你是否见过钢结构表面完全被锈迹覆盖的建筑或桥梁？或许你会对此产生合理的担忧：“锈成这样了还安全吗？”但是仔细观察便会发现，与常见的斑驳且疏松的铁锈不同，这种钢材的锈层均匀且致密。不用担心！这其实是一种耐大气腐蚀性能优异的结构材料——耐候钢，也称为耐大气腐蚀钢或Corten钢。耐候钢是在普碳钢的成分基础上加入一定数量的合金元素得到的，如Cu、P、Cr、Ni等。耐候钢的耐大气腐蚀性能是普碳钢的2~8倍，可以用于制造桥梁、建筑、塔架、铁道车辆、集装箱等长期暴露在大气中使用的钢结构。此外，裸露的耐候钢呈现出别具一格的锈色外观，因散发着工业气息，承载着历史的厚重感，使其成为外墙装饰、景观雕塑的特色选材。

▲1. 美国约翰迪尔总部，该建筑于1964年落成。这是耐候钢在建筑中的首次应用。（来源：Quad-City Times）

▲2. 国科大雁栖湖校区中丹科教中心大楼。外墙安装多向编织状耐候钢遮阳屏实现对自然光的有效利用。（来源：“中国科学院大学”微信公众号）

▲3. 拉林铁路藏木雅鲁藏布江特大桥，主跨430米，是世界同类型铁路桥梁中钢管拱跨度最大的桥，钢管桁架在设计中采用了免涂装耐候钢，系国内首座免涂装耐候钢铁路大桥。（来源：视觉中国）

▲4. 绵阳市北川县“5·12”汶川特大地震纪念馆。外墙采用暗红色耐候钢板，犹如定格在大地上的裂缝。（来源：视觉中国）

耐候钢与普碳钢的锈层是不同的，这导致了它们耐蚀性能存在差异。普碳钢的锈层为双层结构，外层为γ-FeOOH，内层为Fe3O4和FeOOH混合锈层。锈层包含许多空隙和微裂纹且容易脱落，因此腐蚀会一直在普碳钢的表面发生。耐候钢中添加的Cu、P、Cr、Ni等合金元素改变了锈层的成分和结构，促进了内层α-FeOOH的形成，而抑制了疏松的Fe3O4的形成。α-FeOOH晶体呈纤细针状且紧密堆积，该锈层具有保护特性。因此暴露在户外大气环境中的耐候钢表面随着时间的推移会形成保护性锈层。这层密实的铁锈就像给耐候钢穿上了一件防护服，有效阻滞腐蚀介质向钢材内部的渗入和传输，防止腐蚀进一步发展。所以说“以锈治锈”就是耐候钢的耐蚀秘诀。

▲ (a) Q235普碳钢和 (b) Q450NQR1耐候钢在南沙海洋大气环境中暴晒2个月后朝天面的宏观形貌。（来源：刘雨薇等. 金属学报. 56 (2020), 1247-1254.） (c) 普碳钢与 (d) 耐候钢的锈层结构比较。（作者自绘） (e) Fe3O4和 (f) α-FeOOH的微观形貌。（来源：J. Alcántara, et al. MATER CHARACT. 118 (2016), 65-78.）

耐候钢上保护性锈层的形成是一个逐渐稳定的过程，锈层往往需要几年时间才能达到稳定状态，也就是腐蚀速率基本恒定不随时间变化的状态。锈层的稳定时间受暴露时间、大气腐蚀性、干/湿循环类型等因素影响。在某些条件下，保护性锈层的形成可能非常缓慢，甚至可能永远不会形成。然而，更短的稳定时间并不意味着锈层具有更强的保护性。直接裸露使用的耐候钢在初始阶段通常会出现颜色不均匀和锈液流挂等现象，不仅影响美观，还会造成环境污染。锈层稳定化处理，也就是“做锈”可以缩短保护性锈层的稳定时间。锈层稳定化处理就是在出厂前或工程现场对钢材及其构件进行预先处理，以加快表面稳定锈层的形成。主要方法有稳定化处理剂、周期喷水法等。稳定化处理剂的种类较多，基本原理是促进锈层内α-FeOOH的形成同时阻挡腐蚀产物流出。在耐候钢表面喷涂锈层稳定化处理剂后只需要进行周期为几天的干湿循环，就可以得到均匀的稳定锈层。周期喷水法是对喷砂除锈后的表面进行每天多次洒水处理，而且要维持几个月的干湿循环，但是这种方法不会对影响环境。比如，为了保护西藏环境，藏木雅鲁藏布江特大桥的施工就采用了周期喷水法。

▲1. 藏木大桥免涂装耐候钢周期喷水锈层稳定化处理。（来源：桥梁杂志）

▲2. 耐候钢的锈层稳定化处理过程中外观的变化。（来源：PatioMate）

▲3. 耐候钢在40年间的颜色变化示意图。（来源：MIA studio）

目前，我国工程结构用钢还是以普碳钢为主，常以镀锌工艺实现对大气腐蚀的防护。镀锌钢的使用面临以下问题：镀锌工艺污染较重，能耗较高，成本较高；运输和安装过程中不可避免的碰撞磨损导致局部镀层破损；使用过程中由于高温、高湿、风沙等原因导致局部锌层脱落锈蚀，并对周边环境造成污染；耐久性较低，必须定期监测和重新涂装修复，后期运维成本较高。这些不利因素制约了镀锌钢的发展。与镀锌钢相比较耐候钢有以下优势：只添加少量合金元素，无须改变冶炼工艺；力学性能保持不变的情况下耐蚀性能提高；可以在干燥、空气污染较轻或非海洋大气环境下无涂装使用，减少镀锌带来的环境污染，降低成本，缩短生产周期，节约后期维护费用；耐蚀性好，表面保护性绣层均匀稳定，不易磨损失效，寿命更长。

▲耐候钢在输电铁塔、光伏支架等领域逐步替代镀锌钢。（来源：网络）

2021年12月29日，工业和信息化部、科技部、自然资源部等三部委联合发布的《“十四五”原材料工业发展规划》提出，面对资源能源和生态环境的强约束，碳达峰碳中和的硬任务，钢铁工业的绿色安全发展任务十分紧迫。因此，免涂装耐候钢的研发对于工程结构用钢的发展意义重大。随着未来耐候钢的应用越来越广泛，人们的环境保护意识越来越强，相信会有更多的人了解并欣赏这“以锈为美”的耐候钢。

参考资料

[1] 柯伟, 董俊华. 有关耐候钢的那些事儿. 中国公路 (2016), 29-32.

[2] 刘国超, 董俊华, 韩恩厚, 柯伟. 耐候钢锈层研究进展. 腐蚀科学与防护技术 (2006), 268-272.

[3] 梁吉连, 周承军, 江伟, 杨松. 耐蚀钢在光伏支架中的应用. 中国新技术新产品 (2018), 75-76.

[4] 刘雨薇, 赵洪涛, 王振尧. 碳钢和耐候钢在南沙海洋大气环境中的初期腐蚀行为. 金属学报. 56 (2020), 1247-1254.

[5] 毛新平, 武会宾, 汤启波. 我国桥梁结构钢的发展与创新. 现代交通与冶金材料. 1 (2021), 1-5.

[6] Daniel De La Fuente. Weathering Steels. Encyclopedia of Materials: Metals and Alloys (2022), 129-139.

[7] J. Alcántara, B. Chico, J. Simancas, I. Díaz, D. de la Fuente, M. Morcillo. An attempt to classify the morphologies presented by different rust phases formed during the exposure of carbon steel to marine atmospheres. MATER CHARACT. 118 (2016), 65-78.

[8] Y. Wang, X. Mu, Z. Chen, Z. Lin, J. Dong, E.F. Daniel, J. Qi, W. Ke. Understanding the role of alloyed Cu and P in the initial rust composition of weathering steel formed in a simulated coastal-industrial atmosphere. CORROS SCI. 193 (2021), 109912.

[9] Y. Wang, X. Mu, J. Dong, A.J. Umoh, W. Ke. Insight into atmospheric corrosion evolution of mild steel in a simulated coastal atmosphere. J MATER SCI TECHNOL. 76 (2021), 41-50.

[10] M. Morcillo, I. Díaz, H. Cano, B. Chico, D. de la Fuente. Atmospheric corrosion of weathering steels. Overview for engineers. Part I: Basic concepts. CONSTR BUILD MATER. 213 (2019), 723-737.