开发免涂装新型钢材：Q390级抗震耐候热轧H型钢的研究与应用

钢铁研究院

钢铁研究总院华东分院

中国建筑钢结构西南分公司

上海大学

概括

装配式建筑钢结构具有节能、环保、资源循环利用的特点，符合我国建筑未来的发展方向。然而普通钢材容易受到腐蚀，钢材表面防腐是当前钢结构设计中必须考虑的问题。由于防腐工作成本高以及除锈产生的粉尘，涂料和涂覆金属中的有机化学物质污染大气和土壤，是制约建筑钢结构发展的重要因素。因此，开发新型免涂层钢材，降低加工成本，减少环境污染，对建筑钢结构的发展具有重要意义。为此，在钢中添加Ni、Cr、Cu合金元素，以满足材料耐大气腐蚀性能的要求。结合型钢轧制工艺特点，采用V微合金化。轧后冷却过程中，V(C、N)弥散析出强化。研制了Q390级抗震耐候热轧H型钢（Q390NHD），并通过每周浸泡对比试验研究了其耐腐蚀性能。分析了长期暴露在大气中的腐蚀问题，论证了耐候钢作为装配式建筑钢结构材料的可行性。性别。

Q390NHD级钢主要化学成分范围：m(C)≤0.12%、m(Si)≤0.50%、m(Mn)≤1.50%、0.20%≤m(Ni)≤0 .65%、0.30%≤ m(Cr)≤1.25%，0.20%≤m(Cu)≤0.55%，m(V)≤0.12%；力学性能：屈服强度ReL在400MPa以上，抗拉强度Rm在560～600MPa之间，屈强比不大于0.80，短比例试样断裂后伸长率不小于25%，-20℃夏比冲击功不小于34 J/cm2，满足GB 50017-2017要求《钢结构设计标准》对钢结构构件采用了基于抗震性能的材料性能要求。在72小时每周浸泡试验中，Q390NHD钢的腐蚀率为1.665 g/(m2·h)，是普通碳钢的47.0%。其耐腐蚀性能是普通钢的两倍以上，与09CuPCrNiA相当。根据ISO 11844-1:2006标准分析，Q390NHD钢70年的腐蚀厚度，如果按照室内腐蚀性IC3级给出的腐蚀速率上限估算，总腐蚀量不会超过0.031毫米；达到IC4级时，总腐蚀量不超过0.3毫米；即使在最严重的室内腐蚀情况（IC5级）下，也不超过0.7毫米。

因此，只要适当提高腐蚀余量，在我国大部分地区，Q390NHD钢均可用于普通民用办公和住宅钢结构建筑，无需涂装。

1 概述

建国初期至1980年，我国钢铁产量缓慢增长； 1980年至2000年，是稳定增长时期； 2000年至2010年是高速增长时期。钢材市场从供大于求、供需平衡逐步发展到供大于求。我国钢结构产业政策也相应发生变化，从长期的“节约钢材”到“合理用钢”再到现在的“鼓励用钢”。目前，国家提倡大力发展建筑钢结构。

装配式建筑钢结构具有环保、节能、资源循环利用的特点，符合我国未来建筑发展的主要方向之一。然而普通钢材容易受到腐蚀，钢材表面的防腐是当前钢结构设计中必须考虑的问题。钢结构的生产和安装过程中，不可避免地要进行除锈和防腐涂装。产生的粉尘、有机化学品和涂层金属污染大气和土壤，并导致建筑钢结构成本增加。开发新型免涂层钢材可以省去防腐工作，减少环境污染，降低结构制造成本，对建筑钢结构的发展具有重要意义。为此，本文介绍了作者及其团队在该领域开展的科研工作，以及在装配式建筑钢结构项目中的初步应用，以期为从事材料领域的科技人员提供参考。耐腐蚀研究与应用。

2 研究方法

2.1 材料成分设计

本研究建筑钢结构主要材料为Q390级热轧耐候H型钢，满足-20℃冲击性能不低于34 J/cm2（质量等级相当于D级）（参考为“Q390NHD钢”），腹板厚度为6毫米，翼缘厚度为8毫米。考虑到板形控制，热轧H型钢轧后不能喷水加速冷却，只能缓慢冷却，且强度要求不太高，细晶强化和组织强化（形成板条）贝氏体铁素体或针状铁素体或贝氏体结构）不应作为重点考虑因素。因此，采用固溶强化和沉淀强化更为现实。 ASTM相关标准中，当钢材具有良好的耐大气腐蚀性能时，要求其按照标准公式计算的耐腐蚀指数I不应低于6.0。本文讨论的热轧H型钢的耐腐蚀性就是基于此。由于是断面较厚的热轧H型钢，必须考虑焊接性和冷脆性要求。因此，没有采用09CuPNiCr-A的高P含量设计。相反，这一要求是通过增加铜、铬和镍来满足的。 GB/T 4171-2008《耐候结构钢》中没有Q390强度等级，因此成分设计中Ni、Cr、Cu的添加量只能参考Q355NH和Q415NH。钢中添加上述元素后，材料的强度会增加，焊接裂纹敏感性指数Pcm也会增加。另外，C、Mn含量还需参考上述相邻强度等级的要求。 Q355NH要求m(C)≤0.16%，0.50%≤m(Mn)≤1.50%。 Q415NH要求m(C)≤0.12%，m(Mn)≤1.10%。后者的要求范围比前者窄。因此，C、Mn含量参照Q415NH确定。考虑到材料的低温冲击性能要求，P、S含量应尽可能低。沉淀强化主要考虑V(C、N)的沉淀强化。综上所述，Q390热轧耐候H型钢（Q390NHD钢）的成分设计如表1所示。

表1 Q390NHD钢成分设计（质量百分比）

按式（1）计算碳当量CEV，按式（2）计算焊接裂纹敏感指数Pcm，按式（3）计算耐大气腐蚀指数I：

(1)

(2)

I=26.01m(Cu)+3.88m(Ni)+1.20m(Cr)+1.49m(Si)+17.28m(P)-7.29m(Cu)×m(Ni)-9.10m(Ni)×m (P)-33.39[m(Cu)]2

(3)

2.2 材料生产流程

工艺路线：转炉吹炼→挡渣出钢→钢包白渣精炼（LF）炉精炼→大方坯连铸→板坯下线缓冷→型材厂热连轧→轧后空冷→矫直。

2.3 材料腐蚀试验研究方法

本研究选取工业生产的Q235普碳钢、09CuPCrNiA耐候钢和Q390NHD钢进行材料耐腐蚀性能的对比测试。试验材料的化学成分如表2所示，可以看出，Q390NHD钢的耐蚀指数在6.0以上，满足ASTM A588的要求，但低于对比材料09CuPCrNiA的I值，而普碳钢的I值小于0.50。

表2 实验室腐蚀对比试验材料化学成分（质量百分比）

根据TB/T 2375-93标准《铁路用耐候钢循环湿式腐蚀试验方法》，采用LF-65A循环轮浸腐蚀试验装置进行周期性浸没腐蚀试验。使用NaHSO3（亚硫酸氢钠）溶液，初始浓度为（1.0±0.05）×10-2mol/L。供给液浓度为(2.0±0.05)×10-2mol/L。试验温度为（45±2）℃；湿度RH为（70±5）%；每个循环周期为（60±3）min，其中浸润时间为（12±1.5）min。烘烤后样品表面最高温度为（70±10）℃。测试72小时后，取出样品，刮去少量锈产物，用含有少量六次甲基四胺和苯基三唑的酸清洗表面锈产物，酸洗后用清水冲洗干净，并用无水乙醇浸泡。 ，取出后立即用热风吹干，放入干燥器中干燥24小时，然后称量样品。

按照JY/T 009-1996《旋转靶多晶X射线衍射方法通则》的要求，采用X射线衍射仪（D/max-rA）对腐蚀锈层的物相进行定量测试定期渗透试验钢。

3研究成果

试制Q390NHD钢的显微组织如图1所示，为铁素体+少量珠光体。材料力学性能见表3，符合GB 50017-2017《钢结构设计标准》17.1.6的要求，采用基于抗震性能设计的钢结构构件材料性能要求。

a——表面； b——1/4位置； c——中心。

图1 试制Q390NHD钢的显微组织

表3 Q390NHD钢力学性能测试结果

材料的腐蚀测试结果如表4所示。可以看出，09CuPCrNiA耐候钢与本研究生产的Q390NHD钢试件的腐蚀速率接近。腐蚀率分别为普通碳钢的43.4%和47.0%。即Q390NHD钢的耐腐蚀性能是普通钢的两倍以上。三种材料的腐蚀产物中，针铁矿均占多数，其中普碳钢占一半，在本研究生产的09CuPCrNiA耐候钢和Q390NHD钢试制中占绝对多数；普碳钢腐蚀产物中磁铁矿所占比例很大，约占腐蚀产物总量的1/3，而其他两种材料则没有这样的腐蚀产物；纤铁矿所占比例较小。测试结果表明，本研究生产的Q390NHD钢试制件的耐腐蚀性能比09CuPCRNiA差，但也非常接近。

表4 腐蚀试验结果

4 分析与讨论

4.1 室内大气环境腐蚀特征及耐候钢腐蚀深度估算

大气腐蚀是水在金属表面形成水膜，并溶解大气中的氯离子、硫化物、氮氧化物等，形成电解质溶液。当空气中的氧气溶解在其中时，金属会发生电化学反应，形成氧化物。因交替潮湿条件而腐蚀。因此，大气腐蚀所需的条件包括：水、氯离子、硫化物、氮氧化物等电解质、氧气以及干湿交替的条件。与室外大气环境相比，住宅、办公场所的室内环境具有以下特点：1）室内气体成分相对稳定，电解质污染物少； 2）温度、湿度变化小，不存在高温高湿，金属结构表面水分积聚，形成水膜的情况很少； 3）无室外风雨侵蚀，金属表面易积尘但干燥，对金属腐蚀影响不大。与桥梁钢结构、塔桅结构等室外结构不同，办公、公共活动场所、住宅等使用的建筑钢结构，特别是承重结构，大多被表面装饰材料和墙体材料包围，处于封闭空间内。 。有些暴露在室内环境中。室内环境与室外环境显着不同，钢材的腐蚀速度也显着不同。

关于室内环境腐蚀问题，ISO 11844-1:2006标准在引言中指出，室内环境的腐蚀性低于室外环境，仅相当于ISO 9223室外大气腐蚀性的C1和C2级。室内大气腐蚀性分为5级，其中IC1~IC3级腐蚀性极低，对应ISO 9223中的C1级，IC4和IC5级对应9223中的ISO C2级，如表5所示，同时给出了标准中相应腐蚀级别对应的普碳钢腐蚀速率范围。

表5 ISO 11844-1和ISO 9223提供的普碳钢腐蚀数据

本研究室的对比腐蚀试验（表4）表明，普通碳钢的腐蚀速率是Q390NHD的2倍以上。因此，根据室内最高腐蚀等级IC5的腐蚀速率上限19.11 μm/(m2·a)计算，普通碳钢的总腐蚀量为1.338 mm，总腐蚀量Q390NHD钢在70a时不超过0.669毫米。文献研究了古巴室内环境腐蚀问题，得出室内腐蚀等级为IC3至IC4。事实上，古巴属热带海洋性气候，气温高、湿度大、氯离子含量高。相应的室内温度和湿度较高，空气流通时室内氯离子浓度也较高。相比之下，我国大部分地区的气温、湿度、氯离子含量均低于古巴。相应地，室内环境的腐蚀性也应较小。按照IC5级，我国室内钢材的腐蚀速率估计为高，按照IC3级，腐蚀速率为中。腐蚀性考虑是适当的。按IC3给出的腐蚀速率上限0.8917μm/(m2·a)计算，普通碳钢70年的总腐蚀量为0.062mm。根据耐腐蚀性能是普通碳钢的2倍计算。相应地，Q390NHD钢70a的腐蚀总量不得超过0.031mm。因此，耐候钢在室内腐蚀时，70年内大多数情况下总腐蚀量小于0.1毫米。当室内腐蚀达到IC4级时，总腐蚀量不超过0.3毫米。最严重IC5级最严重时，总腐蚀量不超过0.7毫米。 。因此，只要适当提高腐蚀裕度，我国大部分地区的普通民用办公和住宅钢结构建筑无需涂漆即可使用耐候钢。

4.2 耐候钢材料耐腐蚀性能及腐蚀深度预测研究成果

美国标准ASTM G101-04（2010年版）中钢材大气腐蚀速率的计算公式如下：

C=AtB

(4)

式中：C为受试钢种暴露于室外大气环境B年内的累积腐蚀量； A为该钢种第一年的腐蚀量； B是时间，a.系数A和B受两个因素影响。第一个因素是材料本身的耐腐蚀性，这与材料的化学成分和内部微观结构有关。第二个因素是钢材所处的大气环境。相关文献对多种材料进行了长期户外大气暴露腐蚀试验。表6为相关文献中武汉工业大气环境的材料腐蚀数据以及由此得出的70年表面腐蚀深度预测结果。可见，材料70年腐蚀表层厚度不超过0.30毫米。因此，在结构设计时增加腐蚀裕量，可以满足建筑钢结构的耐腐蚀要求。本研究中Q390NHD的成分与10CrCuSiV比较接近，因此在相同的室外环境下，其70a腐蚀量不应超过0.3mm。

表6 相关文献数据及给定参数A和B预测的70-a腐蚀深度

4.3 建筑钢结构免涂漆使用耐候钢的经济分析

从以上分析可以看出，采用耐候钢时，70年内室内腐蚀总量不超过0.3毫米。考虑到实际生产厚度控制波动，在设计厚度基础上增加0.6毫米就足够了。对于设计钢材厚度为4毫米、用钢量为50公斤/平方米的钢结构，当采用无涂层耐候钢并增加0.6毫米腐蚀余量时，用钢量增加7.5公斤/平方米（增长15%），考虑到耐候钢采购成本比普通钢材高1000元/吨，单位面积钢材采购成本增加50.34元/平方米。普通钢结构喷漆包括喷砂、除锈和涂装两部分。成本不低于2000元/吨。折算为单位建筑面积，该部分造价为100元/平方米。因此，保守估计，当建筑钢结构采用耐候钢作为主要材料时，省去涂漆所节省的成本近50元/m2，且截面越厚，节省成本越明显。由此带来的好处是不可估量的。

5 工程应用

从以上分析可见，将耐候钢应用于建筑钢结构，实现免涂漆、少维护，不仅在工程上可行，而且将带来经济效益和社会效益。同时，开发了与建筑用耐候钢相匹配的耐候钢螺栓，并选用合适的耐候钢焊接材料，解决了连接问题。

利用研制的Q390NHD型钢及配套材料，在四川某地建造了一座低层示范农舍，如图2所示。此后，其开发和推广的耐候钢，以及配套的8.8级耐候钢螺栓和J506NH焊接材料，成功应用于低层钢结构住宅建筑的施工，如图3所示，取得了良好的效果。

a—Q390NHD钢材原材料； b——钢结构加工； c——钢结构安装； d——已竣工的房屋。

图2 免漆建筑钢结构示范工程

a——室内结构； b——建筑外观。

图3 免漆建筑钢结构推广项目

5 结论

1）采用V微合金化设计，添加Ni、Cr、Cu等元素，成功研制出Q390抗震耐候热轧H型钢。

2）Q390级抗震耐候热轧H型钢材料在72 h周浸泡试验中腐蚀率为1.665 g/(m2·h)。其耐腐蚀性能接近09CuPCrNiA钢，是普通碳钢的两倍以上。

3）建筑钢结构可采用Q390级抗震耐候热轧H型钢，满足免涂漆的要求。

4）开发的耐候钢及配套材料已成功应用于低层钢结构住宅的建设。

资料来源：范建文、孙国强、高永刚等。装配式建筑钢结构用耐腐蚀钢材的腐蚀研究及工程应用[J].钢结构（中英文），2021, 36(3): 52-57.

doi: 10.13206/j.gjgS20021001