國內外耐大氣腐蝕鋼常用標準比較

廉心桐 滿廷慧 陳 龍 劉騰軾 韋習成

(上海大學材料科學與工程學院，上海 200444)

鋼鐵材料的腐蝕是一個普遍而嚴重的問題，永遠都在進行時。其中，大氣腐蝕對鋼鐵材料所造成的破壞給國民經(jīng)濟帶來了巨大的損失。耐大氣腐蝕鋼(又稱耐候鋼)是指通過添加少量合金元素(如Cu、Cr、Ni、P等，其總質量分數(shù)在1%～5%之間)，使其在大氣中具有良好耐腐蝕性能的低合金高強度鋼。耐候鋼具有良好的耐腐蝕性、優(yōu)良的力學性能和焊接性能，廣泛用于鐵道車輛、建筑、橋梁和集裝箱等。

1 耐候鋼的國際標準

美國于1941年頒布了第一份耐候鋼的標準ASTM A242，并在1968年頒布了高強度低合金結構鋼標準ASTM A588，劃分了兩種耐候鋼類型。一類是高磷含量(P的質量分數(shù)為 0.07%～0.15%)，即USS Cor-Ten A；另一類是低磷含量(P的質量分數(shù)小于0.04%)，即USS Cor-Ten B。之后在標準的使用過程中，USS Cor-Ten A的合金成分仍參考ASTM A242標準，而USS Cor-Ten B由于磷含量較低，耐腐蝕性相對較弱，該牌號被劃入ASTM A588標準中。表1是根據(jù)ASTM A242[1]和ASTM A588[2]列出的常用耐候鋼的化學成分。1975年，ASTM頒布了橋梁用碳素鋼和高強度低合金結構鋼標準ASTM A709。

表1 ASTM A242和ASTM A588標準中常用耐候鋼的化學成分(質量分數(shù))

不同國家的鋼鐵企業(yè)在推廣銷售自家產品時，對耐候鋼名稱的使用有所區(qū)別，但都參照了ASTM A242和ASTM A588兩個標準。例如Cor-Ten鋼(美國鋼鐵公司)、COR-TEN鋼(蒂森克虜伯)、Mayari(伯利恒鋼鐵)、Atmofix(捷克共和國)、ENSACOR(西班牙)等。

目前，很多歐洲鋼鐵企業(yè)參照歐洲標準BS EN 10155:1993[3]生產耐候鋼。BS EN 10155:1993根據(jù)焊接性能規(guī)定了不同耐候鋼的等級和韌性要求。表2列出了BS EN10155:1993中常用耐候鋼的化學成分。

表2 BS EN10155:1993標準中常用耐候鋼的化學成分(質量分數(shù))

目前，日本耐候鋼的生產按照JIS G 3114:2008[4]和JIS G 3125:2010[5]執(zhí)行。JIS G 3125:2010標準適用于車輛、建筑、鐵塔及其他結構件使用的耐大氣腐蝕性能特別優(yōu)良的軋制鋼材。表3為JIS G 3125:2010標準中SPA-H/SPA-C耐候結構鋼的化學成分，其中Mn的質量分數(shù)上限可以根據(jù)實際應用調整為1.0%以上。

表3 JIS G 3125:2010標準中SPA-H/SPA-C耐候結構鋼的化學成分(質量分數(shù))

2 耐候鋼的國內標準

目前，國內常用耐候鋼標準有GB/T 4171—2008《耐候結構鋼》[6]、TB/T 1979—2014《鐵道車輛用耐大氣腐蝕鋼》[7]、T/CSM 12—2020《稀土耐候結構鋼》[8]。

2.1 GB/T 4171—2008《耐候結構鋼》

本標準的制定參考了國內外各類標準(包括EN 10025-5:2004《結構鋼熱軋產品—第5部分：改善耐大氣腐蝕性結構鋼交貨技術條件》、ISO 4952:2006《改善耐大氣腐蝕性結構鋼》、ISO 5952:2005《改善耐大氣腐蝕性結構用熱連軋鋼板》、ASTM A242《高強度低合金耐大氣腐蝕鋼》等)，并替代了GB/T 4171—2000《高耐候結構鋼》、GB/T 4172—2000《焊接結構用耐候鋼》和GB/T 18982—2003《集裝箱用耐腐蝕鋼板及鋼帶》。本標準對耐候鋼進行了分類，包括高耐候鋼Q295GNH(熱軋)、Q355GNH(熱軋)、Q265GNH(冷軋)、Q310GHN(冷軋)及焊接耐候鋼熱軋Q235NH、Q295NH、Q355NH、Q415NH、Q460NH、Q500NH、Q550NH等。表4為GB/T 4171—2008中常用耐候鋼的化學成分。

表4 GB/T 4171—2008中常用耐候鋼的化學成分(質量分數(shù))

2.2 TB/T 1979—2014《鐵道車輛用耐大氣腐蝕鋼》

本標準主要適用于鐵道車輛用耐大氣腐蝕鋼的熱軋和冷軋鋼板、鋼帶及型鋼。與TB/T 1979—2003《鐵道車輛用耐大氣腐蝕鋼訂貨技術條件》相比，主要增加了耐大氣腐蝕鋼牌號表示方法，以及高強度耐大氣腐蝕鋼鋼種等。表5為TB/T 1979—2014中常用耐候鋼的化學成分。在耐候鋼牌號的鋼種類別中：1表示Cu、Cr、Ni類，2表示Cu、P(Cr、Ni、RE)類，3表示Cu、P、Ti(RE)類，4表示Cu、P、V(RE)類。

本標準對RE值做出了明確規(guī)定，這里RE值為成品鋼材中的稀土含量。當S的質量分數(shù)≤0.010%時，可保證具有一定的稀土殘余量。成品鋼材的稀土元素含量與表5中規(guī)定含量的允許上偏差為0，允許下偏差-0.004 0%。

表5 TB/T 1979—2014中常用耐候鋼的化學成分(質量分數(shù))

2.3 T/CSM 12—2020《稀土耐候結構鋼》

本標準于2020年6月發(fā)布并實施。我國擁有豐富的稀土資源，通過添加少量的稀土元素，調整夾雜物電極電位，降低點蝕傾向，在金屬材料的基體表面形成致密穩(wěn)定的氧化保護層，能有效提高材料的耐大氣腐蝕性能，由此，提出了稀土耐候結構鋼標準。

本標準規(guī)定了稀土耐候結構鋼的尺寸、外形、重量及允許偏差、技術要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、包裝、標志及質量證明書。在附錄中提出了改善耐大氣腐蝕性能鋼材的附加信息、耐大氣腐蝕性要求、鋼鐵中釔的分析方法等內容。適用于車輛、橋梁、集裝箱、建筑、塔架和其他結構用具有耐大氣腐蝕性能的熱軋鋼板和鋼帶、型鋼和長材。

本標準對稀土耐候結構鋼進行了分類，包括稀土耐候結構鋼Ⅰ類：Q235RE、Q355RE和稀土耐候結構鋼Ⅱ類(高耐候)：Q355GNH及稀土耐候結構鋼Ⅱ類(焊接耐候)：Q235NHRE、Q355NHRE、Q390NHRE、Q420NHRE、Q460NHRE、Q500NHRE、Q550NHRE。本標準是國際上首個對稀土耐候結構鋼進行明確規(guī)定的標準。提出了兩類稀土耐候結構鋼，一類是在普碳鋼或低合金鋼的基礎上，通過添加少量稀土元素，在金屬基體表面形成致密穩(wěn)定的氧化保護層，與普通碳素結構鋼相比耐大氣腐蝕性能大幅度提高；另一類是在傳統(tǒng)耐候鋼基礎上，通過添加少量稀土元素，可適當減少合金元素Cu、P、Cr、Ni等的含量，在金屬基體表面形成致密穩(wěn)定的氧化保護層，仍滿足耐大氣腐蝕性能要求。表6為T/CSM 12—2020中常用耐候鋼的化學成分。

表6 T/CSM 12—2020中常用耐候鋼的化學成分(質量分數(shù))

3 結束語

根據(jù)耐候鋼的適用范圍，耐候鋼的研制應以低成本、高性能、綠色化為基本路線。《稀土耐候結構鋼》團體標準的發(fā)布標志著稀土耐候結構鋼作為新一代的先進鋼鐵材料正式進入公眾視野。隨著耐候鋼構件服役時間的延長，對其耐蝕性能的要求也越來越高。根據(jù)不同的使用環(huán)境和條件，有針對性地進行新型耐候鋼的研發(fā)，充分利用我國現(xiàn)有的豐富資源，不斷完善和優(yōu)化現(xiàn)行標準。