淺談熱浸鍍鋅層發生剝落的現象

劉澤山  技師

當高爐煉出生鐵後，在冶煉鋼的過程中，為了進一步的將含碳量降低，會在鐵水中插入吹管，作吹氧的動作，使氧與碳結合成二氧化碳而消除多數的碳。但同時也會在鐵水中造成很多其他的氧化物，例如氧化鐵等。而後在澆鑄鋼錠時，氧化鐵在高溫下，又會再與碳反應，生成一氧化碳與鐵，由於一氧化碳逸出而呈沸騰狀，故稱之為沸騰鋼(Rimmed Steel)。沸騰鋼成分較不穩定，容易有偏析的現象，於是在煉鋼的過程中為了脫氧，一般普遍都加了矽的成分，而成為性質較穩定、含碳量甚低的鎮靜鋼(Killed Steel)，或半鎮靜鋼(Semi-killed Steel)。

在實務上，鋼結構使用的合金鋼，一般都是由鎮靜鋼製成居多。但為了製成鎮靜鋼，加入了大量的矽後，導致一般結構用的鋼鈑或型鋼，含矽量普遍都在0.25%、甚至在0.3%以上，引致熱浸鍍鋅中有名的桑德林效應的問題[1、2]。由於桑德林效應，造成鍍鋅層的厚度過厚，進而發生容易剝離的現象。

熱浸鍍鋅施作的程序為[4]：1.脫脂：利用氫氧化鈉溶液在60〜100℃的溫度下，去除構件之油脂或防鏽油等。2.酸洗：將脫脂後的構件用水洗淨後，利用10~15%的鹽酸(常溫)或硫酸(50~60℃)去除工件表面銹皮。3.助鍍劑：洗淨工件表面殘留之酸液後，浸入氯化鋅及氯化銨的混合溶液中，可避免水氣附著，生成皮膜暫時防銹，並利於鍍鋅。4.熱浸鍍鋅：以一般含量98.5％的鋅，在450℃左右，將構件浸入作熱浸鍍鋅的動作，又稱鋅浴。熱浸鍍鋅後其微觀照片如照片1[3]。

一般熱浸鍍鋅時，鋅層厚度並不會隨浸鍍時間的增加而一直加厚(非線性關係)，但當鋼鐵成分中的活性矽含量到一定的程度時，Zeta(ζ)層厚度，會隨浸鍍時間的增加而一直加厚(線性關係)，最後由於ζ層太厚而變得容易剝落[1](如照片2所示)。同時，桑德林效應也成為常見到鍍鋅廠熱浸鍍鋅品質不良時的理由。但如前述，既然一般結構用的鋼鈑或型鋼，含矽量普遍都偏高，目前要改變煉鋼廠的製程，似乎並不可能，因此如何對鋼構造去熱浸鍍鋅，就成為一個需要監工與鍍鋅廠，小心操作與控制的技術問題。

要控制熱浸鍍鋅的厚度，在一般條件下，須注意幾樣事情：

　1. 助鍍劑的濃度：助鍍劑一般控制濃度，在200~400 g/L的範圍內，濃度太高(400~500g/L)時，表面鹽膜過厚不易乾透，也容易造成鍍層過厚現象。相反的，一般在鋅浴中，常添加一些鋁，以減少鋅白的產生，並增加表面之光亮程度。但若含鋁量過多時，鋁會與氯化銨形成AlCl₃，阻礙了鐵-鋅反應，造成不鍍的問題。

　2. 熱浸鍍鋅的溫度：如圖1所示，一般狀態下鋅浴的溫度越高，鍍層厚度越厚。但溫度高於530℃以上時，也就是一般所謂的高溫熱浸鍍鋅時，這時ζ相消失而δ相穩定成長，因此是可以抑制桑德林效應的最有效方法。可是由於溫度一高，鐵溶解於鋅溶液的速度就加快很多，因此造成很多技術面上的問題。例如，鍍鋅槽須採用如陶瓷類等特別材質製造之鋅浴槽；並且加熱方式也受到影響，例如須由上面加熱或採用特殊材質之加熱管。所以只有少數歐美國家的鍍鋅廠有使用。國內在目前的設備下，則須注意鍍鋅槽不可有局部溫度過高的現象，並盡可能採用較低溫度作熱浸鍍鋅，以降低桑德林效應。

　3. 熱浸鍍鋅的時間：如前述當活性的矽含量增加時，適當的減少鋅浴的時間，可以讓ζ層來不及增加，而降低桑德林效應的問題。

　4. 構件從鋅浴中提出的速度：構件除了要保持先浸入的部分要先提出的原則，以免先浸入的部分鋅浴時間過久以外，構件提出的速度須配合鋅液流動的速度。速度過快，將導致表面之自由鋅層來不及流掉，致使鋅層厚度增加且不均勻。但除去以上原因，矽含量高之鋼材，提出的速度仍是越快越好。

　5. 鍍鋅後構件的冷卻速度：當構件在約450℃的鍍鋅槽取出後，冷卻的時間中，只要溫度足夠，ζ層仍在繼續的生長。當生長至表面，也就是將純鋅層η層耗盡，表面會產生灰暗的ζ層顏色的斑點或紋理。因此將冷卻的速率加快，將有益於抑制ζ層的生長。

　6. 鋅浴中添加其他金屬：如圖2所示，在鋅浴中添加如鎳、鋁或錳等元素時，可以降低桑德林效應之影響。但由圖2可知，在0.06~0.10%的矽含量時較為有效，當矽含量大於0.25%以上時，效果似乎沒有特別顯著。目前則有研究指出，除鎳以外另外添加了錫，對大於0.3%的含矽鋼，也有抑制的效果。

　7. 構件堆疊的時機：當構件尚未完全冷卻，也就是合金反應還在進行中，這時為了種種原因，例如堆置區域不足或趕工需要，就將構件搬運堆疊，造成鐵-鋅合金層，因碰撞、上層擠壓、構件承重變形等，造成合金層之局部剝離。縱使反應完成，只要合金層達到一定厚度，都可能因碰撞發生局部剝離的情形。

　8. 鍍鋅前構件預熱：根據研究顯示[5]，桑德林效應與鋼材表面的矽含量有關。但矽有兩種型態存在於鋼中，一種是鐵-矽化合物的形式，另一種則是SiO₂的形式，研究顯示：SiO₂並不會增加活性，因此在酸洗後加以適當的預熱，可以使鋼材活性降低。

由於一般鋼構規範，對熱浸鍍鋅層的厚度要求較高，且並未規定厚度之最大值。因此只要鍍鋅層未發生剝離的問題，一般都還不至於有拒絕接受的情形發生，因此感覺問題還不算嚴重。但一旦發生剝離之問題，鋼材的桑德林效應，不應是唯一的理由。因為如果桑德林效應是無法避免的問題，鋼結構在熱浸鍍鋅施工時，更應特別謹慎去檢核、控制各項參數，以達到我們需求的品質。

參考資料

〔1〕劉澤山（2019）。「漫談熱浸鍍鋅」。技師報，1170期。

〔2〕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。

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

〔4〕劉澤山( 2018)。「鋼結構施工」。

〔5〕盧錦堂、許喬瑜、孔綱（2017）。「現代熱浸鍍技術」。機械工業出版社，北京。

照片1  熱浸鍍鋅的剖面照片[3]		照片2  熱浸鍍鋅層之剝落
圖1  溫度與鍍層厚度的關係[5]		圖2   添加其他合金成分對桑德林效應的影響[2]