紧固件的现代防腐技术

金属受到环境的影响，借着化学或电化学反应所造成之破坏性侵害，称为腐蚀，几乎所有的金属制品，在一定的环境中，都会有若干型态之腐蚀现象，而螺丝是金属制品，自然无法避免金属腐蚀的问题，其使用的环境及时间不同时，腐蚀的现象亦有明显的差异。

以台湾来说，台湾地形狭小，四面环海，为海岛型气候，大气中之盐份及湿度极高，又有许多污染性工业，如钢铁、石化、火力发电等，加上近年来汽、机车大幅成长，大量排放的废气，使空气中充满腐蚀性之硫化物与氮化物气体及微粒，这些都是造成金属腐蚀的主要原因。

金属腐蚀会造成巨额之设备维护成本及严重之经济损失，如因腐蚀而增加设计、制造、保养及维修费用，或甚至发生危害及灾难。

螺丝的使用范围最广泛，数量需求亦最大，其抗蚀能力之优劣决定其使用之耐久性，对设备之安全及可靠性有重大影响，因此研究防蚀方法，开发及应用现代防蚀技术，是当前重要课题。

金属防蚀的方法主要有四方面，即控制材料本身、使用环境、材料与环境之界面及改良金属结构之设计，若采用完全抗腐蚀的合金来制造螺丝，除非有特别需要，否则在经济的观点而言是不切实际，或将螺丝的表面与会产生腐蚀的环境因素完全隔离，在实务上也不见得行得通，可能非常困难。

改良金属结构设计可在某种情况下来改善特殊境况之影响，但多数螺丝之设计无法充份修改，且其保护作用亦非永久性者，因此此法不能根本解决问题，只有在界面上之防蚀，亦即表面防蚀处理是目前应用最广泛的方法。

表面防蚀处理是指运用各种方法在金属表面施加保护层，其作用是将金属与腐蚀性的环境隔离，以抑制腐蚀过程的产生，或减少腐蚀性介质与金属表面接触，而达到防止或减轻腐蚀的目的。

保护层应能符合下述要求：

• 耐蚀、耐磨、高硬度；

• 结构紧密、完整、孔隙小；

• 与基体金属结合牢固、粘结力好；

• 均匀分布且有一定厚度。

保护层通常分为金属涂层和非金属涂层两类，金属涂层是指用耐蚀性较强的金属或合金在容易腐蚀的金属表面形成保护层，这种涂层又叫镀层。产生金属镀层的方法和种类相当多，其中最常见的是电镀法，其次是熔融金属浸镀法(热浸镀)及化学表面处理。

非金属涂层是指用有机高分子材料如油漆，及无机材料如陶瓷，在金属设备或零件表面上形成保护层，该保护层能将基体金属与环境介质完全隔离，防止基体金属因接触腐蚀介质而造成腐蚀。

电镀是指在含有欲镀金属离子的溶液中，以被镀之材料或物品为阴极，通过电解作用，即可在基体表面上获得镀层。在电解过程中，电极和电解液间之界面上发生化学反应，阳极释放电子发生氧化反应，阴极吸收电子发生还原反应。

电镀可为材料或物品覆盖一层较均匀及具有良好结合力的镀层，以改变其表面特性及外观，达到材料保护或装饰的目的。电镀时须用直流电 (低电压、大电流)，并能耐蚀性镀层常用锌、镉、铜、镍等金属或锌镍、镍锡、镍铜、铜锌等合金，依据镀层与基体金属形成电偶时的电极电位不同，可分阳极性镀层与阴极性镀层两种。

热浸镀是把被镀件浸入熔融的金属液中，使其表面形成镀层的方法。热浸镀层金属的熔点要比基体金属低得多，例如锌、铝、铅及其合金。

用热浸法可得相当厚之镀层，通常较厚于相似之电镀者，且热浸镀者很少具疏孔，热浸式镀层一般较相同之电镀镀层，具有较佳之耐蚀性。在相同之腐蚀环境中，热浸式镀层的使用寿命较长，且有较强的结合力。

但是这种方法控制镀层的厚度比较困难，通常镀层厚度50g/m2 以上者以热浸镀法较容易获得，而50g/m2 以下之镀层厚度以电镀法就可经济的获得。

成功之热浸镀法，必须将底层金属与镀层金属互相结合成合金，至少到某种程度，由热浸镀法获得之镀层，不只是由所用成份之被覆层，在结晶组织上，热浸式镀层至少具有两层，一为内层式合金扩散层，一为外层式镀层，外层基本上与所施成份未用作镀层时有相同性质，内层扩散层常很硬脆，经弯曲后可能脱皮或裂开，故处理件不能过份变形，处理件所能忍受之变形程序，决定其采用之金属、镀层及其它因素，因此产品常于变形加工后再行热浸镀。

因锌与其它电镀用金属相比，价格最廉，且锌之耐蚀性在多数情况下远优于钢铁，镀锌层能保护在不连续部分、小孔、破裂及切边处露出之钢铁。

所以一般的螺丝或易遭受大气腐蚀作用的螺丝大都镀锌，但螺丝不像板或棒那样形状无变化或表面平滑，因此镀锌层的厚度在各部位难得均匀，常成头部最厚，螺纹山前端其次，螺纹谷最薄。

为了配合螺丝之大量生产，降低成本及提高产量，通常采用电镀法成桶镀锌的方式，此法是从桶架的电极使电流通入桶内的导线，而导线与螺丝接触而导电，同时桶转动而搅拌螺丝，使螺丝与电极均匀接触。然而此时电流断断续续，很难形成均匀之电流密度，故镀锌厚度也易不同。

电镀镀锌可采用酸性电镀液及碱性电镀液两种，酸性电镀液以硫酸锌为主要成份，价廉且效率大，电镀速度快，易于管理，也比碱性电镀液不易起氢脆性，但结晶稍粗，光泽不良，均镀能力差。

而碱性电镀液以氰化锌为主要成份，虽然价格较高，但均镀能力好，只要管理得当，即可得有光泽的镀层，若进一步施行铬酸盐处理，即可获得更光亮的镀层且耐蚀性优良。

热浸镀锌也用于螺丝、螺栓及螺帽之表面防蚀，热浸镀锌的螺丝比电镀锌的螺丝有较佳之抗蚀能力，惟成本较高，且高强度之结构用螺栓不适用热浸镀锌，因镀层表面易形成硬脆，在高温或高负荷情况时可能发生断裂。

金属合金可在适当之化学溶液中于受控制之情况下形成保护性表面被覆层，即保护膜或化学转化膜。因其在化学处理时，表面之金属转变为化合物与底层金属结成一体，故产生抵抗性之表面层，在物理及化学性质上均为底层金属的一部份。

保护膜主要用于：

• 改善金属表面氧化膜的稳定性，防止金属或镀层金属在大气中进一步腐蚀；

• 使金属锈蚀减少到最低程度；

• 提高油漆、涂料之粘缩性。

常见的化学表面处理为磷酸盐处理、铬酸盐处理及氧化处理等三种。

油漆是一种有机涂料，主要用于保护金属零件、设备及结构以抵抗空气之腐蚀，是用来作为被保护金属与环境间之阻隔物。用油漆防止金属的腐蚀已有悠久的历史，也是一种应用最广及最常见之防蚀技术，施工方便，成本低廉。

油漆涂层之有效寿命，决定于油漆本身之耐久性及涂层对于被保护金属之附着性，而油漆之适当应用为获得永久性附着力及最佳保护作用之主要方法。

依据试验显示，影响油漆寿命最重要的一个因素是金属表面要适当的处理，被处理之金属表面必须无灰尘、油、脂、锈、氧化物及任何最初腐蚀物质等。

这个因素比油漆本身的品质还重要，品质差的油漆用在表面处理良好的金属上比品质好的油漆用在表面处理不良的金属上还要好。金属表面所有的脏物、油渍和油脂可用溶剂或碱性溶液去除后再水洗，锈和氧化物可用酸洗或喷砂方式去除。

金属表面清洁干净后，头道漆应马上涂到干燥的表面上，以达到良好的吸附，最好先涂上一层磷酸盐再涂第一道漆。油漆通常须涂数道，涂层之次数及种类，为达成适当防锈作用之重要因素。

陶瓷保护膜是陶瓷材料施于金属表面以增加其对高温氧化之抵抗性及耐热性，对于碱类及氢氟酸以外之所有腐蚀环境皆具有良好之而腐性，并有耐磨、易清洁、悦目之外观及良好之绝缘性等优点。

陶瓷是指金属氧化物、碳化物、硼化物、硅化物及氮化物的总称，具有熔点高、硬度高、性能脆等特点，目前应用较多的是氧化物和碳化物，也少量应用硼化物及硅化物。

适当使用喷镀方法将熔融状态之陶瓷材料微粒，喷附在金属表面以形成覆盖涂层，即陶瓷保护膜。膜厚在0.4公厘以内者一般称为塘瓷或珐琅，0.4公厘以上者一般称为玻璃衬里。

喷陶适用于高温下使用，喷陶层可以防止金属与合金的晶粒间腐蚀，作为腐蚀性气体的隔绝障碍，降低热点发生的机会，对于重要部位可代替低合金金属，并可抵抗污染物的侵蚀。若使用浸镀法， 则需于干燥后再于炉中烤干以形成附着力良好之保护层。

金属防蚀技术之学问广泛，内容十分丰富，对于螺丝的腐蚀现象，究竟要采用那种防蚀措施，不能一概而论。例如防腐蚀的费用远超过螺丝购买的成本，或直接更换新螺丝较为经济，是否有特别需要，非采用最佳防蚀效果之螺丝不可。

要妥慎选用材质及表面处理方式，如不锈钢、合金钢、碳钢或镀锌螺丝等，皆应于事先周延考量，否则事后再作防蚀等补救措施，就更为困难，且效果不彰。

甚至只要将会造成腐蚀的环境隔离，便能有效控制腐蚀，如台电核电厂之机组设备皆建构于封闭之厂房内。也有人使用一种螺丝专用之塑料帽(如RADOLID)，有各种尺寸，可将暴露大气之螺丝或螺帽紧密覆盖而达到防蚀效果。

另外要尽量避免将不同的金属材料以螺丝结合，否则螺丝很容易因此两种材料电化位能之差异造成严重腐蚀。所以必须依据螺丝腐蚀的原因、环境条件、防蚀的要求、各种措施防蚀效果，及成本与经济效益等因素综合考量，决定最经济有效之防蚀措施，达成防蚀的目的。