３耐候钢在国外的研究及应用 耐候钢的研发起源于欧美，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）和英国钢铁协会等开始对钢材的耐大
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钢结构２０１１年增刊
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气腐蚀性能进行系统的大气暴晒试验的研究．结果发现，铜中的Ｃｕ、Ｐ、Ｃｒ对提高钢村的 耐大气腐蚀性能非常有效，Ｎｉ、Ｍｏ、ＡＩ，Ｖ、Ｔｉ等也有一定的辅助教果。在此基础上，１９３３ 年美国的ＵＳ Ｓｔｅｅｌ公司首先研制成功了耐腐蚀的含Ｃｕ低合金钢…＿ｃ．ｏｒ－Ｔｅｎ系列钢。美国 关于耐候钢的大气曝晒试验在历史上有三次较为重要、引人注目的试验。从１９３４年开始． Ｂｅｔｈｌｅｈｅｍ”ｏ钢铣公司进行了一系列包括３００余种化学成分、１８０００余个试样的低台金钢室 外工业性大气曝晒腐蚀试验；Ｃｏｐｓｏｎ…对７６种不同化学成分的试样进行了大气曝晒试验，
建筑用耐候钢应用与研究
耐候钢的研究、应用及展望
刘清友，汪兵，王向东 （钢铁研究总院结构材料研究所北京 １０００８３）
摘要：介绍了耐候钢在国内外的研究及应用状况，概述了耐候钢耐蚀机制，对今后耐候钢 的研究与发展前景提出了展望． 关键词：大气腐蚀耐候钢
１ 前言 金属腐蚀现象遍及国民经济和国防建设各个领域，危害十分严重。椐统计，材料因大气
用裸露耐候钢是１９６４年Ｄｅｔｒｏｉｔ的ＥｉｇｈｔＭｉｌｅＲｏａｄ和Ⅲｇｈｗａｙ桥，接着于１９６５年在Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｙ ＴｕｍｐｉｃｋＨｉ吐ｗａｙ桥上也被采用。１９７７年建成世界上最大跨度的上承式耐候钢拱桥（Ｎｅｗ ＲｉｖｅｒＧｏｒｇｅＢｒｉｄｇｅｌ（图２）。１９８３在扔期的应用之后，建设数量增多，在１９８０年这一年约１２ ％的桥粱使用的钢足耐候钢。据报道，１９９３年时美国的裸露耐候铜桥梁己达２３，０００座以上。 从１９９２年起，美国钢铁协会、美国海军、联邦高速公路局合作开展了高性能钢项目（ＨＰＳ）。 美国的新一代高性能耐候钢ＨＰＳ７０Ｗ（屈服强度４８５ＭＰａ．酎候性系数犬于６ ５，Ｗ４ｔ：表具有 耐候性）己经在桥粱制造中得到广泛应用．超过１８０座使用高性能耐候钢制作的桥梁在美国 的３１个州正处于不同的设计和制造阶段”Ｊ。目前美国的耐候铜桥已经占到全部钢桥的太约５０ ％。
由于耐候钢相对于普通钢的抗大气腐蚀的有效性和相对于不锈钢的经济性，耐候钢在世 界各国得到了迅速发展，在Ｃｏｒ－Ｔｅｎ系列基础上，各钢铁大国根据资源和使用要求都开发了 品种繁多的耐候钢系列。印度仿照美国ＣＯＲＴＥＮ．Ａ，研制出Ｓａｉｌｃｏｒ－Ａ系列钢种，用于生产 铁路客车和货车。韩国的耐候钢主要是浦项生产的ＲＡＷＳ５０。在欧洲许多工业发达国家如 德国、瑞典也广泛使用耐候钢制造车辆，主要为Ｃｕ－Ｐ．Ｃｒ－Ｎｉ或Ｃｕ．Ｐ．Ｃｒ系。瑞典钢铁公司 （ＳＳＡＢ．Ｓｖｅｎｓｋｔ Ｓｔａｉ ＡＢ）ｌｌ副新近研制了Ｄｏｍｅｘ系列，屈服强度为５００、５５０、６００、６５０、 ７００ＭＰａ集装箱用耐候钢。英国、加拿大等很多国家也都使用耐候钢制作桥梁。
分别在工业、海洋性大气环境下进行试验，试验周期最长为１８ １年；１９４２，－－１９５８年Ｌ—ｂｅｅ
和ｃｏｂ啪［ｓｉ进行了２７０余种化学成分、８０００余个试样的大气曝晒试验，曝晒时间晟长为
１５ ５年。以ｋ－－次大规模的大气曝日两试验奠定了低合金耐蚀钢的坚定理论基础，为人们确 定耐候钢的化学成分提供丁可靠的依据。
美国ＵＳ Ｓｔｅｅｌ公司开发的ＵＳＳ ＣＯＲ－ＴＥＮ钢主要应用在货车制造上，自销售咀来的 ２０年问，仅应用ＣＯＲ．ＴＥＮ钢制造的车就在１９万辆以上，若加Ｌ其他公司应用同类钢 种制造的货车则总量已超过３０万辆以上，
从１９５１年起美国开始进行少量耐１啶钢的裸露使用。耐戗铡正式大规模裸露使用是在 １９５８年动工井于１９６４年完工的Ｊｏｈｎ Ｄｅｅｒｅ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙ的管理楼Ｌ。以此为开端，美国 在建筑物上应用耐候钢相当盛行。１９６５年在Ｃｈｉｃａｇｏ的中心街上完成的３１层ＣｈｉｃａｇｏＣｉｖｉｃ Ｃｅｎｔｅ一（图１）是太规模应用裸露耐候钢的典型例子，外面露出的柱、粱、护墙板的全部 结构均采用了裸露耐候钢。至夸使用了裸露耐候铜的建筑物在美国达５００座以上。
耐候钢的应用领域具体有： １） 钢结构及构件，包括铁路公路钢桥、建筑物、铁塔铁架及其它户外结构： ２） 车辆，包括铁路车辆（客、货车、地铁车等）、公路车辆（大型客车、载重汽车、
轿车）、工程车辆（挖掘车、起重机等）； ３）矿用设备、机械设备等； ４） 集装箱； ５） 输送管线，用于煤、矿灰、泥等浆体的输送。
５耐候钢的耐候机制研究
５．１合金元素对耐候钢耐大气腐蚀性能的影响 耐候钢抗腐蚀性能的提高，得益于合金元素的添加。不同合金元素对耐蚀性的影响不尽
相同，而且在不同环境条件下也可能得出不一致的结果【ｌ¨６１，以下介绍几种主要的合金元素 对耐蚀性的影响情况。
Ｃｕ和Ｐ元素：在所有的合金元素中，Ｃｕ对合金耐候性能的影响最为显著。当Ｃｕ与Ｐ 共同作用时，效果更加显著。于敬敦等认为【ｌ ７，１８】Ｃｕ可以延缓Ｆｅ的阳极溶解或降低锈层的 电子导电性，使电子流向阴极区的速率降低。Ｓｔｒａｔｍａｎｎ １１９］的研究表明，Ｃｕ能形成少量不溶 的氢氧硫酸铜，如Ｃｕ４（Ｓ０４）（ＯＨ）６和Ｃｕ３（ｓ０４）（ＯＨ）４，这些化合物可以在锈层的孔隙内析出， 提高腐蚀产物膜的阻挡作用。Ｄｉｌｌｍａｎｎ【２０Ｊ等认为Ｃｕ、Ｐ元素的存在可形成各种复合盐，成 为ＦｅＯＯＨ结晶的核心，使内锈层的晶粒细小，致密。Ｐ富集于基体和锈层的界面上，促进 致密无定形态物质的形成，降低内锈层的导电性，因而降低腐蚀速率；形成的Ｈ２Ｐ０４还能 加速Ｆｃ２＋向Ｆｅ３＋的转化，阻止腐蚀产物的长大。Ｋｉｈｉｍ［２Ｕ研究了乡村大气中曝晒１９ａ的耐候 钢，发现锈层中存在一层很薄的磷酸盐中间层，使得内锈层变得更加致密。
腐蚀所造成的经济损失约占总腐蚀损失的５０％【ｌ】，因此，国内外学者在提高材料的抗大气腐 蚀性能方面进行了广泛深入的研究，并且开发出了一系列耐候钢。耐候钢（Ｗｅａｔｈｅｒｉｎｇ Ｓｔｅｅｌ）， 即耐大气腐蚀钢，是指含少量合金元素在大气中具有良好耐蚀性的一类低合金高强度钢，主 要合金元素有Ｃｕ、Ｐ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｖ、ＲＥ等。耐侯钢在使用过程中表面会逐步形成 一层致密的、附着牢固的腐蚀产物保护膜，阻止大气中的氧、水及其它腐蚀性介质对基体迸 一步腐蚀，其耐蚀性是碳结钢的４～８倍【２Ｊ，并且由于其具有较高强度，且价格合理，成本 远低于不锈钢，因此一经问世即引起人们的极大关注。本文将综述国内外耐候钢的研究和使 用情况，介绍合金元素对耐候性的影响，并对耐候钢的发展前景提出展望。
目前耐候钢需求量最大的市场是集装箱板市场。我国已成为世界集装箱板第一生产和出 口大国，２００３年，中国集装箱产量已占世界集装箱总产量的９ｌ％。２００５年我国集装箱产量
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达２３２万标准箱，占全球总产量的９４％，消耗集装箱钢板约３９０万吨。随着集装箱行业和 集装箱运输业的发展，旧集装箱的淘汰和技术进步，集装箱用钢的需求将保持一个稳定的增 长，预计年平均增长水平将维持在５～８％左右，２０１０年消费集装箱用钢约达到５３０万吨， 主要品种是ＳＰＡ—Ｈ。为使运输车辆减轻自重，目前集装箱制造业已经开始采用６００ ７００ＭＰａ的高强耐候钢生产集装箱。例如出口美国的５３英尺和出口欧洲的４５英尺集装箱要 求全部使用屈服强度为６００～７００ＭＰａ的钢板，目前国内年使用量约５万吨，主要采用瑞典 ＳＳＡＢ公司的ＤＯＭＥＸ系列高强钢板，国内宝钢、鞍钢、武钢、本钢等企业均已试制成功并 供货。
８０年代以前， 我国铁路车辆制造基本采用普通碳素钢，耐大气腐蚀性能较差，使用寿 命较短，为此，六五期间铁道部开始大量采用耐候钢制造铁路车辆，使车辆的检修期延长了 １倍。品种主要是屈服强度２９５ＭＰａ的０９ＣｕＰＴｉＲＥ和３４５ＭＰａ的０９ＣｕＰＣｒＮｉ。２０００年以后， 铁道部提出铁路车辆高速、重载的发展要求，联合宝钢、鞍钢、武钢等企业开发了４５０ＭＰａ 的Ｑ４５０ＮＱＲｌ高强度耐候钢，目前铁道部每年车辆用耐候钢年需求约５０万吨。因现有的耐 候钢的耐蚀能力仍不能满足铁路车辆的要求，２０１０年宝钢、鞍钢、武钢等企业开始试制含 ３．５％Ｃｒ的高耐蚀铁路车辆用钢。
目１｜目Ｃｈｉｃａｇｏ Ｃｉｖｉｃ Ｃｅｎｔｅｒ＾厦
目２｜目Ｎｅ＊Ｒｉ ｖｅｒ Ｇｏｒｇｅ＾桥
１９５７年日本开始销售铜系的ｃｕｐＩｏｎ钢。耐候钢在日本正式提供使用足从１９６３年开始．在 当时的国铁车辆发桥梁上仝部都是涂漆使用。在建筑物上从１９６５年开始，屋顶、百叶宙、钢 骨、外装面板等暴露在外部的部件开始使用裸露的耐候钢。从同一时期起，建成了几庸裸露
Ｓｔｃｃｌ ｃｏｎ“ｒｕｃｌＩＯｎ Ｓｕ口Ｄｌ ｅｍｃｎｔ ２０ｌ
建筑用耐候钢应用与研究
使用耐候钢的试验铁塔，钢材的使用量每年处于ｌ万吨以下。桥梁的使用钢材量比较大，经 常保持在按用途使用量的首位。２０世纪７０，－－－８０年代后期几乎都是涂漆使用，然而以后随着技 术的进步、腐蚀环境的改善等，逐渐地使无涂漆使用成为了中心。图３为耐候钢在日本各行 业的使用比例【８】。
图３日本耐候钢各行业的使用比例
因日本属于海洋性大气腐蚀环境，近几年日本学者对于耐候钢的研究主要集中与开发耐 海洋性大气腐蚀耐候钢。日本神户（ｋｏｂｅ）【９】制钢公司开发的海岸耐候钢板合金基础成分为 ０．１％Ｃｕ一１．０％Ｎｉ一０．０５％Ｔｉ。日本ＮＫＫ公司开发的海岸耐候钢板【ｌＵＪ主要添加合金元素为 １．５％Ｎｉ一０．３％Ｍｏ。日本ＪＦＥ钢铁公司Ｋ．Ｓｈｉｏｔａｎｉ［…等人认为传统的Ｃｕ—Ｐ系列耐候钢在海洋 型大气环境下使用难以形成保护性锈层，腐蚀速度并不能降低，他们开发出的能够抵御海洋 性大气腐蚀的新型耐候钢基础成分为０．０２％Ｃ－－２．７％Ｎｉ～０．３８％Ｃｕ。为降低成本，日本学者 Ｎｉｓｈｉｍｕｒａ［１２１采用Ａｌ和Ｓｉ做为耐海洋型大气腐蚀钢中主要的合金添加元素以提高耐蚀性，其 钢种为７８０ＭＰａ级别的０．１４Ｃ—１．０Ｍｎ一０．８Ｓｉ一０．８ＡＩ及７６０ＭＰａ级别的０．０７Ｃ—１．５Ｍｎ一０．８Ｓｉ －－０．８ＡＩ超细晶高强度耐候钢。