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
[编辑]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[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[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
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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
[编辑]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和氯化锌），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30至90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[4]。另一方面，钢铁物料中的碳、矽、锰、磷、硫含量均会影响锌层的组织和性能[4]。
电镀锌
[编辑]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，锌盐溶液作为电解质[9]。锌层的厚度为7微米，相对较薄[7][9]。
冷镀锌
[编辑]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[11]。
防锈原理
[编辑]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[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]。
在电化学层面而言，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，剩馀的锌仍可为铁提供牺牲性保护，以防止生锈[12]。
应用
[编辑]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、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） |
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以白铁制成的桶 -
以白铁制成的钉子 -
以白铁建成的露台 -
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；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
[编辑]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和资源效益都颇高，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
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