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鍍鋅,是指在鐵或鋼表面上鋪上金屬鋅的防銹方法,經鍍鋅處理的鐵稱為白鐵。鋅是一種抗腐蝕性頗高的金屬,能夠把鐵隔絕於氧氣和水,令鐵不能發生生銹所需的的化學反應;由於鋅的金屬活動性比鐵高,即使鍍上的鋅出現破損,鋅仍能以犧牲性保護的電化學方式來防止生銹。鍍鋅的方法主要有熱浸鍍鋅(HDG)、電鍍鋅(EG)和冷鍍鋅。根據考古發現,早在1680年代已有人類對鐵進行鍍鋅處理。
歷史
編輯根據考古發現,1680年代的印第安人已經會在鎖子甲和板甲上鍍鋅,方法可能是把鐵製物體浸入熔化的鋅,這是人類對鐵進行鍍鋅處理的最早證據[1]。
1742年,一個名為默盧安(Melouin)的化學家向法國皇家科學院提交論文,指出可以把鐵浸入熔化的鋅,從而用鋅來包覆鐵製物體[2]。梅盧安的發現迅速在科學界傳開,市面上開始出現鍍鋅的家用器具;到了18世紀下旬,這些器具在法國部分地區已經頗為知名[2]。1836年,法國化學家斯塔尼斯洛斯·特朗基萊·莫德斯特·索勒爾(Stanislaus Tranquille Modeste Sorel)為熱浸鍍鋅的技術申請專利,是歐洲首個與鍍鋅有關的專利;他把鍍鋅技術命名為「galvanizing」,以紀念路易吉·伽伐尼(Galvani)與伏打提出的流電(Galvanism)現象[1][2][3]。
在索勒爾取得專利的翌年(1837年),英國人亨利·威廉·克勞福德(Henry William Crawford)取得了類似技術的專利,而英國亦開始有工業化的熱浸鍍鋅生產;到了1850年,每年有一萬噸的鋅被英國鍍鋅工業用作防銹[2][4]。
過程
編輯熱浸鍍鋅
編輯- 主條目:熱浸鍍鋅
熱浸鍍鋅(HDG)是常見的鍍鋅方法之一,其過程是把鐵或鋼完全浸入熔化的鋅;與電鍍鋅相比,熱浸鍍鋅的好處是成本相對較低[4][5][6]。
鍍鋅期間的化學反應只會發生在潔淨的鐵面或鋼面上[7]。因此,在熱浸前,鋼鐵物料會先進行脫脂(以鹼性化學品清除油污)、反覆水洗、酸洗,以確保製成品的素質;其後,鋼鐵物料會浸入助鍍劑(主要成分通常為氯化銨和氯化鋅),並進行烘乾預熱[4][7][8]。處理好鋼鐵物料後,鋼鐵物料會被浸入熔融鋅液(即熔化了的鋅),鐵和鋅之間便會發生一系列的複雜化學反應,產生鐵鋅金屬化合物,鐵表面便產生了鋅層;鋅層的厚度為6至20微米,相對較厚,通常由純鋅層和合金層構成[4][6][9]。熱浸完成後的工序包括冷卻、鈍化、檢測等[4]。
在熔融鋅液中加入其他金屬,能夠調整鋅層的性質:例如,加入鋁、鎂、鎳等金屬可以提高鋅層的抗腐蝕性,加入鋁、鉛、錫、銻等金屬則可以優化鋅層的外觀[4]。另一方面,鋼鐵物料中的碳、矽、錳、磷、硫均會影響鋅層的組織和性能[4]。
電鍍鋅
編輯- 主條目:電鍍鋅
電鍍鋅(EG)是電鍍的一種,其生產線非常昂貴;與熱浸鍍鋅相比,電鍍鋅的好處是鍍上的鋅層較為均勻[6][9][10]。在電鍍鋅的過程中,需要鍍鋅的鐵或鋼是陰極,將要鍍上去的鋅是陽極,鋅鹽溶液作為電解質[9]。鋅層的厚度為7微米,相對較薄[6][9]。
冷鍍鋅
編輯冷鍍鋅是指在鋼鐵物料的表面上塗上富鋅漆,這方法只需要平常塗油漆所用的器材,但鋅層(稱為富鋅塗層)的耐久性和使用壽命較差,對鋼鐵物料提供的犧牲性保護亦較少[11]。
防銹原理
編輯鋅層能夠物理上把鐵隔絕於氧氣和水,而這兩種物質是生銹所需的[1]。鋅層上有一層緻密的氧化鋅薄膜,氧化鋅難溶於水,因此能保護鐵免於生銹[4]。而且,鋅層有特別的金屬結構,是個十分堅硬的鍍層,具有優秀的耐損性[12]。在鍍鋅的過程中,鋅與鐵發生化學反應,形成一系列的合金,令鋅層與鐵緊密結合;由於鋅層與底下的鋼鐵物料牢牢結合,即使鍍鋅後的鋼鐵物體進行軋制、拉拔、彎曲等改變形狀的操作,鍍層也不會損壞[4][13]。
在電化學層面而言,鋅的活性比鐵高[1]。因此,即使鍍上鐵的鋅層出現破損、以至於鐵外露在空氣中,剩餘的鋅仍可為鐵提供犧牲性保護,以防止生銹[12]。
優點
編輯與其他用保護層包覆鐵或鋼的防銹方法相比,鍍鋅的最初成本和長遠成本均較為低廉[12]。由於鋅的價格、熱浸鍍鋅技術的效能都相對穩定,熱浸鍍鋅的成本比其他防腐蝕系統較低,競爭力也較大;與此同時,其他防腐蝕系統的成本則大幅上升[14]。而且,在大多數環境中,經熱浸鍍鋅的鋼材有70年或以上的時間不需保養,提高了物體的預期壽命,經濟效益提升二至六倍[14]。把經鍍鋅處理的鋼材用於為建築物提供長期防銹保護,將能夠帶來數以十年計的成本效益[15]。
英國鍍鋅協會(Galvanizers Association)的認為,鍍鋅可能是最環保的防腐蝕可行方法[7]。鍍鋅過程的能源效益和資源效益都頗高,對環境構成較低的負擔[15]。而且,經鍍鋅而成的白鐵可以輕易透過重新鍍鋅、去除鋅層或重用的方法來循環再用,也可以與廢鋼一起回收[15]。鋅是一種高度可回收的金屬[2]。
應用
編輯鍍鋅是通用的防銹方法,不同大小(例如螺栓等小型機械零件、以至大型的結構部件)和形狀(例如中空物體、複雜形狀物體、器皿等)的鋼鐵物料均可以作鍍鋅處理[7]。白鐵專門指經過鍍鋅處理的鐵,廣泛應用於石油化工、電訊、供電、交通運輸、建築、機械、農業等領域,在日常生活中擔任關鍵角色,也在一些產業中派上用場[2][4][16]。以下表格列出白鐵的部分應用:
領域 | 用途舉例[2][4] |
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石油化工 | 輸油管道、油井管、石油加工設備、石油儲存容器、冷凝冷卻器 |
電訊 | 無線電桅杆與無線電塔、通訊電纜 |
供電 | 電塔、變電所 |
交通運輸 | 高速公路護欄、公路或鐵路護網、船舶起吊鋼絲繩、道路或鐵路隔音屏障、防風柵、防雪柵、路標、街燈 |
建築 | 腳手架、排水管道、水暖器材、電線套管、防盜窗 |
機械 | 家用電器、電動機外殼、通風裝置外殼 |
農業 | 溫室、大棚管、大棚骨架、噴灌設備 |
軍事 | 尼森小屋(常見於一戰和二戰期間,用波紋鍍鋅鐵搭建) |
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以白鐵製成的桶
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以白鐵製成的釘子
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以白鐵建成的露臺
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以白鐵為建材的教堂
攝取鋅可能會導致中毒,故不宜用鍍鋅廚具來煮食[17]。如果用鍍鋅容器來盛載含水量高的食物,食物可能會被鋅污染;食物的酸性愈高,風險便愈大[18]。因此,美國食品藥品監督管理局在2009年出版的《食品法典》規定,白鐵不可用作與酸性食物接觸的器具[19]。
參考資料
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