金属为什么会生锈.docx

1、金属为什么会生锈金属为何会生锈？金属本身虽具有优良之特性，但在自然状态下不能以单体存在，而必须以氧化物、硫化物等安定化合物方式存在，也就是所谓的矿石。人类在漫长的历史中得知如何自矿石中找到金属，并耗费极大的劳力去提炼出铁、铜、锌、铝等以资利用。然而金属曝露在大气中，铁易产生红锈、铜生绿锈、锌和铝生白锈。这是因为金属本身常会与水、二氧化碳、氧气等安定元素结合成化合物状态，结果即生成锈。金属拥有多种固有特性。例如：将金属置入某一溶液中，其将会有自溶液中析出阳离子的倾向发生，此即所谓离子化倾向。有关主要元素离子化倾向的顺序如下：（易离子化）钾镁铝锰锌铬铁钴镍锡铅（氢）铜银铂金（难离子化）。金属变成阳

2、离子是一种锈蚀现象。由上表得知：铁较镁、金较铁难离子化，即不易锈蚀。然而，在金属的锈蚀形态上又有含水份的电化学锈蚀和不含水份的其它锈蚀之区别。所谓电化学锈蚀就是金属由于雨水、海水、结露等的湿润，或是和其它电解质作用，产生非金属化合物的一种变化。一般而言，金属锈蚀大半是这种型态。 所谓其它锈蚀就是金属在高温或常温下，由于氧化、硫化现象所产生的化学锈蚀（干蚀），或是由于细菌等所产生的生物锈蚀。钢铁的防蚀方法有哪些？构造用材料中，钢铁占有其重要地位。但在一般的环境下，钢铁易生锈，所以适当的防蚀处理是必要的；一般锈蚀的抑制方法，其原理不外乎下列四种：覆盖遮断法。钢铁上之披覆材表面形成一种耐蚀性的静态安

3、定性的腐蚀生成物。使素材表面之局部电池发生减少。改变环境中之锈蚀状态，使锈蚀形成减少。一般防蚀方法，即为上述四种原理之组合，可做以下之分类： 防蚀法分类分类方法ABCD添加合金元素不锈钢0耐候钢0表面被覆金属热浸镀000*电镀000*熔射000*涂装（亦适非金属）0非金属内衬0琅0化成处理0电气化学的方法电气防蚀法阴极防蚀法0阳极防蚀法0环境抑制腐蚀抑制添加剂0* 镀锌时有效热浸镀锌的耐蚀性有何特征？热浸镀锌的耐蚀性主要有下列两大特征：【A】 皮膜保护作用：镀锌皮膜之腐蚀生成物为一致密的强力保护皮膜，使以后之锈蚀难以继续进行。其与钢材的比较如图一。但一般的腐蚀速率，因与其使用环境与期间之差别而

4、有所不同，锌的耐蚀性约为钢铁的10至25 倍。例如在严苛的海岸地区，锌与铁的腐蚀速率比较如图二。锌铁材料氧化物生成生成致密的氧化物生成疏松的氧化物氧化物生成后致密的氧化物保护底材氧化物保护能力差腐蚀深度()铁 300 200锌 100 1 2 3 4 5（年数）【B】 牺性防蚀作用： 镀锌皮膜在某些因素而生瑕疵的情形下，其周围的锌会形成阳离子以抑制钢铁材的腐蚀，此为电化学的保护性牺牲防蚀作用。此种锌对铁的牺牲防蚀作用，是锌的独特性质。热浸镀锌和涂装之比较如图三。镀锌涂装原材料破裂产生腐蚀状态抑制腐蚀（牺牲阳极）加速腐蚀热浸镀锌所使用环境与耐用年限之关系？【A】 大气中：大气中的耐用年数可根据使

5、用环境下锌的腐蚀速率及锌的附着量，由下列公式算出。耐用年限=锌附着量(g/m2)腐蚀速率(g/m2/年)0.9* 假定锌皮膜在10%残留量时开始生锈(JIS H8641解说)。使用环境与锌腐蚀速率关系如下表。暴露试验地区腐蚀速率(g/m2/年)平均(g/m2/年)重工业地区323534都市地区121815海岸地区111413田园地区81210山间地区386干燥地区254【例如】假设锌附着量900g/m在都市环境中其耐用年限为900150.9=54年。桥梁等大型构造物，钢材厚度约在930mm，锌附着程度约9002000g/m，其耐用年限54120年可说已近钢材寿命。【B】 水中：水中的耐蚀性，受

6、到PH值和温度的影响，其有效的范围为PH值612，温度50以下。水中含盐类多少也有影响，如置于含钙盐的硬水中比在软水中的腐蚀速率约为30100g/m/年。【C】 海水中： 海水中的腐蚀速率约为100200 g/m/年，但浸渍一年后，因腐蚀生成物之缘故，腐蚀速度会减半。然而在潮水涨落地区及浪花喷溅地区，其腐蚀速率可达1000 g/m/年。 又在海水中的耐蚀性比在同浓度的食盐水中要来得好，此乃因海水中的镁盐有抑制腐蚀作用。【D】 土壤中： 土壤中影响锈蚀的主要因素有通气性、含水量、溶存物质的种类及量、导电度和PH值等。又由于受于所埋设后的重复掩埋状况影响，土壤中的腐蚀速率快慢并不一致。高纯度锌在美

7、国各种土壤中的腐蚀速率（1937年7月埋设实验结果的腐蚀速率）土壤的种类g/m2/年无机物氧化性酸化性土壤粘性黄土52黄土29粘土39无机物氧化性碱化性土壤沉泥黄土43沙质黄土130无机物还原性酸化性土壤粘土46无机物还原性碱化性土壤粘土46粘土210有机物还原性酸化性土壤堆肥110沼池96堆肥180热浸镀锌的优点有哪些？以热浸镀锌作为钢铁的防蚀方法最为有效，说明如下：【A】优异耐蚀性：致密的保护皮膜及电化学的牺牲防蚀作用，形成一优良的防蚀层以保护钢铁。【B】最具经济性：长期的防蚀效果，不须维修，固为最经济的长期防蚀法。【C】优良密着性：铁与锌以合金反应，强力密着，耐冲击、摩擦而不易剥离。表面

8、镀金属技术有锌、铝、锡、铅及合金多种方式可用，但以钢铁的防蚀为目的中，以锌使用最多。请参看附表：金属锌铝锡铅元素符号ZnAlSnPb密度(g/cm3)7.142.705.8011.3熔点（）42066232328防蚀机构1致密的保护膜2牺牲防蚀1致密的保护膜2牺牲防蚀在空气中，无牺牲防蚀性，而在酸液中有无牺牲防蚀作用，而是利用铅的耐酸性经济性最适合1熔点高，易变形2能源耗费高，氧化物多价格高用途钢铁防锈中，镀锌的钢板、管结构物等使用较多。具有耐热性、耐硫性，可应用在锅炉管线等特殊用途。与食品接触无害，而且焊接性良好，可使用在罐头。耐酸性、焊接性良好，使用在汽油桶、药品桶。热浸镀锌与涂装的经济性

9、比较？各种防蚀方法中，热浸镀锌是最具经济效益的，尤其和涂装比较时更是如此。一般防蚀的经济性，人们会考虑到二个因素：一是初期费用，一是维修费用。热浸镀锌需较少维修费用，但却给人一种初期费用很高的错觉。例如大型钢材建造的桥粱，其热浸镀锌和涂装成本比较如图六。工程量：约100000m2（约6000吨）热浸镀锌涂漆*初期费用单价约5000元/吨约250元/m2*工程费3000万元2500万元覆盖膜厚100m以上255m1免维护使用年限60年7年2假设使用年限60年60年3全部维护次数0次8次4每次维护费用0元5000万元5总计维护费用0元4亿元6总防蚀费用3000万元4亿2500万元7费用差异数较A节

10、省3亿9500万元A附注1、涂装用于钢构，在台湾施工品质较难控制，施工中不确定因素较多；2、油漆维修费用为500元/m2（含增加之搭架、施工材料、工资、交通管制维持等费用）3、随社会变迁缺工问题日益严重，油漆涂装之发包可能越困难且价格昂贵；4、本案经免维护使用年限后，考量以油漆做维护；5、* 喷沙+无机锌粉底漆+两道中涂漆+两道氯化橡胶面漆桥梁的结构，若以60年期来考虑的话，镀锌的维修费用为零，而油漆则通常五至七年需维修一次，这项费用因环境而异，故可了解其全部费用是高于热浸镀锌。且随着物价、工资的上升，油漆的维修费用势必日益增高，由此考虑，更可显示出热浸镀锌的优异性。任何材料均能热浸镀锌吗？钢

11、铁制品，如轧延钢材、铸件、铸钢等均可施以热浸镀锌处理，但铸件如用平常的酸洗法是无法将烧结砂去除，会发生镀不上的现象，故喷砂处理是绝对必要的。通常，一般构造用轧延钢材、焊接构造用轧延钢材、配管用钢管等，大多使用热浸镀锌处理。热浸镀锌的皮膜厚度多少？镀锌皮膜厚度，视被覆方法（温度、时间）及钢材（材质、材厚）不同而有很大的差别。镀锌层厚度与被覆方法及钢材的关系方法钢材厚度（m）g/m2热浸镀锌构造物75125532.5888螺栓、螺帽4570319.5479铁配件3575248.5533管75100532.5710线123585.2249镀锌钢板82056.8142电镀锌一般制品52535.5178

12、钢板2814.257锌熔射一般75125532.5888锌粉涂料一般10357124917.1 g/m2热浸镀锌的皮膜厚度多少？作业方法依CNS 8503为准，流程及内容简述如下：热浸镀锌操作程序，依序分别为：进料检查脱脂水洗酸洗水洗助熔剂热浸镀锌冷却整理成品成品检查出货 进料检查检查工件表面是否有不当的油漆并予去除：由于部份油漆、沥青、油脂等无法藉由 脱脂作业将其去除，造成钢梁制作时应妥善管理外，镀锌工厂脱脂工件表面无法镀上锌，而造成镀后局部缺陷。故钢构厂于前应详细检查是否有不当的油漆、沥青、油脂等应通知钢构厂前来予以去除。检查是否有附着焊接的焊渣并予以去除： 为了避免镀锌局部缺陷，镀锌厂于

13、脱脂前应检查是否有残留附着焊接的焊渣并通知钢构厂前来予以去除。检查是否有焊接裂缝并通知钢构厂补救：由于镀锌后不能再补焊，镀锌厂于脱脂前都会再详查是否有焊接裂缝，并通知钢构厂进行补修。检查是否有变形并通知钢构厂整形： 由于镀锌后不能加热整形，脱脂前必须详细检查是否有变形，并要求钢构厂进行整形。确认吊耳已装置。通气孔是否有留及大小位置是否正确。脱脂作业其目的在于去除工件表面之油脂及防锈油为使用各种碱性脱脂剂，其主要成份为氢氧化钠溶液，一般加热至60100下进行脱脂，比重1.041.09，浸置时间随工件表面所附着之油脂多寡而定（一般浸渍时间约10min30min）。脱脂完成之工件表面可用手擦拭检查是

14、否残留油脂（黑色）及藉由水洗时之湿润状态确认脱脂是否完全。水洗作业一般为冲洗式水洗，其目的在于洗净工件表面所残留的脱脂剂，以利下流程。酸洗作业使用盐酸（HC1）酸洗，其温度为常温，盐酸浓度为1016。酸洗时间视工件锈蚀程度而定（酸洗10min后检查是否干净若无则再酸洗10min直到干净）。酸洗完成之工件表面呈灰色或灰白色。一般于酸洗槽内添加适量酸洗仰制剂，以避免工件酸洗过度，造成氢脆化现象。水洗作业一般为冲洗式水洗，其目的在于洗净工件表面所残留的盐酸酸液，以利下流程。助熔剂作业其目的在于所生成之皮膜可暂时防锈，及促进钢铁表面与锌液之反应，以形成良好的镀层。其成份为氯化锌铵混合液，并加热之608

15、0，PH值4.55.5，其浸置时间视工件厚度而定。热浸镀锌作业主要成份：（Zn）98.5以上，并适当添加微量铝（A1）合金，以增加锌液流动性及表面光泽度，操作温度为4405，浸置时间越长。工件浸入速度应连续且以快速进入为原则。冷却其成份为自来水，一般温度约50以上，其目的在于终止合金层反应，并生成一安定皮膜，以利后续整理作业。整理作业以挫刀或砂轮片研磨以去除：1. 工件表面残余的锌垂、粗糙面及残渣。2. 螺栓孔内积存的锌液，以利安装。应注意研磨过程中勿损及镀锌层。成品检查依CNS10007规范 附着量：605g/m（85um）以上。成品检查外观检查检查项目试验频度判定基准A影响耐蚀性之缺点未镀

16、锌裂伤全部钢材判定基准 AB在使用上有害之缺陷接面、接合面锌垂滴、叠层起泡、凹凸粗糙、锌渣全部钢材判定基准 B热浸镀锌皮膜的组织为何？由镀锌制品之断面显微组织可以看出，锌与铁反形成一金属化合物的合金层，并于取出锌浴时，合金层上再附着一纯锌层，此二层即为镀锌皮膜组织。一般作业条件下，接近底材部分形成1合金层，再上为合金层，最外层为与锌液相同之纯锌层。【1层】通常为镀锌皮膜最内部的致密组织层，复杂的六方晶系构造，富韧性、延展性，已FeZn7化合物存在，铁含量711。【 层】镀锌皮膜中最显著的单斜晶系，柱状组织，对称性低，相互结合不强固、易脆，经苛酷的变形加工会生龟裂，以FeZn13化合物存在，铁含

17、量6。【 层】最上部份之纯锌层，稠密六方晶系，质软富延展性，经变形加工不易龟裂。此外，最靠近底材部分有时亦会产生a层及层，但其非常薄，几乎不亦看到。由上述可知：热浸镀锌时产生的合金层与底材形成强固结合，其密着性比涂装要高出很多。而且涂装制品经过一段时间后，涂层会劣化，水份从涂层渗入，使底材生锈造成涂层剥离，致使必要再做维修涂补。但镀锌皮膜因其强固的密着性，使水份浸入困难，故内部底材不会生锈。镀锌后之钢材性质是否会有变化？热浸镀锌加工之流程依脱脂、酸洗、药液处理、热浸镀锌、冷却等顺序进行。其中脱脂、药液处理及冷却过程对钢铁性质毫无影响，不会发生问题，酸洗过程对一般钢种亦无影响，但对80kg/mm

18、2以上之高强度钢或调质型钢种，于酸洗时发生之氢气感受性较强，故必须十分小心。虽然如此，但各种试验结果，却对此现象无十分明确的认定。镀锌过程对一般钢种之性质无影响，但对60kg/mm2 以上之高强度钢的机械性质，降伏点、抗拉强度、伸长率、冲击强度及疲劳强度，则多少会有变化，然均在其规格内，故影响不大。所以，高强度钢和调质型钢材之热浸镀锌处理，事先应知会镀锌厂商。热浸镀锌有哪些用途？热浸镀锌被广泛地使用于公路、铁路、电力、造船、土木、建筑、农产、水产等工程。公路用：护栏板、照明灯、标识、桥梁。铁路用：车站、维修厂、架线杆、隔音墙。电力用：输电铁塔、架线五金。土木用：下水道、落石防护墙。建筑用：住宅

19、、围墙、厂房、设备。农产水产用：温室、储藏室、果树棚、养鱼槽。 今后，在维修困难或维修费高的地方，热浸镀锌将可有效的使用。又海洋构造物或使用海砂之混凝土构造物的钢筋，因盐份的腐蚀会有耐久性的问题存在，热浸镀锌钢筋可有效地防止腐蚀的进行。日本热浸镀锌钢板统计（单位：千吨）年（公元）197019711972197319741975197619771978热浸镀锌钢板368935954158512151004186568257155637一般热浸镀锌压延钢材84140166198182151189228269铸锻造品83937192978487122124管758763690810727497629

20、675601螺栓螺帽273543423334596875其他102126141171161158192259315小计10541157111013131200924115513531385输电铁塔143171191232192154185238225合计488649235459666664925264702273067247热浸镀锌之大型钢构造物实例有哪些？国内、国外之实例很多，大多使用在公路、铁路、电力、桥梁、建筑等。国内：请参考本网站镀锌工程实绩国外：建造(年)昭和名称所在地业主备注39.11新温井川桥群码县国道17号建设省关东地建跨距25m39.12四方寄跨道桥熊本县饱托郡建设省九州地建

21、跨距45m43.02五十川跨线桥山形县西田川郡建设省东北地建跨距21m46.11长浦跨线桥千叶县国道16号建设省关东地建跨距25m48.09足立高架桥福冈县北九州市日本道路公团跨距28-34m49春来1号桥兵库县国道9号建设省近畿地建桥长50m51.03明石兵库县第二神明道路日本道路公团跨距39m53.09中国东干线送电铁塔广岛县、冈山县中国电力、电源开发高度89m500KV54.06新所尺线送电铁塔东京都、琦玉县东京电力高度110m500KV54.7岩手县东北新干线大阪府近畿自动车道国铁盛冈工事局、日本道路公团600m(完成部份)新泻县上越新干线铁建公团、新泻新干线建设局热浸镀锌工厂有多少？

22、目前中华民国热浸镀锌协会之加盟会员共有14个，请参考本网站镀锌厂介绍，而国内实际从事此行业约有20余家。热浸镀锌钢材之使用会不会引起二次公害？热浸镀锌钢材其表面皮膜锌之溶出速度很慢，此种程度，与其说不会对人体有不良影响，不如说微量锌是生物体必须的元素，亦是人体所不可或缺的。热浸镀锌构造物在设计上应注意那些？被镀件在制作中须注意下列事项：镀件之尺寸、重量：镀件的尺寸、重量，因决定于镀槽之大小和工厂设备，故在设计阶段必须事先了解镀锌工厂之设备资料，镀件的尺寸比镀槽大时，可用2次镀锌法。钢材的材质：钢材的材质不同，可能会使镀层厚度、外观、附着性等发生异常变化。 化学成分：钢铁中的合金成份影响-锌反应

23、最大的为硅元素，其在0.05以下及0.150.3间以外的反应特别激烈，致有镀锌皮膜烧灰或特别厚的现象发生。高强度钢材在镀锌时，因其为增强强度所添加的碳、硅、锰等，镀前亦须完全了解。制钢方法：钢材的生产过程中影响最大者为炼钢时所用的脱氧剂，如用硅脱氧时，附着量会很高，又Mild钢较Killed钢安定，不会产生烧灰现象，附着量亦较低。 异种材料之组合：不同表面状态、不同组成钢材、不同金属组合等，不可能得到均一的镀锌品质。钢材氧化层、锈层必须先除去，再行组合或机械加工，不锈钢或铜等零件须俟镀后再行组合，这些都须在设计时就注意到。 空洞及密封部：管及组合品之密闭部份，在镀锌作业温度下，特别是内部有水分

24、渗入时，会因急剧的膨胀产生高压，而有爆炸的危险。请参考本网站结构物设计要点。 重叠面：不连续熔接的镀件，有焊渣或针孔残留及锌液流动不良现象，会造成镀不上或镀后酸液流出等腐蚀现象。可动部必须留有直径1.6mm以上之空隙。铸造品中附着的硅酸质，一般均须经喷砂处理。喷砂时铸造品之死角、锐角、深凹部均应避免。 形状：制造品与助熔剂接触时，若气体或水份密闭逃不出去就不可以。又从锌液取出时，会使锌积存的形状亦不适当。热浸镀锌后高张力螺栓在摩擦接合部的疲劳强度是否会降低？镀锌皮膜由纯锌层及合金层所组成，而此合金层令人担心的是在重复荷重下之疲劳强度可能降低，但实际上，实验结果没有问题。疲劳强度：镀锌试验片之疲

25、劳强度约比黑皮母材低12kg/mm2，但因其强度要求，实际设计不须考虑。 钢材间之滑动：初期之静负荷滑动量及重复负荷滑动量合计约为0.20.3mm，实际上没有问题。 螺栓轴力：重复负荷之轴力低下问题，镀锌及未镀锌钢材没什么差别。 滑动系数：重复负荷后之镀锌钢材，滑动系数有增加倾向。螺栓接合部之设计如何？使用普通螺栓之接合设计都一样，但使用高强度螺栓摩擦接合情形下，必须注意下列几点：摩擦面经喷砂处理其粗糙度须达80S以上，镀锌处理之钢材表面摩擦系数约0.090.30，如摩擦接合须达0.33以上时，此处应施以不镀锌处理。使用F8T以下之螺栓：镀锌处理后，高强度螺栓会产生延迟破坏现象。延迟破坏就是高

26、强度螺栓结合一段时间后突然断裂的现象，此乃金属结晶内蓄积氢气压力过大的结果。高强度螺栓在热浸镀锌前处理酸洗过程中会吸收氢气，这种不良影响由过去得经验可兹证明。但是经过各种试验显示，延迟破坏在F10T以上之高强度螺栓才会发生，F8T以下不会发生，故摩擦接合用高强度螺栓只能用F8T以下。又中国土木水利工程学会所编热浸镀锌钢桥设计施工手册，亦建议使用F8T螺栓、F10螺帽、F35之华司组合。F10T、F11T高强度不镀锌螺栓使用时，须严格做好防水对策。耐候性螺栓因色彩不同，且初期产生之锈蚀会污染其它表层直至安定化为止，故不被推广使用。热浸镀锌后之钢材可否焊接？只要焊接材料，焊接面，焊接电流，焊接速度

27、，运棒方法等焊接条件适当选定的话，镀锌钢材亦可焊接。一般钢材之焊接部强度并不会减弱，但随着镀锌厚度的增加，适当的焊接条件范围变窄，使焊接进行困难，故焊接时最好将焊接部之锌完全除去。钢材如需热浸镀锌后焊接，须先行告知镀锌工厂，并于镀锌前在钢材焊道上涂抹不镀药剂，可避免焊道镀锌，以利后续焊接工作。镀锌钢材之焊接当有以下诸点须注意：焊接时如有烟雾产生，焊接工人吸入会发生情绪上的不良，故须戴口罩或安装排烟设备。焊接完后焊渣须除去，锌层剥落部份用高含锌漆补修或以锌熔射补修。由此可知，焊接并没什么特殊问题，但再怎么说，现场焊接总是对美观有害，故尽可能采用螺栓结合。混凝土中之钢筋是否适用于热浸镀锌？最近混凝

28、土中使用海砂情况越来越多，因其盐份易导致钢筋生锈，而体积膨胀增大使混凝土发生破裂。故此种混凝土钢筋之防蚀对策，以镀锌钢筋最受人注目。镀锌钢筋之争论点就是与混凝土之握裹力问题，试验显示其握裹力并不比黑皮钢筋差，且长期使用后，甚至有超越黑皮钢筋之趋势。又钢筋之弯曲加工，可参考CNS 标准之指示。如何使钢材在热浸镀锌时变形减至最少？变形程度与钢材形状有关吗？镀锌钢铁制品之变形，多少会发生，但变形程度只要在容许限度内，并不影响其实用性，是否需变形矫正要视制品而异。发生变形主要在于制品形状、厚度、尺寸、构造、焊接方法、镀锌条件等多项因素，故事前要把握定量的变形相当困难。一般变形发生倾向如下：构造：左右对称的构造不易变形，焊接点少时只会发生单纯变形，而一般补强构造物变形量少。焊接方法：焊接方法如附图，为其基本方法。但在整体的构造及焊接情况下，也有可能不发生变形。钢材之变形： 同一形状、厚