蘇寶塍

舉世矚目的三峽工程，雄偉壯麗的國(guó)家大劇院，眾所周知的2008年北京奧運(yùn)會(huì)“鳥巢”工程，令人驚嘆的國(guó)家戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備庫(kù)，高聳入云的廣州新電視塔……這些國(guó)家重大技術(shù)工程的鋼鐵材料國(guó)產(chǎn)化，凝聚著許多國(guó)人的智慧和心血。耐候鋼作為具有良好抗大氣腐蝕性能的低合金高效鋼材，一直是鋼種開發(fā)與腐蝕研究的熱點(diǎn)，其耐蝕性依賴于使用初期在表面形成的致密、穩(wěn)定化銹層，耐候鋼在應(yīng)用方面最為理想的使用方式是裸露使用。作為國(guó)內(nèi)一位耐候鋼研究領(lǐng)域的中堅(jiān)力量，一位80后科研工作者，2014年畢業(yè)于北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)的張旭博士，用自己年輕的肩膀，擔(dān)負(fù)起了創(chuàng)新研究耐候鋼的艱巨使命。

耐候鋼在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r

1900年，美國(guó)開始了含銅鋼——早期耐候鋼的研究和開發(fā)。1933年，美國(guó)生產(chǎn)低合金耐蝕鋼的U.S.Steel公司推出Corten-A型低合金耐候鋼，這可以說是世界上最初的耐候鋼，1959美國(guó)開始使用裸露耐候鋼。這種鋼誕生的背景是：（1）為滿足進(jìn)入20世紀(jì)增加必要的橋梁或車輛輕型化的要求而對(duì)高強(qiáng)度鋼的需求；（2）高強(qiáng)度化伴隨著薄壁化，所以要求提高日趨重要的耐蝕性；（3）作為可提高低合金鋼耐蝕性的元素Cu、P的效果需要證實(shí)；（4）對(duì)于高強(qiáng)度化及提高耐蝕性的效果，有了20世紀(jì)初30年的社會(huì)要求和技術(shù)積累。

在這之后，世界各國(guó)掀起了一場(chǎng)耐候鋼的研究潮。日本在1955年開發(fā)耐候鋼；1965年建成第一座耐候鋼大橋（涂漆）；1967年建成第一座裸鋼橋（知多2號(hào)橋）；1968年制定JIS-G3114“焊接構(gòu)造用耐候性熱軋鋼材”，即SMA鋼材標(biāo)準(zhǔn)；1980年建成第三大川橋（最初用于桁梁）；1983年制定了將Smaoop作為涂裝用耐候鋼，Smaoow作為不涂裝用耐候鋼，耐候鋼的JIS標(biāo)準(zhǔn)用于志染川橋（11型鋼架）；80年代末，日本在原有JIS SMA鋼的基礎(chǔ)上，將Ni的含量提高至3%，新鋼種的焊接性能和力學(xué)性能均良好，進(jìn)行了9年（日本千葉地區(qū)）的掛片曝曬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果大大優(yōu)于JIS SMA系列。

我國(guó)耐大氣腐蝕鋼發(fā)展較晚，1965年前后，武鋼利用其鐵礦中含Cu，首先在國(guó)內(nèi)進(jìn)行耐大氣腐蝕的含Cu低合金鋼的研究、開發(fā)工作。1965年隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，各鋼鐵企業(yè)開始重視并大規(guī)模地研究、開發(fā)耐大氣腐蝕用鋼，研制出多種耐候鋼如09CuPTiRe、09CuPTi等系列耐大氣腐蝕鋼。1967年首次用于試驗(yàn)車輛；1984年制定高耐候性結(jié)構(gòu)鋼國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；1988年初步試制出NH-35q橋用耐候鋼；1990年建成國(guó)內(nèi)第一座裸耐候鋼橋；1999年試制JT系列塔桅高耐候性結(jié)構(gòu)鋼；目前使用的耐大氣腐蝕鋼主要是仿CORTEN-A、CORTEN-B的Cu-P系和Cu-P-Cr-Ni系。德國(guó)自1969年開始使用裸耐候鋼。英國(guó)自1972開始使用裸耐候鋼。

1994年，Yamashita等人研究了在工業(yè)大氣環(huán)境下暴曬26年的耐候鋼和普碳鋼的銹層，在足夠長(zhǎng)的時(shí)間下，耐候鋼形成了穩(wěn)定的保護(hù)性銹層。耐候鋼由疏松的外銹層和致密的內(nèi)銹層組成，外銹層的銹的顆粒度要大于內(nèi)銹層的。而普碳鋼的腐蝕產(chǎn)物中含有大量的孔洞和微裂紋。耐候鋼的外銹層主要由γ-FeOOH組成，而內(nèi)銹層的主要成分是α-FeOOH。

最值得注意的是，高濃度的Cr只出現(xiàn)在內(nèi)銹層中。這個(gè)結(jié)果和Okada等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，Okada指出耐候鋼暴曬數(shù)年后，內(nèi)銹層中會(huì)富集大量的Cr、P和Cu。

耐候鋼在服役過程中，其顏色會(huì)隨時(shí)間發(fā)生轉(zhuǎn)變，由最初的土黃色的銹，在3-5年內(nèi)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧t棕色的銹，5年以后銹層基本呈現(xiàn)耐候鋼特有的“巧克力色”。

由上圖可以看出，耐候鋼（COR-TEN）穩(wěn)定銹層在3至5年之后形成，這層穩(wěn)定的銹層具有很強(qiáng)的保護(hù)性，可以使鋼基體不再被腐蝕。而普通碳鋼（SS400）隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，仍不斷被腐蝕。

由于耐候鋼的耐蝕性很強(qiáng)，使其受到國(guó)內(nèi)外各種大型建筑的青睞。目前，國(guó)外已將耐候鋼逐漸當(dāng)作普通鋼種來廣泛使用，在鋼種開發(fā)、使用及設(shè)計(jì)施工上也逐漸作了詳細(xì)規(guī)定，耐候鋼的裸露使用比例也逐年提高。

張旭介紹說，裸露耐候鋼在保護(hù)欄桿、鋼絲護(hù)欄、照明塔等道路附屬物上的應(yīng)用由于能節(jié)省維護(hù)管理費(fèi)或調(diào)和景色，所以在風(fēng)景美麗的地方或田園地區(qū)盛行。使用一般的鋼材時(shí)，由于在再涂漆時(shí)為了作業(yè)上的安全必須停電進(jìn)行，從而增加了支出。

目前在美國(guó)，耐候鋼的最大用途是建造橋梁，并且擴(kuò)大了裸露方式的使用。在建筑領(lǐng)域，使用了裸露耐候鋼的建筑物在美國(guó)達(dá)500座以上，95%以上是順利的。可見，耐候鋼的發(fā)展前景是非常廣闊的。

創(chuàng)新科技，推動(dòng)耐候鋼的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

張旭博士對(duì)于耐候鋼的研究從攻讀博士期間就開始了，研究方向是耐候鋼、腐蝕與防護(hù)、電化學(xué)、銹層表面處理等，他的博士論文題目是“環(huán)境因素對(duì)耐候鋼銹層穩(wěn)定化影響的研究”。目前，他以第一作者發(fā)表學(xué)術(shù)論文4篇，其中被SCI收錄2篇，EI收錄1篇，國(guó)際會(huì)議1篇。申請(qǐng)2項(xiàng)國(guó)家專利，目前已授權(quán)1項(xiàng)。曾擔(dān)任北京市岱岳云峰科技文化有限公司總經(jīng)理，首鋼技術(shù)研究院耐候鋼品種負(fù)責(zé)人，目前是北京創(chuàng)氪材料科技有限公司CEO。參與了國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目——“高強(qiáng)韌耐海洋大氣腐蝕超細(xì)復(fù)合組織鋼的研究”；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目——“低合金耐候鋼表面銹層在大氣腐蝕過程中的演化”；北科大冶金院基金項(xiàng)目——“酸性環(huán)境下耐候鋼的耐蝕機(jī)理研究”；首鋼課題基金項(xiàng)目——“輸電鐵塔用耐候鋼的開發(fā)”、“ 耐酸鋼Q295NS的開發(fā)”、“輕量化集裝箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化及高強(qiáng)耐候鋼開發(fā)和應(yīng)用”等多項(xiàng)國(guó)家級(jí)課題，取得了諸多科研成果。

“北科耐候”為北京創(chuàng)氪材料科技有限公司的耐候鋼品牌產(chǎn)品，于2015年由中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)會(huì)相關(guān)成員發(fā)起，會(huì)同北京科技大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)相關(guān)成員成立的高新科技企業(yè)。公司以推動(dòng)我國(guó)耐候鋼及其防腐蝕的研發(fā)和升級(jí)為宗旨。公司品牌為“北科耐候”（網(wǎng)址：www.naihougang.cn）。北科耐候團(tuán)隊(duì)的科研人員35%以上擁有博士以上學(xué)歷，并在此領(lǐng)域有10年以上的相關(guān)研究經(jīng)歷，目前擁有兩項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利?！皠?chuàng)氪”作為國(guó)內(nèi)最專業(yè)的“耐候鋼一站式服務(wù)”機(jī)構(gòu)，致力于耐候鋼鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、咨詢、鋼材選擇和采購(gòu)、加工、表面銹蝕處理等“專家級(jí)”服務(wù)。

據(jù)張旭介紹，北科耐候目前有兩大類5種產(chǎn)品。一類是針對(duì)耐候鋼開發(fā)的產(chǎn)品，另一類是針對(duì)生銹的普碳鋼開發(fā)的產(chǎn)品。

（1）耐候鋼生銹液

耐候鋼生銹液為國(guó)家授權(quán)專利技術(shù)產(chǎn)品。該液體噴涂于耐候鋼表面，能快速形成一層人工銹層，這種人工銹層比自然生銹要均勻，增加了耐候鋼建筑和橋梁的美觀性，并且銹層中富集了Cu和Cr等合金元素，可以提高耐候鋼長(zhǎng)期的耐蝕性。這種生銹液的施工工藝見下圖。

該產(chǎn)品已經(jīng)在遼寧平頂堡大橋，國(guó)家電網(wǎng)特高壓輸電鐵塔，大同美術(shù)館，英國(guó)萬安大廈等工程上進(jìn)行了大規(guī)模的應(yīng)用。

（2）耐候鋼銹層穩(wěn)定化涂層

該涂層與穩(wěn)定銹層顏色相同，具有透水透氣且阻擋氯離子通過的功能，噴涂于噴砂后的耐候鋼上，在鋼結(jié)構(gòu)服役過程中，水透過涂層與鋼基體接觸，在涂層下方形成一層連續(xù)致密的銹層。涂層在使用過程中，紫外線使其老化，該涂層均勻脫落，最后涂層完全脫落，被保護(hù)性的銹層所替代。該產(chǎn)品初期利用涂層對(duì)耐候鋼進(jìn)行保護(hù)，后期涂層脫落后，耐候鋼自身的保護(hù)性銹層能有效保護(hù)鋼基體，因此該產(chǎn)品僅施工一次，后期不需維護(hù)，并且可以極大地延長(zhǎng)耐候鋼的使用壽命。該技術(shù)已經(jīng)用于北京798藝術(shù)區(qū)等項(xiàng)目。

（3）耐候鋼銹層封固涂層

對(duì)表面預(yù)制的銹層進(jìn)行封固處理，使銹板其在使用過程中不變色、不掉銹。該技術(shù)為新興技術(shù)，有些設(shè)計(jì)師既想要耐候鋼銹層的顏色，又不想耐候鋼在使用過程中變色，因此促使了這項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。但該技術(shù)僅限室內(nèi)銹板使用，不可以用于室外，這是由于室外紫外線會(huì)使涂層發(fā)生老化，極大縮短涂層的壽命，另外微量的水透過涂層后，鋼基體會(huì)產(chǎn)生黑色的銹，破壞銹板已有的顏色。

（4）耐候鋼仿銹涂層

該涂層包括底漆、中間漆和面漆，噴涂于噴砂后的鋼板上，表面呈現(xiàn)銹鋼板的色澤，并且兼具較高的耐蝕性。該產(chǎn)品可以根據(jù)設(shè)計(jì)師的要求，調(diào)配不同的顏色，不但可以用在耐候鋼上，也可以應(yīng)用于普通碳鋼等材料上。

（5）銹層轉(zhuǎn)化劑

以往對(duì)于銹蝕后的鋼結(jié)構(gòu)，一般需要將銹層除去后，再補(bǔ)涂油漆，除銹工序復(fù)雜。該產(chǎn)品針對(duì)銹蝕的鋼板，不需除銹，直接將銹層轉(zhuǎn)化為致密的保護(hù)層，延長(zhǎng)鋼結(jié)構(gòu)的壽命。該產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛，可用于橋梁、護(hù)欄、海洋平臺(tái)、電力塔架等領(lǐng)域。

如今，耐候鋼表面處理技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于國(guó)家電網(wǎng)和平頂堡大橋等項(xiàng)目，且該技術(shù)已在我國(guó)西北地區(qū)獲得大力推廣。2015年9月，“北科耐候”的科研團(tuán)隊(duì)及技術(shù)曾被中國(guó)光華科技基金會(huì)作為優(yōu)秀創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目向蘇州、張家港等地做重點(diǎn)推薦和推廣。張旭堅(jiān)信，“創(chuàng)氪”在未來會(huì)本著科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，加大耐候鋼相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，推動(dòng)耐候鋼在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用，為節(jié)能減排的科研創(chuàng)新事業(yè)做出巨大貢獻(xiàn)。