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COR-TEN-一種耐候抗腐蝕的鋼材

點擊數:5432017-05-04 14:53:15

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,鋼鐵是大长精最熟悉的,因為鋼料具有高拉力,同時易於彎曲、割切、鑽孔及焊接,所以廣泛的使用在各種建築物上及工業設施方麵。但是鋼料最困擾人們的一個問題就是「腐蝕及生鏽」,因此,如何防止腐鏽就成了專家們研究的一大課題。防止腐鏽的方法有很多,一般而言,可以分為三種:第一種方法係在鋼料表麵塗抹一層物質,以隔絕鋼料與環境間的接觸,防止腐鏽;第二種為電位防腐鏽;第三種為改變鋼料的材質,以達到抗拒腐蝕的效果。本文介紹的COR-TEN鋼材,就是第三種防鏽法的一個例子。

COR-TEN鋼材於一九五八年首先使用於建築物方麵,因為它具有抗腐蝕的特性,隨後用於橋梁、火車、汽車、卡車及工業設施等方麵,用途日漸廣泛。以橋梁方麵的應用而言,美國、日本實例最多,最近在日本東京灣內施工的荒川鋼橋,長840公尺,就是全部采用COR-TEN鋼材建造而成的。

二、COR-TEN的種類及化學成份

COR-TEN這種耐候性鋼材(weathering steel),係在普通鋼內加入少許銅、鉻、磷、釩等元素,並經特殊處理製成,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的耐候抗腐性能優於普通鋼料五至八倍,而COR-TENB則為四倍。

三、抗腐蝕原理

COR-TEN中所含的特殊元素,與大氣接觸後,形成一層氧化物膜,這層堅固的膜使COR-TEN與外界隔絕,不再受氣候影響,而達到耐候抗腐的目的。當COR-TEN或普通鋼料暴露於大氣中,與水分、氧氣接觸後,會發生下列化學反應:

Fe+0.5O2+H2O→Fe(OH)2

2Fe(OH)2+0.5O2+H2O→2Fe(OH)3

COR-TEN鋼料外因為有一層堅固的膜,阻絕水分、氧氣與鋼料再起化學反應,至於為什麽COR-TEN中因含有少量的銅、鉻、磷等就能生成一層保護膜,到目前為止尚未定論,但是大长精可以由下列幾點而得到一些啟示。

(1) COR-TEN的基底層幾乎沒有FeOOH(Fe2O3.H2O的實驗式)生成,在FeOOH層與基底層之間,形成一層堅固的氧化物膜。但普通鋼料則沒有此種情形,FeOOH甚至直接於基底層上生成,因此造成了裂縫,進而剝落。

(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,可由兩個暴露實驗(exposure test)表示出來。第一個實驗是在美國新澤西州凱尼地方做的,第二個實驗是在日本兵庫縣做的(這兩個實驗地點都是工業區)。由實驗可以看出來,COR-TEN於實驗三至四年後,腐蝕就停止了,而其它實驗鋼料則仍然繼續鏽蝕。

氧化物膜的形成與氣候因素有關。一般而言,氣候因素包含:溫度、日照時間、濕度、雨量、風速、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,根據在日本四國足折岬做的實驗,該地溫度、濕度、鹽度皆高,一般鋼料的腐蝕率每年達0.75毫米,而COR-TEN的腐蝕率則每年隻有0.25毫米。實驗曆時八年,但是五年後,COR-TEN的腐蝕率大為減低,而普通鋼料則尚在繼續腐蝕中。一般估計,在日本,形成穩固氧化物膜所需的時間,約五年至八年,在台灣則需時八年左右。

美國新澤西州耐候鋼暴露實驗

美國新澤西州Kearny 地區,COR-TEN 與其它鋼材的暴露實驗-腐蝕程度比較

日本兵庫縣耐候鋼暴露實驗

日本兵庫縣所作的 COR-TEN 與其它與其它鋼材的暴露實驗-腐蝕程度比較

因此,由於地區、環境及氣候因素的不同,COR-TEN表麵形成穩固氧化物膜的時間也有很大的差異。為了使此穩固氧化物膜及早形成,通常海島國家使用COR-TEN時,需作耐候處理(weather-coated treatment),使COR-TEN更易發揮耐候抗腐的特性。

四、耐候處理

耐候處理的過程是先將COR-TEN鋼料的表麵清除幹淨,再噴上一層耐候性溶液(weather coat solution),於是COR-TEN表麵的一些化學元素產生電化學反應,形成一層銅、磷、鉻、鎳之鐵氧化物膜。然後再噴上一層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)及有機溶劑,因為prepalene具有高度吸濕及吸收紅外線的能力,故可加速穩固氧化物膜的形成。經過一段時間,當prepalene層剝落後,已生成的穩固氧化物膜,即足以保護COR-TEN不再繼續腐蝕。

COR-TEN經過耐候處理後,即有下列優點:

(一) 因為生成穩固氧化物膜,所以沒有鐵鏽剝落,因此可以避免汙染問題。

(二) 表麵相當光滑。

但是在作耐候處理前,大长精必須考慮到下麵三點。

(一) 下列情形不適於作耐候處理:1.置於泥土中或水中時;2.處於含有氨氣及其它堿性氣體的地區時;3.位於易受撞擊的地點時。因為這些情況都影響穩固氧化膜的形成。

(二) 當COR-TEN需要焊接時,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後再經過耐候處理,若噴過prepalene後再行焊接,則有氣泡產生。

(三) 使用高拉力的螺釘、螺帽、墊板時,這些用品也必須具有耐候抗腐蝕的特性。

一九六五年起,經耐候處理的COR-TEN鋼料,用於結構物者已超過400個例子,效果都極令人滿意,耐候處理最適於橋梁結構,橋梁以此法處理後,幾乎不再需要任何維護費用。因此若基於長遠的經濟觀點來看,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,且COR-TEN較普通鋼料更易塗刷油漆。尤有進者,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)的特點及其用途

【耐候鋼特點】指具有保護鏽層耐大氣腐蝕,可用於製造車輛、橋梁、塔架、集裝箱等鋼結構的低合金結構鋼。與普碳鋼相比,耐候鋼在大氣中具有更優良的抗蝕性能。與不鏽鋼相比,耐候鋼加入微量的合金元素,諸如磷、銅、鉻、鎳、鉬、铌、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、鎳等微量元素後,使鋼材表麵形成致密和附著性很強的保護膜,阻礙鏽蝕往裏擴散和發展,保護鏽層下麵的基體,以減緩其腐蝕速度。在鏽層和基體之間形成的約50μm~100μm厚的非晶態尖晶石型氧化物層致密且與基體金屬黏附性好,由於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,減緩了鏽蝕向鋼鐵材料縱深發展,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,金屬基體表麵形成致密的、粘附性好的非晶態氧化層保護膜,顏色由鏽紅逐漸變成暗青、最終成為暗紫色,並從此不再鏽蝕穩定下來,這層保護膜有效地阻擋了腐蝕的侵入,延長了構件的使用壽命。國外某獨立的科研機構將耐候鋼與普通碳鋼在不同環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。高質量的耐候鋼在海邊環境中16年後平均腐蝕深度約0.1~0.2mm,在工業區及鄉村大約為0.02~0.04mm。我國武漢鋼鐵公司也對其生產的耐候鋼進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,一般認為,耐候鋼耐大氣腐蝕性能是一般結構鋼的5~8倍,即使在裸裝使用條件下,其耐腐蝕性壽命也可達30年以上。

CORTEN-A耐候鋼的應用

能減薄使用、裸露使用或簡化塗裝使用。該鋼種具有耐鏽,使構件抗腐蝕延壽、減薄降耗,省工節能的特性,使構件製造者、使用者受益。產品供製造集裝箱、鐵道車輛、石油井架、海港建築、采油平台及化工石油設備中含硫化氫腐蝕介質的容器等結構件。60年代耐候鋼不經塗漆防腐而直接用於橋梁和建築的技術,在歐洲和日本就已經得到了廣泛的應用。