漫談熱浸鍍鋅

劉澤山  技師

熱浸鍍鋅是利用鋅與鐵的電位差形成所謂犧牲電極，鋅先氧化，從而保護鋼鐵材料不生鏽。而且在鋼鐵浸入融溶的鋅的過程中(又稱鋅浴)，融溶的鋅與鐵原子逐漸交換成為介金屬，以金相而言，由內而外分為：Gamma(Γ)、Delta(δ)、Zeta(ζ)、Eta(η)等四層(照片1)，其中Γ層含有約25％的鐵，但此層很薄，有時幾乎看不到；δ層含有10％的鐵；ζ層則剩約6％；η層則為純鋅層，是熱浸鍍鋅後鋅液滴除後仍附著的鋅。除了η層外，其他三層的硬度都比鐵高(如表1)，再加上電位差，因此熱浸鍍鋅的鐵材縱使表面有刮傷，在3.2mm以下時，仍有保護的能力[5]。而當表面鋅層消耗殆盡，到了含鐵成分的其他層時，雖局部會有產生類似紅銹的東西，但仍不會嚴重的銹蝕。

熱浸鍍鋅的厚度與溫度，和鋅浴時的流動性、時間長短，有一定的關係。但由於鐵原子逐漸與鋅互換的結果，到了一定時間厚度便不易再增加。另外厚度也與材料本身的矽(Si)與磷(P)成分有很大的關係。根據桑德林(Sandeline)博士的研究，當矽含量在0.06~0.10wt%或大於0.25wt%時，將導致鋼材在熱浸鍍鋅的過程中反應性遽增，導致鋅層厚度約為正常厚度的三倍，外觀上暗無光澤且有粗糙的斑點並且容易剝離，又稱之為反應性鋼材。這是因為δ層被抑制，ζ層大量的增加所致[4]。至於磷的效應，則可以矽當量計算[Si]eq=[Si]+2.5[P]。另外如果碳含量大於0.25％，或錳含量超過1.3％也都有增厚的現象[1]。為了減輕桑德林效應，在鋅浴中添加微量的金屬元素如鋁(Al)、鎳(Ni)等，或其他增加流動性的少量元素，可以減輕桑德林效應的影響(如圖1)。另外融溶的鋅本身有表面張力，存在有2.38mm(3/32英吋)以下的縫隙時，鋅將無法進入，但前處理的硫酸或鹽酸等酸液，卻很容易進入縫隙中，造成汙染。因此所有的填角銲道，都要注意端部繞銲的動作，以避免縫隙的產生。

談到熱浸鍍鋅，如果以歐美的經驗來說，熱浸鍍鋅號稱可以保護鋼材數十年至上百年之久。但是在台灣有鹽害加上海風的吹拂下，也有橋樑才使用十年就開始生鏽的。根據交通部運輸研究所「 2015年臺灣大氣腐蝕劣化因子調查研究資料年報」，台灣每年的鋅腐蝕速率仍是相當的驚人的。又鍍鋅層的表面，鋅層氧化後產生俗稱鋅白的一些氧化物在表面，在作為外露面使用上並不十分美觀。為了抵抗海風、沙塵磨蝕的效應，因此在鍍鋅層的外面，再加上一層保護的油漆，成為目前的一種趨勢。

但是熱浸鍍鋅的表面是一層軟層，漆膜的附著是一個很重要的關鍵。因此油漆廠商開發了一種可以在鋅層表面附著的漆稱之為合金底漆。在合金底漆外，再塗上適環氧樹脂漆或耐候性的PU面漆噴塗。根據ISO 12944-5，噴塗二道約120μm對於C4等級的環境，就有很好的防護性能[7]。當然如果不使用合金底漆的話，上漆前先將表面的軟鋅適當的處理，也是可行的方法。一般依油漆廠商建議值，將表面粗糙度處理至25~75μm間，然後塗上環氧樹脂底漆，以及其他適合的面漆。處理方式主要以非金屬砂料作掃砂(低壓力之噴砂)的動作，或使用電動工具、砂紙等磨粗。國外常見的還有使用蝕刻底漆於鍍鋅面上，然後再塗上其他底漆的。

熱浸鍍鋅由於鋅經銲接會產生有害氣體，且不易起弧，為了局部能不鍍鋅，一般要用防鍍劑或用環氧樹脂油漆，鍍鋅後環氧樹脂會燒蝕，然後以砂輪機磨除。

鋅為軟金屬，在螺栓接合面的鋅會使摩擦係數變小。若接合面不做處理的話，並不適合直接使用為摩擦型態的螺栓連結[6]。所以若不是設計承載型鏍栓時，螺栓接合面的鋅就須加以掃砂處理或手工以鋼刷研磨方式，以使摩擦係數提高。在RCSC的規範中[8]，禁止以動力機械研磨的方式作為螺栓的接合面。另外由於螺牙會附著鋅液導致無法穿鎖或螺母無法鎖固的問題，螺栓的附著量，最多只能到CNS 10007的 HDZ B等級而已，並無法太高。因此螺栓接合處，常是鍍鋅防蝕上的弱點。在設計時，應加以適當的考慮[2]。另外縱使克服了摩擦係數的問題，熱浸鍍鋅螺栓連同構件之貼合面，累計有8個面有鋅層，厚度可達0.5mm，考慮軟鋅層的蠕動(creep)現象，導致鎖緊軸力的降低。因此使用非扭斷型螺栓鎖固後幾個小時，要再追加鎖緊約20度左右較佳[9]。

參考資料

　1.「Standard Practice for Providing High-Quality Zinc Coatings (Hot-Dip」,ASTM A385, 2003.

　2.劉澤山 (2018)。「鋼結構施工」。

　3.劉澤山（2017）。「簡介鋼結構防蝕塗裝規範ISO 12944」，技師報，1084期。

　4.「王光國（2018）。「矽含量與其他合金元素對批式熱浸鍍鋅層結構的影響」。熱浸鍍鋅會刊。

　5.「Galvanizing-2015」International Zinc Association,2015.

　6. 劉澤山（2015）。「扭矩控制型之A325螺栓不能熱浸鍍鋅」，技師報。973期

　7.「Paints and varnishes—Corrosion protection of steel structures by protective paint systems」ISO 12944，2007.

　8.「Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts」RCSC 2014.

　9.「BOLTED CONNECTIONS WITH HOT DIP GALVANIZED STEEL MEMBERS WITH PUNCHED HOLES」G. Valtinat, H. Huhn, Connections In Steel Structures V-Amsterdam June 2004. 

表1 熱浸鍍鋅各層的名稱與成分

照片1 熱浸鍍鋅的剖面照片[1]		圖1  添加其他合金成分對桑德林效應的影響[4]