在前節所述的背景下,1933年U.S.Steel公司開發了USS COR-TEN鋼。關于這項研究的開發經過雖然沒有見到過公開發表的文獻,可是根據 Carnegie-Illinois Steel Corp.研究所從事腐蝕研究鋼研究)所說:“After this investigation(指含銅鋼的ASTM暴曬試驗)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鋼作為高強度低合金鋼(后稱為HSLA)在市場上出售的鋼種,主要作為高強度結構鋼,并賦予了比含銅鋼更優秀的耐大氣腐蝕性(耐候性)。通常的碳素結構鋼的屈服強度是225MPa(約23kgf/m㎡)以上,而這種鋼的屈服強度為345 MPa(約35kgf/m㎡)以上。這種鋼的耐候性常常是碳素鋼(Cu含量≤0.02%)的4倍,是含銅鋼的2倍.裸露使用的結果以后敘述,當時在不能夠充分進行涂漆保護的貨車上成為了涂漆使用的鋼種。實際上在貨車上的應用例子較多,自銷售以來的20年間,僅應用COR-TEN鋼制造的貨車就在19萬輛以上,若加上其他公司應用同類鋼種制造的貨車已超過30萬輛以上。


  雖然同樣的耐候鋼被多數廠家生產和銷售,可是在1941年ASTM才作為標準規格制定了A242“高強度低合金鋼結構鋼”。如表2-1所示,化學成分只規定了C、Mn、P、S、Cu.COR-TEN鋼初期的化學成分(表2-1)與現用的不同。如果注意到對耐候性特別有效的元素,初期是Cu-Cr-P系,后來變成了Cu-Cr-Ni-P系。除了鎳能提高一定程度的強度,或者能防止軋制時由銅引起的缺陷之外,主要目的是在提高耐候性的同時,特別提高在一定程度的鹽分作用下的耐候性。


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  在上述鋼中所含有的相當多量的磷,在增加強度的同時與銅共存還能顯著地提高耐候性,然而對韌性有不良影響,所以通過限制碳含量或用鋁系脫氧劑細化晶粒的方法進行了處理??墒卿摬牡暮穸仍黾訒r由于拘束強的焊接而產生裂紋,所以為了適應板厚3.81cm以上結構焊接的需要,增加了把磷抑制到0.04%以下的鋼種(美國專利No.2,845,345;1958年),把它稱為COR-TEN B,把含磷高的鋼種稱為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幾乎相同。美國其他公司的耐候鋼既有高磷的鋼種,也有低磷的鋼種。


  證實耐候鋼具有優秀耐候性的大氣暴曬試驗,與其說在開發前不如說在開發后大規模展開。幾個大規模的大氣暴曬試驗是從1938~1942年開始的。常常被引用的圖2-1。是在Kearney,N.J.(工業地區)進行試驗的結果,試驗使用了初期的COR-TEN鋼。另一系列包括最初的COR-TEN鋼在內的20種鋼②的大氣暴曬試驗由 Larrabee等在Kearney,N.J.(工業地區、1938年開始)和 Kure Beach,N.C.(臨海地區,距海岸243.84m,1940年開始)進行的,1953年發表了試驗結果。并且同時發表了包括初期的COR-TEN和相當于COR-TEN兩種鋼在內的8種鋼的試驗結果(在Kearney和Kure Beach、1942年開始)。這些結果都證實了耐候鋼良好的耐蝕性,如果看8年后的數據,在Kure Beach的腐蝕比工業地區大1.5~1.6倍,開始意識到耐候鋼在海岸所具有的弱點。


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 Kure Beach 試驗場是 International Nickel 公司(INCO)1940年開設的試驗場?,F在還作為有實力的大氣暴曬場聞名于世。它面向 North Carolina 州 Wilmington附近的大西洋,分為沿海岸的離岸距離24.38m(標稱80ft)的試驗場和以路相隔離岸距離243.84m(標稱800ft)的試驗場,腐蝕性前者比后者大數倍以上。試驗材料通常與水平成30°的角度安裝在標準暴曬試驗臺上。24.38m(80ft)試驗場試驗材料大致面向東面的海,243.84m試驗場和一般的暴曬試驗相同,試驗材料面向南方。有關耐候鋼大氣暴曬試驗的數據通常是在243.84m試驗場獲得的。


 INCO公司的Copson 從1941年起把經系統地改變合金成分熔煉的13類71種鋼分別在Kure Beach(15.5年)、Block Is-land、R.I.(臨海地區,17.1年)及Bayonne,N.J.(INCO研究所,工業地區,18.1年)進行了試驗,獲得了關于Ni影響的最詳細的數據,然而無論在臨海地區、工業地區進行判斷,與Cr相比Ni影響的數據好像不是特別有效。


 關于Cu、Ni、Cr、Si、P的含量的影響,U.S.Steel公司使用了270種試驗鋼材,經15.5年在Kearney,N.J.(工業地區)、SouthBend,Pa(半田園地區)及Kure Beach(臨海地區,243.84m)進行了試驗,由此獲得的大氣暴曬試驗結果對這類試驗來說是最大規模的數據,并于1959年在倫敦召開的第一屆國際金屬腐蝕會議上發表。數據表明,少量最有效的元素是銅,而Cr、P、Si在與0.2%~0.4%Cu共存時有效。


 這個報告雖然把各種鋼的化學成分和15.5年的腐蝕量制成表詳細地表示出來,但是對結果的分析比較簡單。使用這些數據重新整理出來的各種元素效果的要點,被Bethlehem Steel公司的J.B.Horton發表了。


1943年J.C.Hudson 發表了于1928年開始的英國鋼鐵協會開展的大氣暴曬試驗結果。合金元素提高耐候性的效果,若把碳素鋼的腐蝕量作為100時,0.2%~0.5%Cu為70~80,1%Cr為60,0.6%Cr-0.5%Cu為60,1%Cr-0.5%Cu為50。


 除此以外,BISRA(British Iron and Steel Research Association)從1937年開始在Sheffield(工業地區)進行了60種鋼(除1種外均為試驗煉制)為期5年的大氣暴曬試驗,這是針對C、Mn、Cr、P、Si、Al、Ni、Mo等的效果進行的。由于在熔煉時使用了廢鋼,在幾乎所有的鋼種中都含有約0.2%的銅。試驗結果表明Cr、P、Al、Ni、Mo的效果顯著。


 雖然在美國耐候鋼已經在實際中應用,但是在1950年末以前幾乎所有的場合都把輕型化作為目的進行涂漆后使用的。涂漆大部分用在容易受到機械損傷的用途上,盡管涂漆的維護性不充分,但還是把與碳素鋼相比能夠減輕腐蝕損傷作為目標。除上述的貨車外,耐候鋼還可制造客車、卡車、拖車、農業機械、工業機械等。進行涂漆使用的場合,耐候鋼不僅在涂膜損傷后基體露出的部分腐蝕小,還顯示出比碳素鋼涂漆壽命長的特性。這是由于在涂膜損傷部分所產生的腐蝕橫向擴展使鄰接部分的涂膜劣化,腐蝕面積擴展的速度比碳素鋼慢??墒顷P于這個問題僅限于定量的實驗數據。


 Copson 和 Larrabee 針對耐候鋼(相當于COR-TEN A)分別把各種鉛丹、鋅鉻黃、氧化鐵紅作為顏料的防銹涂料噴涂到碳素鋼和耐候鋼表面,在工業地區、半田園地區、臨海地區進行了為期8年的暴曬試驗,按時間研究了生銹面積。雖然暴曬地區和涂料的種類有所不同,若把生銹面積達到2%的年數(最短兩年,最長8年以上)進行比較時,耐候鋼推遲生銹的時間是碳素鋼的1.5~4倍以上。


 該試驗的問題是,為了很快地得到結果,試驗只進行了只有底漆的低級的涂漆。例如,進行鋅鉻黃系涂漆的場合,2%生銹時間碳素鋼是2年,耐候鋼是4.5年,該結果也可以解釋為生銹時間在耐候鋼上是2.25倍或者延長2.5年。在更高級的實用中所用的涂漆,如果有2倍以上的涂漆壽命就非常有益,然而只延長2.5年就不是那么有意義。


耐候鋼的涂漆壽命延長效果在實際成績上已經很有說服力。根據資料,1951年Norfolk and Western Railway 公司用含銅鋼和COR-TEN兩種鋼制造了20輛運煤車,并追蹤調查了它們受腐蝕狀況。若注意到外面涂漆部分,在5年后的1957年,耐候鋼上進行過涂漆的涂膜與含銅鋼不同,仍處于不需要再涂漆的狀況。據說該車輛直到12年后的1963年才重新進行了涂漆,可是在1963年調查別的車輛時,涂在含銅鋼上的漆已經老化,相反在耐候鋼上的仍然良好。


 關于耐候鋼的裸露使用,有1948年U.S.Steel公司的Gary工廠在輸電鐵塔上混合在鍍鋅鋼材里試用過幾根耐候鋼角鋼的記載,然而耐候鋼最初正式被使用是在1958年動工并于1964年完工的John Deere and Company的管理樓(Moline,ILL.)上。該樓是著名的建筑家 Eero Saarinen把耐候鋼的裸露使用作為前提進行設計的,在所有的外壁、柱、百葉窗上大量地使用了耐候鋼。該公司是農機具廠家,據說喜歡裸露鐵的形象,襯托著周圍的草坪顯現出了美麗的外觀。


 以此為開端,美國在建筑物上應用耐候鋼相當盛行。1965年在Chicago的中心街上完成的31層Chicago Civic Center是大規模應用裸露耐候鋼的典型例子,外面露出的柱型、梁型、護墻板的全部結構均采用了裸露耐候鋼。


 20世紀60年代初期,裸露的耐候鋼已在美國的鐵塔上使用。根據當時的U.S.Steel公司的技術資料:1961年在Mas-sachusetts 州 Pittsfield 有1座;1962年在 Pennsylvania 州Brookville有2座,以后據說 Virginia Electric and Power Company的563.27km線路上全部輸電鐵塔都使用了裸露耐候鋼。


在橋梁上最初使用裸露耐候鋼是1964年的 Detroit的 EightMile Road 和 Highway 橋(U.S.Route 10,Michigan Highway De-partment),接著于1965年在New Jersey Turnpick,Highway橋上也被采用。


然而,在美國正如前面所敘述的那樣,把COR-TEN等耐候鋼稱為高強度低合金鋼(HSLA),一直使用了和耐候性不一定高的鋼相同的名字。對應于耐候鋼的ASTM規格是A242、B588,二者都是“高強度低合金鋼”,后者僅附記有“對于板厚100mm(4in)具有345MPa(50ksi)最小屈服強度”②.人們開始把耐候鋼用英語“weathering steel”表示的時間,僅作者所知是將其裸露使用盛行的60年代后半期以后。1968年秋,在Montreal召開的電化學學會上,U.S.Steel公司詳細地報告了耐候鋼在建筑物上的應用方法,曾經使用過“耐蝕高強度低合金鋼”這一用語,而沒有出現“weathering steel”??墒窃?971年出版的由MIT教授、H.H.Uhlig編寫的著名的教科書《腐蝕反應及其控制》第2版中,作為大氣腐蝕防止方法又看見了“so-called weathering steel”這一用語。


 在“weathering steel”這一用語引進之前,為了指定耐候鋼,常常使用COR-TEN鋼各自廠家的商品名,并且,由于最初問世的耐候鋼是COR-TEN鋼,也有不少人把耐候鋼一般稱為 COR-TEN鋼。雖然COR-TEN鋼已被日本引進、生產(后述),然而“COR-TEN鋼”直到最近仍被一部分人作為耐候鋼的代名詞使用?!坝啎鴻C”、“味精”、“家庭快信”就是與此類似的例子。


裸露使用的耐候鋼,如果使用不適當就不能獲得所期望合適的性能,并且常常發生問題。因此,1968年發表的有關其應用技術的論文,提出了如下注意事項:(1)除去軋制氧化皮;(2)除去表面上附著的油、白堊、混凝土、灰泥;(3)為了防止流經耐候鋼表面的雨水引起對混凝土的污染,建造排出雨水的通道;(4)設計成不積存雨水或凝縮水的結構,不可避免時進行涂漆,等等。