在前节所述的背景下,1933年U.S.Steel公司开发了USS COR-TEN钢。关于这项研究的开发经过虽然没有见到过公开发表的文献,可是根据 Carnegie-Illinois Steel Corp.研究所从事腐蚀研究钢研究)所说:“After this investigation(指含铜钢的ASTM暴晒试验)nothing more was done on the subject in the United States until in1929,when work was started that resulted in the commercial intro-duction, in 1933-5, of high-strength,low-alloy steels”°
COR-TEN钢作为高强度低合金钢(后称为HSLA)在市场上出售的钢种,主要作为高强度结构钢,并赋予了比含铜钢更优秀的耐大气腐蚀性(耐候性)。通常的碳素结构钢的屈服强度是225MPa(约23kgf/m㎡)以上,而这种钢的屈服强度为345 MPa(约35kgf/m㎡)以上。这种钢的耐候性常常是碳素钢(Cu含量≤0.02%)的4倍,是含铜钢的2倍.裸露使用的结果以后叙述,当时在不能够充分进行涂漆保护的货车上成为了涂漆使用的钢种。实际上在货车上的应用例子较多,自销售以来的20年间,仅应用COR-TEN钢制造的货车就在19万辆以上,若加上其他公司应用同类钢种制造的货车已超过30万辆以上。
虽然同样的耐候钢被多数厂家生产和销售,可是在1941年ASTM才作为标准规格制定了A242“高强度低合金钢结构钢”。如表2-1所示,化学成分只规定了C、Mn、P、S、Cu.COR-TEN钢初期的化学成分(表2-1)与现用的不同。如果注意到对耐候性特别有效的元素,初期是Cu-Cr-P系,后来变成了Cu-Cr-Ni-P系。除了镍能提高一定程度的强度,或者能防止轧制时由铜引起的缺陷之外,主要目的是在提高耐候性的同时,特别提高在一定程度的盐分作用下的耐候性。
在上述钢中所含有的相当多量的磷,在增加强度的同时与铜共存还能显著地提高耐候性,然而对韧性有不良影响,所以通过限制碳含量或用铝系脱氧剂细化晶粒的方法进行了处理。可是钢材的厚度增加时由于拘束强的焊接而产生裂纹,所以为了适应板厚3.81cm以上结构焊接的需要,增加了把磷抑制到0.04%以下的钢种(美国专利No.2,845,345;1958年),把它称为COR-TEN B,把含磷高的钢种称为COR-TEN A.COR-TEN B包括在1968年制定的ASTM A588(表2-1)中,可是耐候性和COR-TEN A几乎相同。美国其他公司的耐候钢既有高磷的钢种,也有低磷的钢种。
证实耐候钢具有优秀耐候性的大气暴晒试验,与其说在开发前不如说在开发后大规模展开。几个大规模的大气暴晒试验是从1938~1942年开始的。常常被引用的图2-1。是在Kearney,N.J.(工业地区)进行试验的结果,试验使用了初期的COR-TEN钢。另一系列包括最初的COR-TEN钢在内的20种钢②的大气暴晒试验由 Larrabee等在Kearney,N.J.(工业地区、1938年开始)和 Kure Beach,N.C.(临海地区,距海岸243.84m,1940年开始)进行的,1953年发表了试验结果。并且同时发表了包括初期的COR-TEN和相当于COR-TEN两种钢在内的8种钢的试验结果(在Kearney和Kure Beach、1942年开始)。这些结果都证实了耐候钢良好的耐蚀性,如果看8年后的数据,在Kure Beach的腐蚀比工业地区大1.5~1.6倍,开始意识到耐候钢在海岸所具有的弱点。
Kure Beach 试验场是 International Nickel 公司(INCO)1940年开设的试验场。现在还作为有实力的大气暴晒场闻名于世。它面向 North Carolina 州 Wilmington附近的大西洋,分为沿海岸的离岸距离24.38m(标称80ft)的试验场和以路相隔离岸距离243.84m(标称800ft)的试验场,腐蚀性前者比后者大数倍以上。试验材料通常与水平成30°的角度安装在标准暴晒试验台上。24.38m(80ft)试验场试验材料大致面向东面的海,243.84m试验场和一般的暴晒试验相同,试验材料面向南方。有关耐候钢大气暴晒试验的数据通常是在243.84m试验场获得的。
INCO公司的Copson 从1941年起把经系统地改变合金成分熔炼的13类71种钢分别在Kure Beach(15.5年)、Block Is-land、R.I.(临海地区,17.1年)及Bayonne,N.J.(INCO研究所,工业地区,18.1年)进行了试验,获得了关于Ni影响的最详细的数据,然而无论在临海地区、工业地区进行判断,与Cr相比Ni影响的数据好像不是特别有效。
关于Cu、Ni、Cr、Si、P的含量的影响,U.S.Steel公司使用了270种试验钢材,经15.5年在Kearney,N.J.(工业地区)、SouthBend,Pa(半田园地区)及Kure Beach(临海地区,243.84m)进行了试验,由此获得的大气暴晒试验结果对这类试验来说是最大规模的数据,并于1959年在伦敦召开的第一届国际金属腐蚀会议上发表。数据表明,少量最有效的元素是铜,而Cr、P、Si在与0.2%~0.4%Cu共存时有效。
这个报告虽然把各种钢的化学成分和15.5年的腐蚀量制成表详细地表示出来,但是对结果的分析比较简单。使用这些数据重新整理出来的各种元素效果的要点,被Bethlehem Steel公司的J.B.Horton发表了。
1943年J.C.Hudson 发表了于1928年开始的英国钢铁协会开展的大气暴晒试验结果。合金元素提高耐候性的效果,若把碳素钢的腐蚀量作为100时,0.2%~0.5%Cu为70~80,1%Cr为60,0.6%Cr-0.5%Cu为60,1%Cr-0.5%Cu为50。
除此以外,BISRA(British Iron and Steel Research Association)从1937年开始在Sheffield(工业地区)进行了60种钢(除1种外均为试验炼制)为期5年的大气暴晒试验,这是针对C、Mn、Cr、P、Si、Al、Ni、Mo等的效果进行的。由于在熔炼时使用了废钢,在几乎所有的钢种中都含有约0.2%的铜。试验结果表明Cr、P、Al、Ni、Mo的效果显著。
虽然在美国耐候钢已经在实际中应用,但是在1950年末以前几乎所有的场合都把轻型化作为目的进行涂漆后使用的。涂漆大部分用在容易受到机械损伤的用途上,尽管涂漆的维护性不充分,但还是把与碳素钢相比能够减轻腐蚀损伤作为目标。除上述的货车外,耐候钢还可制造客车、卡车、拖车、农业机械、工业机械等。进行涂漆使用的场合,耐候钢不仅在涂膜损伤后基体露出的部分腐蚀小,还显示出比碳素钢涂漆寿命长的特性。这是由于在涂膜损伤部分所产生的腐蚀横向扩展使邻接部分的涂膜劣化,腐蚀面积扩展的速度比碳素钢慢。可是关于这个问题仅限于定量的实验数据。
Copson 和 Larrabee 针对耐候钢(相当于COR-TEN A)分别把各种铅丹、锌铬黄、氧化铁红作为颜料的防锈涂料喷涂到碳素钢和耐候钢表面,在工业地区、半田园地区、临海地区进行了为期8年的暴晒试验,按时间研究了生锈面积。虽然暴晒地区和涂料的种类有所不同,若把生锈面积达到2%的年数(最短两年,最长8年以上)进行比较时,耐候钢推迟生锈的时间是碳素钢的1.5~4倍以上。
该试验的问题是,为了很快地得到结果,试验只进行了只有底漆的低级的涂漆。例如,进行锌铬黄系涂漆的场合,2%生锈时间碳素钢是2年,耐候钢是4.5年,该结果也可以解释为生锈时间在耐候钢上是2.25倍或者延长2.5年。在更高级的实用中所用的涂漆,如果有2倍以上的涂漆寿命就非常有益,然而只延长2.5年就不是那么有意义。
耐候钢的涂漆寿命延长效果在实际成绩上已经很有说服力。根据资料,1951年Norfolk and Western Railway 公司用含铜钢和COR-TEN两种钢制造了20辆运煤车,并追踪调查了它们受腐蚀状况。若注意到外面涂漆部分,在5年后的1957年,耐候钢上进行过涂漆的涂膜与含铜钢不同,仍处于不需要再涂漆的状况。据说该车辆直到12年后的1963年才重新进行了涂漆,可是在1963年调查别的车辆时,涂在含铜钢上的漆已经老化,相反在耐候钢上的仍然良好。
关于耐候钢的裸露使用,有1948年U.S.Steel公司的Gary工厂在输电铁塔上混合在镀锌钢材里试用过几根耐候钢角钢的记载,然而耐候钢最初正式被使用是在1958年动工并于1964年完工的John Deere and Company的管理楼(Moline,ILL.)上。该楼是著名的建筑家 Eero Saarinen把耐候钢的裸露使用作为前提进行设计的,在所有的外壁、柱、百叶窗上大量地使用了耐候钢。该公司是农机具厂家,据说喜欢裸露铁的形象,衬托着周围的草坪显现出了美丽的外观。
以此为开端,美国在建筑物上应用耐候钢相当盛行。1965年在Chicago的中心街上完成的31层Chicago Civic Center是大规模应用裸露耐候钢的典型例子,外面露出的柱型、梁型、护墙板的全部结构均采用了裸露耐候钢。
20世纪60年代初期,裸露的耐候钢已在美国的铁塔上使用。根据当时的U.S.Steel公司的技术资料:1961年在Mas-sachusetts 州 Pittsfield 有1座;1962年在 Pennsylvania 州Brookville有2座,以后据说 Virginia Electric and Power Company的563.27km线路上全部输电铁塔都使用了裸露耐候钢。
在桥梁上最初使用裸露耐候钢是1964年的 Detroit的 EightMile Road 和 Highway 桥(U.S.Route 10,Michigan Highway De-partment),接着于1965年在New Jersey Turnpick,Highway桥上也被采用。
然而,在美国正如前面所叙述的那样,把COR-TEN等耐候钢称为高强度低合金钢(HSLA),一直使用了和耐候性不一定高的钢相同的名字。对应于耐候钢的ASTM规格是A242、B588,二者都是“高强度低合金钢”,后者仅附记有“对于板厚100mm(4in)具有345MPa(50ksi)最小屈服强度”②.人们开始把耐候钢用英语“weathering steel”表示的时间,仅作者所知是将其裸露使用盛行的60年代后半期以后。1968年秋,在Montreal召开的电化学学会上,U.S.Steel公司详细地报告了耐候钢在建筑物上的应用方法,曾经使用过“耐蚀高强度低合金钢”这一用语,而没有出现“weathering steel”。可是在1971年出版的由MIT教授、H.H.Uhlig编写的著名的教科书《腐蚀反应及其控制》第2版中,作为大气腐蚀防止方法又看见了“so-called weathering steel”这一用语。
在“weathering steel”这一用语引进之前,为了指定耐候钢,常常使用COR-TEN钢各自厂家的商品名,并且,由于最初问世的耐候钢是COR-TEN钢,也有不少人把耐候钢一般称为 COR-TEN钢。虽然COR-TEN钢已被日本引进、生产(后述),然而“COR-TEN钢”直到最近仍被一部分人作为耐候钢的代名词使用。“订书机”、“味精”、“家庭快信”就是与此类似的例子。
裸露使用的耐候钢,如果使用不适当就不能获得所期望合适的性能,并且常常发生问题。因此,1968年发表的有关其应用技术的论文,提出了如下注意事项:(1)除去轧制氧化皮;(2)除去表面上附着的油、白垩、混凝土、灰泥;(3)为了防止流经耐候钢表面的雨水引起对混凝土的污染,建造排出雨水的通道;(4)设计成不积存雨水或凝缩水的结构,不可避免时进行涂漆,等等。