廉心桐 满廷慧 陈 龙 刘腾轼 韦习成

(上海大学材料科学与工程学院，上海 200444)

钢铁材料的腐蚀是一个普遍而严重的问题，永远都在进行时。其中，大气腐蚀对钢铁材料所造成的破坏给国民经济带来了巨大的损失。耐大气腐蚀钢(又称耐候钢)是指通过添加少量合金元素(如Cu、Cr、Ni、P等，其总质量分数在1%～5%之间)，使其在大气中具有良好耐腐蚀性能的低合金高强度钢。耐候钢具有良好的耐腐蚀性、优良的力学性能和焊接性能，广泛用于铁道车辆、建筑、桥梁和集装箱等。

1 耐候钢的国际标准

美国于1941年颁布了第一份耐候钢的标准ASTM A242，并在1968年颁布了高强度低合金结构钢标准ASTM A588，划分了两种耐候钢类型。一类是高磷含量(P的质量分数为 0.07%～0.15%)，即USS Cor-Ten A；另一类是低磷含量(P的质量分数小于0.04%)，即USS Cor-Ten B。之后在标准的使用过程中，USS Cor-Ten A的合金成分仍参考ASTM A242标准，而USS Cor-Ten B由于磷含量较低，耐腐蚀性相对较弱，该牌号被划入ASTM A588标准中。表1是根据ASTM A242[1]和ASTM A588[2]列出的常用耐候钢的化学成分。1975年，ASTM颁布了桥梁用碳素钢和高强度低合金结构钢标准ASTM A709。

表1 ASTM A242和ASTM A588标准中常用耐候钢的化学成分(质量分数)

不同国家的钢铁企业在推广销售自家产品时，对耐候钢名称的使用有所区别，但都参照了ASTM A242和ASTM A588两个标准。例如Cor-Ten钢(美国钢铁公司)、COR-TEN钢(蒂森克虏伯)、Mayari(伯利恒钢铁)、Atmofix(捷克共和国)、ENSACOR(西班牙)等。

目前，很多欧洲钢铁企业参照欧洲标准BS EN 10155:1993[3]生产耐候钢。BS EN 10155:1993根据焊接性能规定了不同耐候钢的等级和韧性要求。表2列出了BS EN10155:1993中常用耐候钢的化学成分。

表2 BS EN10155:1993标准中常用耐候钢的化学成分(质量分数)

目前，日本耐候钢的生产按照JIS G 3114:2008[4]和JIS G 3125:2010[5]执行。JIS G 3125:2010标准适用于车辆、建筑、铁塔及其他结构件使用的耐大气腐蚀性能特别优良的轧制钢材。表3为JIS G 3125:2010标准中SPA-H/SPA-C耐候结构钢的化学成分，其中Mn的质量分数上限可以根据实际应用调整为1.0%以上。

表3 JIS G 3125:2010标准中SPA-H/SPA-C耐候结构钢的化学成分(质量分数)

2 耐候钢的国内标准

目前，国内常用耐候钢标准有GB/T 4171—2008《耐候结构钢》[6]、TB/T 1979—2014《铁道车辆用耐大气腐蚀钢》[7]、T/CSM 12—2020《稀土耐候结构钢》[8]。

2.1 GB/T 4171—2008《耐候结构钢》

本标准的制定参考了国内外各类标准(包括EN 10025-5:2004《结构钢热轧产品—第5部分：改善耐大气腐蚀性结构钢交货技术条件》、ISO 4952:2006《改善耐大气腐蚀性结构钢》、ISO 5952:2005《改善耐大气腐蚀性结构用热连轧钢板》、ASTM A242《高强度低合金耐大气腐蚀钢》等)，并替代了GB/T 4171—2000《高耐候结构钢》、GB/T 4172—2000《焊接结构用耐候钢》和GB/T 18982—2003《集装箱用耐腐蚀钢板及钢带》。本标准对耐候钢进行了分类，包括高耐候钢Q295GNH(热轧)、Q355GNH(热轧)、Q265GNH(冷轧)、Q310GHN(冷轧)及焊接耐候钢热轧Q235NH、Q295NH、Q355NH、Q415NH、Q460NH、Q500NH、Q550NH等。表4为GB/T 4171—2008中常用耐候钢的化学成分。

表4 GB/T 4171—2008中常用耐候钢的化学成分(质量分数)

2.2 TB/T 1979—2014《铁道车辆用耐大气腐蚀钢》

本标准主要适用于铁道车辆用耐大气腐蚀钢的热轧和冷轧钢板、钢带及型钢。与TB/T 1979—2003《铁道车辆用耐大气腐蚀钢订货技术条件》相比，主要增加了耐大气腐蚀钢牌号表示方法，以及高强度耐大气腐蚀钢钢种等。表5为TB/T 1979—2014中常用耐候钢的化学成分。在耐候钢牌号的钢种类别中：1表示Cu、Cr、Ni类，2表示Cu、P(Cr、Ni、RE)类，3表示Cu、P、Ti(RE)类，4表示Cu、P、V(RE)类。

本标准对RE值做出了明确规定，这里RE值为成品钢材中的稀土含量。当S的质量分数≤0.010%时，可保证具有一定的稀土残余量。成品钢材的稀土元素含量与表5中规定含量的允许上偏差为0，允许下偏差-0.004 0%。

表5 TB/T 1979—2014中常用耐候钢的化学成分(质量分数)

2.3 T/CSM 12—2020《稀土耐候结构钢》

本标准于2020年6月发布并实施。我国拥有丰富的稀土资源，通过添加少量的稀土元素，调整夹杂物电极电位，降低点蚀倾向，在金属材料的基体表面形成致密稳定的氧化保护层，能有效提高材料的耐大气腐蚀性能，由此，提出了稀土耐候结构钢标准。

本标准规定了稀土耐候结构钢的尺寸、外形、重量及允许偏差、技术要求、试验方法、检验规则、包装、标志及质量证明书。在附录中提出了改善耐大气腐蚀性能钢材的附加信息、耐大气腐蚀性要求、钢铁中钇的分析方法等内容。适用于车辆、桥梁、集装箱、建筑、塔架和其他结构用具有耐大气腐蚀性能的热轧钢板和钢带、型钢和长材。

本标准对稀土耐候结构钢进行了分类，包括稀土耐候结构钢Ⅰ类：Q235RE、Q355RE和稀土耐候结构钢Ⅱ类(高耐候)：Q355GNH及稀土耐候结构钢Ⅱ类(焊接耐候)：Q235NHRE、Q355NHRE、Q390NHRE、Q420NHRE、Q460NHRE、Q500NHRE、Q550NHRE。本标准是国际上首个对稀土耐候结构钢进行明确规定的标准。提出了两类稀土耐候结构钢，一类是在普碳钢或低合金钢的基础上，通过添加少量稀土元素，在金属基体表面形成致密稳定的氧化保护层，与普通碳素结构钢相比耐大气腐蚀性能大幅度提高；另一类是在传统耐候钢基础上，通过添加少量稀土元素，可适当减少合金元素Cu、P、Cr、Ni等的含量，在金属基体表面形成致密稳定的氧化保护层，仍满足耐大气腐蚀性能要求。表6为T/CSM 12—2020中常用耐候钢的化学成分。

表6 T/CSM 12—2020中常用耐候钢的化学成分(质量分数)

3 结束语

根据耐候钢的适用范围，耐候钢的研制应以低成本、高性能、绿色化为基本路线。《稀土耐候结构钢》团体标准的发布标志着稀土耐候结构钢作为新一代的先进钢铁材料正式进入公众视野。随着耐候钢构件服役时间的延长，对其耐蚀性能的要求也越来越高。根据不同的使用环境和条件，有针对性地进行新型耐候钢的研发，充分利用我国现有的丰富资源，不断完善和优化现行标准。