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技師報於85年11月18日土木日創刊
新聞局出版事業登記證局版省報字第48號


中華民國一○三年四月十九日

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文字記者:許素梅

淺談「鋼材腐蝕類型與防蝕方法」

陳正平技師

前言

腐蝕的定義係指材料在使用的環境,諸如:水、水蒸氣、潮濕空氣、高溫氣體、或具腐蝕性之氣體或液體中,由於受到化學或電化學的作用而導致其性質退化的現象,稱為腐蝕。鋼鐵在潮濕空氣中的氧化,或者鋅溶解於酸中,皆是腐蝕的現象。鑄鐵、碳鋼、合金鋼等鐵系金屬材料的腐蝕產物就是「銹」。其他非鐵材料的腐蝕,並不一定會產生肉眼可見的銹。鋼材的腐蝕無時無刻不在發生或進行中,鋼材腐蝕會減低效用或甚至不堪使用,除會造成困擾外,嚴重者,如工業廠房構材腐蝕,導致颱風時產生局部破壞,而造成設備或貨物損失(見照片1);尤有甚者,產生工業廠房倒塌或橋梁塌落,例如新北市三芝區根德吊橋之垂吊索全部銹蝕斷裂塌落(見照片12),造成人員傷亡或設備財產之損失。在工業發達的今日,腐蝕對人類的影響仍然既深且鉅(見照片3基礎錨栓銹蝕嚴重),而土木工程師須具備鋼材腐蝕及防蝕的基本常識,才能在結構物除因結構力學行為之破壞模式以外,尚能因應因防蝕方法不當所產生之破壞模式,如此才能達到真正符合經濟性、耐久性及安全性的需求。

金屬在自然界中最穩定的狀態通常是以化合物型態存在,例如,氧化物、硫化物、碳酸鹽等。故大部分的金屬在空氣中會逐漸從金屬態轉化成化合物或離子態,而失去金屬原有的特性,這種現象即為腐蝕。在這種轉化過程中,會釋出能量,使金屬在環境系統中趨於較低能階的穩定態,腐蝕現象亦即大自然依循熱力學定律自發的反應之必然結果。

鋼材腐蝕類型

腐蝕現象非常複雜,吾人經常會發現,在正常狀況下有較佳耐蝕性的材料,卻在某些特殊的條件下發生腐蝕現象。相反地,吾人認為耐蝕性較差的材料,卻有時表現出有良好的耐蝕性。譬如,鐵在稀硝酸溶液中,會發生嚴重的腐蝕;而鐵在濃硝酸溶液中,其腐蝕程度卻非常輕微。又鐵如在自來水中,如果與銅或白金接觸,則鐵會加速腐蝕;但鐵如與鋅或鎂接觸,則會抑制鐵的腐蝕現象。因為材料以及其所使用的環境差異很大,故腐蝕的類型也有顯著的不同。同一地點大氣腐蝕性會隨著氣候變遷與周邊之人文及工業發展而改變。因此,於鋼材防蝕設計前,應查詢最新之腐蝕環境資料。若無相關資料,或資料調查時的氣象、地理、人文背景條件與現況已有差異時,應進行大氣腐蝕性分類之評定。調查項目應包括調查地點之氣象、地形地物、土地區分與人文背景條件等資料。

鋼材之腐蝕類型,依其細部設計、斷面形狀、材料、使伽凡尼腐蝕、孔蝕、應力腐蝕破裂、腐蝕疲勞、氫脆破壞、氣體腐蝕、鋼筋混凝土腐蝕及其他等型態。

1.大氣腐蝕:大氣中的濕度(或水分)、溫度、鹽分、酸度、灰塵(或固體浮懸物)

風速或風向等,會引起鋼材不同程度的腐蝕。

2.浸泡腐蝕:鋼橋若有構件長期浸泡或曝露在水中,則水溶液的各種腐蝕型態,皆可能顯現。以混凝土或鋼材作為橋墩,鋼筋或樑柱可能遭遇的腐蝕即為一例。

3.間隙腐蝕:鋼橋許多液體不易流動的接縫(或接觸面)都是發生間隙腐蝕的可能位置,這種腐蝕不易由目視檢測,所以會造成保固上的困擾。接觸面的兩側可能都是金屬,但也有可能僅有一面是金屬。

4.伽凡尼腐蝕:不同金屬的直接接觸,若有電解質(如:水膜等)存在,則因其電化學電位的差異,較活潑的金屬發生腐蝕,這種腐蝕稱為伽凡尼腐蝕。通常只要有化學元素或成分或材料上有任何能量的差異時,就會有電化學的電位差。例如:鋼樑之螺栓接合處由不同的鋼材組成,就會有電位差。通常化學組成差異愈大,電位差就愈大,伽凡尼腐蝕的現象更明顯。

5.孔蝕:孔蝕是發生在局部位置(非全面性),滲透甚至穿孔的一種腐蝕現象。通常材料表面之局部材質、幾何形狀、或塗裝等不均勻因素,皆有可能發生孔蝕。一旦發生孔蝕,常會發生自我催化反應的作用,所以孔蝕的速率較一般所謂的均勻腐蝕速率更快。氯離子是自然環境中普遍存在且最容易促進孔蝕的一種物質,控制氯離子的存在或是其濃度,是抑制孔蝕的主要方法之一。不銹鋼等具有鈍化耐蝕特性的鋼料,較一般碳鋼容易發生孔蝕。

6.應力腐蝕破裂:當鋼料可發生腐蝕且其位置有應力集中的現象時,容易發生應力腐蝕破裂。一旦發生應力腐蝕,其初始裂縫常不易被偵測到。這種裂縫通常是活潑且會持續成長,其至鋼料破裂前的伸長率及所需應力值,遠小於一般過負載破壞之值,不易被感知,因此,容易造成非預期的橋梁斷裂。

7.腐蝕疲勞:與應力腐蝕破裂相似,腐蝕反應可造成疲勞初始裂縫的生成,促進加速鋼材的疲勞敏感性,甚至加速疲勞裂縫生長速率,大幅減少橋梁壽命而發生非預期的災難性破壞。純粹考慮機械疲勞強度,在腐蝕性強的環境下,其設計強度常不敷需求。

8.氫脆破壞:強度愈高的鋼鐵,發生氫脆破壞比一般強度的鋼鐵更為敏感。經過酸洗、電鍍等表面處理,或是銲道位置,可能會有較高的氫含量,應注意除氫並使用低氫素系銲條。若高強度合金鋼施以陰極防蝕處理,也應注意避免引起氫脆破裂的發生。

9.氣體腐蝕:車輛排放的氣體會直接或間接的引起鋼橋的腐蝕,例如:廢氣中的硫,可能造成鋼鐵或銅合金的硫化反應,或者會引起潮濕空氣的酸化等現象。特別是密閉式的橋梁,這方面的腐蝕不能忽視。

10.鋼筋混凝土腐蝕:鋼橋在橋墩或橋座部分,仍有鋼筋混凝土的結構物,其所包含的鋼筋若發生腐蝕,則會影響橋墩的安全性與耐久性。影響鋼筋混凝土腐蝕的因素,包括:水滲透、含氯量、中性化等。

11. 其他:腐蝕的發生與材料所處的環境有關,是非常複雜的反應現象,微生物腐蝕、雜散電流引起的電蝕均為其例。所以不同的材料(化學組成不同),在不同的使用環境中,可能發生的腐蝕型態與嚴重性可能都不相同,瞭解其特徵是防蝕的要點之一。有關腐蝕型態的介紹與說明可參考許多文獻、手冊與資料庫,例如:中華民國防蝕工程學會出版之防蝕工程學刊、美國金屬學會所出版的「金屬手冊」第9版第13卷,即有豐富詳盡的資料。

防蝕方法

  腐蝕之防制,基本上只要將構成腐蝕電池之四要素:陽極、陰極、物理性接觸及電解質,去除其一即可達成。鋼材之防蝕方法應依據腐蝕環境及防蝕目標,選擇最合適之方法,且不限使用單一方法,可從結構設計、鋼材選擇、表面防蝕及陰極防蝕等方式進行之。鋼材表面之防蝕方法,主要以油漆塗裝或熱浸鍍鋅、熔射、電鍍等方式將金屬材料作為表面被覆,其中以油漆塗裝為最常採用之防蝕方法。以廣義的防蝕設計來講,適當而足夠抗蝕的材料不但可節省經費,而且可以延長結構物的使用年限。抗蝕的材料在實務應用上,不一定是最貴的材料效果最好,尤其是對材料與環境之互制影響下,例如應力腐蝕就是如此,不銹鋼在海水環境下就不一定比碳鋼來得好。不當的選擇將可能產生嚴重的腐蝕現象,因此,選擇適當的防蝕方法是工程師防蝕設計最重要的課題。

常用之防蝕方法

1.耐蝕鋼材的選擇:耐候低合金鋼的抗大氣腐蝕能力,主要是來自其化學成分中含有低比例的銅、鉻、鎳等合金,由於這些合金成分的影響,使得鋼鐵在與大氣接觸腐蝕時生成具有緻密性,穩定不易剝落的銹層,也由於這些銹層的隔絕作用使得主要腐蝕因子-水氣無法直接與鋼材表面接觸,進而發生腐蝕電池作用。耐候鋼之所以能夠耐候是建立在表面腐蝕生成物是否穩固的建立在鋼材表面,而以台灣潮濕尤其是鹽害地區或硫害地區都是很難達到預期的效果。不銹鋼:不銹鋼不是只有一種,常用的有304不銹鋼與316不銹鋼,同屬沃斯田鐵系不銹鋼。在不銹鋼中添加鉬,可有效提高抗蝕性,尤其是有硫酸根離子或氯離子的情況。316不銹鋼比304不銹鋼有高數倍之抗蝕能力,為了更有效發揮不銹鋼的耐蝕效果,應充分了解其性質,才能作適當的選用。

2.表面防蝕處理:使用碳鋼或低合金鋼作為橋梁的結構材料時,表面防蝕處理是必要的。表面防蝕處理的技術很多,幾種常用的方法簡要介紹如下。

(1)化成皮膜處理:最常見的有磷酸鹽皮膜處理及鉻酸鹽皮膜處理,後者因有環保的考量,已避免採用。化成皮膜處理僅用於暫時性的防蝕,不宜用於橋梁鋼構最後防蝕處理。

(2)塗料塗裝:塗裝可隔絕鋼構與環境電解質之接觸,為最普遍與方便的防蝕方法。依防蝕與美觀的需求,可選擇不同的塗裝系統。塗裝包括:前處理、施工程序、塗裝系統等,都會影響塗裝的可靠性與耐久性。

(3)有機及無機被覆:有別於塗裝,有機或無機被覆之厚度大都超過1 mm。將樹脂、橡膠、瀝青、壓克力等有機物質,或氧化物、無機鹽類、水泥砂漿等無機物,利用浸塗、滾壓、熱噴塗、甚至刷塗於鋼鐵或其他金屬表面,以隔絕腐蝕性的環境,達到防蝕的效果。

(4)熱浸鍍:將鋼鐵材料浸置於低熔點的液態金屬中,附著於鋼材表面之該金屬於取出後經冷卻可以形成一附著性良好的表面金屬層,此熱浸鍍金屬層一方面可以隔絕腐蝕性環境的侵蝕,另一方面對於特定金屬(如鋅或鋁等)的熱浸鍍層也可提供陰極防蝕的效果。最普遍的熱浸鍍金屬是熔點低的鋅、鋁或鋅鋁合金;鍍錫的馬口鐵則不適用於一般大氣環境。

(5)金屬熔射:以火燄、電弧、電漿或雷射等銲接或塗覆的工作程序,將細狀的金屬或非金屬材料以熔融或半熔融狀態形成塗覆層。此塗覆之材料可為粉末、陶瓷棒線或熔融材料。金屬熔射又稱為熱噴覆、噴銲或熱熔射。

(6)電鍍:將非鐵金屬,如鋅、錫、銅、鎳、鉻或鎘等以電鍍的方式析鍍在鋼鐵材料表面,達到防蝕的效果,通常使用於精度要求較高的零件。

(7)無電鍍(或化學鍍):有別於電鍍方法,無電鍍是利用鍍液中還原劑,將欲析鍍的金屬還原後析鍍於鋼鐵表面,因為不需外加電源,故稱為無電鍍。最常見的無電鍍層有鎳、銅、鈷等金屬。

(8)鈍化處理:是陽極處理的一種方式,將鋼鐵表面加以氧化,形成一層氧化膜,以阻絕大氣腐蝕環境的侵蝕。鈍化處理最常用於不銹鋼及鋁合金等。

3.陰極防蝕:利用外加電流或連接另一較活性之金屬,使鋼構成為電化學電池的陰極,以降低金屬腐蝕速率的一種技術。陰極防蝕適用潮濕的環境,對鋼構浸泡腐蝕的防制最為有效。

結語

土木工程師須具備鋼材腐蝕及防蝕的基本常識,才能在結構物除因結構力學行為之破壞模式以外,尚能因應因防蝕方法不當所產生之破壞模式,如此才能達到真正符合經濟性、耐久性及安全性的需求。

【參考資料】

[1]中國材料科學學會(1998)鋼鐵材料手冊

[2] 中華民國鋼結構協會(2011)。鋼結構橋梁防蝕塗裝技術手冊

照片吊橋垂吊索銹蝕斷裂。

 
  照片廠房圍梁銹蝕斷裂。
   
 
  照片基礎錨栓銹蝕嚴重。
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