螺丝防蚀处理.docx

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螺丝防蚀处理

螺絲防蝕處理

工研院量測中心／CNLA秘書處

廖光磊工程師

摘要

對金屬表面防蝕的方法進行討論及分析，並結合螺絲生產實務，提出螺絲之防蝕對策，具有參考及運用價值。

1、前言

金屬受到環境的影響，藉著化學或電化學反應所造成之破壞性侵害，稱為腐蝕。

幾乎所有的金屬製品，在一定的環境中。

都會有若干型態之腐蝕現象，而螺絲是金屬製品，自然無法避免金屬腐蝕的問題，其使用的環境及時間不同時，腐蝕的現象亦有明顯的差異。

以台灣來說，台灣地形狹小，四面環海，為海島型氣候，大氣中之鹽份及濕度極高，又有許多污染性工業，如鋼鐵、石化、火力發電等，加上近年來汽、機車大幅成長，大量排放的廢氣，使空氣中充滿腐蝕性之硫化物與氮化物氣體及微粒，這些都是造成金屬腐蝕的主要原因。

例如位於雲林海邊之台塑六輕麥寮廠，目前所發現之螺絲、螺栓、結構鋼及管線等金屬腐蝕情形，其嚴重性可能已超過原先建廠前之預估，形成工程人員必須重視及優先解決的問題。

金屬腐蝕會造成巨額之設備維護成本及嚴重之經濟損失，如因腐蝕而增加設計、製造、保養及維修費用，或甚至發生危害及災難。

螺絲的使用範圍最廣泛，數量需求亦最大，其抗蝕能力之優劣決定其使用之耐久性，對設備之安全及可靠性有重大影響，因此研究防蝕方法，開發及應用現代防蝕技術，是當前重要課題。

2、防蝕的方法

金屬防蝕的方法主要有四方面，即控制材料本身、使用環境、材料與環境之界面及改良金屬結構之設計，若採用完全抗腐蝕的合金來製造螺絲，除非有特別需要，否則在經濟的觀點而言是不切實際，或將螺絲的表面與會產生腐蝕的環境因素完全隔離，在實務上也不見得行得通可能非常困難。

改良金屬結構設計可在某種情況下來改善特殊境況之影響，但多數螺絲之設計無法充份修改，且其保護作用亦非永久性者，因此此法不能根本解決問題，只有在界面上之防蝕，亦即表面防蝕處理是目前應用最廣泛的方法。

表面防蝕處理是指運用各種方法在金屬表面施加保護層，其作用是將金屬與腐蝕性的環境隔離，以抑制腐蝕過程的產生，或減少腐蝕性介質與金屬表面接觸，而達到防止或減輕腐蝕的目的。

保護層應能符合下述要求：

1.耐蝕、耐磨、高硬度，2.結構緊密、完整、孔隙小，3.與基體金屬結合牢固、粘結力好，4.均勻分佈且有一定厚度。

保護層通常分為金屬塗層和非金屬塗層兩類，金屬塗層是指用耐蝕性較強的金屬或合金在容易腐蝕的金屬表面形成保護層，這種塗層又叫鍍層。

產生金屬鍍層的方法和種類相當多，其中最常見的是電鍍法，其次是熔融金屬浸鍍法（熱浸鍍）及化學表面處理。

非金層鍍層是指用有機高分子材料如油漆，及無機材料如陶瓷，在金屬設備或零件表面上形成保護層，該保護層能將基體金屬與環境介質完全隔離，防止基體金屬因接觸腐蝕介質而造成腐蝕。

3、電鍍

電鍍是指在含有欲鍍金屬離子的溶液中，以被鍍之材料或物品為陰極，通過電解作用，即可在基體表面上獲得鍍層。

在電解過程中，電極和電解液間之界面上發生化學反應，陽極釋放電子發生氧化反應，陰極吸收電子發生環原反應。

電鍍可為材料或物品覆蓋一層較均勻及具有良好結合力的鍍層，以改變其表面特性及外觀，達到材料保護或裝飾的目的。

電鍍時須用直流電（低電壓、大電流），並能適當控制電流密度及通電時間以獲得需要之鍍層厚度。

耐蝕性鍍層常用鋅、鎘、銅、鎳等金屬或鋅鎳、鎳錫、鎳銅、銅鋅等合金，依據鍍層與基體金屬形成電偶時的電級電位不同，可分陽極性鍍層與陰極性鍍層兩種。

在腐蝕介質中陽極性鍍層的電位比基體金屬更負，例如鋼上鍍鋅或鎘，當鍍層有破損時，鍍層將作為陽極溶解，對於鋼材具有電化保護作用，即「犧牲性」保獲作用，鍍層越厚，保護作用越大。

陰極性鍍層的電位比基體金屬更正，例如鋼上鍍鉻、銅、鎳，當鍍層有破損時，鍍層會加速基體金屬暴露部份之腐蝕，僅在完全不透過性時能有保護作用，所以鍍層應注意其緊密性及無破損，而保護能力決定其孔隙率，孔隙率低，保護作用大，其防蝕效果是利用鍍層隔離外在環境，使腐蝕介質無法滲透至基體金屬。

4、熱浸鍍

熱浸鍍是把被鍍件浸入熔融的金屬液中，使其表面形成鍍層的方法。

熱浸鍍層金屬的熔點要比基體金屬低得多，例如鋅、鋁、鉛及其合金。

用熱浸法可得相當厚之鍍層，通常較厚於相似之電鍍者，且熱浸鍍者很少具疏孔，熱浸式鍍層一般較相同之電鍍鍍層，具有較佳之耐蝕性。

在相同之腐蝕環境中，熱浸式鍍層的使用壽命較長，且有較強的結合力。

但是這種方法控制鍍層的厚度比較困難，通常鍍層厚度50g/m2以上者以熱浸鍍法較容易獲得，而50g/m2以下之鍍層厚度以電鍍法就可經濟的獲得。

成功之熱浸鍍法，必須將底層金屬與鍍層金屬互相結合成合金，至少到某種程度，由熱浸鍍法獲得之鍍層，不只是由所用成份之被覆層，在結晶組織上，熱浸式鍍層至少具有兩層，一為內層式合金擴散層，一為外層式鍍層，外層基本上與所施成份未用作鍍層時有相同性質，內層擴散層常很硬脆，經彎曲後可能脫皮或裂開，故處理件不能過份變形，處理件所能忍受之變形程序，決定其採用之金屬、鍍層及其及其他因素，因此產品常於變形加工後再行熱浸鍍。

5、螺絲鍍鋅

因鋅與其他電鍍用金屬相比，價格最廉，且鋅之耐蝕性在多數情況下遠優於鋼鐵，鍍鋅層能保護在不連續部分、小孔、破裂及切邊處露出之鋼鐵。

所以一般的螺絲或易遭受大氣腐蝕作用的螺絲大都鍍鋅，但螺絲不像板或棒那樣形狀無變化或表面平滑，因此鍍鋅層的厚度在各部位難得均勻，常成頭部最厚，螺紋山前端其次，螺紋谷最薄。

為了配合螺絲之大量生產，降低成本及提高產量，通常採用電鍍法成桶鍍鋅的方式，此法是從桶架的電極使電流通入桶內的導線，而導線與螺絲接觸而導電，同時桶轉動而攪拌螺絲，使螺絲與電極均勻接觸。

然而此時電流斷斷續續，得難形成均勻之電流密度，故鍍鋅厚度也易不同。

電鍍鍍鋅可採用酸性電鍍液及鹼性電鍍液兩種，酸性電鍍液以硫酸鋅為主要成份，價廉且效率大，電鍍速度快，易於管理，也比鹼性電鍍液不易起氫脆性，但結晶稍粗，光澤不良，均鍍能力差。

而鹼性電鍍液以氰化鋅為主要成份，雖然價格較高，但均鍍能力好，只要管理得當，即可得有光澤的鍍層，若進一步施行鉻酸鹽處理，即可獲得更光亮的鍍層且耐蝕性優良。

熱浸鍍鋅也用於螺絲，螺栓及螺帽之表面防蝕，熱浸鍍鋅的螺絲比電鍍鋅的螺絲且有較佳之抗蝕能力，惟成本較高，且高強度之結構用螺栓不適用熱浸鍍鋅，因鍍層表面易形成硬脆，在高溫或高負荷情況時可能發生斷裂。

鍍鋅層在腐蝕性環境中之耐久性與其厚度成線性關係，即鍍層愈厚壽命愈長，但在含硫化物之工業區其防蝕性則較差，同時在海洋性及熱帶性氣候中會產生大量白色腐蝕性產物，必須施以鉻酸鹽處理以防止之。

在美國曾以膜厚0.03mm之薄鍍鋅試片實施試驗，結果發現在鄉下地區、濱海地區及工業區之平均壽命約為3：

2：

1，表示在污染之空氣中，鍍鋅層最容易發生腐蝕現象，因為在工業區由工廠排放出的廢氣中含有許多硫氧化物（SOx）及氮氧化物（NOx）會破壞鍍鋅層。

在濱海地區由於大氣中存在有大量之鹽結晶及液體微粒（氯化物）會造成金屬腐蝕，且大氣相對濕度之大小亦明顯影響腐蝕速率。

北京科技大學材料保護研究所亦曾在大陸不同地區作鍍鋅層之大氣暴露腐蝕試驗，試驗期1年，結果發現腐蝕速率最高的是在大氣中之SO2、氯化物（海鹽粒子）含量最高且相對濕度最大之地區。

其中大氣相對濕度被認為是造成腐蝕的主要因素，而大氣中污染物，特別是SO2及氯化物是促進腐蝕的主要因素。

鍍鋅螺絲在生產、儲存、運送過程中，其鍍鋅層可能發生泛白、變暗、發黑等現象，主要是鍍鋅層與腐蝕性介質及大氣中水份、氧、二氧化碳接觸發生腐蝕的結果。

要防止此種現象，可在螺絲加工前盡量選用表面狀態較好的材料，因在鍍鋅過程中，螺絲表面的缺陷容易使酸、鹼、鹽等腐蝕介質滲入其內，難以清洗導致腐蝕。

於螺絲加工時要盡可能減少應力集中，因應力集中區域，很容易在酸洗除銹過程中產生腐蝕。

螺絲熱處理時要盡量減少氧化膜厚度，尤其電鍍前必須澈底除去表面油污及銹蝕物並適常控制酸洗除銹時間，以免影響電鍍之品質。

電鍍之操作要注意選用良好深鍍能力之鍍鋅溶液，加強槽液維護管理，妥善控制電流密度及添加劑用量。

電鍍後時須澈底洗淨，以消除電鍍液和有機物對鍍層的危害，另外要盡量縮短螺絲在大氣中的暴露時間，盡快進行封存處理。

要合理選擇包裝材料，避免使用與鋅不相容之塑膠製品，包裝以金屬材料如鍍鋅鐵皮最好，包裝箱內可放入適量之乾燥劑以降低箱內濕度，庫房的相對濕度要降低及防止有害氣體侵蝕。

目前市面上一種名為LONGZINC（達克銹）之金屬表面處理，適用於螺絲及螺帽。

其處理方式是將已脫脂及除銹的螺絲螺帽浸鍍於達克銹防銹劑槽中或使用噴鍍方式在金屬表面形成鋅與三價鉻化合物之保護膜，並予以烘乾，冷卻後再重複處理一次，所得膜厚約5~8，呈銀灰色，依據廠商提供之資料顯示具有良好之防銹、耐蝕特性。

台塑麥寮廠將此稱為烘覆型鋅鉻酸鹽皮膜處理，曾於高強度鋼構螺栓上試驗，試驗兩年後效果不錯。

台灣鍍鋅公司亦曾與工研院材料所合作開發一種使用於螺絲之高耐蝕鋅基合金鍍層（鋅鋁合金），經台電公司安裝於澎湖外島之電線桿上進行耐蝕試驗，已獲得成功。

在鋅中加入鋁可以提高鍍層的耐腐蝕性能，當鋁含量為30%時，鋅鋁合金的耐蝕性最佳，所以這類鍍層之化學穩定性與耐蝕性比單獨鍍鋅要好。

6、化學表面處理

金屬合金可在適當之化學溶液中於受控制之情況下形成保護性表面被覆層，即保護膜或化學轉化膜。

因其在化學處理時，表面之金屬轉變為化合物與底層金屬結成一體，故產生抵抗性之表面層，在物理及化學性質上均為底層金層的一部份。

保護膜主要用於：

1.改善金屬表面氧化膜的穩定性，防止金屬或鍍層金屬在大氣中進一步腐蝕。

2.使金屬銹蝕減少到最低程度。

3.提高油漆、塗料之粘結性。

常見的化學表面處理為磷酸鹽處理、鉻酸鹽處理及氧化處理等三種。

（1）磷酸鹽處理

磷酸鹽處理是把金屬放入含有磷酸鹽的溶液中進行化學處理，使金屬表面形成一種難溶於水且附著性良好的磷酸鹽保護膜即磷酸鹽皮膜，主要用途為作為油漆之底層及金屬冷加工時潤滑劑的吸附層。

由於磷酸鹽皮膜是由一系列大小不同的鋅、錳、鐵的磷酸氫鹽及磷酸鹽的晶體組成，故膜層是多孔的，表面積較大，有很好的吸附性，能吸附漆料或大量的潤滑劑，因此常用作油漆的底層，或冷衝壓減少磨擦及鋼管、鋼線冷抽的潤滑層。

磷酸鹽皮膜不溶於水，在大氣下很穩定，能作為防銹要求不高的保護層，如果把磷酸鹽皮膜再進行鉻酸鹽皮膜封閉處理，浸油或塗漆，可以進一步提高其抗蝕能力。

磷酸鹽皮膜同硝基漆或合成樹脂漆組成之防護系統對鋼鐵有十分良好的防蝕作用，當調製漆料時應使其粘度能使漆料自由穿透膜孔，漆膜的乾燥溫度宜在150~180C之間，最好在烘箱中烘乾。

當磷酸鹽皮膜用於冷變形加工及降低磨擦件表面磨耗時，將膜層浸以油類或皂類潤滑物質可提高其使用效果，最簡便有效的方法是在鉀肥皂溶液中進行浸漬處理。

磷酸鹽皮膜應用最廣的是磷酸鐵膜、磷酸鋅膜和磷酸錳膜，其中磷酸鋅膜和磷酸錳膜不受大氣中氧的氧化，耐蝕性較佳。

目前台灣螺絲使用的原料主要由中鋼供應，中鋼所生產之盤元經鋼鐵廠（例如大中或強新）加工製成線材，再交運至螺絲廠。

若材質為碳鋼者，加工過程包括鹽酸酸洗除銹及磷酸鹽處理形成有潤滑作用之磷酸鹽皮膜，以利抽線且易於冷鍛（擠製成鍛粗）。

若材質為合金鋼者，酸洗後需球化處理，退火形成軟鋼使易於機械加工，再酸洗、磷酸鹽處理或石灰皂披覆後抽製。

若材質為不銹鋼者，則需草酸披覆形成潤滑膜以利抽製。

螺絲廠完成線材之線徑、真圓度、表面傷痕或腐蝕之檢驗後，即將線材直接送入成型機取料及冷鍛，再經滾牙機製成螺絲。

（2）鉻酸鹽處理

鉻酸鹽處理是把金屬或金屬鍍層浸入含某些添加劑的鉻酸或鉻酸鹽溶液中，採用化學或電化學的方法，使金屬表面形成由三價鉻和六價鉻組成的鉻酸鹽皮膜的過程。

常用作鍍鋅層（電鍍鋅、熱浸鍍鋅、鋅合金）及鍍鎘層的後處理，以提高鍍層的耐蝕性，也可用作其他金屬如鋁、銅、錫、鎂、鎳及其合金的表面防蝕。

鉻酸鹽皮膜的結構比較緊密，黏附性好，具有良好的化學穩定性，其皮膜乾燥後為無孔性者，能當作阻隔物來阻止水份到達底層金屬，在腐蝕環境中對金屬表面有可靠之隔離保護作用。

鉻酸鹽皮膜的主要成份是含有三價鉻和六價鉻的化合物，以及基體金屬或鍍層金屬的鉻酸鹽。

其中不溶性的三價鉻化合物構成膜的骨架，使膜具有一定的厚度，又其穩定性高，故使膜亦具有良好強度。

可溶性的六價鉻化合物分散在膜的內部有良好填充作用，當膜受到刮傷時，可使該處再次鈍化，即具有抑制作用以阻止底層金屬遭受腐蝕。

在鹽霧試驗和溫熱試驗中，有鉻酸鹽皮膜的鍍鋅層比無膜鍍層的耐蝕性要高十倍甚至十倍之多。

不同的基體金屬採用不同之鉻酸鹽處理溶液，得到之膜層和膜的成份也不同。

而鉻酸鹽溶液中，Cr+6/SO4-2比值直接影響膜的顏色及厚度，在硫酸鹽濃度不變時，三價鉻的含量較高，則形成鉻酸鹽皮膜的數量較多。

在沒有添加酸或鹼的鉻酸鹽溶液中無法形成鉻酸鹽皮膜，所以要得到較厚的膜層，必須使溶液保持最佳的PH值。

用水清洗過的鉻酸鹽皮膜，不可在50C以上的溫度乾燥，因高於此溫度以上時，皮膜中之六價鉻化合物會由可溶性變為不溶性，而降低自癒能力，甚至隨著溫度升高使膜層出現裂化。

（3）氧化處理

將鋼鐵件浸於含有氧化劑的鹼性溶液中，例如硝酸鉀或硝酸納之氫氧化鈉溶液中，並保持其沸點為140C左右，或將鋼鐵件浸於硝酸鈉及硝酸鉀之熔鹽中，取出後淬於水中，在其表面可得到一層悅目之黑色氧化物即氧化鐵膜，其成份為氧化亞鐵與氧化鐵之混合物，是提高黑色金屬防蝕能力的一種簡便又經濟的方法。

鋼鐵化學氧化膜的厚度極薄，一般為0.5~1.6m，耐蝕性有限，厚度在2m上的膜，外觀暗淡無光，呈黑色或黑灰色，膜層有很好的吸附性，如浸以防銹油或塗漆後，其抗鹽霧腐蝕的性能可增加幾倍至幾十倍。

鋼鐵零件在氧化處理前需要除油及酸洗，表面油脂較少且無腐蝕產物的零件，可直接放進濃鹼性溶液中進行化學氧化。

一次氧化處理是在一種槽液中完成，兩次氧化處理則在溶液成份不同的兩種槽液中完成，採用一次氧化處理時，生成的膜層較薄，耐蝕性較差。

採用兩次氧化處理時，生成的膜層較厚，其耐蝕性也較好。

氧化處理後的零件，必須經過充分洗淨，而後在肥皂水中煮沸，接著進行乾燥和塗油。

7、油漆

油漆是一種有機塗料，主要用於保護金屬零件、設備及結構以抵抗空氣之腐蝕，是用來作為被保護金屬與環境間之阻隔物。

用油漆防止金屬的腐蝕已有悠久的歷久，也是一種應用最廣及最常見之防蝕技術，施工方便，成本低廉。

油漆塗層之有效壽命，決定於油漆本身之耐久性及塗層對於被保護金屬之附著性，而油漆之適當應用為獲得永久性附著力及最佳保護作用之主要方法。

依據試驗顯示，影響油漆壽命最重要的一個因素是金屬表面要適當的處理，被處理之金屬表面必須無灰塵、油、脂、銹、氧化物及任何最初腐蝕物質等。

這個因素比油漆本身的品質還重要，品質差的油漆用在表面處理良好的金屬上比品質好的油漆用在表面處理不良的金屬上還要好。

金屬表面所有的髒物、油漬和油脂可用溶劑或鹼性溶液去除後再水洗，銹和氧化物可用酸洗或噴砂方式去除。

金屬表面清潔乾淨後，頭道漆應馬上塗到乾燥的表面上，以達到良好的吸附，最好先塗上一層磷酸鹽再塗第一道漆。

油漆時通常須塗數道，塗層之道數及種類，為達成適當防銹作用之重要因素。

在油漆過程中，底漆之塗刷極為重要，用途為供給金屬之基本附著性，一般須塗兩道防銹底漆及一道面漆。

一些研究人員認為鋼暴霧在腐蝕環境下，至少要上四道漆且厚度不得小於0.13mm，台電核電廠為三道底漆，兩道面漆，台塑麥寮廠則為三道底漆，一道面漆。

常用為防銹底漆者有為紅丹漆及富鋅塗料兩種，紅丹漆是將紅丹（氧化鉛）與各種漆基調製而成，富鋅塗料是由大量的鋅粉與少量的成膜物質（粘結劑）混合而成，漆膜乾燥後，其中鋅粉占絕大部分（約90%以上）。

紅丹漆中的氧化鉛離子對金屬腐蝕具有抑制作用，故能防銹。

而富鋅塗料是依靠鋅對金屬之陰極保護作用，所以有良好之防銹性能。

常用為防止金屬腐蝕的面漆有環氧樹脂漆、矽樹脂漆、氯化乙烯樹脂漆、三聚氰胺樹脂漆、醇酸樹脂漆等，其中屬於環氧樹脂漆類之環氧煤焦瀝青漆，是目前國際上最廣泛使用之高效能防蝕塗料，其附著性、堅固性、耐水性、耐化學腐蝕等都較其它塗料優異。

八、陶瓷保護膜

陶瓷保護膜是陶瓷材料施於金屬表面以增加其對高溫氧化之抵抗性及耐熱性，對於鹼類及氫氟酸以外之所有腐蝕環境皆具有良好之耐腐性，並有耐磨、易清潔、悅目之外觀及良好之絕緣性等優點。

陶瓷是指金屬氧化物、碳化物、硼化物、矽化物及氮化物的總稱，具有熔點高、硬度高、性能脆等特點，目前應用較多的是氧化物和碳化物，也少量應用硼化物及矽化物。

通常使用噴鍍方法將熔融狀態之陶瓷材料微粒，噴附在金屬表面以形成覆蓋塗層，即陶瓷保護膜。

膜厚在0.4公厘以內者一般稱為塘瓷或琺瑯，0.4公厘以上者一般稱為玻璃襯裏。

噴陶適用於高溫下使用，噴陶層可以防止金屬與合金的晶粒間腐蝕，作為腐蝕性氣體的隔絕障礙，降低熱點發生的機會，對於重要部位可代替低合金金屬，並可抵抗污染物的侵蝕。

若使用浸鍍法，則需於乾燥後再於爐中烤乾以形成附著力良好之保護層。

台灣鍍鋅公司在今年年初引進名為RUSPERT之複合瓷膜生產技術，專門應用於螺絲及扣件之防銹處理。

該複合瓷膜由金屬鋅層（第一層）、磷酸鹽皮膜（第二層）及陶瓷表面燒結層（第三層）所組成，膜厚約10，據說在嚴苛之環境下具有卓越之防銹抗蝕及耐熱等性能，現正由台灣島田陶瓷公司向業界推廣中。

九、結論

金屬防蝕技術之學問廣泛，內容十分豐富，對於螺絲的腐蝕現象，究竟要採用那種防蝕措施，不能一概而論。

例如防蝕的費用遠超過螺絲購買的成本，或直接更換新螺絲較為經濟，是否有特別需要，非採用最佳防蝕效果之螺絲不可。

要妥慎選用材質及表面處理方式，如不銹鋼、合金鋼、碳鋼或鍍鋅螺絲等，皆應於事先週延考量，否則事後再作防蝕等補救措施，就更為困難，且效果不彰。

甚至只要將會造成腐蝕的環境隔離，便能有效控制腐蝕，如台電核電廠之機組設備皆建構於封閉之廠房內。

也有人使用一種螺絲專用之塑膠帽（如RADOLID），有各種尺寸，可將暴露大氣之螺絲或螺帽緊密覆蓋而達到防蝕效果。

另外要盡量避免將不同的金屬材料以螺絲結合，否則螺絲很容易因此兩種材料電化位能之差異造成嚴重腐蝕。

所以必須依據螺絲腐蝕的原因、環境條件、防蝕的要求、各種措施防蝕效果，及成本與經濟效益等因素綜合考量，決定最經濟有效之防蝕措施，達成防蝕的目的。

誌謝

承蒙茂異實業股份有限公司涂春旺董事長、台電修護處魏健能股長、台塑石化公司工檢組蔡明賢工程師及台灣鍍鋅公司蔡協理惠於提供技術諮詢，使本文得以須利完成，謹在此一併致謝。

參考文獻

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2.大氣環境對鍍鋅層腐蝕影響的區域分析，蕭以德、屈祖玉、盧燕平、李長榮，表面技術雜誌，1996年25卷6期。

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