[科普中国]-耐大气腐蚀钢

概述

耐大气腐蚀钢 （即耐候钢）是指在钢中加入一定量的 Cu、P、C或Ni、Mo、Nb、Ti等合金元素，制成的一种耐大气腐蚀性能良好的低合金钢。在工业和农村大气环境中，耐候钢因在其基体表面形成一层致密而稳定的氧化保护膜，阻碍了腐蚀介质的进入，具有优异的抗大气腐蚀等性能，而普碳钢基体表面腐蚀形成的锈层结构疏松且有微裂纹， 不能真正起到对基体钢材的保护作用。1

耐腐蚀机理从腐蚀产物对腐蚀过程的影响看，钢的大气腐蚀是在水膜存在的情况下，空气中的氧通过锈层进行电化学反应的过程。而锈层是由疏松的外锈层及致密的内锈层所组成，钢中合金元素主要是通过内锈层的影响而起作用的。在耐候钢的腐蚀产物中，可以观察到Cu、P、Cr致密内锈层富集，耐候钢有较高的耐蚀性既与内锈层的高阻抗有关，又与内锈层致密、晶粒度较细和Cu、P的富集有关。这种致密内锈层的存在，反映在钢的电化学行为上就是阳极过程受阻滞。这种在腐蚀过程中逐渐完善其致密程度的过程恰好说明时间愈长、耐蚀作用愈强的特点。2

大气腐蚀从全球范围看，大气主要组成基本不变，即体积比氮气/氧气=75/23 ，惰性气体约占1%，水、C02 等其他气体占1%左右。由于自然位置、气候等条件及人为的环境污染等情况，大气的成分变得复杂多样，一些有害成分有逐渐增加的趋势。特别是全球性的由空气中的二氧化硫和二氧化氮造成的酸雨更加剧了对钢铁材料的腐蚀，尽管没有自然存在的二氧化硫和二氧化氮。但是，这些基本的空气污染物绝大多数是由人类活动产生的。一旦人类排放的二氧化硫和二氧化氮污染气体进入大气就可能被转化为二次污染物硝酸和硫酸，这些污染物都易溶于水，并形成酸性水滴返回地面形成酸雨、酸雪等。

大气中不同的杂质类型对钢铁的腐蚀速率有不同的影响。工业性大气中的二氧化硫与海洋性大气中的盐粒子对钢铁腐蚀速度的影响最大，在纯净的乡村大气环境中钢铁腐蚀率很低。钢铁的大气腐蚀是一个复杂的体系，除人为的环境污染外，腐蚀率还与风速风向、气温雨量、降露周期、太阳辐射、季节变换乃至于大气中的自然尘埃等有关。即使在相同的外部条件下，由于雨水的淤积钢铁背面腐蚀速度明显高于阳面。1

使用耐候钢由于具有优良的耐蚀性．已广泛用于建筑、车辆、桥梁、塔架等钢结构物．耐候钢的使用方式主要有三种：裸露使用，涂装使用和锈层稳定化处理后使用。

1、裸露使用：

耐候钢最为常见的使用方式是裸露使用一般经过3～10年时间后，耐候钢表面锈层逐渐稳定，腐蚀发展减慢，外观呈美丽的巧克力色。

由于耐候钢的锈层稳定化过程受钢材的化学成分、使用环境、构造细节的滞水积尘和机械磨损等条件的影响，所以如果使用不当，破坏了稳定锈层的形成条件，耐候钢也会产生严重锈蚀。

2、涂装使用：

在建筑、桥梁、车辆等很多部门，耐候钢和普通钢一样，大都是涂装使用，涂装后的耐候钢和普通钢相比，表现出极优越的耐蚀性。但涂装使用由于增加了使用成本和操作工序，难以对大型构件普遍使用。

3、稳定化处理后使用

在一开始就对构件表面施行一种处理，以缩短耐候钢稳定化锈层的形成过程，既可避免耐候钢使用初期黄色锈液流挂的现象，防止污染，同时又能形成稳定锈层，裸露使用虽然是耐候钢经济独特的使用方法， 但其在自然环境中完成锈层的稳定化过程需要相当长的时间，在形成稳定化锈层之前常常出现早期锈液流挂与飞散污染周围环境的现象。3

锈层结构在耐候钢使用过程中，最初阶段和普通钢一样，有腐蚀发生，但后来腐蚀速度逐渐变慢，经过一定时间，腐蚀就几乎不再进行，从而达到保护基体的目的，这个现象称作锈层的稳定化，处于这种状态的锈层叫做稳定化锈层。

从腐蚀产物对腐蚀过程的影响看，钢的大气腐蚀是在水膜存在下，空气中的氧通过锈层进行电化学反应的过程。锈层是由疏松的外锈层及致密的内锈层所组成，钢中合金元素主要是通过内锈层的影响而起作用。

锈层稳定化处理关键点(1)快速形成稳定锈层：锈层稳定化技术中如何有效地控制早期锈蚀、形成致密稳定的锈层，从而在涂膜中获得 FeOOH，是该技术的首要关键。

(2)合金元素的作用：铬等金属 元素置换针铁矿形成最终稳定锈层，一般需10年时 间。如何选择合适的金属元素离子以置换铁离子，加 快置换速度，在短期内形成 稳定锈层；并使cu、P、cr等合金元素在锈层中富集 是该项技术的第二个关键。

(3)有机涂膜材料：目前，锈层稳定化处理方法 的研究开发有三个方面：耐候性膜处理、特种氧化涂 层处理、氧化铁一磷酸盐系处理。无论是作为涂膜材 料，还是作为载色剂或粘结剂，有机物需除了具有良 好的耐候性和耐蚀性，涂膜材料还应具有多孔栅格 的特性。既可以允许一定量的空气、水供给底层，直 至其形成稳定化锈层，又可以防止耐候钢初期锈液的流挂、飞散，保持外表美观。2

研发方向（1）稳定化锈层+特种涂层，即耐候性膜处理 (双层法)。

耐候性膜处理时，首先对底层进行耐候性底膜处理，在耐候钢表面形成以复合磷酸盐为主要成分的无机复合盐膜；然后，在复合盐膜上涂以丙烯 类涂料，形成透气、透水性良好的多孔形栅格涂层。 耐候性底膜的主要作用是在耐候钢表面形成均匀的、致密的稳定化锈层。上层多孔形栅格涂膜可以允许一定量的空气、水供给底层，直至其形成稳定化锈层，又可以防止使用初期锈液的流挂、飞散，保持外表美观。在稳定化锈层形成后，这个涂膜逐渐消失， 此时外观不再有明显的变化。但稳定化锈层变化的时间与环境有很大的关系

（2）特种氧化涂层处理（单层或双层）。氧化涂层处理时，在疏水性的载色剂中配上氧化物颜料以及具有促进锈化作用的添加剂，涂敷在耐候钢表面形成有机膜。由于这种膜的作用，锈液不会流挂，耐候钢表面形成稳定锈层后有机膜消失。在环境恶劣情况下，通过增加稳定锈层来缓和环境的影响。短曝型氧化涂层几个月后就开始向稳定锈层过渡，长曝型氧化涂层的过渡时间约需1～2年。

（3）氧化铁一磷酸盐系处理（单层或双层）。氧化铁一磷酸盐系由底漆、面漆组成，处理工艺与氧化涂层一样。底漆含有磷酸（磷酸盐）或氧化铁等，有控制早期锈蚀、形成致密稳定锈层的作用。2