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）的簡稱。

在所有的金屬材料中，鋼鐵是我們最熟悉的，因?yàn)殇摿暇哂懈呃Γ瑫r(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(shè)施方面。但是鋼料最困擾人們的一個(gè)問題就是「腐蝕及生銹」，因此，如何防止腐銹就成了專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(dá)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?yàn)樗哂锌垢g的特性，隨后用于橋梁、火車、汽車、卡車及工業(yè)設(shè)施等方面，用途日漸廣泛。以橋梁方面的應(yīng)用而言，美國、日本實(shí)例最多，最近在日本東京灣內(nèi)施工的荒川鋼橋，長840公尺，就是全部采用COR-TEN鋼材建造而成的。

二、COR-TEN的種類及化學(xué)成份

COR-TEN這種耐候性鋼材（weathering steel），系在普通鋼內(nèi)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(jiān)固的膜使COR-TEN與外界隔絕，不再受氣候影響，而達(dá)到耐候抗腐的目的。當(dāng)COR-TEN或普通鋼料暴露于大氣中，與水分、氧氣接觸后，會發(fā)生下列化學(xué)反應(yīng)：

Fe+0.5O₂+H₂O→Fe(OH)₂

2Fe(OH)₂+0.5O₂+H₂O→2Fe(OH)₃

COR-TEN鋼料外因?yàn)橛幸粚訄?jiān)固的膜，阻絕水分、氧氣與鋼料再起化學(xué)反應(yīng)，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(hù)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的基底層幾乎沒有FeOOH（Fe₂O₃．H₂O的實(shí)驗(yàn)式）生成，在FeOOH層與基底層之間，形成一層堅(jiān)固的氧化物膜。但普通鋼料則沒有此種情形，F(xiàn)eOOH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(yàn)（exposure test）表示出來。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是在美國新澤西州凱尼地方做的，第二個(gè)實(shí)驗(yàn)是在日本兵庫縣做的（這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)都是工業(yè)區(qū)）。由實(shí)驗(yàn)可以看出來，COR-TEN于實(shí)驗(yàn)三至四年后，腐蝕就停止了，而其它實(shí)驗(yàn)鋼料則仍然繼續(xù)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(jù)在日本四國足折岬做的實(shí)驗(yàn)，該地溫度、濕度、鹽度皆高，一般鋼料的腐蝕率每年達(dá)0.75毫米，而COR-TEN的腐蝕率則每年只有0.25毫米。實(shí)驗(yàn)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(xù)腐蝕中。一般估計(jì)，在日本，形成穩(wěn)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Kearny 地區(qū)，COR-TEN 與其它鋼材的暴露實(shí)驗(yàn)－腐蝕程度比較

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

因此，由于地區(qū)、環(huán)境及氣候因素的不同，COR-TEN表面形成穩(wěn)固氧化物膜的時(shí)間也有很大的差異。為了使此穩(wěn)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

耐候處理的過程是先將COR-TEN鋼料的表面清除干凈，再噴上一層耐候性溶液（weather 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(yīng)，形成一層銅、磷、鉻、鎳之鐵氧化物膜。然后再噴上一層prepalene，prepalene是一種有顏色的混合物，包括低分子量的壓克力樹脂（acrylicresin）及有機(jī)溶劑，因?yàn)閜repalene具有高度吸濕及吸收紅外線的能力，故可加速穩(wěn)固氧化物膜的形成。經(jīng)過一段時(shí)間，當(dāng)prepalene層剝落后，已生成的穩(wěn)固氧化物膜，即足以保護(hù)COR-TEN不再繼續(xù)腐蝕。

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

(一) 因?yàn)樯煞€(wěn)固氧化物膜，所以沒有鐵銹剝落，因此可以避免污染問題。

(二) 表面相當(dāng)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(qū)時(shí)；3.位于易受撞擊的地點(diǎn)時(shí)。因?yàn)檫@些情況都影響穩(wěn)固氧化膜的形成。

(二) 當(dāng)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)過耐候處理，若噴過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(jié)構(gòu)物者已超過400個(gè)例子，效果都極令人滿意，耐候處理最適于橋梁結(jié)構(gòu)，橋梁以此法處理后，幾乎不再需要任何維護(hù)費(fèi)用。因此若基于長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)來看，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(hù)，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(hù)銹層耐大氣腐蝕，可用于制造車輛、橋梁、塔架、集裝箱等鋼結(jié)構(gòu)的低合金結(jié)構(gòu)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，合金元素總量僅占百分之幾，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性很強(qiáng)的保護(hù)膜，阻礙銹蝕往里擴(kuò)散和發(fā)展，保護(hù)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(hù)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(wěn)定下來，這層保護(hù)膜有效地阻擋了腐蝕的侵入，延長了構(gòu)件的使用壽命。國外某獨(dú)立的科研機(jī)構(gòu)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(qū)及鄉(xiāng)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(rèn)為，耐候鋼耐大氣腐蝕性能是一般結(jié)構(gòu)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(dá)30年以上。

CORTEN-A耐候鋼的應(yīng)用

能減薄使用、裸露使用或簡化涂裝使用。該鋼種具有耐銹，使構(gòu)件抗腐蝕延壽、減薄降耗，省工節(jié)能的特性，使構(gòu)件制造者、使用者受益。產(chǎn)品供制造集裝箱、鐵道車輛、石油井架、海港建筑、采油平臺及化工石油設(shè)備中含硫化氫腐蝕介質(zhì)的容器等結(jié)構(gòu)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(yīng)用。

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