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耐候鋼(又稱耐大氣腐蝕鋼,weathering steel)的概念、發展現狀、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,并且使用時間愈長,耐蝕作用愈突出。耐候鋼除具有良好的耐候性外,還具有優良的力學、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銹蝕,后期則情況不同。耐候鋼銹蝕一段時間后由于鋼表面Cu、P等微量元素富集,形成一層致密的非晶態銹層組織,并與基體結合得非常牢固。這層穩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,防止基體金屬進一步腐蝕。

耐候鋼在使用時,可以涂裝、裸用或進行穩定化處理,涂裝時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點。在無嚴重大氣污染或非特別潮濕的地區,耐候鋼可以不用涂裝,直接裸露于大氣中,一般經過年時間后,銹層逐漸穩定,腐蝕不再發展,外觀呈美麗的巧克力色。這種鋼結因沒有油漆老化等問題,無需涂裝維護,大大降低了維護成本,當然也就避免了因涂漆影響使用等造成的損失。

1 發展概況

從20世紀初至今,美、德、英、日各國對耐候鋼進行了深入的研究。早在1916年,歐美科學家就發現銅可以改善鋼在大氣中的耐蝕性能。1916年,美國實驗和材料學會(ASTM)開始了大氣腐蝕研究。C. P. Larrabee 等進行了大氣腐蝕的數據積累工作,總結腐蝕規律,探討了腐蝕機理。20世紀30年代,美國的 U. S. Steel 公司首先研制成功了耐腐蝕高強度含銅低合金鋼——Corten 鋼,在20世紀60年代不涂漆直接用于建筑和橋梁,其中最普遍應用的是高磷、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、日本也得到廣泛應用。目前,國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、使用及設計施工方面也進行了詳細規定。表1 列出了國內外耐候鋼發展主要歷程。

表1 耐候鋼的發展歷程

耐候鋼的發展歷程

20世紀60年代,我國開始進行耐候鋼的研究和大氣暴露試驗。1965年,試制出09MnCuPTi耐候鋼,并研制出我國第一輛耐候鋼鐵路貨車。國家科委和自然基金委員會組織了全國環境腐蝕實驗站,自1983年開始了5個周期20年的數據積累工作和計劃。此外,研究者還結合我國的資源優勢開發出了一些鋼種,如鞍鋼集團的08CuPVRE 系列、武鋼集團的09CuPTi 系列、濟南鋼鐵公司的09MnNb、上海第三鋼鐵廠的10CrMoAl 和10CrCuSiV 等。

2 鋼種基本情況

2.1 牌號及化學成分

高耐候鋼的牌號和化學成分(質量分數)列于表2 。耐候鋼與一般含銅鋼的區別在于除含銅外,還含有磷、鉻、鎳、鈦及釩等合金元素。國外代表鋼種為CORTEN A 和SPA2H ,主要為Cu2P2Ni2Cr 系。國內考慮到資源條件及原料經濟性,常在鋼中加人適量的稀土(RE),主要為Cu2P2RE 系。

表2 高耐候鋼的牌號和化學成分

高耐候鋼的牌號和化學成分

2.2 耐候鋼的力學性能

耐候鋼的力學性能列于表3 和表4 。可以看出,耐候鋼的力學性能基本上與優質碳素鋼或優質低合金鋼接近,但要求耐候鋼應具有較好的冷加工性能。

表3 耐候鋼的力學性能

耐候鋼的力學性能

表4 耐候鋼的常溫和低溫沖擊性能

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

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

3 合金元素對耐候性的影響

與普通碳素鋼相比,耐候鋼具有良好的抗大氣腐蝕能力。這是因為合金元素起到了降低銹層的導電性能、阻礙腐蝕產物快速生長等作用。耐蝕特點表現為經長期使用后才呈現出顯著的耐蝕效果。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。據有關文獻的研究結果表明,耐候鋼中加入的合金元素對其耐大氣腐蝕性能的影響不盡相同。

3.1 碳

碳元素對鋼的耐大氣腐蝕不利,同時碳對鋼的焊接性能、冷脆性能和沖壓性能有影響。通常,耐候鋼中碳的質量分數被控制在0.12%以下。

3.2 銅和硫

當鋼中加入w(Cu)=0.2%~0.4%時,無論在鄉村大氣、工業大氣或海洋大氣中,都比普通碳素鋼的耐蝕性能優越。值得注意的是,銅抵消鋼中硫的有害作用的效果很明顯,其作用特點是,鋼中硫含量愈高,銅降低腐蝕速率的相對效果愈顯著。這是因為銅與硫生成了難溶硫化物。

如果使鋼中殘余硫的質量分數降至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膜,使其內部不被大氣腐蝕。通常鋼中w(P)=0.08%~0.15%時,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,使銹層生長速度減慢。通常,耐候鋼中w(Cr)=0.4%~1.0%(最高1.3%)。當鉻和銅同時加入時,效果尤為明顯。

3.5 鎳

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

3.6 鈣

研究結果表明,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出現的銹液流掛現象。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,促進銹層轉化呈致密、保護性好的α-FeOOH 相。

3.7 錳

目前,錳對耐蝕性的影響認識不統一,大多數學者認為,錳能提高鋼對海洋大氣的耐蝕性,但對在工業大氣中的耐蝕性幾乎無影響。通常,耐候鋼中w(Mn)=0.5%~2.0%。

3.8 鉬

鋼中w(Mo)=0.4%~0.5%時,在大氣腐蝕環境下(尤其是在工業大氣中),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%(質量分數)。稀土元素是極其活潑的元素,是很強的脫氧劑和脫硫劑,主要對鋼起凈化作用。稀土元素可細化晶粒,改變鋼中夾雜物的狀態,減少有害夾雜物的數量,降低腐蝕源點,從而提高鋼的抗大氣腐蝕性能。

4 展望

目前耐候鋼在國外已趨于成熟和完善,從鋼種開發到應用及設計施工等方面都有較詳細的規定。與國外相比,我國耐候鋼的研制起步較晚,但隨著國民經濟的迅速發展,耐候鋼已引起國內有關部門的關注。根據鐵道部預計,今后新造車輛將一律使用耐候鋼。每年新造貨車將達2萬輛,新造客車約1500輛。因此迫切需要開發新型高壽命、低成本、高耐候性結構鋼。

成分、結構和組織是改變材料性能的內因。當前大部分耐候鋼以熱軋、正火或退火狀態下使用,顯微組織均屬平衡態組織,由鐵素體+少量珠光體組成,鋼的強度較低,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,至少不是唯一對耐候鋼可取的顯微組織及結構。除成分外,結構和組織的最佳選擇乃是挖掘材料潛力的根本途徑。為了進一步提高耐候鋼的綜合性能,擴大其應用范圍,應開展結構及組織方面的研究。

對于制造車輛部件、集裝箱和其它移動設備,采用高強度耐候鋼增強減重將使產品生產成本降低、有效載荷提高、能源消耗下降,是耐候鋼應用最重要的發展方向。但在耐候鋼高強化的同時,需考慮剛度,并要根據用戶的使用要求保證成形、焊接、低溫沖擊和疲勞性能等。

不同耐候性元素對不同環境下的腐蝕作用不一樣,例如鉬對降低工業大氣腐蝕速率有效,但對海洋性大氣的抗腐蝕作用不明顯,因此根據腐蝕環境的不同,耐候鋼向專用性、特殊用途化發展,其成分體系也相應發生變化,以提高耐候性元素加入的有效性和應用效率。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。因此耐候鋼也應該向多樣化方向發展。

表面處理技術也可以提高耐候鋼的性能。開發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,人工加快穩定銹層產生,防止或減少了初期流動鐵銹的生成,減少了環境污染,提高了耐腐蝕性能。

5 結語

耐候鋼的耐腐蝕性能和經濟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,一方面應注意借鑒國外先進經驗,另一方面應立足于我國的特有資源優勢和已有的技術優勢,著重開發適合我國環境、地區特點的高效、高品質耐候鋼及其表面銹層快速穩定化處理技術。

 

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