耐候鋼(又稱耐大氣腐蝕鋼，weathering steel)的概念、發(fā)展現(xiàn)狀、品種、性能、耐候性因素及展望

耐候鋼(又稱耐大氣腐蝕鋼，weathering steel)是指通過(guò)添加少量合金元素，使其在大氣中具有良好耐腐蝕性能的低合金高強(qiáng)度鋼。耐候鋼的耐大氣腐蝕性能為普通碳素鋼的2～8倍，并且使用時(shí)間愈長(zhǎng)，耐蝕作用愈突出。耐候鋼除具有良好的耐候性外，還具有優(yōu)良的力學(xué)、焊接等使用性能，廣泛用于鐵道車輛、橋梁和集裝箱。

耐候鋼并非不銹鋼，初期同普通碳鋼一樣也會(huì)銹蝕，后期則情況不同。耐候鋼銹蝕一段時(shí)間后由于鋼表面Cu、P等微量元素富集，形成一層致密的非晶態(tài)銹層組織，并與基體結(jié)合得非常牢固。這層穩(wěn)定化銹層能夠在一定程度上抵御大氣中水氣及有害離子的侵入，防止基體金屬進(jìn)一步腐蝕。

耐候鋼在使用時(shí)，可以涂裝、裸用或進(jìn)行穩(wěn)定化處理，涂裝時(shí)的要求與普通碳鋼相同。這里特別要指出的是這種材料可以不涂漆裸用，這是耐候鋼最突出的優(yōu)點(diǎn)。在無(wú)嚴(yán)重大氣污染或非特別潮濕的地區(qū)，耐候鋼可以不用涂裝，直接裸露于大氣中，一般經(jīng)過(guò)年時(shí)間后，銹層逐漸穩(wěn)定，腐蝕不再發(fā)展，外觀呈美麗的巧克力色。這種鋼結(jié)因沒有油漆老化等問(wèn)題，無(wú)需涂裝維護(hù)，大大降低了維護(hù)成本，當(dāng)然也就避免了因涂漆影響使用等造成的損失。

1 發(fā)展概況

從20世紀(jì)初至今，美、德、英、日各國(guó)對(duì)耐候鋼進(jìn)行了深入的研究。早在1916年，歐美科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)銅可以改善鋼在大氣中的耐蝕性能。1916年，美國(guó)實(shí)驗(yàn)和材料學(xué)會(huì)(ASTM)開始了大氣腐蝕研究。C. P. Larrabee 等進(jìn)行了大氣腐蝕的數(shù)據(jù)積累工作，總結(jié)腐蝕規(guī)律，探討了腐蝕機(jī)理。20世紀(jì)30年代，美國(guó)的 U. S. Steel 公司首先研制成功了耐腐蝕高強(qiáng)度含銅低合金鋼——Corten 鋼，在20世紀(jì)60年代不涂漆直接用于建筑和橋梁，其中最普遍應(yīng)用的是高磷、銅+鉻、鎳的Corten A 系列鋼和以鉻、錳、銅合金化為主的Corten B 系列鋼。這種耐候鋼在歐洲、日本也得到廣泛應(yīng)用。目前，國(guó)外已將耐候鋼逐漸作為普通鋼種廣泛使用，并且在鋼種開發(fā)、使用及設(shè)計(jì)施工方面也進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。表1 列出了國(guó)內(nèi)外耐候鋼發(fā)展主要?dú)v程。

表1 耐候鋼的發(fā)展歷程

20世紀(jì)60年代，我國(guó)開始進(jìn)行耐候鋼的研究和大氣暴露試驗(yàn)。1965年，試制出09MnCuPTi耐候鋼，并研制出我國(guó)第一輛耐候鋼鐵路貨車。國(guó)家科委和自然基金委員會(huì)組織了全國(guó)環(huán)境腐蝕實(shí)驗(yàn)站，自1983年開始了5個(gè)周期20年的數(shù)據(jù)積累工作和計(jì)劃。此外，研究者還結(jié)合我國(guó)的資源優(yōu)勢(shì)開發(fā)出了一些鋼種，如鞍鋼集團(tuán)的08CuPVRE 系列、武鋼集團(tuán)的09CuPTi 系列、濟(jì)南鋼鐵公司的09MnNb、上海第三鋼鐵廠的10CrMoAl 和10CrCuSiV 等。

2 鋼種基本情況

2.1 牌號(hào)及化學(xué)成分

高耐候鋼的牌號(hào)和化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))列于表2 。耐候鋼與一般含銅鋼的區(qū)別在于除含銅外，還含有磷、鉻、鎳、鈦及釩等合金元素。國(guó)外代表鋼種為CORTEN A 和SPA2H ，主要為Cu2P2Ni2Cr 系。國(guó)內(nèi)考慮到資源條件及原料經(jīng)濟(jì)性，常在鋼中加人適量的稀土(RE)，主要為Cu2P2RE 系。

表2　高耐候鋼的牌號(hào)和化學(xué)成分

2.2 耐候鋼的力學(xué)性能

耐候鋼的力學(xué)性能列于表3 和表4 ?？梢钥闯?，耐候鋼的力學(xué)性能基本上與優(yōu)質(zhì)碳素鋼或優(yōu)質(zhì)低合金鋼接近，但要求耐候鋼應(yīng)具有較好的冷加工性能。

表3　耐候鋼的力學(xué)性能

表4　耐候鋼的常溫和低溫沖擊性能

2.3 金相組織、非金屬夾雜物及晶粒度

鋼材的金相組織應(yīng)為鐵素體+珠光體，氧化物夾雜級(jí)別不超過(guò)2級(jí)，硫化物夾雜級(jí)別不大于215級(jí)，晶粒度不小于7級(jí)。

3 合金元素對(duì)耐候性的影響

與普通碳素鋼相比，耐候鋼具有良好的抗大氣腐蝕能力。這是因?yàn)楹辖鹪仄鸬搅私档弯P層的導(dǎo)電性能、阻礙腐蝕產(chǎn)物快速生長(zhǎng)等作用。耐蝕特點(diǎn)表現(xiàn)為經(jīng)長(zhǎng)期使用后才呈現(xiàn)出顯著的耐蝕效果。可提高鋼的耐大氣腐蝕性能的合金元素應(yīng)滿足以下條件:①在鐵中的溶解度大于在銹層中的溶解度；②可以與鐵形成固溶體；③可提高鋼的電位。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)果表明，耐候鋼中加入的合金元素對(duì)其耐大氣腐蝕性能的影響不盡相同。

3.1 碳

碳元素對(duì)鋼的耐大氣腐蝕不利，同時(shí)碳對(duì)鋼的焊接性能、冷脆性能和沖壓性能有影響。通常，耐候鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)被控制在0.12%以下。

3.2 銅和硫

當(dāng)鋼中加入w(Cu)=0.2%～0.4%時(shí)，無(wú)論在鄉(xiāng)村大氣、工業(yè)大氣或海洋大氣中，都比普通碳素鋼的耐蝕性能優(yōu)越。值得注意的是，銅抵消鋼中硫的有害作用的效果很明顯，其作用特點(diǎn)是，鋼中硫含量愈高，銅降低腐蝕速率的相對(duì)效果愈顯著。這是因?yàn)殂~與硫生成了難溶硫化物。

如果使鋼中殘余硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至0.01%，則可使碳素鋼的耐候性提高到接近CORTEN B 的水平，使一般合金鋼達(dá)到CORTEN A 的耐候性。

3.3 磷

磷是提高鋼耐大氣腐蝕性能最有效的合金元素之一。磷在鋼中能均勻溶解，有助于在鋼表面形成致密的保護(hù)膜，使其內(nèi)部不被大氣腐蝕。通常鋼中w(P)=0.08%～0.15%時(shí)，其耐蝕性最佳。

3.4 鉻

鉻能在鋼表面形成致密的氧化膜，提高鋼的鈍化能力，使銹層生長(zhǎng)速度減慢。通常，耐候鋼中w(Cr)=0.4%～1.0%(最高1.3%)。當(dāng)鉻和銅同時(shí)加入時(shí)，效果尤為明顯。

3.5 鎳

鎳是一種比較穩(wěn)定的元素，加入鎳能使鋼的自腐蝕電位向正方向變化，增加了鋼的穩(wěn)定性。大氣暴露試驗(yàn)結(jié)果表明，w(Ni)≈4%時(shí)，能顯著提高海濱耐候鋼的抗大氣腐蝕性能。

3.6 鈣

研究結(jié)果表明，耐候鋼中加入微量鈣不僅可以顯著改善鋼的整體耐大氣腐蝕性能，而且可以有效避免耐候鋼使用時(shí)出現(xiàn)的銹液流掛現(xiàn)象。鋼中加入微量鈣可形成CaO 和CaS 溶解于鋼表面的電解液薄膜中，使腐蝕界面堿性增加，降低其侵蝕性，促進(jìn)銹層轉(zhuǎn)化呈致密、保護(hù)性好的α-FeOOH 相。

3.7 錳

目前，錳對(duì)耐蝕性的影響認(rèn)識(shí)不統(tǒng)一，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，錳能提高鋼對(duì)海洋大氣的耐蝕性，但對(duì)在工業(yè)大氣中的耐蝕性幾乎無(wú)影響。通常，耐候鋼中w(Mn)=0.5%～2.0%。

3.8 鉬

鋼中w(Mo)=0.4%～0.5%時(shí)，在大氣腐蝕環(huán)境下(尤其是在工業(yè)大氣中)，其腐蝕速率可降低50%以上。

3.9 稀土元素

稀土元素(RE)是不含鉻、鎳耐候鋼的添加元素之一。通常稀土元素的加入量小于或等于0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。稀土元素是極其活潑的元素，是很強(qiáng)的脫氧劑和脫硫劑，主要對(duì)鋼起凈化作用。稀土元素可細(xì)化晶粒，改變鋼中夾雜物的狀態(tài)，減少有害夾雜物的數(shù)量，降低腐蝕源點(diǎn)，從而提高鋼的抗大氣腐蝕性能。

4 展望

目前耐候鋼在國(guó)外已趨于成熟和完善，從鋼種開發(fā)到應(yīng)用及設(shè)計(jì)施工等方面都有較詳細(xì)的規(guī)定。與國(guó)外相比，我國(guó)耐候鋼的研制起步較晚，但隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，耐候鋼已引起國(guó)內(nèi)有關(guān)部門的關(guān)注。根據(jù)鐵道部預(yù)計(jì)，今后新造車輛將一律使用耐候鋼。每年新造貨車將達(dá)2萬(wàn)輛，新造客車約1500輛。因此迫切需要開發(fā)新型高壽命、低成本、高耐候性結(jié)構(gòu)鋼。

成分、結(jié)構(gòu)和組織是改變材料性能的內(nèi)因。當(dāng)前大部分耐候鋼以熱軋、正火或退火狀態(tài)下使用，顯微組織均屬平衡態(tài)組織，由鐵素體+少量珠光體組成，鋼的強(qiáng)度較低，因此這種組織未必是耐候鋼的最佳組織和最佳相組成及相分布，至少不是唯一對(duì)耐候鋼可取的顯微組織及結(jié)構(gòu)。除成分外，結(jié)構(gòu)和組織的最佳選擇乃是挖掘材料潛力的根本途徑。為了進(jìn)一步提高耐候鋼的綜合性能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，應(yīng)開展結(jié)構(gòu)及組織方面的研究。

對(duì)于制造車輛部件、集裝箱和其它移動(dòng)設(shè)備，采用高強(qiáng)度耐候鋼增強(qiáng)減重將使產(chǎn)品生產(chǎn)成本降低、有效載荷提高、能源消耗下降，是耐候鋼應(yīng)用最重要的發(fā)展方向。但在耐候鋼高強(qiáng)化的同時(shí)，需考慮剛度，并要根據(jù)用戶的使用要求保證成形、焊接、低溫沖擊和疲勞性能等。

不同耐候性元素對(duì)不同環(huán)境下的腐蝕作用不一樣，例如鉬對(duì)降低工業(yè)大氣腐蝕速率有效，但對(duì)海洋性大氣的抗腐蝕作用不明顯，因此根據(jù)腐蝕環(huán)境的不同，耐候鋼向?qū)Ｓ眯?、特殊用途化發(fā)展，其成分體系也相應(yīng)發(fā)生變化，以提高耐候性元素加入的有效性和應(yīng)用效率。耐海水腐蝕鋼、耐海洋性氣候腐蝕鋼、耐酸性氣候腐蝕鋼和耐熱帶氣候腐蝕鋼等專用鋼種是這一類鋼種的代表。因此耐候鋼也應(yīng)該向多樣化方向發(fā)展。

表面處理技術(shù)也可以提高耐候鋼的性能。開發(fā)與耐候鋼基體相匹配的涂層材料，其耐腐蝕效果將成倍提高。例如，日本開發(fā)的將含有百分之幾碳酸鉻的聚乙烯醇縮丁醛樹脂涂于耐候鋼表面，人工加快穩(wěn)定銹層產(chǎn)生，防止或減少了初期流動(dòng)鐵銹的生成，減少了環(huán)境污染，提高了耐腐蝕性能。

5 結(jié)語(yǔ)

耐候鋼的耐腐蝕性能和經(jīng)濟(jì)性決定了耐候鋼是有生命力的鋼鐵材料。在今后耐候鋼的研究中，一方面應(yīng)注意借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，另一方面應(yīng)立足于我國(guó)的特有資源優(yōu)勢(shì)和已有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，著重開發(fā)適合我國(guó)環(huán)境、地區(qū)特點(diǎn)的高效、高品質(zhì)耐候鋼及其表面銹層快速穩(wěn)定化處理技術(shù)。