螺丝防蚀处理

螺丝防蚀处理工研院量测中心／CNLA秘书处廖光磊工程师摘要对金属表面防蚀的方法进行讨论及分析，并结合螺丝生产实务，提出螺丝之防蚀对策，具有参考及运用价值。一、前言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。例如位于云林海边之台塑六轻麦寮厂，目前所发现之螺丝、螺栓、结构钢及管线等金属腐蚀情形，其严重性可能已超过原先建厂前之预估，形成工程人员必须重视及优先解决的问题。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。二、防蚀的方法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：1.耐蚀、耐磨、高硬度，2.结构紧密、完整、孔隙小，3.与基体金属结合牢固、粘结力好，4.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。非金层镀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。三、电镀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，阴极吸收电子发生环原反应。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)，并能适当控制电流密度及通电时间以获得需要之镀层厚度。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级电位不同，可分阳极性镀层与阴极性镀层两种。在腐蚀介质中阳极性镀层的电位比基体金属更负，例如钢上镀锌或镉，当镀层有破损时，镀层将作为阳极溶解，对于钢材具有电化保护作用，即「牺牲性」保获作用，镀层越厚，保护作用越大。阴极性镀层的电位比基体金属更正，例如钢上镀铬、铜、镍，当镀层有破损时，镀层会加速基体金属暴露部份之腐蚀，仅在完全不透过性时能有保护作用，所以镀层应注意其紧密性及无破损，而保护能力决定其孔隙率，孔隙率低，保护作用大，其防蚀效果是利用镀层隔离外在环境，使腐蚀介质无法渗透至基体金属。四、热浸镀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、镀层及其及其他因素，因此产品常于变形加工后再行热浸镀。五、螺丝镀锌因锌与其他电镀用金属相比，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，得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且有较佳之抗蚀能力，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。镀锌层在腐蚀性环境中之耐久性与其厚度成线性关系，即镀层愈厚寿命愈长，但在含硫化物之工业区其防蚀性则较差，同时在海洋性及热带性气候中会产生大量白色腐蚀性产物，必须施以铬酸盐处理以防止之。在美国曾以膜厚0.03mm之薄镀锌试片实施试验，结果发现在乡下地区、滨海地区及工业区之平均寿命约为3：2：1，表示在污染之空气中，镀锌层最容易发生腐蚀现象，因为在工业区由工厂排放出的废气中含有许多硫氧化物(SOx)及氮氧化物(NOx)会破坏镀锌层。在滨海地区由于大气中存在有大量之盐结晶及液体微粒(氯化物)会造成金属腐蚀，且大气相对湿度之大小亦明显影响腐蚀速率。北京科技大学材料保护研究所亦曾在大陆不同地区作镀锌层之大气暴露腐蚀试验，试验期1年，结果发现腐蚀速率最高的是在大气中之SO2、氯化物(海盐粒子)含量最高且相对湿度最大之地区。其中大气相对湿度被认为是造成腐蚀的主要因素，而大气中污染物，特别是SO2及氯化物是促进腐蚀的主要因素。镀锌螺丝在生产、储存、运送过程中，其镀锌层可能发生泛白、变暗、发黑等现象，主要是镀锌层与腐蚀性介质及大气中水份、氧、二氧化碳接触发生腐蚀的结果。要防止此种现象，可在螺丝加工前尽量选用表面状态较好的材料，因在镀锌过程中，螺丝表面的缺陷容易使酸、碱、盐等腐蚀介质渗入其内，难以清洗导致腐蚀。于螺丝加工时要尽可能减少应力集中，因应力集中区域，很容易在酸洗除锈过程中产生腐蚀。螺丝热处理时要尽量减少氧化膜厚度，尤其电镀前必须澈底除去表面油污及锈蚀物并适常控制酸洗除锈时间，以免影响电镀之质量。电镀之操作要注意选用良好深镀能力之镀锌溶液，加强槽液维护管理，妥善控制电流密度及添加剂用量。电镀后时须澈底洗净，以消除电镀液和有机物对镀层的危害，另外要尽量缩短螺丝在大气中的暴露时间，尽快进行封存处理。要合理选择包装材料，避免使用与锌不兼容之塑料制品，包装以金属材料如镀锌铁皮最好，包装箱内可放入适量之干燥剂以降低箱内湿度，库房的相对湿度要降低及防止有害气体侵蚀。目前市面上一种名为LONGZINC(达克锈)之金属表面处理，适用于螺丝及螺帽。其处理方式是将已脱脂及除锈的螺丝螺帽浸镀于达克锈防锈剂槽中或使用喷镀方式在金属表面形成锌与三价铬化合物之保护膜，并予以烘干，冷却后再重复处理一次，所得膜厚约5~8，呈银灰色，依据厂商提供之数据显示具有良好之防锈、耐蚀特性。台塑麦寮厂将此称为烘覆型锌铬酸盐皮膜处理，曾于高强度钢构螺栓上试验，试验两年后效果不错。台湾镀锌公司亦曾与工研院材料所合作开发一种使用于螺丝之高耐蚀锌基合金镀层(锌铝合金)，经台电公司安装于澎湖外岛之电线杆上进行耐蚀试验，已获得成功。在锌中加入铝可以提高镀层的耐腐蚀性能，当铝含量为30%时，锌铝合金的耐蚀性最佳，所以这类镀层之化学稳定性与耐蚀性比单独镀锌要好。六、化学表面处理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层的一部份。保护膜主要用于：1.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。2.使金属锈蚀减少到最低程度。3.提高油漆、涂料之粘结性。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。(一)磷酸盐处理磷酸盐处理是把金属放入含有磷酸盐的溶液中进行化学处理，使金属表面形成一种难溶于水且附着性良好的磷酸盐保护膜即磷酸盐皮膜，主要用途为作为油漆之底层及金属冷加工时润滑剂的吸附层。由于磷酸盐皮膜是由一系列大小不同的锌、锰、铁的磷酸氢盐及磷酸盐的晶体组成，故膜层是多孔的，表面积较大，有很好的吸附性，能吸附漆料或大量的润滑剂，因此常用作油漆的底层，或冷冲压减少磨擦及钢管、钢线冷抽的润滑层。磷酸盐皮膜不溶于水，在大气下很稳定，能作为防锈要求不高的保护层，如果把磷酸盐皮膜再进行铬酸盐皮膜封闭处理，浸油或涂漆，可以进一步提高其抗蚀能力。磷酸盐皮膜同硝基漆或合成树脂漆组成之防护系统对钢铁有十分良好的防蚀作用，当调制漆料时应使其粘度能使漆料自由穿透膜孔，漆膜的干燥温度宜在150~180C之间，最好在烘箱中烘干。当磷酸盐皮膜用于冷变形加工及降低磨擦件表面磨耗时，将膜层浸以油类或皂类润滑物质可提高其使用效果，最简便有效的方法是在钾肥皂溶液中进行浸渍处理。磷酸盐皮膜应用最广的是磷酸铁膜、磷酸锌膜和磷酸锰膜，其中磷酸锌膜和磷酸锰膜不受大气中氧的氧化，耐蚀性较佳。目前台湾螺丝使用的原料主要由中钢供应，中钢所生产之盘元经钢铁厂(例如大中或强新)加工制成线材，再交运至螺丝厂。若材质为碳钢者，加工过程包括盐酸酸洗除锈及磷酸盐处理形成有润滑作用之磷酸盐皮膜，以利抽线且易于冷锻(挤制成锻粗)。若材质为合金钢者，酸洗后需球化处理，退火形成软钢使易于机械加工，再酸洗、磷酸盐处理或石灰皂披覆后抽制。若材质为不锈钢者，则需草酸披覆形成润滑膜以利抽制。螺丝厂完成线材之线径、真圆度、表面伤痕或腐蚀之检验后，即将线材直接送入成型机取料及冷锻，再经滚牙机制成螺丝。(二)铬酸盐处理铬酸盐处理是把金属或金属镀层浸入含某些添加剂的铬酸或铬酸盐溶液中，采用化学或电化学的方法，使金属表面形成由三价铬和六价铬组成的铬酸盐皮膜的过程。常用作镀锌层(电镀锌、热浸镀锌、锌合金)及镀镉层的后处理，以提高镀层的耐蚀性，也可用作其他金属如铝、铜、锡、镁、镍及其合金的表面防蚀。铬酸盐皮膜的结构比较紧密，黏附性好，具有良好的化学稳定性，其皮膜干燥后为无孔性者，能当作阻隔物来阻止水份到达底层金属，在腐蚀环境中对金属表面有可靠之隔离保护作用。铬酸盐皮膜的主要成份是含有三价铬和六价铬的化合物，以及基体金属或镀层金属的铬酸盐。其中不溶性的三价铬化合物构成膜的骨架，使膜具有一定的厚度，又其稳定性高，故使膜亦具有良