CN107723603A - 屈服强度500MPa级耐腐蚀钢筋及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种屈服强度500MPa级耐腐蚀钢筋及制造方法，属于建筑用耐蚀钢技术领域。该钢筋的化学成分按重量百分数为：C：0.05～0.10％，Si：0.30～0.60％，Mn：1.20～1.50％，Cr：1.00～1.50％，Ni：0.10～0.20％，Cu：0.20～0.40％，Mo：0.10～0.20％，V：0.06～0.10％，Ti：0.010～0.025％，P≤0.035％，S≤0.010％，余量为Fe和不可避免的残存杂质元素。本发明通过添加少量合金元素，充分利用单个元素与元素间的协同作用来改善钢筋的耐腐蚀性能。该钢筋的制造方法是按常规冶炼与浇铸，然后在棒材轧机上采用控轧控冷工艺。本发明钢筋中贵金属元素含量少，钢筋强韧性、焊接性与耐蚀性优异，资源节约，生产成本低。

Description

屈服强度500MPa级耐腐蚀钢筋及制造方法
技术领域：
本发明属于建筑用耐蚀钢技术领域，特别涉及屈服强度500MPa级耐腐蚀钢筋及制造方法。
背景技术：
海洋环境下由于氯离子侵蚀导致混凝土结构过早失效的案例广泛存在，造成巨大的经济损失。目前，随着我国南海的大力开发，南海高温高湿高盐以及使用除冰盐的公路等服役环境，对钢筋混凝土结构的耐久性也提出了更高的要求。钢筋的锈蚀不仅大大缩短了建筑物的整体寿命，也造成了安全隐患。使用耐腐蚀钢筋是防止钢筋混凝土结构因钢筋腐蚀而过早破坏的最后一道屏障。因此，钢筋的耐腐蚀性能成为国内外工程界关注的热点问题。
目前，钢筋防腐的措施主要有涂/镀层钢筋、FRP筋和不锈钢筋等。常见的涂/镀层钢筋主要有环氧涂层钢筋和热浸镀锌钢筋，其中环氧涂层钢筋应用较为广泛。实践中发现，涂层钢筋在运输、搬运、绑扎以及混凝土浇注施工中涂覆膜经常出现严重破坏，钢筋的点蚀将更为严重反而会导致钢筋混凝土整体耐久性的下降。FRB筋也有较为明显的不足，主要体现在与混凝土结合强度差、抗剪切强度低、弹性模量低以及热稳定性差等方面，在高强度混凝土结构中应用较为困难；此外，在温度、水分、碱、酸、盐等环境下FRP材料自身耐久性将在很大程度上影响到FRP钢筋混凝土结构的耐久性。不锈钢筋含有大量贵重的Cr、Ni等合金元素，使其生产成本明显高于普通碳素钢筋，使用不锈钢筋的工程一次性投入成本约为相同级别普通碳素钢筋的4-6倍，较大程度上限制了不锈钢筋在混凝土结构中的应用。
中国专利CN103834871A公开了500MPa级耐腐蚀含Cr钢筋及其轧制工艺，所述钢筋虽然在5％NaCl溶液中盐雾腐蚀时，其耐蚀性能是普通HRB500钢筋的4～6倍，但是钢筋中含有8～10％的Cr，合金元素较高，成本较高，不利于资源节约；同时如此高的Cr含量以及较低的C含量，现有钢筋冶炼工艺很难满足要求，另外Cr元素淬透性较高，如此高的Cr含量即使缓冷也会生成马氏体组织，采用常规钢筋生产工艺其性能很难达到要求。中国专利文献CN106756518A公开了一种500MPa级耐腐蚀钢筋及生产方法，所述钢筋中化学成分质量百分含量为：C：0.16～0.20％、Si：0.30～0.50％、Mn：1.10～1.30％、V：0.07～0.09％、S≤0.03％、P≤0.03％、Cu：0.30～0.40％、Cr：0.8～1.0％，虽然钢筋合金成本较低，但是钢筋中未添加抑制Cu在表面龟裂的元素Ni，铸坯表面易形成裂纹影响产品的质量与耐蚀性能；另外C元素较高、Cr含量较低，在干湿周浸腐蚀条件下很容易发生局部腐蚀(点蚀缺陷等)现象。中国专利文献CN105950989A公开了一种耐蚀钢筋及生产方法，所述钢筋化学成分为：C：0.15～0.23％、Si：0.30～0.65％、Mn：0.90～1.60％、P≤0.03％、S≤0.03％、Cr：1.40～2.50％、Cu：0.20～0.40％、Ti：0.010～0.025％、N≤0.015％、O≤0.0020％，所述钢筋中未添加抑制Cu在表面龟裂的元素Ni，铸坯表面易形成裂纹影响产品的质量与耐蚀性能；由于钢筋中N含量较高，Ti在高温下首先与Ti结合形成TiN颗粒，因此靠有限Ti来抑制Cr与C结合，进而抑制点蚀现象能力有限，其点蚀与局部腐蚀难以避免。
因此在现有广泛应用的500MPa级高强钢筋的基础上，结合现有钢筋生产工艺，采用资源节约型合金设计，改善钢筋的耐腐蚀性能，提高建筑物的使用寿命并降低后期维护成本，对耐蚀钢筋的推广与应用具有十分重要的意义，并具有广阔的应用前景。
发明内容：
针对以上问题，本发明的目的在于提供一种屈服强度500MPa级耐腐蚀钢筋及其制造方法。本发明从提高钢筋内在质量及改善局部腐蚀方面着手，通过合金成分及生产工艺的设计，在不添加大量合金的前提下，具有相对优异的耐Cl-环境腐蚀性能。同时，其力学性能与焊接性能满足GB1499-2007中500MPa级钢筋的性能指标要求，生产成本低，工艺操作性强，适合大量推广使用。
本发明所提供的一种屈服强度500MPa级耐腐蚀钢筋按重量百分比计算包括以下成分：C：0.05～0.10％，Si：0.30～0.60％，Mn：1.20～1.50％，Cr：1.00～1.50％，Ni：0.10～0.20％，Cu：0.20～0.40％，Mo：0.10～0.20％，V：0.06～0.10％，Ti：0.010～0.025％，P≤0.035％，S≤0.010％，余量为Fe和不可避免的残存杂质元素。
本发明的合金设计思路是在C、Si、Mn基础上，通过利用V进行析出强化提高钢筋的强度，利用Cr、Ni、Cu、Mo改善钢筋的腐蚀性能(尤其是点蚀现象)，利用微量的Ti来细化晶粒与改善焊接性能，其合金元素的具体作用如下：
C：碳是提高钢材强度直接、经济而有效的元素，但过高的C含量会降低钢筋的塑性、韧性与腐蚀性能，尤其对于铬含量相对较低的耐腐蚀钢，由于C与Cr的亲和力较强，过高的C含量会降低固溶Cr含量，影响钝化膜的形成，导致耐蚀性能的降低。为保证钢筋的综合性能，本发明中C含量范围选为：0.05～0.10％。
Si：硅元素在钢中主要起脱氧与强化作用，对提高抗氧化性和耐腐蚀性也有一定的作用。当硅含量过高时，会使焊接时焊缝金属硬化，飞溅增加，影响焊接工艺性能；当钢中硅含量过低时，脱氧不完全，钢中含氧量过高。所以本发明中将Si含量控制在030～0.60％范围之内。
Mn：锰也是有效提高钢筋强度的主要元素，且与S的亲和力强，通过生成硫化锰来抑制硫的危害；同时锰也是钢中重要的强韧化元素，当锰含量低时，钢中氧含量偏高，腐蚀性能降低。另外Mn在钢中与Cu协同作用改善钢在腐蚀后期的锈层，从而减缓钢的进一步腐蚀。但过高的锰会增加钢的偏析倾向与淬透性，所以其含量不能太高。因此本发明将Mn含量控制在1.20～1.50％范围之内。
Cr：铬在钢中是提高耐蚀性的重要元素，在一定条件下会使钢的表面生成一层致密的钝化膜，对钢基体起保护作用；当钢中含有大量铬元素时，一方面会明显增加钢的生产成本，另一方面会显著增加钢的淬透性，降低钢的塑性与焊接性；对于内陆除冰盐公路与距离海洋较远的沿海建筑来说，其对钢筋的耐蚀性要求相对低一些。因此本发明将Cr含量控制在1.00～1.50％范围之内。
Cu：铜能显著提高钢筋的耐腐蚀性能，同时Mn与Cu的协同作用进一步改善钢耐Cl-的腐蚀性能；但是钢在熔炼与加热时，由于铜的熔点低且不易氧化，容易在表面富集形成龟裂现象。因此本发明中Cu含量范围选为：0.20～0.40％。
Ni：镍元素具有一定的耐蚀能力，钢中加入镍不仅可以使钢的自腐蚀电位向正方向移动，而且还可以在锈层中富集阻碍Cl-向基体渗透，从而提高钢的耐蚀性；同时通过向钢中加入1/2Cu含量的Ni，可以避免Cu的龟裂现象；但是Ni属于贵金属元素，所以本发明将Ni含量控制在0.10～0.20％范围之内。
Mo：钼能显著细化晶粒，提高强度与韧性；同时Mo在中低温段缓冷以及回火过程中会与C形成细小的碳化物，从而阻碍C与Cr的结合，提高Cr的钝化效果，降低钢的点蚀倾向；但是Mo属于贵金属元素，所以本发明将Mo含量控制在0.10～0.20％以内。
V：钒能够在钢筋轧制后析出碳氮化钒，具有较强的析出强化效果，同时还能阻碍铁素体晶粒长大，有一定的细化晶粒作用，可以显著提高钢的强度。但是V属于贵金属元素，所以本发明将V含量控制在0.06～0.10％以内。
Ti：钛在钢中一方面固定钢中N元素，形成TiN能使钢坯加热时奥氏体晶粒不过分长大，细化钢的组织；同时还能阻碍焊缝与热影响区晶粒在焊接的高温条件下长大，保证焊接接头的塑性与韧性，避免钢筋焊接冷弯后开裂。但是Ti含量过高，会对钢的高温延塑性有不利影响。所以本发明将Ti含量控制在0.010～0.025％以内。
P：磷元素可以提高钢的强度和耐蚀性能，但在钢中容易出现偏析现象，同时低温力学性能较差。所以本发明将P含量控制在≤0.035％。
S：硫在钢中生成FeS时，容易引起钢的热脆现象，在轧制过程中导致裂纹的产生，同时钢中MnS夹杂还会成为腐蚀的起源，严重降低钢材耐蚀性能，所以本发明S重量百分含量控制在≤0.010％。
本发明还提供一种屈服强度500MPa级耐腐蚀钢筋的制造方法，该制造方法采用常规冶炼与浇铸，棒材轧机上采用控轧控冷工艺。
所述控轧控冷工艺为：将连铸方坯加热至1100～1200℃，保温1～2h，使合金元素充分固溶；粗轧、中轧温度为900～950℃，终轧温度为800～850℃，上冷床温度控制在750～850℃。
粗轧前进行待温，粗轧、中轧在T再+(30～50)℃范围内轧制，以细化原奥氏体晶粒尺寸，T再为再结晶温度；中轧与精轧机组之间采用水冷，水冷后立即轧制，一方面使精轧轧制温度处于未再结晶区轧制，细化组织。
上冷床后有两种工艺：一种工艺上冷床后直接空冷至室温，然后将钢筋加热至300～400℃，保温1～2h，进行回火处理；另一种工艺为上冷床后先进行空冷，空冷至450～600℃时进入保温坑或采用堆垛缓冷。
与现有技术相比，本发明采用资源节约型成分设计，在设计过程中从成分与组织的角度来改善局部腐蚀(点蚀)现象，以提高钢筋后期腐蚀速率；综合利用细晶强化、固溶强化、相变强化与析出强化来提高钢筋的强韧化效果；在普通棒材轧机上采用控轧控冷技术，生产出500MPa级耐腐蚀钢筋，钢筋力学性能满足GB1499.2-2007要求，其屈服强度ReL≥500MPa，抗拉强度Rm≥630MPa，伸长率A％≥15％；其耐Cl-干湿腐蚀恶劣条件下的腐蚀性能为HRB500的1.5倍以上。本发明钢筋在现有普通棒材轧机上进行适当改造即可生产，投资少，生产工艺简单，可操作性强。合金含量少，生产成本低，节约资源，并且所生产的钢筋具有较高的塑性与优异的的焊接性。使用本发明的500MPa级耐腐蚀钢筋不仅可以在沿海建筑使用，还可以在内陆北方除冰盐公路建筑使用；相比不锈钢筋与涂层钢筋来说，使用该钢筋不仅可以降低建筑成本，还可大大提高建筑物的使用寿命，减少后期维护费用。
以下实施例是在本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规生产方法。
具体实施方式：
实施例1：钢的化学成分(质量百分比)C：0.056％，Si：0.50％，Mn：1.25％，Cr：1.35％，Ni：0.15％，Cu：0.32％，Mo：0.13％，V：0.065％，Ti：0.022％，P：0.02％，S≤0.01％，余量为铁和不可避免的杂质。
实施例2：钢的化学成分(质量百分比)C：0.075％，Si：0.35％，Mn：1.48％，Cr：1.08％，Ni：0.19％，Cu：0.40％，Mo：0.12％，V：0.08％，Ti：0.014％，P：0.025％，S≤0.01％，余量为铁和不可避免的杂质。
实施例3：钢的化学成分(质量百分比)C：0.07％，Si：0.56％，Mn：1.22％，Cr：1.47％，Ni：0.10％，Cu：0.20％，Mo：0.13％，V：0.08％，Ti：0.02％，P：0.03％，S≤0.01％，余量为铁和不可避免的杂质。
实施例4：钢的化学成分(质量百分比)C：0.084％，Si：0.44％，Mn：1.30％，Cr：1.26％，Ni：0.14％，Cu：0.29％，Mo：0.20％，V：0.09％，Ti：0.025％，P：0.018％，S≤0.01％，余量为铁和不可避免的杂质。
实施例5：钢的化学成分(质量百分比)C：0.096％，Si：0.52％，Mn：1.40％，Cr：1.38％，Ni：0.19％，Cu：0.40％，Mo：0.16％，V：0.10％，Ti：0.018％，P：0.024％，S≤0.01％，余量为铁和不可避免的杂质。
表1为本发明实施例的具体轧制工艺参数，表2为本发明实施例的轧制规格及力学性能。
表1本发明实施例1-5的轧制工艺参数
表2本发明实施例1-5的轧制规格及力学性能
其中：ReL为屈服强度；Rm为抗拉强度；A为5d标距下的断后延伸率。
按照YB/T4367-2014钢筋在氯离子环境中腐蚀试验方法执行，根据GB/T1266选用氯化钠化学试剂。
试验溶液为3.5％的NaCl溶液，实验设备为杰瑞尔周期浸润腐蚀试验箱，溶液温度为35±2℃，干燥温度为45±2℃，箱内湿度为70％±10％RH。每一循环周期为60±5min，其中浸润时间12±2min，暴露时间48±2min。试样为圆柱形，每组平行试样不少于5个。试验延续时间为72h，根据试样的腐蚀率进行耐腐蚀性评价，本发明实施例1-5及对比钢筋的腐蚀结果如表3所示。
表3本发明实施例1-5及对比钢筋的失重率与相对腐蚀速率
以上实施例表明，通过本发明的化学成分设计、轧制工艺生产控制所生产的耐腐蚀钢筋的力学性能与耐腐蚀性能均明显优化普通HRB500钢筋，且耐恶劣干湿周期浸润腐蚀性是常规HRB500钢筋的1.5倍以上，可应用于内陆北方除冰盐公路建筑与近海建筑。

Claims (6)

1.屈服强度500MPa级耐腐蚀钢筋，其特征在于所述耐腐蚀钢筋按重量百分比计算包括以下成分：C：0.05～0.10％，Si：0.30～0.60％，Mn：1.20～1.50％，Cr：1.00～1.50％，Ni：0.10～0.20％，Cu：0.20～0.40％，Mo：0.10～0.20％，V：0.06～0.10％，Ti：0.010～0.025％，P≤0.035％，S≤0.010％，余量为Fe和不可避免的残存杂质元素。
2.权利要求1所述屈服强度500MPa级耐腐蚀钢筋的制造方法，其特征在于该制造方法采用常规冶炼与浇铸，棒材轧机上采用控轧控冷工艺。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于所述控轧控冷工艺为：将连铸方坯加热至1100～1200℃，保温1～2h，粗轧、中轧温度为900～950℃，终轧温度为800～850℃，上冷床温度控制在750～850℃。
4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于粗轧前进行待温，粗轧、中轧在T再+(30～50)℃范围内轧制，T再为再结晶温度；中轧与精轧机组之间采用水冷，水冷后立即轧制。
5.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于上冷床后直接空冷至室温，然后将钢筋加热至300～400℃，保温1～2h，进行回火处理。
6.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于上冷床后先进行空冷，空冷至450～600℃时进入保温坑或采用堆垛缓冷。
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