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什么是镀锌

镀锌,是指在铁或钢表面上铺上金属锌的防锈方法。锌是一种抗腐蚀性颇高的金属,能够把铁隔绝于氧气和水,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的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(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和板甲上镀锌,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(Galvanism)现象。


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。


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)


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;与电镀锌相比,热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。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和氯化锌),并进行烘干预热。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。热浸完成后的工序包括冷却、钝化、检测等。


在熔融锌液中加入其他金属,能够调整锌层的性质:例如,加入铝、镁、镍等金属可以提高锌层的抗腐蚀性,加入铝、铅、锡、锑等金属则可以优化锌层的外观。另一方面,钢铁物料中的碳、硅、锰、磷、硫均会影响锌层的组织和性能。


电镀锌

主条目:电镀锌

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。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,锌盐溶液作为电解质。锌层的厚度为7微米,相对较薄。


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较差,对钢铁物料提供的牺牲性保护亦较少。


防锈原理

锌层能够物理上把铁隔绝于氧气和水,而这两种物质是生锈所需的。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。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。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。


在电化学层面而言,锌的活性比铁高。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。


应用

参见:白铁和波纹镀锌铁

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。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。以下表格列出白铁的部分应用:


领域用途举例

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、通讯电缆

供电电塔、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、道路或铁路隔音屏障、防风栅、防雪栅、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(用波纹镀锌铁搭建,在一战和二战常用)




摄取锌可能会导致中毒,故不宜用镀锌厨具来煮食。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;食物的酸性愈高,风险便愈大。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。


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。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。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。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。


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。镀锌过程的能源效益和资源效益都颇高,对环境构成较低的负担。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。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。


摘自维基百科