幕墙不锈钢

一、不锈钢定义

规范中的定义为：以不锈、耐蚀性为主要特性，且铬含量至少为10.5%，碳含量不超过1.2%的钢材。

二、 不锈钢耐腐蚀原理

不锈钢的耐蚀性主要是因为其在腐蚀介质中发生了钝化现象，表面形成一层钝化膜。

碳钢                                                             不锈钢

1、 钝化膜的形成

1970年Keir发现了钝化现象，直到20世纪六十年代布拜图提出后，人们对钝化才有了理论性的认识，钝化膜的形成非常复杂，通常认为：水分子参与钝化膜的形成；钝化是几个反应共同作用的结果，包括钝化膜的生长和金属的溶解；钝化的金属表面存在钝化膜。钝化膜的形成理论中以成相膜理论和吸附膜理论最具代表性。

(1) 成相膜理论

当不锈钢发生阳极溶解时，材料表面会形成一层致密性和覆盖性良好的保护膜，主要成分是金属氧化物。这层保护膜将基体与腐蚀介质隔离，延缓了金属溶解的速度，从而进入钝化状态。由于保护膜很薄而且具有电导性，因此当达到稳定态时，阳极溶解并不是完全停止，而是以很低的速度发生。很多金属钝化表面可以观察到成相膜，并可以测量其厚度和组成。

(2) 吸附膜理论

吸附膜理论认为金属钝化并不需要在表面形成固态膜，金属的钝化是因为基体表面生成含氧粒子的吸附层。这些吸附的粒子改变了金属与腐蚀介质的界面结构，导致阳极反应的活化能升高，金属的溶解能力降低，阳极电流密度下降。

2、钝化膜的组成及结构

对于钝化膜结构的研究，最为经典的是Macdonald等提出的双层结构膜结构，如下图所示。内层膜由基体金属直接氧化生成，结构致密、保护性好；外层为沉积膜，有内层的阳离子扩散至表面然后水解产生。实验证实了这种双层结构，内层为富铬氧化层，外层为富铁氧化层。同时，还有学者将钝化膜分为三层结构：最外层由Fe组成，中间层由Fe₃O₄构成，最内层由Cr₂O₃构成。

双层钝化膜结构示意图

钝化膜的组成及结构可随着不锈钢的成分、腐蚀环境及时间等因素而发生变化。钝化膜厚度随腐蚀时间延长而增厚，实验前钝化膜厚度为2.68nm，576h后钝化膜厚度增加至9.15nm。铝合金在空气中形成的钝化膜厚度约为4nm，然而通过阳极极化可以使其增厚至400nm。

不同温度对Sanicro25钢氧化膜的影响情况如下图，600-700℃时，基体表面形成了非常薄的氧化膜，主要成分为Cr₂O₃。750℃时基体表面的氧化膜出现了较厚的双层氧化膜。内部由富Cr的氧化膜组成，外层由Fe₃O₄构成，而在Fe₃O₄的顶部出现一层薄薄的Fe₂O₃。Sanicro25在750℃条件下，最初形成的是保护性能较差的富Fe氧化层，经过长时间时效后，保护性更强的富Cr氧化层才在内部形成。

Sanicro25在600-750℃，Ar-50%H₂O环境下中氧化3000小时后的截面SEM图

三、 不锈钢表面处理

常用不锈钢表面处理工艺有：镜面、喷砂、着色、拉丝、酸洗等。

1、镜面处理

为提高经过机械加工的不锈钢材料表面的粗糙度和经点焊、电焊、亚弧焊处理和热处理的不锈钢表面的粗糙度，需对产品进行抛光处理，以获取高度光滑和光泽的外观，满足不锈钢制品表面精饰的目的。

根据不锈钢产品的复杂程度和用户要求情况不同，可分别采用机械抛光、化学抛光、电化学抛光等方法来达到镜面光泽。镜面给人以高档简约，时尚未来的感觉。

不锈钢表面抛光范围广，从普通的哑光处理到软抛光，到特定纹理图案和色彩的抛光处理，一直到高度镜面抛光。这为富有想象力的设计师带来更多选择。光亮抛光需注意不能产生刺眼的反光或反热等问题。建筑面向阳面和凹陷区在设计时需特别注意。

不锈钢表面加工类别

各级抛光效果对比

镜面处理效果

2、喷砂处理

喷砂处理分为干、湿喷砂两种，湿喷砂的工效相比干喷砂更具有优势，且可以有效改善喷砂操作的工作环境。液体喷砂一般采用水、玻璃细珠或石英砂的混合介质，通过压缩空气推动混合介质高速喷射到不锈钢表面，借助介质中颗粒物对构件表面的冲击和切削作用，使得构件表面达到所要求的清洁度和粗糙度。

喷砂在工程与表面工艺方面都有很强的应用，如：提高粘接件粘度、去污、优化机械加工后的表面毛刺、表面哑光处理。喷砂工艺比手工打磨要均匀而高效，采用这种方法处理不锈钢，可打造出低调、耐用的不锈钢产品。

喷砂处理效果

3、着色处理

五彩缤纷的色彩不仅增加了不锈钢的装饰性和艺术性，而且提高了不锈钢的耐蚀性和耐磨性。目前，彩色不锈钢的生产工艺较为成熟，不锈钢表面着色的方法也多种多样。

不锈钢表面着色的方法有：化学氧化着色法、电化学氧化着色法、离子沉积氧化物着色法、高温氧化着色法、气相裂解着色法。

光的相互干涉现象是彩色不锈钢显色的根本原因，而彩色不锈钢氧化物膜层的厚度、化学成分、组织结构、表面光洁度、入射光线等物理参数决定了彩色不锈钢的色调。

不锈钢表面着色效果对比

常用不锈钢中，奥氏体不锈钢最适合着色处理，而铁素体由于着色溶液有腐蚀倾向，得到的色彩不如奥氏体鲜艳，马氏体耐腐蚀性能更差，仅能得到灰黑或黑色的表面。

不锈钢化学着黑色的产品要经过抛光后才能着黑色，否则只能得到蓝色、深蓝色、蓝黑色。彩色不锈钢的腐蚀或磨损不可修复，清洗会在裸露的不锈钢上留下银色斑点。

“烧不尽”博物馆，电化学着色304型

千禧年形态

4、拉丝处理

不锈钢金属拉丝工艺指在外力作用下使金属强行通过模具，金属横截面积被压缩，并获得所要求的横截面积形状和尺寸的技术加工方法。使其改变形状、尺寸的工具称为拉丝模。拉丝可根据装饰需要，制成直纹、乱纹、波纹、螺纹等几种。

金属拉丝工艺不仅仅能起到美观、抗腐蚀的作用，还会使设计的产品有一种特殊的刚毅之美。拉丝处理可使金属表面获得非镜面般的金属光泽，具有非常强的装饰效果。

拉丝

不锈钢拉丝对比

5、酸洗处理

不锈钢产品酸洗主要是除掉经热轧、锻、铸造、热处理、焊接等高温作业产生的氧化皮、黑皮，以暴露基体结晶，便于后续的电镀、着色、抛光、钝化等工序。酸洗是不锈钢的初步处理。

经过酸洗后不锈钢表面会残留不溶于酸的挂灰，根据基材的不同，酸洗溶液有所不同。奥氏体不锈钢多采用强酸性溶液，马氏体不锈钢则采用弱酸性溶液。根据产品几何尺寸及表面状态，可采取重复酸洗。

生产加工过程中所产生的氧化表面，可以通过酸洗钝化有效去除，还能在不锈钢表面形成一个以铬元素为主的银亮面氧化膜。经过酸洗钝化的不锈钢，不仅能提升其美观性，也能提升抗腐蚀能力。

不锈钢铸造件清洗后银白效果

焊后清理与酸洗

四、 不锈钢在幕墙应用

不锈钢在中国的建筑市场上已经应用了30多年，无论用作结构件、连接件或表面材料，其都是作为高档材料出现的。不锈钢作为结构件和连接件材料，在建筑工程上的应用更加普遍，通过铸造、锻造或者机械加工，各种各样的不锈钢配件应运而生，为各种工程所使用。随着不锈钢的表面处理越来越好，板材加工越来越先进，许多工程的表面装饰材料也开始使用不锈钢。在应用的过程中，不锈钢不但起到结构或者连接件的作用，甚至成为了装饰艺术品。

目前建筑外墙领域采用大面积不锈钢板幕墙的案例不多，即使大面积采用，也往往不追求其高平整度，只表达强烈质感。

▲ 洛杉矶 Walt Disney 音乐厅

▲ 深圳平安金融中心

芝加哥云门项目，每一块单独的钢板都是，在工厂数控加工完成的，全部为3/8英寸厚的不锈钢等离子炬切割后，用专门为这个项目打造的卷板机成形。然后再焊接内表面的加劲肋，最后用 3D 扫描技术检验最后的尺寸，不合适的地方手工打磨，精确到千分之一英寸。

▲ 芝加哥云门

不锈钢大致可分为平面钢板和凹凸钢板。而平面钢板又分为三类：板面光反射率大于90%为镜面钢板；反射率50%~90%为有光钢板；反射率小于50%为亚光钢板。随着不锈钢板大面积使用于建筑立面，对其平整度也提出更高要求，并追求采用更薄、更平整的幕墙。

>>>不锈钢板在幕墙中的应用<<<

幕墙常用不锈钢板按构造一般分为三大类：单板（盒型、扣接型和切板）、复合板和蜂窝板。 

1、不锈钢单板

不锈钢单板由于本身强度高，可用于高层和超高层建筑；韧性大，可做折弯或弯弧加工，可实现较多建筑外观效果，这是不锈钢复合板和不锈钢蜂窝板不容易实现的；耐腐蚀性强，后期维护方便。

▲ 不锈钢单板幕墙工程

不锈钢单板作为金属构件除了能够适应切割、刨槽、折弯等加工处理，焊接加工还能使不锈钢板实现更多的造型。一般焊接变形的控制手段主要有减少焊缝数量、间断焊接、采用逆向回焊法施焊、刚性固定焊接、反变形技术、合理安排焊接顺序、采用热处理去除焊后收缩力、减少焊接时间以及冷却法等。

2、不锈钢复合板

不锈钢复合板在保留了不锈钢材料良好的装饰效果和经久耐用特性的基础上，克服了不锈钢金属板加工难、加工平整度差的缺点，具有良好的隔声、隔热效果，可方便地进行剪切、弯弧、刨槽折边、钻孔等加工。

▲ 越南VTB大厦不锈钢复合板局部

▲ 上海某工程不锈钢复合板幕墙

3、不锈钢蜂窝板

不锈钢蜂窝板，面板采用拉丝不锈钢板或镜面不锈钢板等，背板采用镀锌钢板，芯材采用铝蜂窝芯，经过专用粘合剂复合而成。不锈钢蜂窝板的主要特点：轻便、平整度极高、安全系数高，具有很好的隔音、保温等性能。

▲ 深圳某工程不锈钢装饰带

4、不锈钢板支撑体系的设计

不锈钢面板附着的支撑体系必须是稳固的、平整的，且为了保证不锈钢面板易于更换和安装，设计成小单元形式的挂板结构体系或者通过扣接的形式，通过型材咬合或者不锈钢板材直接扣接的方式来实现与整体框架的连接与固定。

幕墙用不锈钢单板的常用的支撑体系分为：切板结构、扣接结构及盒型结构。切板结构外观上突出了板材的棱角，但不锈钢板材柔韧性大，适用于低层建筑或低风压区域；扣接结构适合于薄型不锈钢单板，平整度要求不高，对质感和肌理感建筑效果要求高的项目可采用；盒型结构突出板框支撑体系的稳固性，适用于高层建筑，抗风压能力强，另外还能体现不锈钢独特的建筑效果，因此被广泛采用。 

▲ 上海世博主题馆不锈钢板（平整的切板）幕墙外观及幕墙节点示意

下图为平安金融中心工程T8系统外观效果及横剖节点，2mm厚布纹不锈钢板，材质为奥氏体SUS316不锈钢，分格多为500mm×4500mm，面板通过自攻钉固定在铝合金副框上，然后通过铝合金副框与单元竖框咬合组装，共同形成不锈钢单元系统。面板支撑体系计算按大变形理论进行分析，考虑到风荷载对板面交变影响，横向铝合金方管加强筋只是对副框进行补强，与不锈钢板之间保留3~5mm间隙，不发生直接接触。整个不锈钢面板像张拉膜一样紧绷在铝合金框组成的框架上。 

▲ 平安金融中心不锈钢单元幕墙外观效果及节点示意

5、不锈钢面板加工、组装工艺的控制

为保证面板的平整度，有必要针对不锈钢加工环节进行相应技术标准的控制。不锈钢面板整体加工流程一般经过开料、刨槽、折弯、组框、安装这几道工序，而每一道工序的加工过程都要严格控制，避免面板的磕碰、划伤，尽量减少面板的弯曲和残余应力的产生。

（1）材料的检验和验收

（2）面板磕碰、划伤的控制

（3）减少面板的弯曲和残余应力的产生

（4）加工过程中的尺寸公差要求

▲ 不锈钢板吊装用电动吸盘 

由于不锈钢的粘附性和熔着性强，刨槽过程中，切屑容易粘附在刀具上，为了避免加工硬化和减少刀具前切屑的堆积，切屑奥氏体不锈钢时，使用比碳钢较大的进刀量以及较慢的切屑速度，一般进刀量控制在0.3mm以下，并逐渐减小至0.1mm。在刨槽折弯应力集中位置，为避免应力集中形成爆边开裂，特别在该位置开一直径为3mm左右的圆孔，使残余应力得以释放，折弯后保证了外观平整效果。

▲ 不锈钢板角部折弯处集中应力的消除措施