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緊固件的現代防腐技術

2021-03-23 10:42:12 作者：本網整理來源：GAF螺絲君分享至：

背景

金屬受到環境的影響，借著化學或電化學反應所造成的破壞性侵害，稱為腐蝕，幾乎所有的金屬制品在一定的環境中，都會有若干形態的腐蝕現象，而螺絲是金屬制品，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。

以中國臺灣來說，臺灣地形狹小，四面環海，為海島型氣候，大氣中的鹽分及濕度極高，又有許多污染性工業，如鋼鐵、石化、火力發電等，加上近年來汽車數量大幅增長，大量排放的廢氣造成空氣中的腐蝕性硫化物與氮化物氣體及微粒的比例上升，這些都是造成金屬腐蝕的主要原因。如位于臺灣云林海邊的臺塑六輕麥寮廠，目前發現該廠的螺絲、螺栓、結構鋼及管線等金屬的腐蝕嚴重性，都可能已超過原先建廠前的預估，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的設備維護成本及嚴重的經濟損失，如因腐蝕而增加設計、制造、保養及維修費用，甚至發生危害及災難。

螺絲的使用范圍廣泛，數量需求也非常大，其抗蝕能力的優劣決定其使用耐久性，對設備的安全及可靠性有重大影響，因此研究螺絲等緊固件的腐蝕防護方法，開發及應用現代腐蝕防護技術，是非常必要和有意義的。

一、腐蝕防護方法

金屬腐蝕防護的方法主要有四方面，即控制材料本身、使用環境、材料與環境的界面以及改良金屬結構的設計，若采用完全抗腐蝕的合金來制造螺絲，除非有特別需要，否則從經濟方面出發是不切實際的；或者將螺絲的表面與會產生腐蝕的環境因素完全隔離，實際上也是非常困難的。

改良金屬結構設計可在某些情況下改善特殊狀況的影響，但多數螺絲的設計是無法充分修改的，且其保護作用也并非是永久性的，因此這種方法不能根本解決問題，只有在界面上采取有效的防護措施，即表面耐蝕處理是目前應用最廣泛的方法。

表面耐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：

耐蝕、耐磨、高硬度；

結構緊密、完整、孔隙小；

與基體金屬結合牢固、粘結力好；

均勻分布且有一定厚度。

保護層通常分為金屬涂層和非金屬涂層兩類，金屬涂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，這種涂層又叫鍍層。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。

非金屬涂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。

二、電鍍

電鍍是指在含有欲鍍金屬離子的溶液中，以被鍍材料或物品為陰極，通過電解作用，即可在基體表面上獲得鍍層。在電解過程中，電極和電解液間的界面上發生化學反應，陽極釋放電子發生氧化反應，陰極吸收電子發生還原反應。

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），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極電位不同，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，對于鋼材具有電化保護作用，即“犧牲性”保護作用，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，例如鋼上鍍鋁、銅、鎳，當鍍層有破損時，鍍層會加速基體金屬暴露部分的腐蝕，因此鍍層應注意其緊密性及無破損，僅在鍍層完好時具有保護作用，而且保護能力取決于其孔隙率，孔隙率低，保護作用大，其耐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。

三、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。

用熱浸法可得到相當厚的鍍層，且很少有疏孔，相比于其他電鍍層具有較佳的耐蝕性。在相同的腐蝕環境中，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，通常鍍層厚度在50g/m2以上的用熱浸鍍法較容易獲得，而50g/m2以下的鍍層厚度用電鍍法就可以較為經濟的獲得。

成功的熱浸鍍法必須將底層金屬與鍍層金屬互相結合成合金，而不只是由鍍層金屬覆蓋在基體金屬之上。在結晶組織上，熱浸式鍍層至少具有兩層，內層為合金擴散層，外層為鍍層。外層基本上與鍍層金屬有相同性質，但內層擴散層通常較為硬脆，經彎曲后可能容易脫皮或裂開，故處理件不能過分變形，處理件所能承受的變形程序，取決于其采用的金屬、鍍層及其它因素，因此常在變形加工后再進行熱浸鍍。

四、螺絲鍍鋅

鋅與其它電鍍用金屬相比，價格較為低廉，且鋅的耐蝕性在多數情況下遠優于鋼鐵，所以鍍鋅層能對不連續部分、小孔、破裂及切邊處露出的鋼鐵起到保護作用。

所以一般的螺絲或易遭受大氣腐蝕作用的螺絲大都進行鍍鋅處理，但螺絲不像板或棒那樣形狀規則或表面平滑，因此鍍鋅層的厚度在各部位難以保持均勻一致，常呈現頭部最厚，螺紋山前端其次，螺紋谷最薄的現象。

為了配合螺絲的大量生產，降低成本及提高產量，通常采用電鍍法成桶鍍鋅的方式，此法是將電流從桶架的電極通入桶內的導線，導線與螺絲接觸而導電，同時桶轉動攪拌螺絲，使螺絲與電極均勻接觸。然而此時電流斷斷續續，很難形成均勻的電流密度，故鍍鋅厚度也容易出現差異。

電鍍鋅可采用酸性電鍍液及堿性電鍍液兩種，酸性電鍍液以硫酸鋅為主要成分，價格低廉且效率高，電鍍速度快，易于管理，也比堿性電鍍液不易引起氫脆，但結晶稍粗，光澤不佳，均鍍能力差。

而堿性電鍍液以氰化鋅為主要成分，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，若進一步實施鉻酸鹽處理，即可獲得更光亮的鍍層且耐蝕性優良。

熱浸鍍鋅也用于螺絲、螺栓及螺帽的表面耐蝕處理，熱浸鍍鋅的螺絲比電鍍鋅的螺絲有較佳的耐蝕能力，但是成本較高，且高強度的結構用螺栓不適用熱浸鍍鋅，因為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的耐久性與其厚度成線性關系，即鍍層越厚壽命越長，但在含硫化物的工業區其耐蝕性則較差，同時在海洋性及熱帶氣候中會產生大量腐蝕性產物，必須通過鉻酸鹽處理來預防。

在美國曾有研究人員用膜厚0.03mm的薄鍍鋅試片進行試驗，結果發現在鄉村、濱海地區及工業區的平均壽命約為3:2:1，表示在污染空氣中，鍍鋅層最容易發生腐蝕，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；在濱海地區由于大氣中存在有大量的鹽結晶及液體微粒（氯化物）會造成金屬腐蝕，且大氣相對濕度的大小也會明顯影響腐蝕速率。

北京科技大學材料保護研究所也曾在大陸不同地區作鍍鋅層大氣暴露腐蝕試驗，試驗期一年，結果發現腐蝕速率最高的是在大氣中SO2、氯化物（海鹽粒子）含量最高且相對濕度最大的地區。其中大氣相對濕度被認為是造成腐蝕的主要因素，而大氣中的污染物，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的水分、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，因為在鍍鋅過程中，螺絲表面的缺陷容易使酸、堿、鹽等腐蝕介質滲入，難以清洗導致腐蝕。

在螺絲加工時要盡可能減少應力集中，因為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小氧化膜厚度，尤其電鍍前必須徹底除去表面油污及銹蝕物并適當控制酸洗除銹時間，以免影響電鍍品質。

電鍍操作要注意選用具有良好深鍍能力的鍍鋅溶液，加強槽液維護管理，妥善控制電流密度及添加劑用量。電鍍后須進行徹底清洗，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，避免使用與鋅不兼容的塑料制品，包裝以金屬材料如鍍鋅鐵皮為最佳，包裝箱內可放入適量的干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。

目前市面上有一種名為LONGZINC（達克銹）的金屬表面處理適用于螺絲及螺帽。其處理方式是將已脫脂及除銹的螺絲和螺帽浸鍍于達克銹防銹劑槽中，或使用噴鍍方式在金屬表面形成鋅與價鉻化合物的保護膜，并予以烘干，冷卻后再重復處理一次，所得膜厚約為5～8μm，呈銀灰色，依據廠商提供資料顯示該方法所得鍍層具有良好的防銹、耐蝕特性。

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，所以這類鍍層的化學穩定性與耐蝕性比單獨鍍鋅要好。

五、化學表面處理

金屬合金可在適當的化學溶液中于受控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，表面金屬轉變為化合物與底層金屬結合成一體，故產生具有抵抗性的表面層，在物理及化學性質上均為底層金屬的一部分。

保護膜主要用于：

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；

使金屬銹蝕減少到最低程度；

提高油漆、涂料之粘縮性。

常見的化學表面處理有磷酸鹽處理、鉻酸鹽處理及氧化處理三種。

01 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于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的底層及金屬冷加工時潤滑劑的吸附層。

由于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，或冷沖壓減少磨擦及鋼管、鋼線冷抽的潤滑層。

磷酸鹽皮膜不溶于水，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、浸油或涂漆，可以進一步提高其耐蝕能力。

磷酸鹽皮膜同硝基漆或臺成樹脂漆組成的防護系統對鋼鐵有非常好的耐蝕作用，當調制漆料粘度時應使漆料能自由穿透膜孔，漆膜的干燥溫度宜在150～180℃之間，最好在烘箱中烘干。

當磷酸鹽皮膜用于冷變形加工及降低摩擦件表面磨耗時，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作用，耐蝕性較佳。

以臺灣螺絲原料生產廠家中鋼為例，其所生產的盤元經鋼鐵廠加工制成線材，再交運至螺絲廠。若材質為碳鋼，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的磷酸鹽皮膜，以利于抽線且易于冷鍛（擠制成鍛粗）。若材質為合金鋼，酸洗后需進行球化處理，退火形成軟鋼使之易于機械加工，再進行酸洗、磷酸鹽處理或石灰皂披覆后抽制。若材質為不銹鋼，則需通過草酸披覆形成潤滑膜以利于抽制。螺絲廠完成線材的線徑、真圓度、表面傷痕或腐蝕等檢驗后，即將線材直接送入成型機取料及冷鍛，再經滾牙機制成螺絲。

02 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，采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）及鍍鎘層的后處理，以提高鍍層的耐蝕性，也可用作其它金屬如鋁、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，其皮膜干燥后無孔，能當作阻隔物來阻止水分到達底層金屬，在腐蝕環境中對金屬表面有可靠的隔離保護作用。

鉻酸鹽皮膜的主要成分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，且穩定性高，故具有良好的強度。

可溶性的六價鉻化合物分散在膜的內部具有良好的填充作用，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以上。

不同的基體金屬采用不同的鉻酸鹽處理溶液，得到的膜層和膜的成分也不同。而鉻酸鹽溶液中，Cr6+/SO42-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。

在沒有添加酸或堿的鉻酸鹽溶液中無法形成鋁酸鹽皮膜，所以要得到較厚的膜層，必須使溶液保持最佳的pH值。用水清洗過的鋁酸鹽皮膜，不可在50℃以上的溫度干燥，因為高于此溫度以上時，皮膜中六價鉻化合物會由可溶性變為不溶性，降低自愈能力，甚至隨著溫度升高使膜層出現裂化。

03 氧化處理

將鋼鐵件浸于含有氧化劑的堿性溶液中，例如硝酸鉀或硝酸納的氫氧化鈉溶液中，并保持其沸點為140℃左右，或將鋼鐵件浸于硝酸鈉及硝酸鉀的熔鹽中，取出后淬于水中，在其表面可得到一層黑色氧化物即氧化鐵膜，其成分為氧化亞鐵與氧化鐵的混合物，是提高黑色金屬耐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0.5～1.6μm，耐蝕性有限，厚度在2μm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，如浸以防銹油或涂漆后，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，可直接放進濃堿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，兩次氧化處理則是在溶液成分不同的兩種槽液中完成。采用一次氧化處理生成的膜層較薄，耐蝕性較差；采用兩次氧化處理生成的膜層較厚，耐蝕性也較好。氧化處理后的零件必須經過充分洗凈，而后在肥皂水中煮沸，按步驟進行干燥和涂油。

六、油漆

油漆是一種有機涂料，主要用于保護金屬零件、設備及結構以抵抗大氣腐蝕，是用來作為被保護金屬與環境間的阻隔物。用油漆防止金屬腐蝕已有悠久的歷史，也是一種應用最廣及最常見的腐蝕防護技術，施工方便，成本低廉。

油漆涂層的有效壽命取決于油漆本身的耐久性及涂層對于被保護金屬的附著性，而更好的附著性和保護作用也都需要對油漆進行合理的應用。

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的適當處理，被處理的金屬表面必須無灰塵、油、脂、銹、氧化物及任何能引起最初腐蝕的物質等。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效果還要好。金屬表面所有的臟物、油漬和油脂可用溶劑或堿性溶液去除后再水洗，銹和氧化物可用酸洗或噴砂方式去除。

金屬表面清潔干凈后，頭道漆應馬上涂到干燥的表面上，以達到良好的吸附，最好先涂上一層磷酸鹽再涂第一道漆。油漆通常須涂數道，涂層的次數及種類都決定著防銹效果。

在涂油漆的過程中，底漆的涂刷極為重要，為在金屬上形成基本的附著性，一般須涂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中至少要上四道漆且厚度不得小于0.13mm，臺灣的很多公司都是采用三道底漆，一道或兩道面漆。

常用的防銹底漆有紅丹漆及富鋅涂料兩種，紅丹漆是將紅丹（氧化鉛）與各種漆基調制而成，富鋅涂料是由大量的鋅粉與少量的成膜物質（粘結劑）混合而成，漆膜干燥后，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。而富鋅涂料是依靠鋅對金屬的陰極保護作用，所以有良好的防銹性能。

常用的防止金屬腐蝕的面漆有環氧樹脂漆、硅樹脂漆、氯化乙烯樹脂漆、三聚氰胺樹脂漆、醇酸樹脂漆等，其中屬于環氧樹脂漆類的環氧煤焦瀝青漆是目前國際上最廣泛使用的高效能防銹涂料之一，其附著性、堅固性、耐水性、耐化學腐蝕等比較優異。

七、陶瓷保護膜

陶瓷是金屬氧化物、碳化物、硼化物、硅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硅化物。

適當使用噴鍍方法將熔融狀態的陶瓷材料微粒噴附在金屬表面以形成覆蓋涂層，即陶瓷保護膜。陶瓷保護膜是將陶瓷材料施加于金屬表面以增加其對高溫氧化的抵抗性及耐熱性，對于堿類及氫氟酸以外的所有腐蝕環境都具有良好的耐蝕性，并有耐磨、易清潔、美觀及良好的絕緣性等優點。

噴陶后的零部件可以在高溫下使用，噴陶層可以防止金屬與合金的晶間腐蝕，作為腐蝕性氣體的隔絕障礙，降低熱點發生的機率，對于重要部位可代替低合金金屬，并可抵抗污染物的侵蝕。若使用浸鍍法，則需在干燥后再于爐中烤干，以形成附著力良好的保護層。

八、總結

金屬腐蝕防護技術涉及多學科，應用廣泛，內容豐富，對于螺絲等緊固件的腐蝕現象，究竟要采用哪種防護措施，不能一概而論。假如防護的費用遠超過螺絲購買的成本，還是選擇直接更換新螺絲較為經濟可行。

要注意妥善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，應于事先綜合考量，否則事后再作防護等補救措施，就更為困難，且效果不佳。有些時候甚至只要將會造成腐蝕的環境隔離，就能有效控制腐蝕，如核電廠的機組設備都要建于封閉的廠房內，也有人使用一種螺絲專用的塑料帽（如RADOLID），有各種尺寸，可將暴露在大氣中的螺絲或螺帽緊密覆蓋而達到耐蝕的效果。

另外要盡量避免將不同的金屬材料用螺絲聯接，否則螺絲很容易因兩種材料電位差異而造成腐蝕。所以必須依據螺絲腐蝕的原因、環境條件、防護要求和效果，及成本與經濟效益等因素綜合考量，決定最經濟有效的措施，最終達成防護的目的。

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