COR-TEN－一种耐候抗腐蚀的钢材

2013年9月9日

一、前言

COR-TEN钢材（corrosion-tensile steel）即：耐候抗腐蚀、高拉力之钢材（atmospheric-corrosion-resistant, high-strength steel）的简称。

在所有的金属材料中，钢铁是我们最熟悉的，因为钢料具有高拉力，同时易于弯曲、割切、钻孔及焊接，所以广泛的使用在各种建筑物上及工业设施方面。但是钢料最困扰人们的一个问题就是「腐蚀及生锈」，因此，如何防止腐锈就成了专家们研究的一大课题。防止腐锈的方法有很多，一般而言，可以分为三种：第一种方法系在钢料表面涂抹一层物质，以隔绝钢料与环境间的接触，防止腐锈；第二种为电位防腐锈；第三种为改变钢料的材质，以达到抗拒腐蚀的效果。本文介绍的COR-TEN钢材，就是第三种防锈法的一个例子。

COR-TEN钢材于一九五八年首先使用于建筑物方面，因为它具有抗腐蚀的特性，随后用于桥梁、火车、汽车、卡车及工业设施等方面，用途日渐广泛。以桥梁方面的应用而言，美国、日本实例最多，最近在日本东京湾内施工的荒川钢桥，长840公尺，就是全部采用COR-TEN钢材建造而成的。

二、COR-TEN的种类及化学成份

COR-TEN这种耐候性钢材（weathering steel），系在普通钢内加入少许铜、铬、磷、钒等元素，并经特殊处理制成，其耐候抗腐性能，较普通钢料高出四至八倍。依种类及用途的不同，COR-TEN可分为四种：即COR-TENA、COR-TENB、COR-TENC、COR-TENB-QT。其中COR-TENA的耐候抗腐性能优于普通钢料五至八倍，而COR-TENB则为四倍。

三、抗腐蚀原理

COR-TEN中所含的特殊元素，与大气接触后，形成一层氧化物膜，这层坚固的膜使COR-TEN与外界隔绝，不再受气候影响，而达到耐候抗腐的目的。当COR-TEN或普通钢料暴露于大气中，与水分、氧气接触后，会发生下列化学反应：

Fe+0.5O₂+H₂O→Fe(OH)₂

2Fe(OH)₂+0.5O₂+H₂O→2Fe(OH)₃

COR-TEN钢料外因为有一层坚固的膜，阻绝水分、氧气与钢料再起化学反应，至于为什么COR-TEN中因含有少量的铜、铬、磷等就能生成一层保护膜，到目前为止尚未定论，但是我们可以由下列几点而得到一些启示。

(1) COR-TEN的基底层几乎没有FeOOH（Fe₂O₃．H₂O的实验式）生成，在FeOOH层与基底层之间，形成一层坚固的氧化物膜。但普通钢料则没有此种情形，FeOOH甚至直接于基底层上生成，因此造成了裂缝，进而剥落。

(2) FeOOH层与基底层之间的氧化物膜呈放射状不定形（radio graphically amorphous）。

(3) 铜、铬、磷均集中在不定形层上，而硫则以硫酸根的形式均匀分布在这层氧化物膜上，但普通的钢料，硫则多集中在外层的氧化物上。

COR-TEN钢料与一般钢料的腐蚀率比较，可由两个暴露实验（exposure test）表示出来。第一个实验是在美国新泽西州凯尼地方做的，第二个实验是在日本兵库县做的（这两个实验地点都是工业区）。由实验可以看出来，COR-TEN于实验三至四年后，腐蚀就停止了，而其它实验钢料则仍然继续锈蚀。

氧化物膜的形成与气候因素有关。一般而言，气候因素包含：温度、日照时间、湿度、雨量、风速、大气中二氧化碳及盐分含量等。通常这些因素多与腐蚀率成正比，根据在日本四国足折岬做的实验，该地温度、湿度、盐度皆高，一般钢料的腐蚀率每年达0.75毫米，而COR-TEN的腐蚀率则每年只有0.25毫米。实验历时八年，但是五年后，COR-TEN的腐蚀率大为减低，而普通钢料则尚在继续腐蚀中。一般估计，在日本，形成稳固氧化物膜所需的时间，约五年至八年，在台湾则需时八年左右。

美国新泽西州耐候钢暴露实验

美国新泽西州Kearny 地区，COR-TEN 与其它钢材的暴露实验－腐蚀程度比较

日本兵库县耐候钢暴露实验

日本兵库县所作的 COR-TEN 与其它与其它钢材的暴露实验－腐蚀程度比较

因此，由于地区、环境及气候因素的不同，COR-TEN表面形成稳固氧化物膜的时间也有很大的差异。为了使此稳固氧化物膜及早形成，通常海岛国家使用COR-TEN时，需作耐候处理（weather-coated treatment），使COR-TEN更易发挥耐候抗腐的特性。

四、耐候处理

耐候处理的过程是先将COR-TEN钢料的表面清除干净，再喷上一层耐候性溶液（weather coat solution），于是COR-TEN表面的一些化学元素产生电化学反应，形成一层铜、磷、铬、镍之铁氧化物膜。然后再喷上一层prepalene，prepalene是一种有颜色的混合物，包括低分子量的压克力树脂（acrylicresin）及有机溶剂，因为prepalene具有高度吸湿及吸收红外线的能力，故可加速稳固氧化物膜的形成。经过一段时间，当prepalene层剥落后，已生成的稳固氧化物膜，即足以保护COR-TEN不再继续腐蚀。

COR-TEN经过耐候处理后，即有下列优点：

(一) 因为生成稳固氧化物膜，所以没有铁锈剥落，因此可以避免污染问题。

(二) 表面相当光滑。

但是在作耐候处理前，我们必须考虑到下面三点。

(一) 下列情形不适于作耐候处理：1.置于泥土中或水中时；2.处于含有氨气及其它碱性气体的地区时；3.位于易受撞击的地点时。因为这些情况都影响稳固氧化膜的形成。

(二) 当COR-TEN需要焊接时，焊接料必须也具有耐候抗腐蚀的性能，所以通常都是先焊接后再经过耐候处理，若喷过prepalene后再行焊接，则有气泡产生。

(三) 使用高拉力的螺钉、螺帽、垫板时，这些用品也必须具有耐候抗腐蚀的特性。

一九六五年起，经耐候处理的COR-TEN钢料，用于结构物者已超过400个例子，效果都极令人满意，耐候处理最适于桥梁结构，桥梁以此法处理后，几乎不再需要任何维护费用。因此若基于长远的经济观点来看，这种处理是值得考虑及推展的。

COR-TEN与普通钢料一样，也可以油漆维护，且COR-TEN较普通钢料更易涂刷油漆。尤有进者，COR-TEN上的油漆寿命，较普通钢料至少长二倍以上。

CORTEN-A耐候钢（考登钢）的特点及其用途

【耐候钢特点】指具有保护锈层耐大气腐蚀，可用于制造车辆、桥梁、塔架、集装箱等钢结构的低合金结构钢。与普碳钢相比，耐候钢在大气中具有更优良的抗蚀性能。与不锈钢相比，耐候钢加入微量的合金元素，诸如磷、铜、铬、镍、钼、铌、钒、钛等，合金元素总量仅占百分之几，耐大气腐蚀和耐海水腐蚀性能大大提高。

【耐候钢原理】钢中加入磷、铜、铬、镍等微量元素后，使钢材表面形成致密和附着性很强的保护膜，阻碍锈蚀往里扩散和发展，保护锈层下面的基体，以减缓其腐蚀速度。在锈层和基体之间形成的约50μm～100μm厚的非晶态尖晶石型氧化物层致密且与基体金属黏附性好，由于这层致密氧化物膜的存在，阻止了大气中氧和水向钢铁基体渗入，减缓了锈蚀向钢铁材料纵深发展，大大提高了钢铁材料的耐大气腐蚀能力。耐候钢在与大气的接触使用过程中，金属基体表面形成致密的、粘附性好的非晶态氧化层保护膜，颜色由锈红逐渐变成暗青、最终成为暗紫色，并从此不再锈蚀稳定下来，这层保护膜有效地阻挡了腐蚀的侵入，延长了构件的使用寿命。国外某独立的科研机构将耐候钢与普通碳钢在不同环境中的耐腐蚀性能作了对比，显示出耐腐钢材的良好耐候性。高质量的耐候钢在海边环境中16年后平均腐蚀深度约0.1~0.2mm，在工业区及乡村大约为0.02~0.04mm。我国武汉钢铁公司也对其生产的耐候钢进行的测试表明即使在海边城市耐候钢的平均腐蚀深度约0.02mm/年。即使考虑到其它非正常因素，一般认为，耐候钢耐大气腐蚀性能是一般结构钢的5~8倍，即使在裸装使用条件下，其耐腐蚀性寿命也可达30年以上。

CORTEN-A耐候钢的应用

能减薄使用、裸露使用或简化涂装使用。该钢种具有耐锈，使构件抗腐蚀延寿、减薄降耗，省工节能的特性，使构件制造者、使用者受益。产品供制造集装箱、铁道车辆、石油井架、海港建筑、采油平台及化工石油设备中含硫化氢腐蚀介质的容器等结构件。60年代耐候钢不经涂漆防腐而直接用于桥梁和建筑的技术，在欧洲和日本就已经得到了广泛的应用。