耐大氣腐蝕鋼

耐大氣腐蝕鋼 （即耐候鋼）是指在鋼中加入一定量的 Cu、P、C或Ni、Mo、Nb、Ti等合金元素，製成的一種耐大氣腐蝕性能良好的低合金鋼。在工業和農村大氣環境中，耐候鋼因在其基體表面形成一層緻密而穩定的氧化保護膜，阻礙了腐蝕介質的進入，具有優異的抗大氣腐蝕等性能，而普碳鋼基體表面腐蝕形成的鏽層結構疏鬆且有微裂紋， 不能真正起到對基體鋼材的保護作用。 ^[1] 

從腐蝕產物對腐蝕過程的影響看，鋼的大氣腐蝕是在水膜存在的情況下，空氣中的氧通過鏽層進行電化學反應的過程。而鏽層是由疏鬆的外鏽層及緻密的內鏽層所組成，鋼中合金元素主要是通過內鏽層的影響而起作用的。在耐候鋼的腐蝕產物中，可以觀察到Cu、P、Cr緻密內鏽層富集，耐候鋼有較高的耐蝕性既與內鏽層的高阻抗有關，又與內鏽層緻密、晶粒度較細和Cu、P的富集有關。這種緻密內鏽層的存在，反映在鋼的電化學行為上就是陽極過程受阻滯。這種在腐蝕過程中逐漸完善其緻密程度的過程恰好説明時間愈長、耐蝕作用愈強的特點。 ^[2] 

從全球範圍看，大氣主要組成基本不變，通過實驗測定，空氣的成分按體積計算，大約是：氮氣78%、氧氣21%、稀有氣體0.94%、二氧化碳0.03%、其他氣體和雜質0.03% ^[4]  。由於自然位置、氣候等條件及人為的環境污染等情況，大氣的成分變得複雜多樣，一些有害成分有逐漸增加的趨勢。特別是全球性的由空氣中的二氧化硫和二氧化氮造成的酸雨更加劇了對鋼鐵材料的腐蝕，儘管沒有自然存在的二氧化硫和二氧化氮。但是，這些基本的空氣污染物絕大多數是由人類活動產生的。一旦人類排放的二氧化硫和二氧化氮污染氣體進入大氣就可能被轉化為二次污染物硝酸和硫酸，這些污染物都易溶於水，並形成酸性水滴返回地面形成酸雨、酸雪等。

大氣中不同的雜質類型對鋼鐵的腐蝕速率有不同的影響。工業性大氣中的二氧化硫與海洋性大氣中的鹽粒子對鋼鐵腐蝕速度的影響最大，在純淨的鄉村大氣環境中鋼鐵腐蝕率很低。鋼鐵的大氣腐蝕是一個複雜的體系，除人為的環境污染外，腐蝕率還與風速風向、氣温雨量、降露週期、太陽輻射、季節變換乃至於大氣中的自然塵埃等有關。即使在相同的外部條件下，由於雨水的淤積鋼鐵背面腐蝕速度明顯高於陽面。 ^[1] 

耐候鋼由於具有優良的耐蝕性．已廣泛用於建築、車輛、橋樑、塔架等鋼結構物．耐候鋼的使用方式主要有三種：裸露使用，塗裝使用和鏽層穩定化處理後使用。

1、裸露使用：

耐候鋼最為常見的使用方式是裸露使用一般經過3～10年時間後，耐候鋼表面鏽層逐漸穩定，腐蝕發展減慢，外觀呈美麗的巧克力色。

由於耐候鋼的鏽層穩定化過程受鋼材的化學成分、使用環境、構造細節的滯水積塵和機械磨損等條件的影響，所以如果使用不當，破壞了穩定鏽層的形成條件，耐候鋼也會產生嚴重鏽蝕。

2、塗裝使用：

在建築、橋樑、車輛等很多部門，耐候鋼和普通鋼一樣，大都是塗裝使用，塗裝後的耐候鋼和普通鋼相比，表現出極優越的耐蝕性。但塗裝使用由於增加了使用成本和操作工序，難以對大型構件普遍使用。

3、穩定化處理後使用

在一開始就對構件表面施行一種處理，以縮短耐候鋼穩定化鏽層的形成過程，既可避免耐候鋼使用初期黃色鏽液流掛的現象，防止污染，同時又能形成穩定鏽層，裸露使用雖然是耐候鋼經濟獨特的使用方法， 但其在自然環境中完成鏽層的穩定化過程需要相當長的時間，在形成穩定化鏽層之前常常出現早期鏽液流掛與飛散污染周圍環境的現象。 ^[3] 

在耐候鋼使用過程中，最初階段和普通鋼一樣，有腐蝕發生，但後來腐蝕速度逐漸變慢，經過一定時間，腐蝕就幾乎不再進行，從而達到保護基體的目的，這個現象稱作鏽層的穩定化，處於這種狀態的鏽層叫做穩定化鏽層。

從腐蝕產物對腐蝕過程的影響看，鋼的大氣腐蝕是在水膜存在下，空氣中的氧通過鏽層進行電化學反應的過程。鏽層是由疏鬆的外鏽層及緻密的內鏽層所組成，鋼中合金元素主要是通過內鏽層的影響而起作用。

(1)快速形成穩定鏽層：鏽層穩定化技術中如何有效地控制早期鏽蝕、形成緻密穩定的鏽層，從而在塗膜中獲得 FeOOH，是該技術的首要關鍵。

(2)合金元素的作用：鉻等金屬 元素置換針鐵礦形成最終穩定鏽層，一般需10年時 間。如何選擇合適的金屬元素離子以置換鐵離子，加 快置換速度，在短期內形成 穩定鏽層；並使cu、P、cr等合金元素在鏽層中富集 是該項技術的第二個關鍵。

(3)有機塗膜材料：鏽層穩定化處理方法 的研究開發有三個方面：耐候性膜處理、特種氧化塗 層處理、氧化鐵一磷酸鹽系處理。無論是作為塗膜材 料，還是作為載色劑或粘結劑，有機物需除了具有良 好的耐候性和耐蝕性，塗膜材料還應具有多孔柵格 的特性。既可以允許一定量的空氣、水供給底層，直 至其形成穩定化鏽層，又可以防止耐候鋼初期鏽液的流掛、飛散，保持外表美觀。 ^[2] 

（1）穩定化鏽層+特種塗層，即耐候性膜處理 (雙層法)。

耐候性膜處理時，首先對底層進行耐候性底膜處理，在耐候鋼表面形成以複合磷酸鹽為主要成分的無機複合鹽膜；然後，在複合鹽膜上塗以丙烯 類塗料，形成透氣、透水性良好的多孔形柵格塗層。 耐候性底膜的主要作用是在耐候鋼表面形成均勻的、緻密的穩定化鏽層。上層多孔形柵格塗膜可以允許一定量的空氣、水供給底層，直至其形成穩定化鏽層，又可以防止使用初期鏽液的流掛、飛散，保持外表美觀。在穩定化鏽層形成後，這個塗膜逐漸消失， 此時外觀不再有明顯的變化。但穩定化鏽層變化的時間與環境有很大的關係

（2）特種氧化塗層處理（單層或雙層）。氧化塗層處理時，在疏水性的載色劑中配上氧化物顏料以及具有促進鏽化作用的添加劑，塗敷在耐候鋼表面形成有機膜。由於這種膜的作用，鏽液不會流掛，耐候鋼表面形成穩定鏽層後有機膜消失。在環境惡劣情況下，通過增加穩定鏽層來緩和環境的影響。短曝型氧化塗層幾個月後就開始向穩定鏽層過渡，長曝型氧化塗層的過渡時間約需1～2年。

（3）氧化鐵一磷酸鹽系處理（單層或雙層）。氧化鐵一磷酸鹽系由底漆、面漆組成，處理工藝與氧化塗層一樣。底漆含有磷酸（磷酸鹽）或氧化鐵等，有控制早期鏽蝕、形成緻密穩定鏽層的作用。 ^[2]