耐候钢(又称耐大气腐蚀钢，weathering steel)的概念、发展现状、品种、性能、耐候性因素及展望
耐候钢(又称耐大气腐蚀钢，weathering steel)是指通过添加少量合金元素，使其在大气中具有良好耐腐蚀性能的低合金高强度钢。耐候钢的耐大气腐蚀性能为普通碳素钢的2～8倍，并且使用时间愈长，耐蚀作用愈突出。耐候钢除具有良好的耐候性外，还具有优良的力学、焊接等使用性能，广泛用于铁道车辆、桥梁和集装箱。
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 发展概况
从20世纪初至今，美、德、英、日各国对耐候钢进行了深入的研究。早在1916年，欧美科学家就发现铜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)开始了大气腐蚀研究。C. P. Larrabee 等进行了大气腐蚀的数据积累工作，总结腐蚀规律，探讨了腐蚀机理。20世纪30年代，美国的 U. S. Steel 公司首先研制成功了耐腐蚀高强度含铜低合金钢——Corten 钢，在20世纪60年代不涂漆直接用于建筑和桥梁，其中最普遍应用的是高磷、铜+铬、镍的Corten A 系列钢和以铬、锰、铜合金化为主的Corten B 系列钢。这种耐候钢在欧洲、日本也得到广泛应用。目前，国外已将耐候钢逐渐作为普通钢种广泛使用，并且在钢种开发、使用及设计施工方面也进行了详细规定。表1 列出了国内外耐候钢发展主要历程。
表1 耐候钢的发展历程
20世纪60年代，我国开始进行耐候钢的研究和大气暴露试验。1965年，试制出09MnCuPTi耐候钢，并研制出我国第一辆耐候钢铁路货车。国家科委和自然基金委员会组织了全国环境腐蚀实验站，自1983年开始了5个周期20年的数据积累工作和计划。此外，研究者还结合我国的资源优势开发出了一些钢种，如鞍钢集团的08CuPVRE 系列、武钢集团的09CuPTi 系列、济南钢铁公司的09MnNb、上海第三钢铁厂的10CrMoAl 和10CrCuSiV 等。
2 钢种基本情况
2.1 牌号及化学成分
高耐候钢的牌号和化学成分(质量分数)列于表2 。耐候钢与一般含铜钢的区别在于除含铜外，还含有磷、铬、镍、钛及钒等合金元素。国外代表钢种为CORTEN A 和SPA2H ，主要为Cu2P2Ni2Cr 系。国内考虑到资源条件及原料经济性，常在钢中加人适量的稀土(RE)，主要为Cu2P2RE 系。
表2 高耐候钢的牌号和化学成分
2.2 耐候钢的力学性能
耐候钢的力学性能列于表3 和表4 。可以看出，耐候钢的力学性能基本上与优质碳素钢或优质低合金钢接近，但要求耐候钢应具有较好的冷加工性能。
表3 耐候钢的力学性能
表4 耐候钢的常温和低温冲击性能
2.3 金相组织、非金属夹杂物及晶粒度
钢材的金相组织应为铁素体+珠光体，氧化物夹杂级别不超过2级，硫化物夹杂级别不大于215级，晶粒度不小于7级。
3 合金元素对耐候性的影响
与普通碳素钢相比，耐候钢具有良好的抗大气腐蚀能力。这是因为合金元素起到了降低锈层的导电性能、阻碍腐蚀产物快速生长等作用。耐蚀特点表现为经长期使用后才呈现出显著的耐蚀效果。可提高钢的耐大气腐蚀性能的合金元素应满足以下条件:①在铁中的溶解度大于在锈层中的溶解度;②可以与铁形成固溶体;③可提高钢的电位。据有关文献的研究结果表明，耐候钢中加入的合金元素对其耐大气腐蚀性能的影响不尽相同。
3.1 碳
碳元素对钢的耐大气腐蚀不利，同时碳对钢的焊接性能、冷脆性能和冲压性能有影响。通常，耐候钢中碳的质量分数被控制在0.12%以下。
3.2 铜和硫
当钢中加入w(Cu)=0.2%～0.4%时，无论在乡村大气、工业大气或海洋大气中，都比普通碳素钢的耐蚀性能优越。值得注意的是，铜抵消钢中硫的有害作用的效果很明显，其作用特点是，钢中硫含量愈高，铜降低腐蚀速率的相对效果愈显著。这是因为铜与硫生成了难溶硫化物。
如果使钢中残余硫的质量分数降至0.01%，则可使碳素钢的耐候性提高到接近CORTEN B 的水平，使一般合金钢达到CORTEN A 的耐候性。
3.3 磷
磷是提高钢耐大气腐蚀性能最有效的合金元素之一。磷在钢中能均匀溶解，有助于在钢表面形成致密的保护膜，使其内部不被大气腐蚀。通常钢中w(P)=0.08%～0.15%时，其耐蚀性最佳。
3.4 铬
铬能在钢表面形成致密的氧化膜，提高钢的钝化能力，使锈层生长速度减慢。通常，耐候钢中w(Cr)=0.4%～1.0%(最高1.3%)。当铬和铜同时加入时，效果尤为明显。
3.5 镍
镍是一种比较稳定的元素，加入镍能使钢的自腐蚀电位向正方向变化，增加了钢的稳定性。大气暴露试验结果表明，w(Ni)≈4%时，能显著提高海滨耐候钢的抗大气腐蚀性能。
3.6 钙
研究结果表明，耐候钢中加入微量钙不仅可以显著改善钢的整体耐大气腐蚀性能，而且可以有效避免耐候钢使用时出现的锈液流挂现象。钢中加入微量钙可形成CaO 和CaS 溶解于钢表面的电解液薄膜中，使腐蚀界面碱性增加，降低其侵蚀性，促进锈层转化呈致密、保护性好的α-FeOOH 相。
3.7 锰
目前，锰对耐蚀性的影响认识不统一，大多数学者认为，锰能提高钢对海洋大气的耐蚀性，但对在工业大气中的耐蚀性几乎无影响。通常，耐候钢中w(Mn)=0.5%～2.0%。
3.8 钼
钢中w(Mo)=0.4%～0.5%时，在大气腐蚀环境下(尤其是在工业大气中)，其腐蚀速率可降低50%以上。
3.9 稀土元素
稀土元素(RE)是不含铬、镍耐候钢的添加元素之一。通常稀土元素的加入量小于或等于0.2%(质量分数)。稀土元素是极其活泼的元素，是很强的脱氧剂和脱硫剂，主要对钢起净化作用。稀土元素可细化晶粒，改变钢中夹杂物的状态，减少有害夹杂物的数量，降低腐蚀源点，从而提高钢的抗大气腐蚀性能。
4 展望
目前耐候钢在国外已趋于成熟和完善，从钢种开发到应用及设计施工等方面都有较详细的规定。与国外相比，我国耐候钢的研制起步较晚，但随着国民经济的迅速发展，耐候钢已引起国内有关部门的关注。根据铁道部预计，今后新造车辆将一律使用耐候钢。每年新造货车将达2万辆，新造客车约1500辆。因此迫切需要开发新型高寿命、低成本、高耐候性结构钢。
成分、结构和组织是改变材料性能的内因。当前大部分耐候钢以热轧、正火或退火状态下使用，显微组织均属平衡态组织，由铁素体+少量珠光体组成，钢的强度较低，因此这种组织未必是耐候钢的最佳组织和最佳相组成及相分布，至少不是唯一对耐候钢可取的显微组织及结构。除成分外，结构和组织的最佳选择乃是挖掘材料潜力的根本途径。为了进一步提高耐候钢的综合性能，扩大其应用范围，应开展结构及组织方面的研究。
对于制造车辆部件、集装箱和其它移动设备，采用高强度耐候钢增强减重将使产品生产成本降低、有效载荷提高、能源消耗下降，是耐候钢应用最重要的发展方向。但在耐候钢高强化的同时，需考虑刚度，并要根据用户的使用要求保证成形、焊接、低温冲击和疲劳性能等。
不同耐候性元素对不同环境下的腐蚀作用不一样，例如钼对降低工业大气腐蚀速率有效，但对海洋性大气的抗腐蚀作用不明显，因此根据腐蚀环境的不同，耐候钢向专用性、特殊用途化发展，其成分体系也相应发生变化，以提高耐候性元素加入的有效性和应用效率。耐海水腐蚀钢、耐海洋性气候腐蚀钢、耐酸性气候腐蚀钢和耐热带气候腐蚀钢等专用钢种是这一类钢种的代表。因此耐候钢也应该向多样化方向发展。
表面处理技术也可以提高耐候钢的性能。开发与耐候钢基体相匹配的涂层材料，其耐腐蚀效果将成倍提高。例如，日本开发的将含有百分之几碳酸铬的聚乙烯醇缩丁醛树脂涂于耐候钢表面，人工加快稳定锈层产生，防止或减少了初期流动铁锈的生成，减少了环境污染，提高了耐腐蚀性能。
5 结语
耐候钢的耐腐蚀性能和经济性决定了耐候钢是有生命力的钢铁材料。在今后耐候钢的研究中，一方面应注意借鉴国外先进经验，另一方面应立足于我国的特有资源优势和已有的技术优势，着重开发适合我国环境、地区特点的高效、高品质耐候钢及其表面锈层快速稳定化处理技术。