耐候钢及其表面处理技术的开发

关键词 耐候钢 大气腐蚀 锈层 表面处理 中图分类号 : TG172 文献标识码 : A 文章编号 : 1006 - 4613 (2007) 03 - 0018 - 04

D evelopment of W eather - resistant Steel and Its Surface Treatment Technique
Key W ords weather - resistant steel atmosphere corrode dross surface treatment
1 前言
钢铁材料广泛应用在建筑 、桥梁 、造船 、车辆 等领域中 。这些领域有一个共同的特点 ,即所用 的结构部件均暴露在大气中 ,普通钢铁材料在大 气中很容易被腐蚀 (锈蚀 ) 。据统计 ,世界每年钢 产量中有 1 /6因腐蚀而损耗 ,我国每年因钢材腐 蚀造成的直接经济损失超过 100 亿元 [ 1 ] 。因此 , 欧美一些国家从 20 世纪初就开始了对钢铁材料 耐大气腐蚀的研究工作 。研究中发现 ,钢中的铜 、 磷 、铬等元素对提高钢的耐大气腐蚀性非常有效 ;
徐小连 ,教授级高级工程师 , 1982 年毕业于南昌航空学院金 属腐蚀与防护专业 ,现工作于鞍钢股份有限公司技术中心新型材 料研究所 (114009) 。
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镍 、钼 、铝 、钒 、钛等元素也有一定的效果 。
2 耐候钢的耐蚀性
研究表明 [ 2 ] ,在不同地区随着时间的变化 , 碳钢和低合金钢腐蚀速度有很大差异 。它们的耐 蚀性与腐蚀产物的组成及结构密切相关 。与普通 碳钢相比 ,低合金耐候钢具有较好的抗大气腐蚀 性能 ,这主要是由于在碳钢中加入的少量铜 、磷 、 镍 、铬等合金元素所致 。在大气腐蚀条件下 ,钢的 腐蚀主要属于电化学腐蚀 ,腐蚀的第一步是在钢 的表面形成水膜 。如果不考虑空气中二氧化硫和 盐粒子的影响 ,钢的大气腐蚀则主要以水膜下腐 蚀为主 。在腐蚀起始阶段 ,气态的氧首先溶入水
鞍钢技术
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TECHNOLO G Y 总第
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中 , O2 / H2 O 的标准电极电位为 1. 23V ,和铁构成 原电池 ,产生钢的电化学腐蚀 。
钢表面生成的锈层会使其体积产生变化 ,在 锈层和基体的界面生成应力 ,此应力随腐蚀速度 的增加而增大 。铁锈本身变形能力较差 ,在腐蚀 初期生成的锈层中容易产生裂纹 ,一些可与基体 生成无限固溶体的合金元素 (如铜 、铬等 )在大气 腐蚀产物中的溶解度比铁锈小 ,所以易于在锈层 的裂纹和孔洞处析出 ,降低表面能 ,富集在锈层 中 ,而非均匀分布 。铬对改善钢的钝化能力有显 著效果 ;另外在锈层的形成过程中 ,铬部分取代了 α - FeOOH中铁的位置 ,形成了二元合金元素的 羟基氧化物 α - ( Fe1 - x C rx ) OOH[ 3 ] 。这种锈层 稳定性好且组织细小致密 ,除了可以有效地隔离 腐蚀介质与钢基体的接触 ,阻止水和酸根的侵入 外 ,同时因为其具有极高的阻抗 ,极大地减缓了腐 蚀阳极区和阴极区之间的电子迁移 ,从而降低了 电化学反应的速度 ,抑制了内部钢材的腐蚀 。而 普通碳钢表面就不具备这样稳定的保护性锈层 。
耐候钢虽然具有较好的耐腐蚀性能 ,但在自
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徐小连 徐承明 陈义庆 肖宇 :耐候钢及其表面处理技术的开发 《鞍钢技总术第》2304057期年第 3期
然环境中完成表面锈层的稳定化过程需要相当长 的时间 。在形成稳定化锈层之前 ,常常出现早期 锈液流挂与飞散 、污染周围环境等现象 。在海洋 大气环境下 ,由于氯离子的存在以及在工业大气 环境下 ,保护性 α - FeOOH 锈层难以形成 ,氯离 子和水易渗入锈层而使钢基体发生进一步腐蚀 。 因此 ,钢结构的安全性及寿命受到威胁 。 为解决上述问题 ,日本学者在耐候钢表面锈 层稳定化处理技术方面做了大量开发研究工作 。 表面稳定化处理技术就是其中之一 。该技术是在 耐候钢使用前对其构件表面进行处理 ,以缩短耐 候钢表面稳定化锈层的形成过程及时间 。它借助 改性涂层对早期耐候钢表面的保护以及使涂层中 的改性组分与耐候钢表面发生作用而尽早形成保 护性锈层 ,以此来抵御海洋气候及工业性大气对 耐候钢基体的侵蚀 。实施该技术既可以避免耐候 钢使用初期黄色锈液流挂的现象 ,防止污染 ,又能 在其表面形成稳定的保护性锈层 。
耐候钢的 锈 层 稳 定 化 过 程 与 钢 材 的 化 学 成 分 、使用环境和构造等条件有关 ,若使用不当 ,破 坏了稳定锈层的生成条件 ,耐候钢就会严重锈蚀 。 实践证明 ,海滨地带 、含盐地区及特别潮湿的地区 都不宜使用裸露耐候钢 。因为这些地区大气中腐 蚀性介质浓度过高 ,耐候钢表面的稳定锈层很难 形成 。另外 ,在北方地区的冬季 ,为防止汽车打 滑 ,在道路上使用大量的盐 ,也会影响耐候钢稳定 锈层的生成 。裸露的耐大气腐蚀用钢在使用初期 与普通碳素钢一样会产生红锈 ,污染周围混凝土 结构 。 3. 2 涂装使用
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研究与开发
耐候钢及其表面处理技术的开发
徐小连 徐承明 陈义庆 肖宇 (鞍钢股份有限公司技术中心 )
摘要 在分析了铜 、磷 、铬 、镍等元素对耐候钢耐蚀性的影响 、耐候钢新的发展趋势以及使 用中存在的问题等的基础上 ,介绍了耐候钢表面处理技术的开发 。使用前对其实施有效的表 面稳定化处理 ,借助改性涂层对早期耐候钢新鲜表面的保护以及使涂层中的改性组分与耐候 钢表面发生作用而尽早形成保护性锈层 ,从而抵御海洋气候及工业性大气对耐候钢基体的侵 蚀。
目前 ,国外开展的耐候钢表面处理工艺有 :耐 候性涂膜处理 、氧化物涂膜处理和带锈涂层氮化 处理以及新型表面处理剂 (即在聚乙烯醇缩丁醛 树脂中加入一定量的硫酸铬 ,制成表面复合处理 剂 ,在耐大气腐蚀钢表面直接涂覆 15～20μm 厚 , 涂膜和钢的界面发生反应 ,在短时间内使钢表面 生成稳定锈层 )等 。另外 ,近期新开发的 CUPTEN COAT M 表面处理技术能促进高盐分大气环境下 稳定锈层的生成 ,避免锈液流挂现象 [ 9～11 ] 。
3 耐候钢的使用方式及其表面处理技术
3. 1 裸露使用 耐候钢自 1978年在日本桥梁上使用以来 ,由
于其钢结构不需要涂覆防腐蚀涂料而降低了维修 费用 ,在各种桥梁上的应用也呈逐渐增长之势。 在发达国家 ,裸露的耐候钢普遍应用在内陆的桥 梁 、公路护栏及一些大型的钢结构建筑物上 。经 过 2～10年时间 ,耐候钢表面锈层逐渐稳定 ,腐蚀 速率逐渐降低 ,外观形成深褐色的稳定锈化层 。
为解决裸露耐候钢的腐蚀问题 ,在建筑 、桥 梁 、车辆等很多领域 ,耐候钢和普通碳钢一样 ,大 都采用涂装 。由于耐候钢锈层稳定 ,使涂装后的 耐候钢涂装层不易脱落 ,涂装性能比普通碳钢提 高 1. 5 ～10倍 。因此 ,涂装后的耐候钢与普通碳 钢相比 ,具有极优越的耐蚀性 。
最近 ,日本学者试制出含镍 、钛而不含铬的耐 大气腐蚀用钢 [ 8 ] ,涂装后在盐分含量较高的海洋 大气条件下仍表现出优良的耐蚀性 。但涂装也增 加了使用成本和操作工序 ,因此对大型构件难以 实施 。 3. 3 表面处理后使用
Xu X iaolian Xu Chengm ing Chen Y iq ing X iao Y u ( Technology Center of Angang Steel Co. , L td. )
Abstract On the basis of analyzing the influences of Cu, P, Cr, N i, etc. on corrosion resist2 ance of weather - resistant steel, new develop ing trend and p roblem s existing in use, the development of surface treatment technique for weather - resistant steel is described. The surface of the steel should be steadily treated before used, fresh surface of weather - resistant steel is p rotected by modi2 fier coat in early time and the modifier component in coat is made action w ith the steel surface in or2 der to form p rotective dross as early as possible to resist weather - resistant steel matrix corroded by ocean weather and industry atmosphere.
日本川崎制铁公司近期又开发出环保型无铬 促进形成新锈层处理技术 [ 12 ] ,其基本原理是以微 细铁氧化物和钼酸为原料 ,微细铁氧化物在腐蚀 环境下形成锈核 ,助长其保护性锈层的形成 ,钼酸 分散在锈层中以抑制氯离子穿透 。实施方法是耐 候钢表面经喷丸清洗后 ,喷涂微细铁氧化物和丁 醛树脂构成的处理液 ,干燥后膜厚约 15μm。用 此方法处理的耐候钢在海边暴露一段时间后 ,对 其锈层用 X射线衍射进行定性分析 ,发现锈层主 要由 α - FeOOH和非晶体所构成 ,α - FeOOH 占 22% ,非晶体占 78% ; 而未经处理的耐候钢所形 成的锈层主要为 α - FeOOH 20. 8%、γ - FeOOH 9. 5%、β - FeOOH 3. 9%、Fe2O3 2. 3%。由于微细 铁锈层 在 大 气 腐 蚀 下 优 先 形 成 保 护 锈 层 α FeOOH 和非晶体锈层 ,抑制了 γ - FeOOH 和 β -