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镀锌

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镀锌,是指在表面上铺上金属防锈英语Rustproofing方法。锌是一种抗腐蚀性颇高的金属,能够把铁隔绝于氧气,令铁不能发生生锈所需的的化学反应;由于锌的金属活动性比铁高,即使镀上的锌出现破损,锌仍能以牺牲性保护电化学方式来防止生锈。镀锌的方法主要有热浸镀锌(HDG)、电镀锌英语Electrogalvanization(EG)和冷镀锌。根据考古发现,早在1680年代已有人类对铁进行镀锌处理。

历史

根据考古发现,1680年代的印度人已经会在锁子甲板甲上镀锌,方法可能是把铁制物体浸入熔化的锌,这是人类对铁进行镀锌处理的最早证据[1]

1742年,一个名为默卢安(Melouin)的化学家向法国皇家科学院提交论文,指出可以把铁浸入熔化的锌,从而用锌来包覆铁制物体[2]。梅卢安的发现迅速在科学界传开,市面上开始出现镀锌的家用器具;到了18世纪下旬,这些器具在法国部分地区已经颇为知名[2]。1836年,法国化学家斯塔尼斯洛斯·特朗基莱·莫德斯特·索勒尔(Stanislaus Tranquille Modeste Sorel)为热浸镀锌的技术申请专利,是欧洲首个与镀锌有关的专利;他把镀锌技术命名为“galvanizing”,以纪念路易吉·伽伐尼Galvani)与伏打提出的流电英语GalvanismGalvanism)现象[1][2][3]

在索勒尔取得专利的翌年(1837年),英国人亨利·威廉·克劳福德(Henry William Crawford)取得了类似技术的专利,而英国亦开始有工业化的热浸镀锌生产;到了1850年,每年有一万吨的锌被英国镀锌工业用作防锈英语Rustproofing[2][4]

截至2006年,锌年产量的50%左右都用于镀锌,其中有90%左右是用于热浸镀锌[5]

过程

热浸镀锌的过程(管状的金属是铁或钢,银白色液体为熔融锌液)
热浸镀锌的过程(管状的金属是铁或钢,银白色液体为熔融锌液)
电镀锌的简单实验装置
电镀锌的简单实验装置

镀锌的方法包括热镀锌、热喷锌、电镀锌、冷镀锌、粉末热渗锌、机械镀锌和真空蒸发镀锌等[5]

热浸镀锌

主条目:热浸镀锌

热浸镀锌(HDG)是常见的镀锌方法之一,其过程是把铁或钢完全浸入熔化的锌;与电镀锌英语Electrogalvanization相比,热浸镀锌的好处是成本相对较低[4][6][7]

镀锌期间的化学反应只会发生在洁净的铁面或钢面上[8]。因此,在热浸前,钢铁物料会先进行脱脂(以碱性化学品清除油污)、反复水洗、酸洗,以确保制成品的素质;其后,钢铁物料会浸入助镀剂(主要成分通常为氯化铵氯化锌),并进行烘干预热[4][8][5]。处理好钢铁物料后,钢铁物料会被浸入熔融锌液(即熔化了的锌),铁和锌之间便会发生一系列的复杂化学反应,产生铁锌金属化合物,铁表面便产生了锌层;锌层的厚度为6至20微米,相对较厚,通常由纯锌层和合金层构成[4][7][9]。热浸完成后的工序包括冷却、钝化、检测等[4]

在熔融锌液中加入其他金属,能够调整锌层的性质:例如,加入等金属可以提高锌层的抗腐蚀性,加入铝、等金属则可以优化锌层的外观[4]。另一方面,钢铁物料中的均会影响锌层的组织和性能[4]

电镀锌

主条目:电镀锌英语Electrogalvanization

电镀锌(EG)是电镀的一种,其生产线非常昂贵;与热浸镀锌相比,电镀锌的好处是镀上的锌层较为均匀[7][9][10]。在电镀锌的过程中,需要镀锌的铁或钢是阴极,将要镀上去的锌是阳极,锌溶液作为电解质[9]。锌层的厚度为7微米,相对较薄[7][9]

冷镀锌

冷镀锌是指在钢铁物料的表面上涂上富锌漆,这方法只需要平常涂油漆所用的器材,但锌层(称为富锌涂层)的耐久性和使用寿命英语Service life较差,对钢铁物料提供的牺牲性保护亦较少[11]

防锈原理

锌层能够物理上把铁隔绝于氧气,而这两种物质是生锈所需的[1]。锌层上有一层致密的氧化锌薄膜,氧化锌难溶于水,因此能保护铁免于生锈[4]。而且,锌层有特别的金属结构,是个十分坚硬的镀层,具有优秀的耐损性[12]。在镀锌的过程中,锌与铁发生化学反应,形成一系列的合金,令锌层与铁紧密结合;由于锌层与底下的钢铁物料牢牢结合,即使镀锌后的钢铁物体进行轧制、拉拔、弯曲等改变形状的操作,镀层也不会损坏[4][13]

电化学层面而言,锌的活性比铁高[1]。因此,即使镀上铁的锌层出现破损、以至于铁外露在空气中,剩余的锌仍可为铁提供牺牲性保护,以防止生锈[12]

应用

镀锌是通用的防锈方法,不同大小(例如螺栓等小型机械零件、以至大型的结构部件)和形状(例如中空物体、复杂形状物体、器皿等)的钢铁物料均可以作镀锌处理[8]白铁专门指经过镀锌处理的铁,广泛应用于石油化工电讯供电交通运输建筑机械农业等领域,在日常生活中担任关键角色,也在一些产业中派上用场[2][4][14]。以下表格列出白铁的部分应用:

领域 用途举例[2][4]
石油化工 输油管道、油井管、石油加工设备、石油储存容器、冷凝冷却器
电讯 无线电桅杆与无线电塔英语Radio masts and towers通讯电缆
供电 电塔英语Transmission tower变电所
交通运输 高速公路护栏、公路或铁路护网、船舶起吊钢丝绳英语Wire rope、道路或铁路隔音屏障、防风栅、防雪栅英语Snow fence路标街灯
建筑 脚手架、排水管道、水暖器材、电线套管、防盗窗
机械 家用电器、电动机外壳、通风装置外壳
农业 温室、大棚管、大棚骨架、喷灌设备
军事 尼森小屋英语Nissen hut(用波纹镀锌铁英语Corrugated galvanised iron搭建,在一战二战常用)
  • 以白铁制成的桶
    以白铁制成的桶
  • 以白铁制成的钉子
    以白铁制成的钉子
  • 以白铁建成的露台
    以白铁建成的露台
  • 以白铁为建材的教堂
    以白铁为建材的教堂

摄取锌可能会导致中毒,故不宜用镀锌厨具来煮食[15]。如果用镀锌容器来盛载含水量高的食物,食物可能会被锌污染英语Food contaminant;食物的酸性愈高,风险便愈大[16]。因此,美国食品药品监督管理局在2009年出版的《食品法典》规定,白铁不可用作与酸性食物接触的器具[17]

成本和环保问题

与其他用保护层包覆铁或钢的防锈方法相比,镀锌的最初成本和长远成本均较为低廉[12]。由于锌的价格、热浸镀锌技术的效能都相对稳定,热浸镀锌的成本比其他防腐蚀系统较低,竞争力也较大;与此同时,其他防腐蚀系统的成本则大幅上升[18]。而且,在大多数环境中,经热浸镀锌的钢材有70年或以上的时间不需保养,提高了物体的预期寿命,经济效益提升二至六倍[18]。把经镀锌处理的钢材用于为建筑物提供长期防锈保护,将能够带来数以十年计的成本效益[19]

英国镀锌协会(Galvanizers Association)的认为,镀锌可能是最环保的防腐蚀可行方法[8]。镀锌过程的能源效益英语Efficient energy use资源效益英语Resource efficiency都颇高,对环境构成较低的负担[19]。而且,锌是一种高度可回收的金属;经镀锌而成的白铁可以轻易透过重新镀锌、去除锌层或重用的方法来循环再用,也可以与废钢一起回收[19][2]。但是,热浸镀锌的过程会造成空气污染,污染物为白云状的细悬浮粒子[20]

参考资料

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 Zinc coatings of Indian plate and mail armour. Royal Armouries. [2016-12-17]. (原始内容存档于2016-12-13). 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 History of galvanizing. Galvanizers Association. [2016-12-17]. (原始内容存档于2016-12-13). 
  3. ^ Jonathan Waldman. Rust: The Longest War. Simon and Schuster. 2016: 180. ISBN 9781451691603. 
  4. ^ 4.00 4.01 4.02 4.03 4.04 4.05 4.06 4.07 4.08 4.09 4.10 邵大伟; 贺志荣; 张永宏; 何应. 热浸镀锌技术的研究进展. 热加工工艺 (陕西理工学院材料科学与工程学院). 2012, (6). 
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 徐娟; 李波; 秘雪. 钢材热镀锌助镀剂的研究进展. 化学工程与技术. 2016, 6 (3). doi:10.12677/HJCET.2016.63009. 
  6. ^ HDG Process. American Galvanizers Association. [2016-12-17]. (原始内容存档于2015-10-29). 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 7.3 Corrosion Tests and Standards. ASTM International. : 622. 
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 8.3 Galvanizing process. Galvanizers Association. [2016-12-17]. (原始内容存档于2016-12-13). 
  9. ^ 9.0 9.1 9.2 9.3 Mark Anthony Benvenuto. Metals and Alloys: Industrial Applications. Walter de Gruyter GmbH & Co KG. 2016. ISBN 9783110441857. 
  10. ^ E5. TAG: (pt.1-2) Electricity and use. Electric Power Research Institute. 1986. 
  11. ^ Tom Langill. What does the cold galvanizing process consist of?. American Galvanizers Association. 2010-06-19 [2016-12-17]. (原始内容存档于2016-12-13). 
  12. ^ 12.0 12.1 12.2 10 Real Benefits of Galvanized Steel. Galvanizers Association of Australia. [2016-12-17]. (原始内容存档于2016-12-13). 
  13. ^ Unique characteristics. Galvanizers Association. [2016-12-17]. (原始内容存档于2016-12-13). 
  14. ^ 陆师成. 辭彙. 文化图书公司. 1987: 160. 
  15. ^ Wayne Gisslen. Professional Cooking, College Version 7. John Wiley & Sons. 2010: 24. ISBN 9780470197523. 
  16. ^ FDA Food Code 2009: Annex 3 - Public Health Reasons / Administrative Guidelines - Chapter 4, Equipment, Utensils, and Linens. U.S. Food and Drug Administration. [2016-12-17]. (原始内容存档于2016-12-17). 
  17. ^ FDA Food Code 2009: Chapter 4 - Equipment, Utensils & Linens. U.S. Food and Drug Administration. [2016-12-17]. (原始内容存档于2016-12-17). 
  18. ^ 18.0 18.1 How Much Does HDG Cost?. American Galvanizers Association. [2016-12-17]. (原始内容存档于2016-04-03). 
  19. ^ 19.0 19.1 19.2 Why galvanizing is sustainable. Galvanizers Association. [2016-12-17]. (原始内容存档于2016-12-13). 
  20. ^ Richard Zawadzki. Hot dip galvanizing the problem of emission control. Anti-Corrosion Methods and Materials (MCB UP Ltd). 1995, 42 (5). doi:10.1108/eb007372. 
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