熱浸鍍鋅鋼板的發展

長久以來，鋅廣泛地使用在保護鋼鐵上來增加抗腐蝕性，基於主要三 個因素，一、對於保護鋼鐵防蝕，鋅塗層為最有效且最經濟的方法。二、鋅對於 基材鋼鐵可以提供陰極保護的作用。三、鋅塗覆在鋼鐵表面上比未塗層鋼鐵表面

Sacrificial Protection)原理，亦稱「陰極保護」原理，例如鋅層某處被刮傷而鋼材 差，鋅之電子流向鐵而保護鐵之方法，稱為Galvanizing。鍍鋅之技術係於1742 年 由法國的化學家P.J.Malouin所研發，1786 年於英國首先以Ammonium Chloride 當作熱浸鍍鋅的助熔劑(Flux)進行熱浸鍍鋅作業；1800 年德國將以上製程工業 化，1846 發展出於鋅槽利用輥輪控制鋅層的厚度，這也是第一次成功的開發出 鋅層控制的方法，1931年波蘭人Tardenz Sendzimir利用冷軋後之鋼帶先在氧化氣 氛預熱以去除表面之軋延殘油，同時亦會在板面上形成一層薄氧化鐵,再進入氫-氮之還原氣氛中將氧化鐵還原,而使鋼帶表面達到適於鍍鋅之狀況，此方法稱為連 續鍍鋅，1936年美國Armco公司將此方法工業化。因傳統的Flux 製程並無法精確 的控制鐵鋅合金層，ARMCO 公司發展出不使用助熔劑(Flux)的Semdzimir製程，

鋼板於高溫的氧化還原條件下可成功的鍍鋅並在鍍槽中加入鋁以抑制硬脆的鋅 化性氣體取代Sendzimir 法之氧化性氣氛,其建廠與操作成本較低,目前已成為世界 主流,稱 NOF 法。

2.1.2 添加其它微量元素對鋼板鍍層之影響 上部浮渣(Top Dross)，沈於槽底的稱之為底部浮渣(Bottom Dross)。此鋅渣中鋁含 量多寡、鋅渣之正確組成與產生量之多寡，會因槽內鋅液溫度、鋼板溫度、及添 加鋅液之鋁含量多寡而不同；參考一般之經驗，若鋁含量低於0.13％時，比較容 易產生底部鋅渣；當鋁含量大於0.15％之後，底部鋅渣將不再產生；但若鋁含量 高於0.17％，則比較容易產生上部浮渣，介於0.13％～0.17％之間時，兩種型態之 浮渣都有，比較不易分離，鋼板表面越粗糙時，反應面積越大，於相同之鋅液成

基材上分別為Fe3Zn10、Fe5Zn21、FeZn10、FeZn13、ETA，由於這些介金屬相是為

（5）添加微量鎂(Mg)元素 設備如鋅槽(Zinc Pot)、沉入輥(Sink Roll)，鋅錠入料設備，支撐輥等，均有強烈 的侵蝕性，若鋁含量大於2％，則應選用不銹鋼或陶瓷內襯材質為佳。

2.1.3 鍍鋅層結構分析

2.1.4 熱浸鍍鋅鋼板（Galvanized Iron, GI）

熱浸鍍鋅鋼板,鍍層成分依 JIS G3302 規定鋅含量需在 97%以上，以熱浸鍍方 式，將鋅鍍在鋼板表面，使鍍鋅層與鋼材間形成一層 Zn-Fe 或 Fe-Al 合金層，使 其達到防蝕之目的，如圖2-5。

鍍層種類依鍍鋅層之含鐵量可分為合金化及非合金化兩種。合金化熱浸鍍鋅 鋼板其製程為鋼捲一離開鍍槽後，立即以合金化爐(Galvannealing Furnace)加熱至 500～550℃左右，實施合金化處理，可得到灰黑色之 δ 相的鋅鐵合金層(FeZn7)，

其塗裝附著性良好，點焊性優良，可應用於汽車、家電業等。而非合金熱浸鍍鋅 鋼板即不實施合金化處理，其表面精整亦可以鋅花大小分成三類，即一般鋅花 (Regular Spangle)、微細(無)鋅花(Minimized Spangle，含 Zero Spangle )及超平滑表 面(Extra Smooth)，但鋅花之大小與耐蝕性幾乎無關，一般鋅花之鍍鋅層以正常方 式固化產生鋅花，微細(無)鋅花（Minimized /zero Spangle）之鍍鋅層尚未固化前 以鋅粉或蒸氣吹設，控制鋅花結晶或控制鍍槽成份組成，可得微細鋅花或稱無鋅

浸鍍鋅鋼板(GI) 所採用之鋼板為非合金熱浸鍍鋅鋼板，表面精整為超平滑表面 (Extra Smooth)。

2.1.5 熱浸鍍 5％鋁鋅鋼板（Galfan, GF）

熱浸鍍5％鋁鋅鋼板（Galfan, GF）鍍層係由鋅、5％鋁及微量鑭（La）、鈰

（Ce）之稀土金屬組合而成，如圖2-6，為國際鉛鋅組織（International Lead ZincResearch Organization, LIZRO）贊助比利時冶金研究中心（Center deRecherches Metallugigues, CRM）所研究發展出的鍍製技術，目前相關專利技術由LIZRO 所 擁有。1977 年，美國內陸鋼鐵公司（Inland Steel）首先針對鋁鋅共晶（eutectic）

合金組成之鍍製鋼板發表專利，鋁含量5±0.5wt%，另添加鉛、銻、錫等金屬至總

2.1.6 熱浸鍍 55%鋁鋅鋼板（Galvalume, GL）

鍍層約由55％鋁，43.4％鋅與1.6％矽所組成，如圖2-7；但美國試驗及材料協 會ASTM之鍍層成分規定則由約55％鋁、43.5％鋅、1.5％矽所組成。於1960年代 後期由美國伯利恆鋼鐵公司(Bethlehem Steel Cooperation)之冶金專家研究推出，

BIEC(伯利恆國際工程公司)之專利與相關技術。鍍55％Al-Zn 合金鍍層鋼板的生

升，而鋅的腐蝕是直接與整個腐蝕促進因子與鋅表面腐蝕產物接觸的量有直接關

(2)鋅的腐蝕速度緩慢

2.2.2熱浸鍍55%鋁鋅鋼板鍍層結構

熱浸鍍55%鋁鋅鍍層是於600℃下固化而形成核樹枝狀微結構(cored dendritic microstructure)，鋁鋅會各別形成，鋁層首先固化成樹枝狀(dendrite)即為富鋁相 之富鋁層（dendrite，主要是α相），由圖2-2 鋁鋅相圖可看出，鋅層隨後在較低 溫度下，填充入鋁結晶間隙（interdendrite 主要是β相）， 結晶層體積約有80％

為富鋁層（Aluminum-rich），20％為富鋅層（Zinc-rich），零星的矽分佈在結晶

時，由富鋅相開始腐蝕，腐蝕產物將填充富鋁樹枝狀結構的間隙以阻止腐蝕繼續

(1)最初時的侵蝕會集中在樹枝間區(interdendritic regions)範圍。

(2)接著會優先沿著樹枝晶間區所提供的腐蝕路徑，使腐蝕向外擴展到樹枝狀區 (dendrite regions)，導致富鋁相開始腐蝕，此時腐蝕生成物會填充富鋁相的間隙以 阻止腐蝕繼續進行。

區會逐漸變薄，而腐蝕到基材鋼鐵。

2. I.O. Wallinder 腐蝕機制

I.O. Wallinder 等人提出另ㄧ種55% 鋁鋅鋼板腐蝕模型，且有很多學者ㄧ致 同意作者所提出的腐蝕模型，他認為在大氣中的鍍層表面會先覆蓋一層厚度約為 4nm 的氧化鋁層（Al2O3），之後在與水接觸時，鍍層表面會發生電化學反應且 鍍層溶解（Al³⁺、Zn²⁺）並產生氫氧化物，腐蝕生成物開始產生，無定形的氫氧 化鋅主要會在富鋅相區，氫氧化鋁主要會在富鋁相，在富鋁相中形成二層的鋁薄 膜在樹枝狀區，內層為波麥士水鋁石層（pseudoboehmite，AlOOH‧nH2O），其 外層為拜耳石層（Bayerite，Al(OH)3），若是在鹼性環境下，則ㄧ開始的氧化鋁 層容易分解而使富鋅相與富鋁相裸露出來，此時，鋁的溶解速率反而會比鋅的溶 解速率來的快，且氫氧化物之氧化膜也呈現不穩定狀態而喪失保護作用；若是與 二氧化碳接觸，則在樹枝晶間區的氫氧化鋅和氫氧化鋁部份會轉變形成碳酸鋁鋅 化合物（zinc aluminum carbonate）。

圖2-1 鋅之犧牲保護鋼材示意圖

圖2-2 Al-Zn 二元系相圖

FeZn₇ Fe2Al5 FE Fe2Al5

圖2-3 鋅液中添加鋁會熔解到鍍槽中的鐵形成 Fe2Al5之渣，

當鋁含量不足鐵和鋅反應形成FeZn7渣。

FFFe2Al5

圖2-4 純鋅鍍層金相圖

圖2-5 GI 鍍鋅層結構圖

鍍 5％鋁鋅

碳鋼底材

圖2-6 GF 鍍鋅層結構圖

圖2-7 GL 鍍鋅層結構圖

第三章 實驗方法與步驟

本研究主要探討熱浸鍍鋅鋼板（Galvanized Iron, GI）、熱浸鍍 5％鋁鋅鋼板

（Galfan, GF）、熱浸鍍 55％鋁鋅鋼板（Galvalume, GL）等三種板材，將此三種 鍍面鋼材施以切邊及180 度 0T（Zero Thickness）彎曲於實驗室作鹽霧試驗（Salt Spray Test）。研究中並藉由兩組鍍層相同的熱浸鍍鋅鋼板（Galvanized Iron, GI）、

熱浸鍍5％鋁鋅鋼板（Galfan, GF）及熱浸鍍 55％鋁鋅鋼板（Galvalume, GL），

此兩組鋼材代號分別為A1T 、B1B 、C1T （A1T/Top of A1，表 A1 試片的上 板面、B1B/Bottom of B1，表 B1 試片的下板面、C1T/ Top of C1，表 C1 試片的上 板面）及 A2B、B2B、C2T（A2B/ Bottom of A2，表 A2 試片的下板面、B2B /Bottom of B2，表 B2 試片的下板面、C2T / Top of C2，表 C2 試片的上板面）。

依鍍層厚度，分成兩組試片，一組為GI、GF、GL 經切邊（7.5 cm×15 cm）

加工的薄鍍層，鍍層厚度分別為0.015 mm、0.016 mm、0.019mm 的試片（A1T、

B1B、C1T）及厚鍍層，鍍層厚度分別為 0.041mm、0.042mm、0.053mm 的試片

（A2B、B2B、C2T），如圖 3-1、圖 3-2。另一組為 GI、GF、GL 經 180∘0T 彎 曲加工（5.0 cm×7.5cm）的薄鍍層，鍍層厚度分別為 0.015 mm、0.016 mm、0.019mm 的試片（A1T、B1B、C1T）及厚鍍層，鍍層厚度分別為 0.041mm、0.042mm、0.053mm 的試片（A2B、B2B、C2T）進行鹽水噴霧試驗（Salt Spray Test, SST），以了解 處在條件相同環境下（5％NaCl 水溶液）的腐蝕情況,藉以比較其耐腐蝕性，如圖 3-3、圖 3-4、圖 3-5、圖 3-6、圖 3-7、圖 3-8。

3.1 實驗流程

本試驗針對GI、GF及GL等三種鍍面鋼材經過切邊及彎曲加工後，分別做各

學成份試驗主要測試鋼材的微量金屬元素，以利XRD結構鑑定，最後的實驗結 cm，如圖3-11、圖3-25。而彎曲加工時，試片先以油壓剪床將試片裁切成15 cm×7.5 cm，再裁切成7.5 cm×7.5 cm，緊接著以彎曲試驗機將試片做180度0T，彎曲成7.5 cm×5.0 cm，如圖3-12。做鍍層量及化學成份試驗，試片應以沖床加工成10 cm×10 cm，如圖3-13。裁切試片時需注意到試片避免污染、破壞鍍層及毛邊。所需裁切 試片大小，如表3-1。

3.4 實驗設備

實驗設備包含精密微量電子天秤（圖 3-14）、感應耦合電漿光學放射光譜儀

（Inductively Coupled Plasma - Optical Emission Spectrometer, ICP-OES）（圖 3-15）、鹽水噴霧試驗機（Salt Spray Tester）（圖 3-16）、X-射線繞射光譜儀 （X -Ray Diffraction, XRD）（圖 3-17）、場發射掃描式電子顯微鏡/能量散射光譜儀

（Field- Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM/Energy Dispersive Spectrometer, EDS）（圖 3-18）。

3.5 鍍層重量試驗

此試驗乃依據國際標準為JIS H 0401(2007) 做試驗。使用之測驗儀器及藥品 如下:

1.儀器設備: 精密微量電子天秤(1/10,000g 或 1/1000g) 如圖 3-14。

2.乾燥設備(高壓空氣)，如圖 3-19。

3.藥液:六甲基四胺(C6H12N4)3.5g，溶解於鹽酸(HCl)(比重 1.18 以上或濃度 35%

以上)500ml 中加入純水稀釋至 1000ml，如圖 3-20。

5.撕下膠布，再乾燥，秤取此刻的重量 W2（取各個試片單獨秤重），此時，

3.6化學成份試驗

此試驗乃依據燁輝公司操作標準做試驗。以感應耦合電漿光學放射光譜儀

（ICP-OES）分析試片之化學成份。ICP-OES 主體包括進樣系統、電漿、光學系 統及偵測器四部份；其樣品溶液經由霧化器霧化後後，進入混合腔篩選後直上電 線。各譜線的強度，再由光檢器(Photosensitive devices)予以偵測。

本方法具有快速、靈敏及精密的分析特性。量測時，為補償因光譜背景值之不同

3.6.3干擾

1.設備名稱:感應耦合電漿光學放射光譜儀（INDUCTIVELY COUPLED PLASMA - OPTICAL EMISSION SPECTROMETER, ICP-OES） Optima-2000

2.可分析Ag、Al、B、Ba、In、Mg、Ni、Tl、Bi、Ca、Cd、Co、K、Mn、

用 X 光繞射儀(X-ray diffractometer,XRD)主要是用於分析材料結構、顆粒大 小及晶格應力，其原理簡單的說就是 X 光撞擊試片後，產生了 X 光繞射，繞射 的情形與晶格大小、光的波長以及與入射、繞射角度有關，入射光與繞射光的會 有光程差，相位一致，光的強度就會加成，反之，則會削落，藉著這樣的關係，

我們可以得知材料的晶格種類而算出是哪種元素及元素本身有什麼樣的特性。X

試驗以 GI、GF、GL 之試片，於鹽霧試驗前及鹽霧試驗完成後（600hr），取試 片大小為1cm × 1cm （如圖 3-25、圖 3-26）進行 XRD 結構鑑定，以比較其抗蝕

試驗以 GI、GF、GL 之試片，於鹽霧試驗前及鹽霧試驗完成後（600hr），取試 片大小為1cm × 1cm （如圖 3-25、圖 3-26）進行 XRD 結構鑑定，以比較其抗蝕