耐候钢发展及技术难点浅析

耐候钢的发展及技术难点浅析

秦树超董志强

邢台钢铁有限责任公司

摘要：本文介绍了耐候钢的发展历史、分类情况及合金元素在耐候钢中的作用，同时简要分析了生产含铜耐候钢的技术难点。

关键词：耐候钢合金元素铜脆

1前言

耐候钢是指通过添加少量合金元素，使其在大气中具有良好耐腐蚀性能的低合金高强度钢。耐候钢的耐大气腐蚀性能为普通碳素钢的2-8倍，并且使用时间愈长，耐蚀作用愈突出。耐候钢除具有良好的耐候性外，还具有优良的力学、焊接等使用性能。

耐候钢的耐大气腐蚀性能远高于普碳钢，在国外被广泛应用于集装箱、桥梁、汽车、铁路车辆和建筑等制造行业，目前国内耐候钢主要用于集装箱、铁路车辆，由此可见我国的耐候钢应用领域还有很大的发展空间。

2耐候钢的发展及种类

耐候钢的研制起源于欧美。早在1900年，欧美的科学家就发现Cu可以改善钢在大气中的耐蚀性能。1916年美国实验和材料学会(ASTM)开始了大气腐蚀的研究。30年代美国的U.S. Steel公司首先研制成功了耐腐蚀高抗拉强度的含Cu低合金钢——Corten钢，并在60年代不涂漆直接用于建筑和桥梁。其中应用最普遍的是高P、Cu加Cr、Ni的Corten-A 系列和以Cr、Mn、Cu合金化为主的Corten-B系列。这种耐候钢在欧洲、日本也得到广泛应用。我国自60年代起大量研制耐候钢，并发展了一些自己的钢种，如鞍钢集团的08CuPVRE系列、武钢集团的09CuPTi系列、济南钢铁公司的09MnNb、上海第三钢铁厂的10CrMoAl和10CrCuSiV等。现在，国外已将耐候钢逐渐当作普通钢种来广泛使用，在钢种开发、使用及设计施工上也逐渐作了详细规定。总的来说，目前的耐候钢都是以Corten为基础，有的加人微合金化元素，提高强度，美国的Mayari-R钢，耐蚀性是普通钢的3-6倍，日本的加铌钢River-ten，日本的加钛钢Hi-YAW-ten等，有的是去掉Corten钢中的磷、镍、铬，改加其他元素。国内外耐候钢发展的主要历程如表1所示[1]。

表1 国内外耐候钢的发展历史

时间记述

1900 美国开始含铜钢——早期耐候钢的研究与开发

1933 美国U.S. Steel公司推出Corten-A型低合金耐候钢

1955 日本开发耐候钢

1959 美国开始使用裸耐候钢

1961 中国开始试制16MnCu钢

1965 中国试制出09CuPTi薄钢板

日本建成第一座耐候钢大桥（涂漆）

1967 中国首次用于试验车辆

日本建成第一座裸耐候钢桥（知多2号桥）

1968 日本制定JIS 63114“焊接构造用耐候性热轧钢材”，即SMA钢材标准化

1969 德国开始使用裸耐候钢

1972 英国开始使用裸耐候钢

1980 日本建成第三大川桥（最初用于桥梁的衍架）

1983 日本制定了将Smaoop作为涂装用耐候钢、Smaoow作为不涂装用耐候钢的JIS标准，并且用于建造志染川桥（Ⅱ型钢架）

1984 中国制定高耐候性结构钢国家标准

1988 中国初步试制出NH-35q桥用耐候钢

1990 中国建成国内第一座裸耐候钢桥

1999 中国试制出JT系列塔桅高耐候钢性结构钢

根据耐候钢的性能特点，常规的耐大气腐蚀钢可以分为两大类：

一类是着重考虑其耐大气腐蚀性能，钢中的耐腐蚀合金元素以Cu-P为基础，含有0.07%-0.15%的P，作为一般结构用钢，称为高耐候性钢。这类钢主要用于车辆、塔架、建筑等结构件中，其耐候性能比焊接结构用耐候钢好，我国的GB/T 4171系列、美国的ASTM A242系列和日本JIS3125中的SPA-H

均属此类。

另一类是既考虑其耐大气腐蚀性能，又考虑其焊接性能，主要是限制了P的含量，一般规定P的含量小于0.04%，称为焊接结构用耐候钢。这类钢主要用于桥梁、建筑等大型焊接结构中，我国的GB/T 4172系列、美国的ASTM A588系列、日本的JIS G3114系列属此类。

我国针对耐候钢的不同用途有不同的标准，我国主要关于耐候钢的标准有GB/T 4171《高耐候结构钢》，主要钢种为Q××GNH(L)，其中××代表屈服强度，L代表含有Cr、Ni元素；GB/T 4172《焊接结构耐候钢》，主要钢种有Q××NH，其中××代表屈服强度；GB/T 18982《集装箱用耐腐蚀钢板及钢带》，主要钢种有Q××GNH(L)J、Q××NHYJ，其中L代表含有Cr、Ni元素，NHY代表耐海洋，J代表集装箱；TB/T 1979《铁道车辆用耐大气腐蚀钢订货技术条件》，主要钢种以含有的合金元素表示，如08CuPVRE、09CuPCrNi等。

3合金元素在耐候钢中的作用

耐候钢有良好的抗大气腐蚀能力，其中合金元素起到了决定性作用[2]，包括：1)降低锈层的导电性能，自身沉淀并覆盖钢表面；2)影响锈层中物相结构和种类，阻碍锈层的生长；3)推迟锈的结晶；

4)加速钢均匀溶解；5)加速Fe2+向Fe3+的转化，并能阻碍腐蚀产物的快速生长；6)合金元素及其化合物阻塞裂纹和缺陷。耐候钢中加入的合金元素对其耐大气腐蚀性能的影响不尽相同，下面是各合金元素的具体作用[3,4]。

C：对钢的耐大气腐蚀不利，同时C影响钢的焊接性能、冷脆性能和冲压性能等，耐候钢中C含量被控制在0.12%以下。

Cu：在钢中加入0.2%-0.4%的Cu时，无论在乡村大气、工业大气或海洋大气中，都具有较普碳钢优越的耐蚀性能。关于Cu对改善钢的耐大气腐蚀性能作用机理说法不一，主要有两种机制：一为Tomashov提出的促进阳极钝化论，认为钢与表面二次析出的Cu之间的阴极接触，能促使钢阳极钝化，并形成保护性较好的锈层；另一是Cu富集说，认为Cu在基体与锈层之间形成以Cu、P为主要成分的阻挡层，它与基体结合牢固，因而具有较好的保护作用。这些解释都是基于Cu在钢的表面及锈层中的富集现象，因此这两种机制可能同时起作用。另外，Cu有抵消钢中S的有害作用的明显效果，钢中S含量愈高，合金元素Cu减低腐蚀速率的相对效果愈显著，一般认为这是由于Cu和S生成难溶的硫化物所致。