6113.719.834.
13、8螺紋鍍鋅後101.7107.522.931.7螺紋高強度螺栓經熱浸鍍鋅處理時ASTMA325CM)之品質要求依其內文之規定為依照ASTMA153之C級381g/m2辦理，而F8T之品質要求則依照CNS10007第2種HDZ55之550g/m規定辦理，但由於A325CM)之附著量品質要求較低而須提高時亦可參照CNS10007第2種HDZ55之550g/m2規定辦理。雖然，熱浸鍍鋅處理時溫度並不影響高強度螺栓之規定機械性質，但為提高安全係數因素下目前只建議採用A325(M)、F8T高強度螺栓，而在螺栓製作商未研究出新鋼材前暫不建議A490CM)或F10T高強度螺栓經熱浸鍍鋅處理。熱浸鍍鋅高強度螺
14、栓之組合搭配方式則參照表五及表六，A325CM)高強度螺栓搭配A563(或A194)螺帽與F436墊圈，F8T高強度螺栓則搭配F10螺帽與F35墊圈。至於栓接時栓接部位之熱浸鍍鋅續接版與熱浸鍍鋅構件接觸面區域皆需打粗處理，力求續接面之摩擦係數達0.33以上。打粗處理係利用噴砂或鋼刷研磨將鍍鋅層表面打粗，而並非將鍍鋅層全部噴除。另外，栓接時熱浸鍍鋅構件之螺栓孔徑應需考慮螺栓孔徑因鍍鋅層而縮小孔徑及螺栓鍍鋅層加大直徑，因此螺栓孔徑應較無鍍鋅構件者加大0.5mm。表五熱浸鍍鋅ASTMA325螺栓組合螺栓螺帽墊圈A325typel（英制）A563DHF436A1942HA325Mtypel（公制）A563M10SF436M註：品質要求依照ASTMA153之C級381g/m2辦理。表六熱浸鍍鋅F8T螺栓組合機械性質種類扭矩係數(k)螺栓螺帽墊圈1種人種（0.110.15）F8TF10F35註：品質要求依照CNS10007第2種HDZ55之550g/m2辦理。現代大樓都在追逐超高層鋼材的使用也朝厚板化、高強度化、耐震等，相對地在接合方面也希望能朝螺栓更高強度及數量減少方向，但是前述高強度螺栓之強度等級越高時越會產生延遲破壞的現象，所以對鋼構的發展似乎會遇到阻力。日本為克服F11T以上高強度螺栓發生延遲破壞現象，已與煉鋼公司合作研發新材料降低氫氣之吸收，
