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你是否遇過這種情況：拆卸設備時發現螺絲完全卡死，怎麼轉都轉不動，甚至把螺絲起子都給轉壞了？這很可能就是遇到了「冷銲」現象。冷銲聽起來很特殊的專有名詞，但其實是個在日常生活中經常發生的物理現象。簡單來說，當兩個金屬表面緊密接觸時，在常溫下就可能發生原子層次的黏結，這種不需要加熱就能產生的金屬接合，就是所謂的冷銲。
這個現象在工業界可說是既是朋友也是敵人。在某些需要緊密接合的場合，冷銲可以發揮正面作用；但在需要定期拆解維護的設備上，冷銲就成了工程師們的惡夢。讓我們深入了解這個有趣的金屬現象吧！
冷銲形成的原理
冷銲 (“Cold Welding” 或 “Cold Weld”。在螺絲相關的應用中，通常會說 “Thread Galling” 或 “Screw Galling”)，在微觀尺度下，金屬表面並非我們肉眼所見的平滑狀態，而是充滿著微小的凸起與凹陷。當兩個金屬表面相互接觸時，實際的接觸只發生在這些微小凸起的頂點上。在高壓力作用下，這些接觸點會發生局部的塑性變形，使得金屬原子之間的距離縮短到足以產生原子鍵結的程度。
金屬原子之間主要透過金屬鍵結合，這種鍵結是由自由電子在原子核之間形成的共用電子雲所造成。當兩個金屬表面足夠接近時（通常是幾個原子間距），這些自由電子就能在兩個金屬之間形成新的鍵結。這就是冷銲現象的本質 – 在常溫下實現的金屬原子重新排列與鍵結。
不過，在實際環境中，金屬表面通常都覆蓋著一層氧化膜。這層氧化膜會阻礙金屬原子之間的直接接觸，進而抑制冷銲的形成。但當施加足夠的壓力時，這層氧化膜可能會破裂，露出下方的新鮮金屬表面。一旦新鮮的金屬表面相互接觸，就很容易發生冷銲。
影響冷銲形成的關鍵因素包括：
- 接觸壓力：較高的壓力有助於破壞表面氧化層並增加實際接觸面積
- 表面潔淨度：乾淨的金屬表面更容易發生冷銲
- 金屬的硬度：較軟的金屬更容易發生塑性變形，因此更容易冷銲
- 晶格結構的相容性：相似的晶格結構更容易形成穩定的金屬鍵結
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螺絲中的冷銲現象
在工程實務中，螺絲的冷銲問題可說是最常見也最令人頭痛的案例之一。螺絲和螺帽的設計本身就存在著讓冷銲特別容易發生的條件：螺紋的接觸面積大、鎖付時會產生高壓力、且接觸面往往會發生微小的摩擦和變形。
不鏽鋼螺絲尤其容易發生冷銲現象，這與其材料特性密切相關。不鏽鋼表面會形成一層緻密的氧化鉻保護膜（鈍化膜），這層膜在常態下能有效防止金屬腐蝕。但是，當螺絲在鎖緊過程中，螺紋之間的摩擦會破壞這層保護膜。一旦保護膜被破壞，露出的新鮮金屬表面反而特別容易發生冷銲，這是因為：
- 雖然不鏽鋼的自癒能力強，但新的氧化層形成速度較慢，使得金屬表面有更多時間發生直接接觸
- 不鏽鋼的塑性變形能力強，在加壓時容易產生更大的實際接觸面積
- 不鏽鋼的晶格結構（沃斯田鐵系列）有利於原子間的鍵結形成
此外，螺絲在使用環境中的溫度變化也會加劇冷銲的形成。當設備經歷熱循環時，螺絲和螺帽會因熱脹冷縮而產生額外的應力，進一步增加了接觸面積和接觸壓力。特別是在高溫環境下，金屬的活性增加，更容易發生冷銲。
值得注意的是，螺絲的表面粗糙度也扮演著重要角色。適當的表面粗糙度能降低實際接觸面積，有助於減少冷銲的發生。這就是為什麼有些螺絲會特別進行表面處理，例如電鍍、氮化處理等，來改變表面特性。但弔詭的是，如果表面太過光滑，反而會增加分子間的接觸面積，導致冷銲的風險提高。
鋁合金的冷銲
鋁合金螺紋也很容易發生冷銲現象，這與鋁的材料特性有著密切關係。鋁金屬表面雖然會形成一層氧化鋁保護膜，但這層膜相對較軟且容易破損。當鋁合金螺絲在鎖付過程中，螺紋之間的摩擦很容易就會破壞這層保護膜，露出下方的新鮮鋁金屬表面。 鋁的另一個特性是其相對較軟的金屬特性和較高的塑性變形能力。這意味著在鎖付過程中，鋁合金螺紋容易發生變形，增加實際的接觸面積。當螺紋之間的接觸面積增加，再加上鋁金屬本身較高的化學活性，使得冷銲的發生機率大幅提升。 在工程應用中，鋁合金螺紋的冷銲問題尤其需要注意，特別是在航太或輕量化工業應用中，因為這些領域經常使用鋁合金來降低重量。為了預防鋁合金螺紋的冷銲問題，通常會採用特殊的表面處理，例如陽極處理，或是使用專門的防卡死潤滑劑。甚至會特別選用不同材質的螺帽（如鋼製螺帽）來搭配鋁合金螺絲，藉由異種金屬的配對來降低冷銲的風險。
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冷銲的影響與預防
冷銲現象在工業應用中可能帶來嚴重的維護困擾和設備損害。當螺栓組件發生冷銲時，不僅會造成拆卸困難，更可能導致螺絲斷裂或螺紋損壞，進而影響設備的正常運作和維護效率。在最糟的情況下，可能需要通過切割、鑽孔或放電等破壞性方式來拆除冷銲的螺栓，這不僅增加了維修成本，還可能損壞相鄰的零件。
預防冷銲的方法主要可以從幾個層面來著手。首先是材料的選擇，避免使用相同材質的螺栓組件，特別是在使用不鏽鋼時。例如，可以選用銅質或尼龍材質的墊片，在螺絲和螺帽之間形成隔離層。對於必須使用相同材質的場合，可以透過表面處理來改變接觸面的特性，如氮化處理、電鍍或陽極處理等。
正確使用潤滑劑也是預防冷銲的關鍵。市面上有許多專門的防卡死劑（Anti-Seize Compound），這些潤滑劑通常含有細小的金屬顆粒或礦物粉末 (如石墨)，可以在金屬表面形成保護膜。選擇潤滑劑時需要考慮使用環境的溫度、化學腐蝕性等因素，某些高溫場合可能需要使用特殊的陶瓷基防卡死劑。
安裝過程的控制同樣重要。過度的鎖付扭力會增加冷銲的風險，因此使用扭力扳手控制鎖緊力矩是很好的預防措施。同時，安裝時應避免生螺紋之間的乾式摩擦，確保螺紋表面有適當的潤滑。在高振動的環境中，還可以使用特殊的防鬆設計，如彈簧墊片或尼龍嵌入式螺帽，這些設計不僅可以防止螺絲鬆動，還能降低冷銲的風險。
對於已經發生冷銲的螺栓，拆卸時需要特別小心。可以嘗試使用滲透劑，或施加適當的衝擊力來破壞冷銲界面。必要時可以使用加熱方式，利用熱脹冷縮的原理來協助拆解。但這些補救措施往往效果有限，因此預防勝於治療，在設計和安裝階段就應該充分考慮冷銲問題。
