最近（昭和59年5月1日），耐候鋼的JIS標準按涂漆使用的鋼種和裸露使用的鋼種兩部分進行了修訂。耐候鋼原來是為了使表面生成的銹保護鋼不受大氣腐蝕而生產的，所以裸露使用是既定方針。可是，由于不愿意看到在銹穩定之前的數年間銹的飛散、銹汁所引起的污染及表面色調不均勻等，人們往往在耐候鋼上涂漆。在涂漆和裸露使用上，鋼的化學成分是否相同，這個問題一直在進行討論。然而搞清楚了這一問題對日本約30年的耐候鋼歷史來說的確是劃時代的事件。由于石油危機后經濟不景氣，材料使用者一直在強烈地要求省略結構物的再涂漆，所以耐候鋼的裸露使用今后將會日益普及。在日本這種鋼從誕生前后到成熟的十幾年間是怎樣發展起來的呢？我想通過一企業的經驗進行回顧。我將以自己所在的日本不銹鋼管公司開發耐候鋼的經過為例，來介紹耐候鋼的發展進程，并且忠實于歷史事實，如有不當之處，希望給以諒解。



1. 日本耐候鋼誕生前的狀況


 已經知道，1900年德國和英國相繼在美國以后通過添加少量的銅提高了鋼的大氣耐蝕性，1911年美國的兩個公司開始生產含銅鋼（Cu0.15%~0.30%),并且認為酸性轉爐鋼耐大氣腐蝕性好的原因是由于磷的緣故。1910~1920年，歐美的有關學會協會組織進行了鋼的大規模的大氣暴曬試驗，其中德國材料試驗協會從1914年起把除了銅以外，還含有P、暴曬試驗，指出銅超過0.4%則失去效果，含0.2%的銅是足夠的，美國的ASTM也用260種鋼的試片從1916年開始進行了6年半的試驗。20世紀30年代，歐美開發了各種低合金耐候鋼，然而美國的COR-TEN鋼最著名。這種鋼的開發使用了950種3萬個以上的試片約經過10年完成，除了銅元素以外還含有P、Cr、Ni、Si等元素的耐候鋼，U.S.Steel公司于1933年開始銷售。日本在1941年（昭和16年）開始著手開發焊接高強度鋼時，曾經參考過COR-TEN鋼等，可是當時受原料的限制中途決定為Si-Mn系，結果在戰前、戰中，日本耐候鋼的研究或者開發均沒有進行。



2. 在日本開發耐候鋼的動機


 日本的氣候因高溫潮濕，鋼容易生銹。1953年（昭和28年）日本財富的損耗一年達1000億日元，令人震驚，特別是車輛因為使用薄板損耗尤為嚴重。那時耐候鋼的實用化較慢，在出口車輛上只不過接受少量的COR-TEN鋼種的定貨。因為從氣象來考慮耐候鋼有普及的必然性，技術上不存在困難，歐美也有實際的業績，所以認為開發耐候鋼有前途。尤其在東亞地區日本鋼管公司惟一具有酸性轉爐，鋼中的磷自然高，來自廢鋼中的銅約在0.2%以上，并且20t的爐容量機動靈活而且方便。因此，1954年（昭和29年）在小滝、寺澤兩位的協助下決定向開發大氣耐蝕鋼挑戰。那時（昭和29年3月12日）與海軍一起開發過高強度鋼的第二港口建設局橫濱整備事物所的小巖健、元枝樹大佐來訪，因為我們的高強度鋼未能同時提高耐蝕性，所以他們提出了必須把“耐候高強度鋼”實現工業化的要求。恰好車輛用耐蝕鋼正在開發之中，所以與入技研究所長商量后，決定同時對一般的鋼結構用耐蝕鋼進行研究。


 其他公司的情況，森永孝三、大竹正、宮野華太男等做了如下介紹：在八幡制鐵公司，小平研究所長從美國視察［1950年（昭和25年2月）］回來，為了進行研究，把COR-TEN 鋼的精裝說明書交給了大竹。他注意到鈦的晶粒細化和強化作用，并擬定了開發焊接性優秀的獨創鋼種的方案，于1955年（昭和30年）和牟田、財前、西氏等開始研究，在1959年（昭和34年）秋50 kg/mm2級的p-Cu-Ti系鋼生產成功3,并于1961年（昭和36年）命名為YAW-TEN鋼開始市售L4,5J.富士鐵廠森永采納了梅根的意見，決定引進在國際上享有信譽的COR-TEN鋼。 在權利限制范圍，首次付款15萬美元、專利使用費為銷售價的1.5%等條件下，得到了“商標”和詳細的技術資料，所以我認為這比自已公司開發高明。1957年（昭和32年）富士鐵廠與U.S.Steel 公司簽訂了合同并向政府提出了申請L6,1959年（昭和34年）被批準，從1960年（昭和35年）開始進行大量生產。 另一方面，日本制鋼所按照擴大鋼板品種的方針，下田研究所長注意到了耐候鋼，認為與其引進COR-TEN鋼不如自己公司開發有利，從1959年（昭和34年）起得到了宮野、石冢等的協助，開發了用鋯細化晶粒和強化的新鋼種，命名為ZIRTEN鋼。雖然YAW-TEN 鋼和ZIRTEN鋼于1963年（昭和38年）發表了專利公告，可是在銷售方面都趕不上技術引進的COR-TEN鋼。 以后，川崎制鐵、神戶制鋼、住友金屬等公司都相繼在本公司進行了開發。



3. 耐候鋼的誕生


 a. 車輛薄板的研制


  1955年（昭和30年）在日本鋼管公司，薄鋼板的生產采用川崎的轉爐熔煉，在大型工廠把用下鑄法澆注的1噸鋼錠加工成薄板坯后，在鶴見軋制成薄板。用這種方式試制了車輛用厚度1.2 mm及1.6mm的耐候鋼薄板。 為了低廉和發揮酸性轉爐的特征，把化學成分定為Cu-P系，根據文獻確定成分含量（表10)于1955年（昭和30年4月）制成鋼材。鎳是為了防止銅引起表面缺陷而加入的。薄板的力學性能和碳素鋼相比沒有變化。 把薄板坯正火處理后檢驗了力學性能和焊接性，腐蝕試驗進行了酸、自來水及食鹽水的浸泡試驗和人工海水的干濕交替試驗。于1955年（昭和30年）在技術研究所的屋頂上（工廠大氣）和新成寮的院子里（郊外大氣）進行了6個月的暴曬試驗，結果證明比碳素鋼優秀，在工廠大氣中是14%～22%,在郊外大氣中是5%。


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 b. 耐蝕鋼的基礎研究（第一次研究）


  同樣在1955年（昭和30年）稍晚于上述研究，開始了“耐蝕鋼的基礎研究”。目的是為了開發在大氣、水、海水等普通環境下耐蝕性優秀的鋼。把向低碳鎮靜鋼中單獨或者組合添加了Si(0.5～1.8)、Mn(0.8~1.2)、Cu(0.4)、P(0.08~0.16)、Cr(1.0)、Ni（0.5)(各為％）等20種鋼作為試料。研究結果簡述如下。


 ①. 耐候性


  在工廠大氣中［1963年（昭和38年8月6日開始）］的腐蝕是郊外大氣［1955年（昭和30年10月10日開始）］的一倍以上，化學成分的影響明顯地顯現出來，P、Cu、Cr有效，Cu-P系Mn-Cu-P系、Si-Cu-P-Cr-Ni系鋼的腐蝕是普通鋼的75%~60%(圖1)。約1%的錳有害，鎳長期有效，硅在郊外大氣中特別有效。


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  ②. 耐酸性


   在硫酸、鹽酸中磷非常有害，在硝酸中硅稍微有效。


  ③. 對3%食鹽水、自來水、人工海水的耐蝕性


  在浸泡試驗中各鋼種沒有差別，在干濕交替試驗中食鹽水和海水中結果不一致，可是Ni系、Cu-P系、Mn-Cu系及Mn-Cu-P-Cr系對于二者來說對比結果良好。


  ④. 力學性能和焊接性:


  磷和硫有降低韌性的傾向，可是轉爐生產的8mm鋼板、平爐生產的25mm鋼板良好，焊接如果使用低氫系的焊條則沒有問題。


 c. 造船耐蝕鋼的批量生產研究


  1955年（昭和30年2月12日）小巖來訪，因為他想在第二港口建設局橫濱整備事務所直接經營建造的挖泥運土船上試用耐蝕鋼，所以提出了生產約50t8mm厚鋼板的要求。那時上述的基礎研究早已開始，雖然因大氣暴曬的數據不全而感到為難，但是因為是難得的良機，所以接受了。由于政府機關預算的關系希望以普通鋼的價格進行購入，也考慮到焊接作業把強度定為與普通鋼相同。在所進行的“耐蝕鋼的研究”中選擇了經過約1個月的人工海水的干濕交替試驗的結果比普通鋼好30%~50%、不含有高成本鎳或鉻等成分的Mn-Cu-P系，考慮韌性和焊接性后將銅和磷定為下限確定了表1的目標值。因為沒有用轉爐批量生產高級鎮靜鋼的經驗，所以從1955年（昭和30年）的夏季到秋季研究了煉鋼軋制作業，先后進行了3次。從各爐次取出2根6t鋼錠開坯到156~160mm厚，在鶴見的厚板廠軋制成8mmx5'x20'.雖然因表面氣泡多次發生橫裂，可是最終實現了批量生產的目標。強度分別是屈服強度329~368 MPa(33.5~37.5kg/m㎡),抗拉強度461~490 MPa(47~50kg/m㎡),伸長率26%~28%.V形缺口沖擊值P高的爐次Tr15(吸收功15ft-lb時的溫度）是－20℃,而大半是－40℃以下，焊接性與普通鋼沒有多大差別。在甲板和外板上使用了“耐蝕鋼”的120m3運土船于1956年（昭和31年）下水運行。在船尾上安裝了10種鋼的試片從1956年（昭和31年3月）開始觀察了1年半的腐蝕情況，除了在鉻鋼上看到孔蝕以外，在其他鋼種之間沒有看出差別。然而在從1956年（昭和31年9月）開始的1年的暴曬試驗，工廠和郊外大氣中“耐蝕鋼”的腐蝕率分別是普通鋼的86%和95%。另外，根據小巖連續進行約8年觀察和用試驗孔測定板厚的報告,，試制的Mn-Cu-P系鋼涂漆的損耗、包括浸水部的孔蝕或點蝕、腐蝕減量等均少。一般認為耐候鋼在被水或海水潤濕的環境中不能生成良好的銹層，可是也有對腐蝕有效的事實，經12年使用后的耐候鋼的舵板部與含有0.2%Cu的SS41鋼進行比較，壽命相當于1.4倍。


 d. 耐候鋼的市場銷售


 日本不銹鋼管公司實現“耐蝕鋼”工業化的目標后，從1957年（昭和32年）開始市場銷售，把鋼種名改為“耐候鋼”。在此之前被稱為“高強度耐蝕低合金鋼”、“含銅鋼”、“大氣耐蝕鋼”、“耐風化鋼”等，翻開鐵連發行的月刊文獻摘錄集“煉鐵技術總覽”，就可以看到作者在1958年（昭和33年）的報告中提到首先使用“耐候鋼”名稱的是嚆矢，“耐候鋼”名稱被普遍使用是1963年（昭和38年）以后。商品名因為是Cu-P系在前面加上“Cup”定為“Cuploy”、“Cupten”鋼。銅和磷有效的問題雖然已有定論，但是在日本沒有長期暴曬的數據。因此，于1957年（昭和32年）夏季在鐵道技術研究所偶然看到“試驗報告”時，我感到高興。報告中敘述了從1919年（大正8年）經過了40年的日豐線川南－高鍋間的小丸川橋梁的梁架上，腐蝕輕微的部分銅和磷分別含有0.14%和0.02%,比腐蝕嚴重的部分0.008%和0.012%高，這是珍貴的證據。


 Cuploy鋼除了用于車輛和護欄等以外，小名濱工程事務所于1957年（昭和32年3月）建成的50t載重運貨船上也采用了15tCuploy鋼。以后又增加了降低碳改善加工性的容器用鋼，把磷替“換成鉻提高焊接性的鋼種。關于以上的“耐蝕鋼的研究和“耐候鋼板的材質”［10]于1959年（昭和34年）在鐵鋼協會上進行了介紹，而且八幡制鐵公司也在第2年表了Cu-P-Ti系的耐候鋼［19]的研究結果。


4. 耐候高強度鋼的誕生


 a. 第二次耐蝕鋼的研究


  把探求比Mn-Cu-P系更優秀的鋼種作為目標，首先全面地查閱了50篇以上的文獻，發現存在意見不一致或數據短缺的問題，因此無論如何也得靠自己來確定而沒有別的方法，于是熔煉了Cu（～0.66)系，在銅的基礎上添加了Mn(~1.5)、Si(~1.6)、P（～0.134)、Cr(~3)、Ni(~2)、Mo(~1)、Ti(~0.5)、Al(~2.2)、Sb(0.55)、Sn(0.52)、As(0.33)、B(0.009)(各為％）的二元到六元系的鋼，加上比較材合計117種鋼的試片按照第一研究進行了各種試驗。大氣暴曬試驗從1957年（昭和32年4月）開始，在經過半年、3年、8年（工廠）、12年（郊外）試驗之后，測定解析了腐蝕量(圖2),作為日本的數據來說，可以認為是試驗時間最長而且最詳細的數據。結果與第一次研究非常一致，合金元素的效果在工廠大氣中的順序是P>Cu>Mo>Si、Cr;郊外大氣中的順序是P>Cu>Si>Cr;含P系的銹的外觀優秀。As、Sb、Sn是有效的，Mn或Al、Ti大量添是有害的。本研究成為了開發“耐候高強度鋼”的基礎。


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 b. 耐候高強度鋼的試制


 1959年（昭和34年5月16日）小巖再次來訪，在第二年3月預定竣工的120㎡3的第72號運土船的外板和甲板的一部分上提出過減重比（對含銅鋼）試用3噸8mm厚的耐候鋼，并希望用含鉻的“耐候高強度鋼”制造.曾對鉻的效果抱有希望，可是直到1965年（昭和40年）才把“耐海洋環境性”包括在耐候性之中。根據第二次研究的中間結果生產了表1的Cu-P-Cr-Mo系鋼，它的力學性能示于表2,并在甲板和外板的一部分上使用，4年間的減厚量是普通鋼的一半。


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 因為各種結果都滿意，所以于1961年（昭和36年5月）開始市售“耐候高強度鋼Cupten”。“Cuploy”、“Cupten”雖然以后被改為“CUPLOY”、“CUPTEN”，現在大部分鋼已不含磷成分，但是仍作為耐候鋼的商品名在使用著。


 c. 鋼種的多樣化


 以后，在第二次基礎研究中追加了幾項實用試驗。因為一般認為純凈鋼耐腐蝕性強，所以對轉爐生產的低碳原鋼（表1)進行了確認。結果證明雖然對硫酸、鹽酸耐蝕性強，可是耐候性有問題。1958年（昭和33年），用組合添加P、Cr、Cu和Al、Mo、Ni、Ti的47種鋼種開始進行第三次暴曬試驗。4年后的試驗結果證明：P-Cu-Cr系添加多量的A1(0.3%~1.6%)在工廠大氣中的結果不好；Cu-P系酸洗材或未酸洗材長期沒有看出差別；0.095%以下的磷或1.5%以下的鉻越多越有效，銅和磷并用效果顯著。在1961年（昭和36年），為了與以前的市售鋼的性能進行比較，開始了第四次暴曬試驗。為適應1963年（昭和38年6月）制定的鐵道車輛用國有鐵路的標準，于1965年（昭和40年10月）開發成功了含鎳的Cupten R鋼，1966年（昭和41年6月）正式在JRS上登錄，并且為滿足加工性的要求生產了降低碳的CuptenR鋼，出自于對焊接性的重視生產了不含磷的Cu-Cr-Mo系鋼（需要時添加釩）。



5. 焊接材料和表面處理的開發以及委托第三者進行的暴曬試驗


 日本的耐候鋼一直是把焊接作為前提，只要注意低氫系焊條在使用上的幾個問題，就不會有問題。但是因為沒有提高耐候性的焊條，所以委托給了神戶制鋼公司的有川進行研究。向他提供了12mm和18mm的耐候鋼板，試制了含有Cu、P的兩種Φ4mm的焊條，檢驗了焊接時的裂紋（Fisco法）、焊縫性能、焊接金屬的耐候性（保持30℃、250h)等，成功地開發了能夠滿足需要的焊條,以后還協助進行了改進。


 因為苛刻的氣候條件或者由于日本人潔癖的民族特點，不愿意看到色調不均勻或由銹引起的污染，裸露使用沒有絲毫發展，因此感到有必要進行某種表面處理，于是我于1960年（昭和35年）夏季訪問了日本磷化處理（パーカライジン）公司的內野研究所所長和德永氏。前年秋天富士鐵廠的九田來公司探詢簽訂了研究合同，同年春天八幡制鐵公司的大竹委托了除去初期銹的研究課題。由此可見大家都在考慮同樣的問題。磷化處理（パーカライジン）公司于1961年（昭和36年）設計出了氧化促進法，1963年（昭和38年）以后提供實用，并于1965年（昭和40年）開發成功了獨特的處理技術.我認為這對日本的耐候鋼裸露使用的普及做出了很大貢獻。


 耐候鋼是根據長期有計劃的試驗所掌握的經驗和知識而研制的鋼種，如果能夠搞清楚銹的生成和腐蝕機構的話，那么就可以更合理地設計合金成分了。因此從1965年（昭和40年）開始，松島、上野兩位推進了銹的研究。銹的研究從1967年（昭和42年）到1968年（昭和43年），下平、增子、岡田、細井、寺前、小若以及其他人也在與金屬、鋼鐵有關的學會上發表了他們的研究成果。


 日本各公司開發的鋼缺乏長期的實際的業績，因為沒有正確的耐候性的促進試驗方法，所以很難獲得需要者的信任。因此委托有權威的機關進行了暴曬試驗。


 有知名學者參與的在日本全國7個地區進行暴曬試驗的陸上鐵骨構造物防蝕研究會（陸防研）也與日本鋼管公司有關系，所以讓他們把包括含銅鋼、高強度鋼、耐候性高強度鋼的試料（表1),從1960~1961年（昭和35~36年）進行了5年的暴曬試驗。圖3示出結果的一例，該結果常常作為貴重的資料被引用，該研究獲得了1968年（昭和43年）學振97委的技術獎。然后又委托給美國 North Carolina 州的位于Kure Beach的 Internation-al Nickel Co.(INCO)的試驗場和英國倫敦的英國鋼鐵研究所（BISRA)進行了試驗（表1).前者研究的是COR-TEN 鋼使用過的場所。1967年4月14日前往現場進行談判，從1971年1月開始進行暴曬試驗。BISRA于1967年11月17日商洽后，從1968年初開始試驗，1970年11月17日曾經觀察過現場。KureBeach的試驗結果表明與距海岸800ft的場所相比，80ft的場所的耐候鋼的效果明顯地顯現出來，腐蝕量約為碳素鋼的60%。


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6. 結語


  日本的氣候容易使鋼生銹，可是耐候鋼的引進普及較慢，在20世紀50年代（昭和30年代）勉強開始了開發和生產。然而所謂的耐候鋼裸露使用進人20世紀60年代（昭和40年代）后還是在緩慢地進行嘗試，由于經濟不景氣引起的節能、省力的風潮，使耐候鋼正式地應用于橋梁，進入20世紀70年代（昭和50年代）后才勉強走上了正軌。本公司在開發上花費的人力和財力長期得不到回報。預想以外的障礙是日本人對沒有實用業績的產品持拒絕態度、不喜歡看到使用初期銹的污染和色調不均勻的民族特點或者過密的人口密度。像耐候鋼那樣的一般的結構鋼，即使標榜本公司的產品而長期沒有充分的實用業的話，那么既不會被用戶所接受，還需要在新鋼種的普及上做大量的設計指導工作，所以各公司從最初開始，就和知名學者或用戶結合共同進行了開發。不管怎么說，自己生產、命名、培育的鋼已經被用在每天上班的京濱大廈［1968年（昭和43年）建設］等建筑上，作為技術人員感到非常榮幸。