国外热浸镀锌技术的应用一瞥 热浸镀锌无缝钢管

国外热浸镀锌技术的应用一瞥

钢铁金属构件，在自然环境的使用过程中，随着使用时间的不断推移，肯定会出现一些生锈腐蚀的情况，当这些没有经过特殊保护措施处理的钢铁构件长期锈蚀以后，它的结构强度也会大大降低。现实工程中，为了保护这些钢铁构件防止出现生锈的情况，需要经常涂刷油漆涂料加以保护或者是在一开始就采用经过镀锌工艺处理的构件来加以解决。

钢铁构件上，实施镀锌处理工艺，具体又可分为所谓的“热镀”和“冷镀”两种不同的做法。

所谓的“热镀”，其实就是指“热浸镀锌-Hot DipGalvanizing”，所谓的“冷镀”，则是指“电镀锌-ZincPlating”。

“热镀”和“冷镀”其实各有其优缺点：电镀后的表面外观效果较为平滑，而热浸镀锌后的表面外观效果则不太平整，但是，电镀的防腐蚀效果却是较差的，而热浸镀锌的防腐蚀效果则是较好的。

电镀锌常用于室内使用的小型五金配件上面，其镀锌层膜的厚度大约为10µm，而热浸镀锌膜的厚度可达 54µm ，甚至还可高达100µm 以上。

采用热浸镀锌防蚀的钢铁构件的耐腐蚀性能是比较好的，因而热浸镀锌可以用于室外露天环境的情况下使用。

比如，人们常见的田野中的电力塔架，等等，由于使用的钢材材质较好，钢材构件又经过热浸镀锌工艺处理，所以，人们很少会发现电力塔架上的某些地方会出现锈蚀的情况。

现实社会中，许多人对“热浸镀锌”这一工艺，还较为陌生，因而容易将“电镀锌防蚀”与“热浸镀锌防蚀”这两个不同的“镀锌”概念相混淆。

实际工程中，经常会发现，建筑物中的某个地方，应该采用“热浸镀锌”处理的构件，常常却被电镀锌构件或者是涂刷银粉漆处理的方式所取代。这些地方，经过一段时间的使用之后，由于钢铁构件的锈蚀，锈迹斑斑的现象随处可见，不仅会影响视觉的外观效果，更为严重的是还会影响结构的安全和质量。

下面，首先转贴一篇台湾地区的相关文章资料，供朋友们了解学习。

第一部分 （台湾地区）热浸镀锌介绍

资料来源：

http://www.galtw.org.tw/info.htm

一、前言

钢铁材料为今日人类生活中不可或缺的重要资源。然而因其本身特性使然，使得“锈蚀”无日不时伴随着我们，并无时无刻地损耗着我们的资源－钢铁。尤其，台湾地处高温高湿的海洋性季风的恶劣环境下，“锈蚀”问题较其它各国更为严重。

　　先进诸国，很早就注意到“锈蚀”的严重性，据估计，因防蚀所造成的损失，在日本一年约达国民生产毛额（GNP）的3.5﹪。在美国，此一比率为4.2﹪，在英国为3.5﹪，西德为3﹪，而台湾则远超过以上比率。如以日本之3.5﹪来计算，在2001年我们不知不觉中损失了新台币3330亿元（2001年国民生产毛额约为新台币95139亿）。所以先进国家均成立了有关的防蚀技术研究机构，以采取各种有效的措施，来避免或减少其损失。然而我国目前似乎尚没有一主要机构来正视此一问题。因此，到处可以看到因防蚀技术不良或防蚀方法错误所造成的“锈蚀”景观，实在令人非常痛心。

　　热浸镀锌防蚀技术，是目前各先进国家，使用最广泛，也是最有效的大气防蚀方法，其性能、特点及经济效益，在本简介中均有论及。盼能借着本简介之说明，使大家对热浸镀锌之防蚀方法，有更深一层的认识，并加以采用。但愿早日我们在台湾各地都可以看到那沉着、稳健的“锌”的色彩，充满在我们生活中的每一个角落而为我们人类有限的资源，负起维护保卫的重责大任。

　　热浸镀锌的使用，已有150年以上的历史了，其原理至今尚无改变。且因有无数的研究报告，针对其作业流程作详细检讨，因此才有从最原始的“湿式法镀锌”演变至今天的“干式法”及“连续法”等作业。其防蚀效果也被公认为是目前最好的，且最具经济效益的。据估计，全世界每年经热浸镀锌保护的钢材约有20000000吨，其对人类有限资源之维护价值实在是难以估计。

　　先进国家热浸镀锌的使用，已非常广泛。举凡电力、电信、道路、运输、桥梁、港湾、建筑等都可使用。夸大地说“有铁的地方，就有热浸镀锌”应不为过。台湾地区身处亚热带潮湿型海洋性环境，腐蚀问题比其它各国严重有过之无不及，但却因对于防蚀问题之警觉性不够，使得随处可见钢铁因锈蚀而废弃的景观，实在值得令人深思。

二、热浸镀锌流程简介

热浸镀锌的原理，简单的说即是将已清洗洁净的铁件，经由Flux 的润湿作用，浸入锌浴中，使钢铁与熔融锌反应生成一合金化的皮膜。 其作业流程简示如下：

良好的热浸镀锌作业，应是各制程均在严格的管制下，彻底发挥该制程的功能。且若前一制程的不良，会造成后续制程的连锁不良反应，而大量增加作业成本或造成不良热浸镀锌产品。若前处理不良，则熔锌无法与钢铁正常完全反应，形成最完美的镀锌皮膜组织。若后处理不良，则破坏镀锌皮膜外观，减低商品价值等。

三、热浸镀锌的优点

1、整个铁材表面均受到保护，无论在凹陷处管件内部，或任何其它涂层 很难进入之角落，溶融锌均很容易均匀的覆盖上。

2、镀锌层之硬度值比钢材还大。如图1，最上层之Eta layer 只有 70 DPN 硬度，故易受碰撞而凹入，但下层之Zeta layer 及 delta layer 分别有179及211DPN 硬度值比铁材的159 DPN硬度值最还高，故其抗冲击及抗磨耗性均相当良好。

图 1：热浸镀锌皮膜断面显微镜组织

3、在边角区，锌层往往比其它地方还厚，参照图2，且有良好的韧性及抗磨耗性。而其它涂层在此边角处，往往是最薄最不易施工，最易受伤害处，故常须再维护。

图2

4、即使因受很大的机械伤害或其它原因。造成一小部份的锌层脱落，将铁基裸露，此时，周围锌层就会发挥牺牲阳极的功能，来保护此处钢铁，使不受浸蚀。而其它涂层则刚好相反，锈会马上生成，且迅速漫延至涂层下面，引起涂层剥落。请参照图3所示。

图 3：保护皮膜破裂之腐蚀示意图

5、锌层在大气中的消耗是非常缓慢的，请参照图4示，约为钢铁腐蚀腐蚀速率的1/17至1/18，且是可预估的。其寿命远超过其它任何涂层。

图 4：热浸镀锌的耐久年数

6、镀层寿命在某一特定的环境下，主要视镀层厚度而定。而镀层厚度又受钢铁厚度之厚薄而决定，即越厚的钢铁易得较厚的镀层，故同一个钢构中厚的钢铁部位一定也得到较厚的镀层，以保证得到更长的寿命。参考表1。

表 1：使用环境别热浸镀锌的腐蚀速度

7、因美观、艺术，或在特定严重腐蚀环境使用时，镀锌层可再施以上漆处理duplexsystem，只要漆的系统选用正确、施工容易，其防蚀效果比单独上漆及热浸锌之寿命加起来还要好上1.5~2.5倍。请参照表2。

表 2：热浸镀锌及热浸镀锌－漆（duplex-system）耐用年数比较表

8、用锌层来保护钢铁，除了热浸镀锌法外，尚有其它数种方法，其优劣比较如表3，一般使用最广、防蚀效果最好且经济效益最佳者，为热浸镀锌法。

表 3：各种镀锌方式之优缺点比较

四、热浸镀锌品质判断标准及要因解说

1、 附着量：

　　耐蚀性主要决定于镀锌层的厚度，故量测厚度，常为主要判定镀锌质量好坏的根据，镀锌层受钢材表面的成分、组织、结构不同而有不同的反应，另进出锌溶液的角度、速度亦有很大的影响。故预得完全均一的镀层厚度，实际上不太可能。所以量测附着量绝对不能以单一点（部位）来判定，必须要量测其单位面积（㎡）平均附着锌重（g）才有意义。最通用的标准为ASTMA-123，如表4及表5，而表6为台湾电力公司规范。

表 4：ASTM A-123 钢材种类与镀层厚度等级

表5 ：ASTM A-123 钢层厚度等级对应表

表 6：台湾电力公司规范

量测附着量的方法有很多种，如破坏性的切片金相观测法、酸洗法，非破坏性的膜厚计法、电化学法、进出货重量差估计法等。一般常用的为膜厚计法及酸洗法。

膜厚计为一利用磁场感应来量测锌层厚度最普遍省事之方法，其基本条件为钢铁表面必须平滑、完整，才可得较准确数字。故在钢材边角处或粗糙、有角度之钢件或铸件等，均不太可能会的一准确的数字。普通铁件用原铁材当归零基材，尚可得相当准确的数字，铸件就绝对不准确了。

　　酸洗法为正式检验报告用，最准确的方法，惟切片时必须注意上下部位的公平取舍，才可得准确数字。但其亦有缺点，如费时甚多，复杂钢材面积不易求得，太大件无法整个酸洗等。故充分利用膜厚计来控制现场制程，而用酸洗法来做最后之检测，实在就足够了。

2、均一性：

热浸镀锌钢铁最易生锈之部位，仍是锌层最薄的地方，故必要测其最薄部位是否符合标准。

均一性的试验法，一般都用硫酸铜试验，但此方法对于由锌层和合金层组成的镀锌层皮膜测试很有问题。此因锌层与合金层在硫酸铜试验液中的溶解速度不同，合金层中也因锌/铁的比率差异而不同。所以，以一定浸渍时间的反复次数来判定均匀性并不是很合理。

因此，最近欧美规格及JIS中，均有废止此试验方法的倾向，以分布取代均一性，以目视或触感为主，必要时才用膜厚计检查分布状态。

　　又形状复杂的小构件因面积量测不易，不易求得平均膜厚，有时不得不用硫酸铜试验法来做参考，但绝不能以硫酸铜试验取代附着量测定的目的。

3、坚实性：

所谓坚实性就是镀锌层与钢铁之密合性，主要要求镀锌构件在整理、运搬、保管及使用中具有不得剥离的性质，一般检验法有锤打法、挤曲法、卷附法等。

　　锤打法是以锤打击试片，检查镀层皮膜表面的状态。如图4所示，把试片固定，免得因锤支持台等高且水平，锤以支持台为中心，使柄重垂直位置自然落下，以4mm间隔平行打击5点，观察皮膜是否剥离以为判断。但是，距离角或端10mm以内，不得作此试验，同一处不可打击2次以上等。此法最普遍，适用于锌、铝等之皮膜坚实测试。其它如挤曲法、卷附法一般很少用，故暂且不提。

图4：坚实性、锤打法试验用锤子

一般人常有一错误观念，往往为了方便量测坚实性，拿两个镀锌钢材，以边角互相敲击，观察边角剥落情形以为判断。若边角处刚好有几处较厚的锌粒。在作业中没处理好，则一用力敲击，厚的锌粒一定会剥落。故此法不能用来判定正常镀锌皮膜与铁基的密合性。

　　附着量、均一性及坚实性，即为一般规格定义热浸镀锌质量检验的项目。亦是一般正式检验报告的标准。有关规范，请参照表7。

表 7：热浸镀锌有关规范

1.中国国家标准(CNS)

CNS 1247 镀锌检验法

CNS 8503 热浸镀锌作业方法

CNS 10007 钢铁之热浸法镀锌

2.美国材料测试标准(ASTM)

A90 Methods of test forweight of coating on zinc coating(galvanized) iron and steelarticles

A123 Zinc(hot galvanized)coating on products fabricatedfrom rolled,pressed,,and forged steel shape, plates, bars,andstrip

A153 Zinc coating(hot-dip) on iron and steelhardware

A325 High strength bolts for structural steeljoints,including suitable nuts and plain

A385 Providing high-quality zinccoating(hot-dip)

A780 Repair of damaged hot-dip galvanizedcoatings

A767 Zinc-coated(galvanized)steel bars for concretereinforcement

E376 Practice for measuring coating thickness bymagnetic-field or eddy-current (electromagnetic) testmethods

3.日本工业标准(JIS)：

H8641 Zinc hot dip galvanizings

H9124 Recommended practice for zinccoating(hot-dipped)

H0401 Methods of test for hot dip galvanizedcoatings

4.英国工业标准(BS)：

BS 729 Hot dip galvanized coatings on iron and steelarticles

五、影响品质诸要素研讨

1、 钢构尺寸大小、重量：

　　钢构尺寸以能一次全数浸入锌浴，以达均一镀锌皮膜组织最好，若太长或太宽，以致须分二次浸镀作业者，接合处的锌层外观将会显得粗涩、太厚等不良。另外，如钢构的单重太重，超过镀锌设备负荷者，将使其作业困难。故与热浸镀锌厂事前的沟通，最为重要。

2、钢构的材质：

　　钢构的材质，会影响热浸镀锌皮膜的组织、厚度等，但若经事前的沟通，将可技术性的将其影响减至最少。如高张力钢材含硅、碳量较高，易于快速地与熔锌反应，合金化过度成长的结果，将造成灰黑色的外观，但并不影响其防蚀性能。又如热处理钢材，若其抗拉强度超过90kg/mm2时，经热浸作业后，易使其强度降低等。

3、异种金属的组合：

　　如钢材与铜、锡、铅等非铁金属的组合，于热浸作业时，此非金属的溶出，将会造成锌皮膜组织的变化。又如新旧钢材的组合，于酸洗作业时，新材质易酸洗过度。此外如部份加工构件，加工处的酸洗过度亦是。

4、钢材的污染：

　　如油漆的污染、特殊油脂的污染等，于普通的碱性脱脂液中不易除去，此时必须使用特殊溶剂清除或用燃烧法、喷砂法等，使成本增加且作业困难。此外如焊接触的焊渣清除亦是相当重要的。

5、焊接方式：

　　焊接方式对热浸镀锌钢铁结构物的质量影响很大，严重者甚至引起裂开，或成品之变形。如下图示。

图5：A、为全周焊接式，易引起爆裂。

B、为全周焊接式，但留孔。

C、为断续焊接式，角落处不予焊接。

以上三式，以B、C法为优良。

图 6 ：不同形式钢材之正确焊接方式

图 7 ：不同形式焊接引起的变形

6、设计上的问题：

钢铁结构物之设计，是热浸镀锌作业质量成败之主要因素。

其设计之主要原则，为使熔锌在结构物内、外部能流动顺畅。以下数图，请参阅本网站结构物设计要点。

7、可动部铁材注意要点：

　　镀锌后须能自由转动灵活之铁配件，于设计时，需预留一定大小的余裕，以为锌皮膜所占空间。

图 8：可动部余裕1.6mm以上

图 9 ： 螺柱加大0.4mm以上

8、变形、歪变之防治：

　　钢铁因加工时所发生之残余应力，易于热浸或冷却时放出，若应力不均匀释出，则造成变形。如钢材作90度以上之弯曲冷加工，亦易造成变形。因残留应力不均匀所造成之变形，可于热浸镀锌前作600℃以上之消除应力退火之热处理以避免。又设计上应避免不同材厚之组合，以免因热膨胀不均匀而变形，其组合参考表8。所有的变形，可于热浸前增加适当的补强材，以尽可能避免。

表8：焊接相对板厚之极限（单位：mm）

9、氢脆化之避免：

脆化之发生原因有二种：

（1）钢铁经较大冷加工后之时效应变（strainaging），于热浸时大量发生。

（2）抗拉强度（ultimatetensile strength）超过150Ksi 之铁材，及严重冷加工之钢材，经酸洗过后所吸收之氢原子，于热浸时释出所致。

氢脆化之避免有以下三种方法：

（一）尽可能用热加工，尤其于严重变形时；

（二）用喷砂来替代酸洗除锈；

（三）热浸前，经适当之热处理。

　　上述9点因素，对热浸镀锌成品质量之影响均很大，但均可有效的事先加以注意、防治。故钢构厂与镀锌厂事前之密切沟通，最为重要。

六、外观研讨

外观，对热浸镀锌的防蚀性或质量标准，实在完全没有影响。亦因锌层组织不同而无法得到有电镀锌那种美观。热浸镀锌皮膜的目的本来就不是装饰，主要用在防蚀。因而，判定质量之良否，可忽略此点。

　　当然，外观之良好，可增加商品的价值，亦是镀锌业者技术开发的主要目标。以下说明外观上的几个缺陷及其影响。

1、局部没镀上：

指局部没镀上锌皮膜，使钢铁露出呈黑点的状态。研究报告指出直径小于3mm的黑点，或黑点面积总和不超过40mm2时，因锌本身的牺牲阳极保护作用，对整体的防蚀寿命几无影响，故此时可合理的用富锌（含95﹪以上锌）涂料来补修。请参照图18。

黑点发生的原因大都为前处理不良，或设计上的不适当等，为镀锌业者首要克服的技术问题。

图18：各种直径未镀锌黑点腐蚀试验图

注：1、此试验置于严重工业污染区一年所得。

2、此试验结果证明直径小于5mm 之未镀锌黑点，均可受到牺牲阳极有效保护。

2、烧灰：

　　这是皮膜上的纯锌层完全转变成合金化的颜色，主要还是决定于钢材的材质，如（Si ,semi-killeld steel）Si脱氧的半净钢，或喷砂或酸洗过度的钢材表面粗糙化时，扩散反应激烈而易得，另冷却时间及速度控制亦是一大主因。烧掉或合金化，虽缺乏金属光泽，但在大气中的防蚀性及防白锈性，均比光亮的纯锌层好，纯锌层在大气中放置一段时间，亦自然会转变成氧化锌而成暗灰色。故吾人实不必太在意外观之光亮度。

表9：在日本各种不同环境之大气曝露试验

备注： 推定耐用年限以锌附着量600g/㎡之90﹪腐蚀时，推定。

试验片使用SS41，32mm厚之铁材。

腐蚀量单位为g/㎡‧每年。

3、锌垂、积滞：

　　即锌在制品端部残留成腊烛般的崩垂状或瘤状，或锌积滞于局部的状态。此主要决定于镀锌业者的技术及设备。此多余的锌有助于耐蚀性，可用锉刀轻轻磨平，惟须注意不可过力削落，会使其整个剥落而露出钢铁生锈。当然，严重的崩垂，会因搬运中的不小心撞击而剥落，锐利的尖端会割刺手等。能避免则尽量减少其发生，若避免不了，个人认为尽量保持原态为宜。

4、伤痕：

　　形状复杂或大形铁件，镀锌治具的接触处，或磨擦处易留下伤痕，有时铁件相互间之碰撞亦会产生。此时应视伤痕之大小和深度来判断。一般之伤痕只限于表面的锌层，合金层仍完好无缺。伤痕，一般很难使其完全消失。

5、粗涩：

即皮膜表面生成无数微粒状凹凸，以手套擦抚有被钩拉感觉。在商品价值中很是忌讳，但以耐蚀性而言不大有影响，轻轻以锉刀锉平即可。

　　此粗涩发生的原因常为浮渣dross之附着所致。如钻床的钻屑在锌浴中剥离，流成浮渣附着皮膜，或铸造品在前处理时，所吸藏的气泡从浴中起出时成微细气泡喷出，或展性脱炭层剥离成鳞片状时亦会变得粗涩。此时就须镀锌业者的技术加以克服。

6、flux渣层：

　　此为锌浴面上的氧化渣或flux化合物之附着而成。常因操作者之撇渣不良造成，有时亦因钢构形状限制而很难消除。其在冷却时常会剥落，或用钢丝刷除去亦可。除去后对耐蚀性几无影响。

7、过厚、起泡：

　　此因钢材过厚，或酸洗过度，或不良品重镀，合金层过度发达或材质所致的异状扩散（η＋ζ层），或镀锌作业条件不良等所致。商品价值虽不良，耐蚀性却超群。

8、变形：

　　钢材原有或二次加工所附加的残留应力、素材形状、装配构造等设计上的要素为主因。此外，镀锌作业的技术亦大大影响变形程度。冷却时以空冷处理，常可降低变形度。

9、白锈：

　　即锌的光泽丧失，严重时生成白粉谓之。主要决定因素仍在镀锌成品的储存技术不良所致，请参照图19，用重铬酸盐皮膜处理为最有效的方法。白锈对整体锌层皮膜之耐蚀性并无影响。

10、泡裂、接缝、迭层：

　　即呈现松散、线状突起、局部剥离等异状。主要为钢材在制炼或轧延上的缺陷所致，与镀锌作业无关。

图19：镀锌成品储存摆置例。

七、经济效益分析比较

防锈系统选择之考虑经常是植基于经济上的。但初期之成本往往不能代表各类防锈系统所需之整体花费。

　　维护的费用，可能因系统不同而有显著之差异。若是再维护时难以靠近工作物，或需停止操作，或是需额外的产品及机械覆盖作业，或是需要架设鹰架（台湾的所谓“鹰架”，即为大陆所谓的“脚手架”）等等，以上种种作业均可使维护之花费大幅增加。

　　由于构造物或工作之尺寸可能影响其处理之难易程度，故亦影响镀锌处理之价格。不幸地，目前尚无法以各地通用之标准拟定镀锌之费用，但对其他表面处理系统而言情况亦是如此。

通常镀锌之费用以工件之重量计算。此点不同于一般涂装以表面积计价之方式。

以欧洲之情况而言，热浸镀锌之初期成本会低于涂装，因为涂装较镀锌耗用更多之人力成本。

　　欲比较各类防蚀系统所需耗费的总金额时，由于个别维护需求之间隔可能改变。因此比较工作变得相当复杂。甚至在维护间格的这段时间维护费用即会变化。所以，镀锌所提供的长期防蚀寿命，加上即使出现小损伤也无碍抗蚀能力之优良特性，使得以长期防蚀的观点而言，没有其它的表面处理方法较热浸镀锌更经济便利了。

　　防蚀保护系统所需花费的总经费与使用年限、劳力成本、维护工作复杂性支附加费用及利率等因素息息相关。热浸镀锌之初期成本较油漆涂装费用高，长期总防蚀费用却较油漆涂装费用低。工件之形状愈复杂单位重量只表面积很大，其镀锌处理所需之费用与油漆相较会很有竞争力。而且镀锌可能在短时间内完成，不会有现场施工延误的危险造成之成本负担，上述的理由再加上长久的防蚀寿命，使得热浸镀锌防蚀保护成为工程上最有竞争力的方法。

　　就长期经济效益而言，热浸镀锌防蚀作业。是所有其它防蚀系统中，最为优良的。虽然初期的投资费用可能稍高于其它系统，但因其具备了长期不须维修的特性，故总成本比其它系统低了很多。

表10 钢结构热浸镀锌与油漆之经济效益比较

图20：20年间热浸镀锌及涂装费用比较表

　　由以上图表，可知热浸镀锌防蚀工程之长期经济效益最为优良。尤其随着工资的不断上扬，涂装成本及维修成本均将日益高涨，更可显示出热浸镀锌的优异性。

八、结论

　　本文主要在于简单的介绍热浸镀锌防蚀工程之特性、优点、防蚀能力及经济效益等。以为一般消费大众明了，并作为尔后选择防蚀作业时的参考数据。更希望能借着此文，将热浸镀锌进一步的推广至台湾各角落，以为我国防蚀工程，作一有利的贡献。

第二部分图片资料

第三部分 视频资料

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4、镀锌钢结构住宅搭建案例

5、简易钢结构房屋搭建

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