钢铁处理标准与涂装

鋼鐵處理標準與塗裝一、引言：工業的設備多半是構造複雜且半永久性的鋼鐵構造物，終年暴露在容易受侵蝕的污染環境中。使用油漆來維護這些設施與設備，以避免受侵蝕而維持正常生產，就必須依賴高品質的油漆，以及施工人員對不同性能油漆的正確認識與正確施工方法。因此了解各種油漆的特性，選用適當的油漆，並做正確的施工方法，以確保工業設施的使用壽命，實為油漆業的一件重大使命。二、鋼鐵銹蝕與表面處理2-1鐵銹與銹蝕原理鋼鐵的銹蝕（Corrosion）係指金屬鐵與氧及水份反映變化，生成氧化鐵或其水化合物，主要為化學反應（ChemicalReaction）與電化學反應（ElectrochemicalReaction）所引起之鋼鐵腐蝕生成物，其所生成的紅色氧化鐵或其水化合物稱為鐵銹（Rust）。1.化學反應：水的成份主要由非電解質之H2O分子所組成，在常溫中與鋼鐵不發生反應。但在氧化氫（H2O）分子的集合體中，會發生H2O＋H2O＝2HOH的反應，產生微小電解質氫氧化氫（HOH）。HOH中之氫（H）離子即很容易與鐵（Fe）離子發生置換反應，生成水溶性氫氧化亞鐵（Fe(OH)2）。Fe＋2HOH＝H2＋Fe(OH)2上項反應所生成之氫（H2）雖附著於鐵材表面能阻擋鋼鐵與HOH之接觸，但很快再與水中之氧（O2）作用形成H2O，繼續引起鋼鐵與HOH之銹蝕反應。2H2＋O2＝2H2O同時Fe（OH）2本身是不穩定的化合物，很容易溶入水中與水中之氧（O2）及水反應成為安定鬆懈之水不溶性氫氧化鐵（Fe(OH)3），如下反應式2Fe(OH)2＋1/2O2＋H2O＝2Fe(OH)3………（Fe2O3˙3H2O）上面反應經整理可得下列反應式，完全屬於純化學性腐蝕反應。2Fe＋4HOH＝2H2＋2Fe(OH)22（H2O＋H2O）2H2＋O2＝2H2O2Fe(OH)2＋1/2O2＋mH2O＝Fe2O3˙nH2O＋2H2O2Fe＋3/2O2＋mH2O＝Fe2O3˙nH2O（n＝m＋2）2.電化學腐蝕：鋼鐵的腐蝕大部分係由鐵與水份及氧氣間之電化學反應所產生，如圖2-1說明：一般鋼鐵從外表看來，似乎是一種很均勻的材質。但事實上因鋼鐵成份中含有許多其他成份、雜質與不同的結晶組織以及再受到不同程度的機械加工或熱處理的差異等，存在著許多不均勻點。因之當鋼鐵材表面接觸到水份或侵入水中時，即形成許多局部電池，在陽極（Anode）放出電子e-（Electron）產生鐵離子Fe++（FerrousIon），在陰極（Cathode）即發生消耗電子反應，產生氫氧離子（OH-）。兩者經結合變成Fe(OH)2，再與空氣中或溶於水中之氧氣反應生成紅色鐵銹Fe(OH)3。這種鐵銹如不予清除而加以塗裝，鐵銹即在漆膜下面繼續成長，破壞漆膜再向鋼鐵內部侵蝕如下圖2-2。3.黑鐵皮：黑鐵皮（MillScale）係在鋼鐵煉造或熱壓延加工時，從900℃以上高溫急冷下來的過程中，受到不完全的氧化作用，使鋼鐵表面形成一層由數種氧化鐵組成之黑暗色氧化鐵硬皮膜，如下2-3圖構成。這一層表面看來很結實的黑鐵皮，實際上有很多空隙之存在。大氣中之氧氣與水份就很容易浸透入黑鐵皮層形成局部電池，發生電化學反應使最低層之FeO變成Fe(OH)3而銹蝕。同時由於Fe(OH)3之體積大過FeO約5倍，很容易將這一層黑皮槓起膨開。我們時常看到漆膜之完整附著於黑鐵皮，但黑鐵皮卻成片狀從鋼鐵表面剝離脫落，就是這個原因如圖2-4，也就是防蝕塗裝前必須除去黑鐵皮的理由。4.鋼鐵腐蝕的形態可大分為全面腐蝕（Uniformattack）與局部腐蝕（LocaalCorrosion）二類：局部腐蝕從他不同的形成原因與形態，可再分為多種。下圖2-5為主要局部腐蝕之種類與形態。由於局部腐蝕成因複雜，形態種類也很多，至今尚無一種可引用之權威性「局部腐蝕度」標準與表示方法的訂立。圖2-5鋼鐵銹蝕形態模型圖三、表面處理的目的與方法鋼鐵材的表面處理係鋼鐵構造物防蝕塗裝工程中，最重要的一環。表面處理的適當與否，如圖3-1所示對漆膜之壽命與防銹效果有很大影響。經實驗報告(表3-1)指出，經噴砂處理至Sa2½與應用手工具處理至St2級後塗裝同一油漆時，其塗膜壽命相差五倍以上。表3-1表面處理度與漆膜壽命表面處理度與處理度平均漆膜壽命噴砂Sa21/26.3年酸洗4.6年手工具除銹St21.2年49.519.14.926.5020406080100表面處理漆膜厚度油漆種類其他圖3-1影響漆膜壽命因素表面處理可定義為塗裝前的被塗面整理作業。其目的為除去破壞塗膜因素與腐蝕性物質，包括灰塵、動植物油、礦油、　類等附著物以及鋼鐵本身產生之鐵銹等。這些物質如不予除去，將成為塗膜之附著障礙，導致塗膜破裂、剝離、生銹等原因。表面處理作業除了去除上項異物外，並給以鋼鐵材面適當的粗度，幫助塗膜的附著性。有時再配合化學處理，如磷酸　處理，一次防銹底漆(ShopPrimer)之應用等來提高塗膜性能，一般稱之為一次防銹處理。表面處理的方法可大分為化學方法及機械方法二種。化學方法係應用溶劑或界面活性劑與鹼液等清潔劑，洗去附著於表面之油脂與其他灰塵異物，酸洗法與燃燒法可同時除去鐵銹與舊漆膜，也屬於化學處理法。機械方法係指噴砂、超高壓水噴射以及應用手工或電動工具之除銹方法。3-1化學處理法1.溶劑洗淨法：使用甲苯、二甲苯、油漆溶劑、汽油、煤油或三氯乙烯、三氯乙烷等溶劑清洗或揩拭去除油脂或礦油等油質異物。2.界面活性劑洗淨法：將煤油用非離子界面活性劑與水乳化，加熱至40∼70℃，洗刷金屬表面將油脂、礦油乳化除去。並同時除去灰塵以及其他附著物。3.鹼洗法：用燒鹼、純鹼或磷酸鈉、矽酸鈉等水溶液加少量非離子界面活性劑，將油脂皂化除去。4.酸洗法：使用10∼15%硫酸液在50∼65℃間，或15∼20%鹽酸配入0.1∼0.5%陰離子或非離子界面活性劑在常溫浸泡20∼30分鐘。此種方法較機械處理法成本低，施工簡便，對浮銹與鬆懈黑鐵皮之去除相當有效，可應用於構造複雜的構造物。但需配入酸抑制劑，阻止酸成份對母金屬之侵蝕。酸洗後的鋼材必須將酸成分用60∼65℃清水洗淨，最後再侵入80∼90℃之2%稀磷酸液使鋼鐵表面形成一層防銹性磷酸鐵薄膜。5.磷酸法：鋼鐵表面之薄層浮銹，可用15∼20%磷酸酒精溶液浸於布塊揩拭除去，不但可以除銹並在鋼鐵表面形成一層磷酸鹽薄膜，幫助防銹效果之提高。6.燃燒法：適用於6mm厚以上之鋼鐵製品，放入爐中用煤氣燒去油脂與其他異物。或使用瓦斯火焰噴燒鋼鐵面，利用鋼鐵之急激熱膨脹與冷縮變化，再配合鋼刷等工具應用除去黑皮與紅鐵銹等。3-2機械處理法1.噴砂：利用壓縮空氣將16∼40mesh之乾燥矽砂噴射於鋼鐵面，能完全除去黑皮、紅鐵銹以及其他異物，為目前採用最多之屋外表面處理方法。2.遠心式投砂：在密室中應用遠心式投射機將鋼砂或鋼珠投射於鋼鐵材面除銹之方法，可將鋼砂(珠)收回再使用。經過投砂處理之鋼材接著做第一次防銹處理施噴一層一次防銹底漆，以防短期屋外貯存之再生銹。此種方法為目前造船廠及鋼鐵廠採用最多、最經濟有效之自動連續表面處理方法。3.真空噴砂：利用壓縮空氣將鋼砂(珠)研材噴材於鋼材面。再真空吸出研材與鐵銹後分出研材供再使用。此種方式由於設備及作業較複雜，採用不多。4.濕式噴砂：將矽砂與清水調合噴射，可避免因砂塵之飛散造成公害。但效率較低，且因水份之附著很容易再生銹。因此需配合加入抑銹劑，或處理後即刻塗佈防銹劑以防極短時間內之再生銹。5.超高壓水噴射法：利用超高壓水噴射於鋼鐵面，對舊漆膜與鐵銹之去除有良好效果亦不會產生公害。但仍有易再生銹之缺點，需要防銹劑之配合應用。6.人工或電動工具處理法：使用人工或電動鋼刷、鏟具、研磨器等工具去除浮銹、鬆懈黑皮與舊漆膜等為最簡易的表面處理方法。但不易除去堅牢黑皮，也無法完全除去鐵銹，效率不高。7.鐵鎚敲打：對於嚴重銹蝕之層狀鐵銹與舊漆，可使用敲銹鎯頭敲打除去，但尚須電動砂輪或鋼刷等之配等之配合應用。四、鋼鐵表面處理標準瑞典SIS鋼鐵銹蝕度與表面處理度標準，係由SwedishCorrosionInstitute經美國ASTM（AmericanSocietyforTestingandMaterials）與SSPC（SteelStructuresPainingCouncil）之協助所訂立，為目前世界上最具權威，採用最多的標準。4-1.鋼鐵銹蝕度分級瑞典標準協會所頒訂之SIS-05-5900鋼鐵蝕度，未經表面處理之鋼材表面狀態，從其銹蝕程度分為A、B、C、D四級：A級：鋼鐵表面完全覆蓋完整黑皮，無紅鐵銹或僅出現極少量紅銹之表面。(如圖片A)B級：鋼鐵表面開始銹蝕，部份黑皮剝落，已出現紅鐵銹。(如圖片B)C級：鋼鐵面已產生全面性銹蝕，大部份黑皮已剝離或呈非常鬆懈狀態。(如圖片C)D級：黑皮已完全剝落，鋼鐵面產生許多銹孔，呈全面性嚴重腐蝕狀態。(如圖片D)圖片A圖片B圖片C圖片D4-2.鋼鐵表面處理度SIS標準將表面處理度，從處理分法分為二類：St--手工具或電動工具處理者。Sa--噴砂處理。處理程度分為：0-未處理表面。2½-近完整之處理表面。1-輕度處理表面。3-完整之處理表面。2-中度處理表面。根據瑞典標準SIS055900將鋼鐵除銹度之標準分類如下：A.鏟具除銹法之除銹分級：St0-未做除銹處理之鋼鐵表面。St1-使用鋼刷做輕度的全面刷除浮銹與鬆懈黑皮。St2-使用人工或電動鏟具，鋼刷或研磨機等將鬆懈黑皮與浮銹以又其它外界異物，除去後用吸塵器或壓縮空氣，毛刷等將灰塵除去，處理後的表面近似SISSt2標準圖樣。St3-使用電動鏟具、鋼刷、或研磨機等徹底將浮銹，鬆懈黑皮以及異物除盡，並經清除灰塵後，其表面應有金屬光澤之出現，如同SISSt3標準圖樣。B級--SISSt2B級--SISSt3B.噴砂除銹法之除銹度分級：Sa0-未做除銹處理之鋼鐵表面。Sa1-輕度噴砂，除去鬆懈黑皮，浮銹以及外界異物，其表面相等於SISSa1標準圖樣。Sa2-中度噴砂除去大部分之黑皮，鐵銹以及外界異物，並經過吸塵器或壓縮空氣，毛刷等灰塵清除，處理後表面呈金屬灰色，如同SISSa2標準圖樣，適用於一般防銹工程之表面處理標準。Sa2½-徹底的噴砂，完全除去黑皮，鐵銹與外界異物，並經過吸塵器或壓縮空氣，毛刷等之灰塵清除，僅有微少之斑點異物留存，鋼鐵表面呈近似白金屬色澤（NearWhiteMetal），如同SISSa2½標準圖樣，為重防蝕塗裝工程要求之表面處理標準。Sa3-絕對徹底的噴砂至純白金屬狀況，所有黑皮、鐵銹、與異物徹底除去，不留任何微少異物。經過吸塵器，或壓縮空氣，毛刷等清除灰塵後，表面呈均勻之白金屬色澤（WhiteMetal），如同SISSa3標準圖樣，為最高表面處理標準。B級--SISSa1B級--SISSa2B級--Sa2½B級--Sa34-3.SIS與SSPC標準對照由於我國尚無鋼鐵構造物表面處理度標準之訂立，特將世界最具權威性之瑞典SIS與美國SSPC及主要工業國家表面處理標準之對照表摘錄如下：SwedishStandardSIS055900SSPC-USAStandardBritishStandardBS4232GermanStandardDIN18364ASa3BSa3CSa3DSa3SSPC-SP-5（WhiteMetal）FirstQualityASa2½BSa2½CSa2½DSa2½SSPC-SP-10（NearWhite）SecondQualityEntrostungsgrad2BSa2CSa2DSa2SSPC-SP-6（Commercial）ThirdQualityEntrostungsgrad3BSa1Csa1DSa1SSPC-SP-7（LightBlast/BrushOff）BSt3CSt3DSt3SSPC-SP-3（PowerToolCleaning）BSt2CSt2DSt2SSPC-SP-2（HandToolCleaning）五、鋼鐵表面粗度經表面處理後之鋼材，必將產生凹凸面，稱之為表面粗度。其凹凸形態與粗度，視採用之研材種類與處理方式有很大差異，