耐候钢简介

耐候钢

1.1 耐候钢的概述

耐候钢, 又称耐大气腐蚀钢, 是通过在普通钢中添加一定量的合金元素制成的一种低合金钢, 主要合金成分为Cu、P、Cr、Ni等元素。耐候钢的特点是能够抵御自然大气条件下的腐蚀。钢铁的锈蚀是钢结构损坏的主要原因之一，腐蚀损耗也是相当可观的，据报导北美每年因腐蚀损耗也是相当可观的，据报据报导北美每年因腐蚀损耗的钢占年产量的20%, 在加拿大每年腐蚀损失达到6亿美元。人们解决大型钢结构的防腐蚀问题的方法一般是加大腐蚀余量, 并涂以防锈油漆。前者会造成材料的浪费, 后者因为需要定期进行维护性重涂, 造成维护成本提高, 有时还会影响正常使用。还有一种方法是在结构中使用金属涂覆层进行保护, 主要是热浸镀或喷涂锌或铝, 利用镀层金属的阴极保护性能延长钢结构寿命。但应用金属涂覆层也存在着成本较高、污染环境、大型构件应用困难, 以及不易焊接等问题。

耐候钢并非不锈钢, 初期同普通碳钢一样也会锈蚀, 后期则情况不同。耐候钢锈蚀一段时间后由于钢表面Cu、P等微量元素富集, 形成一层致密的非晶态锈层组织, 并与基体结合得非常牢固。这层稳定化锈层能够在一定程度上抵御大气中水气及有害离子的侵入, 防止基体金属进一步腐蚀。

耐候钢在使用时, 可以涂装、裸用或进行稳定化处理, 涂装时的要求与普通碳钢相同。这里特别要指出的是这种材料可以不涂漆裸用, 这是耐候钢最突出的优点。在无严重大气污染或非特别潮湿的地区,耐候钢可以不用涂装, 直接裸露于大气中, 一般经过年时间后, 锈层逐渐稳定, 腐蚀不再发展, 外观呈美丽的巧克力色。这种钢结因没有油漆老化等问题, 无需涂装维护, 大大降低了维护成本, 当然也就避免了因涂漆影响使用等造成的损失。

1.2 耐候钢的发展历程

我国耐候钢的研制始于年60代初, 当时铁道部向冶金部提出仿制Corten牌

号的耐候钢,1965年试制出09Mn2Cu薄钢板。1967年用武钢生产的09MnCuPTi等两种牌号的耐候钢制造了两辆P61型试验棚车, 经过18年的运行, 在1985年厂修时检查发现, 两种耐候钢的防腐能力均比普通碳素钢高2～3倍。铁道部已决定从1990年起新造车辆全部采用耐候钢, 这使耐候钢成为铁路车辆制造的主要材料。由于这种材料的使用使车辆维修周期延长, 截换率下降,在一定程度上缓和了目前铁路运力紧张、车辆不足的矛盾。如表1.1所示介绍了耐候钢的发展历程，

1.2.1 武钢典型耐候钢产品介绍

（1）09CuPTiRE钢

09CuPTiRE钢是武钢20世纪80年代, 结合我国的资源特点, 开发的最为典型的耐候钢,其屈服强度级别295 Mpa级, 主要用于我国铁路货车制造。在武汉、广州、成都、青岛、万宁、江津等地2年暴晒试验结果表明, 09CuPTiRE钢的耐大气腐蚀性能是A3钢的1.7～1.9倍, 达到或接近Corten钢的水平。在黄海、东海、南海海域对含09CuPTiR钢在内的18种试验钢进行了挂片试验, 结果表明, 09CuPTiR钢耐海水局部腐蚀和均匀腐蚀性能在18个试验钢中最好。

（2）06CuPRE钢

06CuPRE是武钢成功研制09CuPTiRE钢之后, 为满足汽车及其它构件需要而研制的冷轧薄板耐候钢, 是CuPRE系列化产品之一, 其屈服强度级别为275Mpa级。06CuPRE钢具有良好的成型性能和耐腐蚀性能, 对06CuPRE钢的挂片曝晒试验结果表明,06CuPRE钢的耐腐蚀性能优于碳钢, 并以工业性大气（武汉）和湿热性大气（海南）的耐大气腐蚀性能更好, 武汉、海南1 年暴晒, 06CuPRE钢耐腐蚀性能为A2钢的1.5倍：武汉、成都、青岛、广州2年暴晒, 06CuPRE钢耐腐蚀性能为A2钢的1.2～2倍。电化学测试结果显示,06CuPRE钢的腐蚀速度比A2钢小, 其耐大气腐蚀性能是A2钢的2.4倍。

（3）09CuPCrNi

09CuPCrNi 钢是武钢仿Corten A钢, 开发的又一典型的耐候钢产品, 按屈服强度级别不同分为295Mpa 级的09CuPCrNi 和345Mpa级09CuPCrNi-A, 尤其是2002年, 成功开发16～25厚09CuPCrNi-A, 具有极强的市场竞争力, 主要用于我国铁路客车制造。对09CuPCrNi 钢进行了静态挂片试验和动态挂片试验,试验结果表明, 工业大气（武钢）和海洋大气（广州）5年挂片, 09CuPCrNi钢耐腐蚀性能是含Cu碳钢2.7和1.4倍, 优于CortenA 钢, 09CuPCrNi-A钢耐腐蚀性能是含Cu碳钢的2.7～1.4倍, 优于CortenA钢，铁路车辆5年动态挂片试验, 09CuPCrNi 钢耐腐蚀性能是含Cu碳钢 2.26和 2.6倍, 优于CortenA 钢, 09CuPCrNi-A钢耐腐蚀性能是含Cu碳钢的2.28～2.6倍, 优于CortenA钢.

(4) JN345 钢

JN345钢是武钢为降低耐候钢成本,结合自身矿石特点开发的一种新型耐候钢,其屈服强度345Mpa级,在广州、青岛、万宁、江津等地2年暴晒试验结果表明,JN345 钢的耐大气腐蚀性能是Q235钢的1.3～2.1倍。

（5）NFS390钢

NFS390钢是为实现CuP系耐候钢强度级别系列化而开发的产品, 其屈服强度级别为390Mpa ,具有良好的成型性、低温冲击韧性和焊接性, 间浸和盐雾试验表明NFS390钢的耐腐蚀性能明显优于A3钢。

（6）Q45NQRI、WQ550NQRI 钢

Q45NQRI（表1.2是攀钢Q45NQRI成分）、WQ550NQRI钢是武钢为满足我国铁

路高速、重载发展需求,根据铁道部要求开发的高强度耐候钢,为了解其耐腐蚀性能，目前正在铁路货车上进行动态挂片试验。

表1.2 攀钢Q45NQRI耐候钢成分

钢厂 C Si Mn P S Cu Ni Cr

攀钢

Q450NQR1 0.05～

0.10

0.30～

0.50

0.80～

1.00

0～

0.020

0～

0.008

0.20～

0.30

0.15～

0.35

0.40～

0.60

（7）WJX750-NH钢

WJX750-NH钢是武钢为满足我国集装箱制造业对高强度钢的需求, 而开发的屈服强度700Mpa级耐候钢, 该钢的成功研制,打破的国外垄断, 具有良好的市场竞争力。

（8）WQ450GN钢

WQ450GN钢是武钢为满足我国铁路货车制造及其它行业对高强度高耐候钢的需求, 而研制的屈服强度450Mpa级高耐候钢, 周浸实验结果显示, WQ450GN 钢的耐腐蚀性能明显优于现有耐候钢及,SPA-H钢, 同时具有良好的成型性、低温冲击韧性和焊接性能。

武钢在我国钢铁业发展十分迅速，该厂的技术也是国内领先的，下表是武钢耐候钢的发展。

表1.3 武钢耐候钢的发展。

1.2.2 我国各大钢厂耐火耐候钢的发展

(1)宝钢：由宝钢集团公司开发的耐火耐候钢，采用适宜的技术，使钢含有特定的成分、表面结构和微观组织，从而使钢本身生成所需要的耐火耐候性。其耐候性与世界同类名牌美国的CORTEN钢相当，抗大气腐蚀性能为普通钢的2～8倍，涂装性可以提高几倍到几十倍，涂在耐候钢上的涂层的失效年限远高于普通钢，且可在一般气候条件下裸露使用。耐火性与日本的FR钢相当，可使其屈服强度值在600℃的高温时不低于室温规格值的2／3，1080℃条件下，可保持2．5 h不屈服。2001年，宝钢的5000余吨耐火耐候钢已成功用于上海市第一个全钢结构高层住宅楼——中福楼工程，这也是国内首次大批量生产和在高层建筑中使用耐火耐候钢。

(2)马钢：马钢根据钢的合金化原理，采用了以低碳为原则的耐火钢成分设计。首先开展了Mn-Mo—Nb合金系钢、含Mo钢、低Mo—Nb—Ti合金系钢、Mo —Nb—Cr合金系钢的研究，然后开展了Mo—V—Ti合金系钢、Mo—Cr—V—Ti 合金系钢以及Nb—V—Ti．Re微合金化钢的探索性研究，并最终确定了耐火钢的成分，成功开发了耐火H型钢。它基本克服了普通的建筑结构用钢(如我国的Q235，Q345级钢等)在高温时迅速软化的弱点，可以减薄或取消耐火涂层，是一种“环保型”耐火钢材。它不仅具有良好的常温性能、高温性能和焊接性能，还具有优良的抗高温蠕变性能，其产品已成功地应用于上海中福花园民用钢结构住宅工程。

(3)鞍钢：鞍钢从2000年开始研制耐火钢，现已具备了400级、490级系列耐火钢的生产技术。其中工业生产的490级高性能耐火钢，由鞍钢永宝型钢制品有限公司加工焊接成耐火H型钢并已应用于鞍山东方钢结构有限公司的厂房建设中。按照我国现有标准、试验方法进行的鞍钢自产建筑用耐

火钢的耐火极限试验结果表明，鞍钢耐火钢在600~C高温下保温30～150 min 内屈服强度均不低于常温值的2／3；在无涂覆状态下，达到国家建筑4级梁的耐火极限；薄型涂覆达到3级梁的耐火极限；

厚型涂覆达到1级梁的耐火极限，并且实现耐火钢的厚型涂覆材料厚度比普通Q345钢节省1／2，且焊接性能良好，完全达到了国标要求，已于2003年8月通过国家鉴定。

(4)上海第一钢铁(集团)有限公司：利用我国富有的磷(P)、铜(Cu)和稀土(RE)

资源，继1985年成功开发研制了强韧综合性能和焊接性能较好的10PCuRE耐候无缝钢管后，又相继开发了以“转炉冶炼一板坯连铸一板带轧制”为工艺线的10PCuRE耐候热轧中厚板和带钢，强度级别分别为Q345B(10PCuRE—A)和Q295B(10PCuRE—B)，以满足建筑行业愈来愈广泛的重型、轻型钢结构用耐候钢的需求。

1.3 耐候钢的成分

表1.4为国内各个级别外耐候钢的化学成分

表 1.4 耐候钢的化学成分/%

Cu、P是赋于钢以耐候性的元素, 但又助长焊接裂纹, 特别是当含P量达到

0.1%以上影响更大。此系因当焊接金属凝固时, P促进低熔点夹杂物生成,既易产生高温裂纹, 又增加低温裂纹敏感性, 使焊缝的延展性和韧性变坏。然而, P对钢的有害作用与钢种含C量有关, 降低含C量而使钢中C和P的总量不超过0.25%时, 则可防止冷脆倾向。国产耐候钢的含C量和P量均不超过0.12%, C和P的总含量最高不超过0.24%, 未达到0.25%的限度, 因此解决了P对耐候性有利而对焊接性有害的矛盾。含Cu量低于0.55%时, 对焊接性危害不大, 。国产耐候钢的含Cu量均低于0.45%。国产耐候钢具有良好的焊接性能。如表1.5为焊接结构用耐候钢牌号及其化学成分，表 1.6 高耐候性结构钢牌号及其化学成分。

表1.5 焊接结构用耐候钢牌号及其化学成分

牌号 C Si Mn P S Cu Cr V

Q235N

H ≤0.15

0.15~

0.40

0.20~

0.60

≤0.035 ≤0.035

0.20~

0.50

0.40~

0.80

Q295N

H ≤0.15

0.15~0.

50

0.60~

1.00

≤0.035 ≤0.035

0.20~

0.50

0.40~

0.80

Q355N

H ≤0.16 ≤0.50

0.90~

1.50

≤0.035 ≤0.035

0.20~

0.50

0.40~

0.80

0.02~

0.10

Q460N

H 0.10~0

.18

≤0.50

0.90~

1.50

≤0.035 ≤0.035

0.20~

0.50

0.40~

0.80

0.02~

0.10

表 1.6 高耐候性结构钢牌号及其化学成分

牌号 C Si Mn P S Cu Cr Ni Ti RE

Q295GN

H

≤

0.12

0.20

~

0.40

0.20~

0.60

0.07

~

0.15

≤0.035

0.25

~

0.55

≤

0.01

≤

0.15

Q295GN

HL

≤

0.12

0.10

~0.4

0.20~

0.50

0.07

~

0.12

≤0.035

0.25

~

0.45

0.30~

0.65

0.25~

0.50

Q345GN

H

≤

0.12

0.20

~0.6

0.50~

0.90

0.07

~

0.12

≤0.035

0.25

~

0.50

≤

0.03

≤

0.15

Q345GN

HL

≤

0.12

0.25

~0.7

5

0.25~

0.50

0.07

~

0.15

≤0.035

0.25

~

0.55

0.30~

1.25

≤

0.65

Q390GN

H

≤

0.12

0.15

~0.6

5

≤

1.40

0.07

~

0.12

≤0.035

0.25

~

0.55

≤

0.10

≤

0.12

1.4 耐候钢产品发展展望

美国等一些发达国家耐候钢的强度水平己达到500Mpa 级 , 俄罗斯正在研制生产600Mpa 级高强度钢,2008年, 武钢开发出了450Mpa级高耐腐蚀性能耐候钢WQ450GN（如表1.2所示）。随着我国铁路运输的快速发展, 与国际化接轨, 具有更高强度、更高耐候性的耐候钢将成为我国铁路车辆发展的趋势,开发550～650Mpa级高耐候系列钢将具有很好的发展前途。

目前, 武钢的铁路车辆及集装箱用耐候钢主要以12mm厚以下为主,厚规格高强度耐候钢不仅生产难度较大, 而且在国内外均属于空白。为满足车辆制造厂对厚规格耐候钢的需求及拓展耐候钢的应用范围, 应加大450～600Mpa级厚规格耐候钢的研发力度, 尤其是武钢4300mm轧机投产在即,这是一个良好的契机。

我国的耐候钢产品主要用于铁路车辆、集装箱、桥梁等领域, 建筑、工程机械、煤矿机械等大量暴露于大气或特殊工况条件下器械, 由于腐蚀引起使用寿命缩短而造成的经济损失, 或因腐蚀失效造成重大事故, 因此, 这一领域对耐候结构钢的需求将会日益增多, 但由于在具有良好机械性能、成型性、焊接性和低温韧性的基础上, 同时具有良好的耐腐蚀性能造成耐候结构钢的成本偏高, 因此开发具有低成本的经济耐候结构钢具有良好的市场前景和市场竞争力。

国外正在研究非Cu-P和Cu-P-Cr-Ni系耐候钢, 尤其是日本己取得了突破, 正在研制成本低廉的Si-Al系耐候钢, 国内北京科技大学也在进行这方面的研究, 新型耐候钢的研究动向值得关注。