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1、1五、熱浸鍍鋅 (Hot Dip Galvanizing) 熱浸鍍鋅是將鋼鐵含浸於熔融的鋅液中，以鍍上一層鋅。鍍層是由純鋅與鐵-鋅合金組成的複合鍍層。 應用： 曝露在大氣與某種液體的環境中，需要耐腐蝕處理的大部份鋼鐵件。 1. 製程 工業上的熱浸鍍鋅製程可分成兩種：分批浸鍍製程與連續浸鍍製程 1.1 分批浸鍍製程 1) 應用 應用在成型物件，如螺拴，螺帽，鋼構，燈桿等。 2) 作業流程 物件在適當的表面清潔並浸助熔劑（Flux）之後，將物件浸入熔融的鋅液中。流程如下所示： 物件 噴砂 脫脂 水洗 酸洗 水洗 助熔劑 烘乾 熱浸鍍鋅 水淬 i) 噴砂：清除嚴重腐蝕的工件表面鐵鏽、鑄件黑皮、銲渣
2、ii) 脫脂:一般使用加熱的氫氧化鈉水溶液（6070）清除油脂的污染物。 iii) 酸洗:利用鹽酸或硫酸水溶液清除表面氧化物。 iv) 助熔劑：一般使用的助熔劑是ZnCl2-NH4Cl水溶液。ZnCl2含量在70左右會形成共晶組成，其融點約在150，在350左右則會發生氣化；(NH4)2ZnCl4 會產生鹽酸以達到清潔表面的目的。 v) 預熱：目的是乾燥助熔劑以避免噴濺。 vi) 熱浸鍍鋅：將塗有助熔劑的物件含浸在450520的鋅液中。為了控制鋅鍍層的表面型態，會添加鋁在熔融的鋅液中，或是添加鉛以延緩散熱速度。鋅液氧化或鋅與鐵於浸鍍反應時，會在熔融鋅液表面生成一層浮渣，在浸鍍之前須將浮渣清除。
3、 vii) 水淬：目的是加速鍍層固化與冷卻物件，使物件在製程中方便運輸。另外可抑制鋅鍍層的氧化。 1.2 連續浸鍍製程 1) 應用 連續浸鍍製程是應用於鋼捲或鋼線熱浸鍍鋅，鍍鋅鋼捲通常會再經切割以進行加工。 2) 作業流程 物件 還原退火 熱浸鍍鋅 氣刀噴拭 退火（Galvanneal） 整平 冷卻 i) 還原退火：將鋼捲運送經過溫度200400且含有氫氣/氮氣保護還原氣氛的加熱爐，使鋼捲表面油脂蒸發，氧化物被還原而達到清潔的效果，以便進行熱浸鍍鋅。 ii) 熱浸鍍鋅：將表面潔靜的鋼捲含浸經過熔融的鋅液。在含浸過程中會在鋼捲表面鍍上一層鋅。 iii) 氣刀噴拭：熱浸鍍鋅後的鋼捲，大部分的表面鋅
4、鍍層仍保持在液相的狀態，而使用氣刀噴拭可增加鍍層表面的平整性，又可控制鍍層的厚度。有時也會在噴出氣體中加入鋅粉，以控制鍍層的微結構與抑制表面鋅花，鋅花過度成長會影響外觀及後續加工。 iv) 退火(鍍鋅退火)：一種退火機制，鍍鋅退火可控制氣刀噴拭後鍍層的結構。未經鍍鋅退火的物件，鍍層會形成多層結構，其中的相鍍層與z相鍍層非常軟，經加工時易有粉屑產生。而經鍍鋅退火的物件，其相與z相鍍層會轉變成硬度較大的d相鍍層，易加工成形且避免粉屑問題。鍍鋅退火的處理溫度約在550左右，但處理時間很短。 2. 鍍層的形成 2.1 鐵鋅反應 從鐵鋅二元相圖中可知，熱浸鍍鋅鍍層從表面的純鋅到鋼材依序會形成（六方最密堆
5、積），（單斜），（六方最密堆積），（立方）等不同的相，這是熔融的鋅在鋼材表面冷卻時，因相互擴散而形成的多層鍍層；不同相的硬度分別是：70 DPN，：179 DPN，：244 DPN，而一 般碳鋼的硬度則是159 DPN。 2.2 影響鍍層成長的因素 影響鍍層成長的因素有鋅液的溫度，浸鍍時間，基材厚度與基材的組成。在長時間反應中，不同相的成長速率如下: ；但若是短時間反應時，相鍍層的成長速率會大於相鍍層的成長速率。而最外層的純鋅鍍層（相）的厚度則與物件脫離熔融鋅液的速度有關，當脫離的速度較快，純鋅鍍層（相）的厚度會較厚。 1) 鋅液的溫度 鍍層成長速率一般與鍍液的溫度成比例。但是在500時鋅與鐵
6、會產生異常快速的反應。 2) 浸鍍時間 鋅鍍層通常是隨著鋅與鐵之間的擴散機制而成長。 3) 基材的厚度 鍍層的厚度會受基材的厚度所影響。太薄的基材上無法析鍍出厚的鍍層。因此欲析鍍出厚的鍍層需考慮基材的厚度。舉例來說，ASTM A153在厚度上的要求如下g/m2（盎司/英吋2）： 表5-1 ASTM A153在基材厚度上的要求 表5-1 ASTM A153在基材厚度上的要求 材料種類 鋅鍍層最小 平均附著量 任何單一試樣 A種類 鑄件可鍛造用鐵，鋼 610(2.00) 550 B種類 滾壓,鍛煉的物件 B-1 厚度大於或等於3/16英吋(4.76公釐)，長度要大於15英吋 (381公釐) 610
7、(2.00) 550 B-2 厚度小於或等於3/16英吋(4.76公釐)，長度要大於15英吋 (381公釐) 458(1.50) 381 B-3 厚度不限，但長度要小於15英吋 (381公釐) 397(1.30) 336 C種類 扣件的直徑要大於3/8英吋 (9.52公釐)，墊圈的厚度約3/16 與1/4英吋 381(1.25) 305 D種類 鉚釘，釘子等的扣件直徑要小於或等於3/8英吋 (9.52公釐)，墊圈的厚度約3/16英吋（4.76公釐） 305(1.00) 259 4) 基材的成份 除了矽與磷外，大多數的基材元素不會影響熱浸鍍鋅鍍層的微結構與成長。當矽與磷的含量介於下列兩者之間，鍍
8、層的成長速率會急劇增快： 0.025% Si % + P%0.12% 此稱之為Sandelin效應。這兩種元素，特別是矽，會影響鍍層的微結構而形成Fe36Zn50Si14化合物。此種化合物會在與相內形成，或是在與相界面形成而導致疏鬆結構，對於鐵與鋅的擴散沒有任何的阻礙效應，使鍍層成長較一般的多層結構快速，使鍍層不再顯現多層的結構。鍍層的異常成長會促使表面的純鋅鍍層與鐵反應生成合金，使鍍層的表面產生”燒焦”或灰黑的現象。 3. 耐蝕行為 熱浸鍍鋅鍍層對於鋼鐵基材，提供了阻隔保護與犧牲保護。阻隔保護效應是將鋼鐵基材與腐蝕環境隔離。犧牲保護效應，是當鋅鍍層與鋼材接觸時，鋅鍍層較容易腐蝕；對鋼鐵基材而
9、言，鋅鍍層是為陽極。熱浸鍍鋅鍍層的腐蝕特性與環境有關，敘述如下： 3.1 酸鹼值的影響 鋅鍍層的腐蝕速率在中性或微鹼性的環境下最低，在pH12的環境下會快速增加。 3.2 溫度的影響 當溫度提高到70時，腐蝕速率會非常快；約是常溫下的20000倍。 3.3 有機的環境 在下列的環境下不可使用熱浸鍍鋅：含酒精的溶液、飲料、水性墨汁、殺蟲劑、有機潤滑劑 3.4 大氣的環境 海邊與工業區的環境對熱浸鍍鋅鍍層是有害的。腐蝕速率比如下：(ASTM Committee B-3)工業區：海岸區：鄉村區：乾燥區=36.0 (6.3m/yr)：8.3 (1.5m/yr)：6.0 (1.1m/yr)：1.0 (0
10、.2 m/yr)。因此在不同環境下鍍層的需求量，可以對照列出。鍍層的量相同時，鍍層的壽命與環境有關。一般年限使用排列如下：鄉村區熱帶海岸區溫帶海岸區郊區中度工業區重工業區。 3.5 腐蝕產物的阻隔效應 鋅的活性非常大，很容易反應生成腐蝕物。然而，鋅鍍層的氧化物或碳化物密度大，且對鋅鍍層有很好的附著力，另外亦是鍍層良好的腐蝕阻礙層。此腐蝕阻礙層降低了鋅鍍層的腐蝕速率，使長時間的平均腐蝕速率降至非常低。相對地，碳鋼的腐蝕產物是多孔的如海綿一樣，此腐蝕產物會加速碳鋼的腐蝕速率；碳鋼與鋅的腐蝕速率比較如表5-2：表5-2 碳鋼與鋅腐蝕速率的比較 環境 鋼鐵腐蝕速率：鋅腐蝕速率 沙漠 17 田園 22
11、工廠近郊 28 工廠 52 海邊 80 Source: H. Guttman, Metal Corrosion in the Atmosphere, ASTM STP 435. 熱浸鍍鋅鍍層的腐蝕行為可依據潛伏，反應與保護週期來說明。對長時效的鍍層而言，保護週期較為重要。 3.6 混凝土中的耐腐蝕性 混凝土是屬於高鹼性的環境。然而，在混凝土中產生的腐蝕產物 CaZn(OH)x，對於鋅鍍層而言，是高密度的保護層。因此，熱浸鍍鋅鍍層對混凝土中的鋼鐵可產生極佳的耐蝕保護層。 3.7 犧牲保護 鋅的氧化還原電位較鐵高，當鋅與鐵接觸時，就會產生賈凡尼電位（Galvanic Potential），使鋅成為
12、陽極，鐵成為陰極，因此，鋅較鐵容易氧化，而鐵因鋅的接觸，不會產生腐蝕的現象。在鋼鐵表面鍍上鋅，鋅可說是鋼鐵的腐蝕犧牲物，避免鋼鐵產生腐蝕現象。鋅鍍層有效的陽極保護區一般約為3 mm 的直徑範圍。 3.8 與塗料結合的雙重覆層 熱浸鍍鋅可與油漆塗層合併形成雙重覆層，提供鋼材更好的防蝕保護。雙重覆層會有增效作用。在上油漆塗層之前，鋅鍍層需適當的前處理，一般是先以磷酸鹽皮膜處理，使鋅鍍層表面形成一層含磷的皮膜層，此含磷的皮膜層，對有機塗料而言，是一層很好的底塗層。 4. 鋁鋅鍍層 4.1 鍍層的成分 鋁-鋅鍍層比熱浸鍍鋅鍍層的耐蝕性佳。一般常見鋁鋅鍍層的組成包含：5Al-Zn 與55Al-Zn；5A
13、l-Zn是鋁-鋅合金的共晶組成系統，商業上稱為Galfan，55Al-Zn則稱為Galvalume或Zincalume。 目前鋁-鋅鍍層僅使用於連續式析鍍的產品，分批式浸鍍製程則有助熔上的困難。由於鋁會與ZnCl2-NH4Cl形成氯化鋁，故ZnCl2-NH4Cl助熔劑並不適用。商業上，55Al-Zn會再添加約1.5%的矽，以避免生成鋁-鐵的介金屬化合物如：FeAl2，FeAl3與Fe2Al5，這些介金屬化合物會影響後續的加工製程。 4.2 耐蝕性 5Al-Zn與55Al-Zn鍍層耐蝕性均比一般的鋅鍍層好；這兩種含鋁的鍍層的耐蝕壽命約是一般鋅鍍層的兩倍，且特別適用於海岸區與含硫的環境中。 5Al
14、-Zn鍍層有富鋁與富鋅的薄層共晶結構，而腐蝕電流密度在薄層附近會比較低，使腐蝕物在薄層共晶結構處生成，且腐蝕物的生成會延緩鍍層的腐蝕。 鋁鋅鍍層與一般的鋅鍍層不同，其並不適用於鹼性的環境。鋁鋅鍍層與混凝土間生成的腐蝕產物呈多孔的型態，無擴散阻礙的效果。除此之外，腐蝕產物的鋁含量較高，其會降低熱浸鍍鋅鍍層的保護效應，因此在混凝土中55Al-Zn 鍍層的保護效果會較5Al-Zn與一般鋅鍍層差。參考資料 圖5-1 熱浸鍍鋅工程圖例圖5-1 熱浸鍍鋅工程圖例 工件 噴砂 鹼洗 水洗 酸洗 水洗 助熔劑 烘乾預熱 熱浸鍍鋅 圖5-2 連續式熱浸鍍鋅圖5-2 連續式熱浸鍍鋅圖5-3 熱浸鍍鋅層橫截面金相組織(6)圖5-3 熱浸鍍鋅層橫截面金相組織(6)圖5-4 鐵-鋅平衡相圖(1) 圖5-4 鐵-鋅平衡相圖(1) 1
