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COR-TEN-一種耐候抗腐蝕的鋼材

2013年9月9日

一、前言

COR-TEN鋼材(corrosion-tensile steel)即:耐候抗腐蝕、高拉力之鋼材 (atmospheric-corrosion-resistant, high-strength steel)的簡(jiǎn)稱(chēng)。

在所有的金屬材料中,鋼鐵是我們最熟悉的,因為鋼料具有高拉力,同時(shí)易于彎曲、割切、鉆孔及焊接,所以廣泛的使用在各種建筑物上及工業(yè)設施方面。但是鋼料最困擾人們的一個(gè)問(wèn)題就是「腐蝕及生銹」,因此,如何防止腐銹就成了專(zhuān)家們研究的一大課題。防止腐銹的方法有很多,一般而言,可以分為三種:第一種方法系在鋼料表面涂抹一層物質(zhì),以隔絕鋼料與環(huán)境間的接觸,防止腐銹;第二種為電位防腐銹;第三種為改變鋼料的材質(zhì),以達到抗拒腐蝕的效果。本文介紹的COR-TEN鋼材,就是第三種防銹法的一個(gè)例子。

COR-TEN鋼材于一九五八年首先使用于建筑物方面,因為它具有抗腐蝕的特性,隨后用于橋梁、火車(chē)、汽車(chē)、卡車(chē)及工業(yè)設施等方面,用途日漸廣泛。以橋梁方面的應用而言,美國、日本實(shí)例最多,最近在日本東京灣內施工的荒川鋼橋,長(cháng)840公尺,就是全部采用COR-TEN鋼材建造而成的。

二、COR-TEN的種類(lèi)及化學(xué)成份

COR-TEN這種耐候性鋼材(weathering steel),系在普通鋼內加入少許銅、鉻、磷、釩等元素,并經(jīng)特殊處理制成,其耐候抗腐性能,較普通鋼料高出四至八倍。依種類(lèi)及用途的不同,COR-TEN可分為四種:即COR-TENA、COR-TENB、COR-TENC、COR-TENB-QT。其中COR-TENA的耐候抗腐性能優(yōu)于普通鋼料五至八倍,而COR-TENB則為四倍。

三、抗腐蝕原理

COR-TEN中所含的特殊元素,與大氣接觸后,形成一層氧化物膜,這層堅固的膜使COR-TEN與外界隔絕,不再受氣候影響,而達到耐候抗腐的目的。當COR-TEN或普通鋼料暴露于大氣中,與水分、氧氣接觸后,會(huì )發(fā)生下列化學(xué)反應:

Fe+0.5O2+H2O→Fe(OH)2

2Fe(OH)2+0.5O2+H2O→2Fe(OH)3

COR-TEN鋼料外因為有一層堅固的膜,阻絕水分、氧氣與鋼料再起化學(xué)反應,至于為什么COR-TEN中因含有少量的銅、鉻、磷等就能生成一層保護膜,到目前為止尚未定論,但是我們可以由下列幾點(diǎn)而得到一些啟示。

(1) COR-TEN的基底層幾乎沒(méi)有FeOOH(Fe2O3.H2O的實(shí)驗式)生成,在FeOOH層與基底層之間,形成一層堅固的氧化物膜。但普通鋼料則沒(méi)有此種情形,FeOOH甚至直接于基底層上生成,因此造成了裂縫,進(jìn)而剝落。

(2) FeOOH層與基底層之間的氧化物膜呈放射狀不定形(radio graphically amorphous)。

(3) 銅、鉻、磷均集中在不定形層上,而硫則以硫酸根的形式均勻分布在這層氧化物膜上,但普通的鋼料,硫則多集中在外層的氧化物上。

COR-TEN鋼料與一般鋼料的腐蝕率比較,可由兩個(gè)暴露實(shí)驗(exposure test)表示出來(lái)。第一個(gè)實(shí)驗是在美國新澤西州凱尼地方做的,第二個(gè)實(shí)驗是在日本兵庫縣做的(這兩個(gè)實(shí)驗地點(diǎn)都是工業(yè)區)。由實(shí)驗可以看出來(lái),COR-TEN于實(shí)驗三至四年后,腐蝕就停止了,而其它實(shí)驗鋼料則仍然繼續銹蝕。

氧化物膜的形成與氣候因素有關(guān)。一般而言,氣候因素包含:溫度、日照時(shí)間、濕度、雨量、風(fēng)速、大氣中二氧化碳及鹽分含量等。通常這些因素多與腐蝕率成正比,根據在日本四國足折岬做的實(shí)驗,該地溫度、濕度、鹽度皆高,一般鋼料的腐蝕率每年達0.75毫米,而COR-TEN的腐蝕率則每年只有0.25毫米。實(shí)驗歷時(shí)八年,但是五年后,COR-TEN的腐蝕率大為減低,而普通鋼料則尚在繼續腐蝕中。一般估計,在日本,形成穩固氧化物膜所需的時(shí)間,約五年至八年,在臺灣則需時(shí)八年左右。

美國新澤西州耐候鋼暴露實(shí)驗

美國新澤西州Kearny 地區,COR-TEN 與其它鋼材的暴露實(shí)驗-腐蝕程度比較

日本兵庫縣耐候鋼暴露實(shí)驗

日本兵庫縣所作的 COR-TEN 與其它與其它鋼材的暴露實(shí)驗-腐蝕程度比較

因此,由于地區、環(huán)境及氣候因素的不同,COR-TEN表面形成穩固氧化物膜的時(shí)間也有很大的差異。為了使此穩固氧化物膜及早形成,通常海島國家使用COR-TEN時(shí),需作耐候處理(weather-coated treatment),使COR-TEN更易發(fā)揮耐候抗腐的特性。

四、耐候處理

耐候處理的過(guò)程是先將COR-TEN鋼料的表面清除干凈,再?lài)娚弦粚幽秃蛐匀芤海╳eather coat solution),于是COR-TEN表面的一些化學(xué)元素產(chǎn)生電化學(xué)反應,形成一層銅、磷、鉻、鎳之鐵氧化物膜。然后再?lài)娚弦粚觩repalene,prepalene是一種有顏色的混合物,包括低分子量的壓克力樹(shù)脂(acrylicresin)及有機溶劑,因為prepalene具有高度吸濕及吸收紅外線(xiàn)的能力,故可加速穩固氧化物膜的形成。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間,當prepalene層剝落后,已生成的穩固氧化物膜,即足以保護COR-TEN不再繼續腐蝕。

COR-TEN經(jīng)過(guò)耐候處理后,即有下列優(yōu)點(diǎn):

(一) 因為生成穩固氧化物膜,所以沒(méi)有鐵銹剝落,因此可以避免污染問(wèn)題。

(二) 表面相當光滑。

但是在作耐候處理前,我們必須考慮到下面三點(diǎn)。

(一) 下列情形不適于作耐候處理:1.置于泥土中或水中時(shí);2.處于含有氨氣及其它堿性氣體的地區時(shí);3.位于易受撞擊的地點(diǎn)時(shí)。因為這些情況都影響穩固氧化膜的形成。

(二) 當COR-TEN需要焊接時(shí),焊接料必須也具有耐候抗腐蝕的性能,所以通常都是先焊接后再經(jīng)過(guò)耐候處理,若噴過(guò)prepalene后再行焊接,則有氣泡產(chǎn)生。

(三) 使用高拉力的螺釘、螺帽、墊板時(shí),這些用品也必須具有耐候抗腐蝕的特性。

一九六五年起,經(jīng)耐候處理的COR-TEN鋼料,用于結構物者已超過(guò)400個(gè)例子,效果都極令人滿(mǎn)意,耐候處理最適于橋梁結構,橋梁以此法處理后,幾乎不再需要任何維護費用。因此若基于長(cháng)遠的經(jīng)濟觀(guān)點(diǎn)來(lái)看,這種處理是值得考慮及推展的。

COR-TEN與普通鋼料一樣,也可以油漆維護,且COR-TEN較普通鋼料更易涂刷油漆。尤有進(jìn)者,COR-TEN上的油漆壽命,較普通鋼料至少長(cháng)二倍以上。

CORTEN-A耐候鋼(考登鋼)的特點(diǎn)及其用途

【耐候鋼特點(diǎn)】指具有保護銹層耐大氣腐蝕,可用于制造車(chē)輛、橋梁、塔架、集裝箱等鋼結構的低合金結構鋼。與普碳鋼相比,耐候鋼在大氣中具有更優(yōu)良的抗蝕性能。與不銹鋼相比,耐候鋼加入微量的合金元素,諸如磷、銅、鉻、鎳、鉬、鈮、釩、鈦等,合金元素總量?jì)H占百分之幾,耐大氣腐蝕和耐海水腐蝕性能大大提高。

【耐候鋼原理】鋼中加入磷、銅、鉻、鎳等微量元素后,使鋼材表面形成致密和附著(zhù)性很強的保護膜,阻礙銹蝕往里擴散和發(fā)展,保護銹層下面的基體,以減緩其腐蝕速度。在銹層和基體之間形成的約50μm~100μm厚的非晶態(tài)尖晶石型氧化物層致密且與基體金屬黏附性好,由于這層致密氧化物膜的存在,阻止了大氣中氧和水向鋼鐵基體滲入,減緩了銹蝕向鋼鐵材料縱深發(fā)展,大大提高了鋼鐵材料的耐大氣腐蝕能力。耐候鋼在與大氣的接觸使用過(guò)程中,金屬基體表面形成致密的、粘附性好的非晶態(tài)氧化層保護膜,顏色由銹紅逐漸變成暗青、最終成為暗紫色,并從此不再銹蝕穩定下來(lái),這層保護膜有效地阻擋了腐蝕的侵入,延長(cháng)了構件的使用壽命。國外某獨立的科研機構將耐候鋼與普通碳鋼在不同環(huán)境中的耐腐蝕性能作了對比,顯示出耐腐鋼材的良好耐候性。高質(zhì)量的耐候鋼在海邊環(huán)境中16年后平均腐蝕深度約0.1~0.2mm,在工業(yè)區及鄉村大約為0.02~0.04mm。我國武漢鋼鐵公司也對其生產(chǎn)的耐候鋼進(jìn)行的測試表明即使在海邊城市耐候鋼的平均腐蝕深度約0.02mm/年。即使考慮到其它非正常因素,一般認為,耐候鋼耐大氣腐蝕性能是一般結構鋼的5~8倍,即使在裸裝使用條件下,其耐腐蝕性壽命也可達30年以上。

CORTEN-A耐候鋼的應用

能減薄使用、裸露使用或簡(jiǎn)化涂裝使用。該鋼種具有耐銹,使構件抗腐蝕延壽、減薄降耗,省工節能的特性,使構件制造者、使用者受益。產(chǎn)品供制造集裝箱、鐵道車(chē)輛、石油井架、海港建筑、采油平臺及化工石油設備中含硫化氫腐蝕介質(zhì)的容器等結構件。60年代耐候鋼不經(jīng)涂漆防腐而直接用于橋梁和建筑的技術(shù),在歐洲和日本就已經(jīng)得到了廣泛的應用。

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