什么是不銹鋼?

 

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具有60年發展歷程的現代材料

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自本世紀初發明不銹鋼以來,不銹鋼就把現代材料的形象和建筑應用中的卓越聲譽集于一身,使其競爭對手羨慕不已。
只要鋼種選擇的正確,加工適當,保養合適,不銹鋼不會產生腐蝕、點蝕、銹蝕或磨損。不銹鋼還是建筑用金屬材料中強度最高的材料之一。由于不銹鋼具有良好的耐腐蝕性,所以它能使結構部件永久地保持工程設計的完整性。含鉻不銹鋼還集機械強度和高延伸性于一身,易于部件的加工制造,可滿足建筑師和結構設計人員的需要。
在建筑、大樓和結構的行業中,不銹鋼成功的關鍵是其具有良好的耐腐蝕性能。
不銹鋼為什么耐腐蝕?
所有金屬都和大氣中的氧氣進行反應,在表面形成氧化膜。不幸的是,在普通碳鋼上形成的氧化鐵繼續進行氧化,使銹蝕不斷擴大,最終形成孔洞?梢岳糜推峄蚰脱趸慕饘伲ɡ,鋅,鎳和鉻)進行電鍍來保證碳鋼表面,但是,正如人們所知道的那樣,這種保護僅是一種薄膜。如果保護層被破壞,下面的鋼便開始銹蝕。
不銹鋼的耐腐蝕性取決于鉻,但是因為鉻是鋼的組成部分之一,所以保護方法不盡相同。
在鉻的添加量達到10.5%時,鋼的耐大氣腐蝕性能顯著增加,但鉻含量更高時,盡管仍可提高耐腐蝕性,但不明顯。原因是用鉻對鋼進行合金化處理時,把表面氧化物的類型改變成了類似于純鉻金屬上形成的表面氧化物。這種緊密粘附的富鉻氧化物保護表面,防止進一步地氧化。這種氧化層極薄,透過它可以看到鋼表面的自然光澤,使不銹鋼具有獨特的表面。而且,如果損壞了表層,所暴露出的鋼表面會和大氣反應進行自我修理,重新形成這種"鈍化膜",繼續起保護作用。
因此,所有的不銹鋼都具有一種共同的特性,即鉻含量均在10.5%以上。
不銹鋼的類型
"不銹鋼"一詞不僅僅是單純指一種不銹鋼,而是表示一百多種工業不銹鋼,所開發的每種不銹鋼都在其特定的應用領域具有良好的性能。成功的關鍵首先是要弄清用途,然后再確定正確的鋼種。有關不銹鋼的進一步詳細情況可參見由NiDI編制的"不銹鋼指南"軟盤。
幸而和建筑構造應用領域有關的鋼種通常只有六種。它們都含有17~22%的鉻,較好的鋼種還含有鎳。添加鉬可進一步改善大氣腐蝕性,特別是耐含氯化物大氣的腐蝕。

 

鋼種   典型鋼成分
430  17%Cr   0.07%C  
304L  18%Cr 10%Ni 0.03%C  
304  18%Cr 10%Ni 0.06%C  
316L  17%Cr 12%Ni 0.03%C 2.5%Mo
316  17%Cr 12%Ni 0.06%C 2.5%Mo
2205  22%Cr 5.5%Ni 0.03%C 3%Mo

耐大氣腐蝕
經驗表明,大氣的腐蝕程度因地域而異。為便于說明,建議把地域分成四類,即:鄉村,城市,工業區和沿海地區。
鄉村是基本上無污染的區域。該區人口密度低,只有無污染的工業。
城市為典型的居住、商業和輕工業區,該區內有輕度污染,例如交通污染。
工業區為重工業造成大氣污染的區域。污染可能是由于燃油所形成的氣體,例如硫和氮的氧化物,或者是化工廠或加工廠釋放的其它氣體?諝庵袘矣蔚念w粒,像鋼鐵生產過程中產生的灰塵或氧化鐵的沉積也會使腐蝕增加。
沿海地區通常指的是距海邊一英里以內的區域。但是,海洋大氣可以向內陸縱深蔓延,在海島上更是如此,盛行風來自海洋,而且氣候惡劣。例如,英國氣候條件就是如此,所以整個國家都屬于沿海區域。如果風中夾雜著海洋霧氣,特別是由于蒸發造成鹽沉積集聚,再加上雨水少,不經常被雨水沖刷,沿海區域的條件就更加不利。如果還有工業污染的話,腐蝕性就更大。
美國、英國、法國、意大利、瑞典和澳大利亞所進行的研究工作已經確定了這些區域對各種不銹鋼耐大氣腐蝕的影響。有關內容在NiIDI出版的《建筑師便覽》中作了簡單介紹,該書中的表可以幫助設計人員為各種區域選擇成本效益最好的不銹鋼。
在進行選擇時,重要的是確定是否還有當地的因素影響使用現場環境。例如,不銹鋼用在工廠煙囪的下方,用在空調排氣擋板附近或廢鋼場附近,會存在非一般的條件。
維修及清理
和其它曝露于大氣中的材料一樣,不銹鋼也會臟。今后的講座將分析影響維修及清理成本的設計因素。但是,在雨水沖刷,人工沖洗和已臟表面之間還存在著一種相互關系。
通過把相同的板條直接放在大氣中和放在有棚的地方確定了雨水沖刷的效果。人工沖洗的效果是通過人工用海綿沾上肥皂水每隔六個月擦洗每塊板條的右邊來確定的。結果發現,與放在有棚的地方和不被沖洗的地方的板條相比,通過雨水沖刷和人工擦洗去除表面的灰塵和淤積對表面情況有良好的作用。而且還發現,表面加工的狀況也有影響,表面平滑的板條比表面粗糙的板條效果要好。
因此洗刷的間隔時間受多種因素影響,主要的影響因素是所要求的審美標準。雖然許多不銹鋼幕墻僅僅是在擦玻璃時才進行沖洗,但是,一般來講,用于外部的不銹鋼每年洗刷兩次。
典型用途
大多數的使用要求是長期保持建筑物的原有外貌。在確定要選用的不銹鋼類型時,主要考慮的是所要求的審美標準、所在地大氣的腐蝕性以及要采用的清理制度。
然而,其它應用越來越多的只是尋求結構的完整性或不透水性。例如,工業建筑的屋頂和側墻。在這些應用中,物主的建造成本可能比審美更為重要,表面不很干凈也可以。
在干燥的室內環境中使用430不銹鋼效果相當好。但是,在鄉村和城市要想在戶外保持其外觀,就需經常進行清洗。在污染嚴重的工業區和沿海地區,表面會非常臟,甚至產生銹蝕。但要獲得戶外環境中的審美效果,就需采用含鎳不銹鋼。所以,304不銹鋼廣泛用于幕墻、側墻、屋頂及其它建筑用途,但在侵蝕性嚴重的工業或海洋大氣中,最好采用316不銹鋼。
現在,人們已充分認識到了在結構應用中使用不銹鋼的優越性。有幾種設計準則中包括了304和316不銹鋼。因為"雙相"不銹鋼2205已把良好的耐大氣腐蝕性能和高抗拉強度及彈限強度融為一體,所以,歐洲準則中也包括了這種鋼。
產品形狀
實際上,不銹鋼是以全標準的金屬形狀和尺寸生產制造的,而且還有許多特殊形狀。最常用的產品是用薄板和帶鋼制成的,見下圖所示。

建筑應用中不銹鋼的厚度
  標準線規 mm
  10 3.25
    門擋板和框架
  12 2.64
雨水擋板    
  14 2.03
照明燈用柱   室內柱子的包殼
  16 1.62
無襯板    
  18 1.22
    窗臺
  20 0.91
異型屋頂和側墻    
  22 0.71
    防滑條、卡子
  24 0.56
復合型材和板    
  26 0.38排水槽,外露式防雨板
手制屋頂材料    
  28 0.27

也用中厚板生產特殊產品,例如,生產熱軋結構型鋼和擠壓結構型鋼。而且還有圓型、橢圓型、方型、矩型和六角型焊管或無縫鋼管及其它形式的產品,包括型材、棒材、線材和鑄件。
表面狀態
正如后面將談到的,為了滿足建筑師們美學的要求,已開發出了多種不同的商用表面加工。例如,表面可以是高反射的或者無光澤的;可以是光面的、拋光的或壓花的;可以是著色的、彩色的、電鍍的或者在不銹鋼表面蝕刻有圖案,以滿足設計人員對外觀的各種要求。
保持表面狀態是容易的。只需偶爾進行沖洗就能去除灰塵。由于耐腐蝕性良好,也可以容易地去除表面的涂寫污染或類似的其它表面污染。
設計
六十多年以來,建筑師們一直選用不銹鋼來建造成本效益好的永久性建筑物,F有的許多建筑物充分說明了這種選擇的正確性。有些是非常具有觀賞性的,如紐約市的Chrysler大廈。但在許多其它應用中,不銹鋼所起的作用不是那么引人注目,可是在建筑物的美學和性能方面卻起著重要作用。例如,由于不銹鋼比其它相同厚度的金屬材料更具有耐磨性和耐壓痕性,所以在人口流動量大的地方修建人行道時,它是設計人員的首選材料。
不銹鋼用作建造新的建筑物和用來修復歷史名勝古跡的結構材料已有70多年了。早期的設計是按照基本原則進行計算的。今天,設計規范,例如,美國土木工程師學會的標準ANSI/ASCE-8-90"冷成型不銹鋼結構件設計規范"和NiDI與Euro Inox聯合出版的"結構不銹鋼設計手冊"已簡化了使用壽命長,完整性好的建筑用結構件的設計。
未來展望
由于不銹鋼已具備建筑材料所要求的許多理想性能,它在金屬中可以說是獨一無二的,而其發展仍在繼續。為使不銹鋼在傳統的應用中性能更好,一直在改進現有的類型,而且,為了滿足高級建筑應用的嚴格要求,正在開發新的不銹鋼。由于生產效率不斷提高,質量不斷改進,不銹鋼已成為建筑師們選擇的最具有成本效益的材料之一。
不銹鋼集性能、外觀和使用特性于一身,所以不銹鋼仍將是世界上最佳的建筑材料之一。

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