CN107747045A

CN107747045A - 一种400MPa级耐Cl‑环境腐蚀钢筋及其制造方法

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Publication number: CN107747045A
Application number: CN201711223256.9A
Authority: CN
Inventors: 潘红波; 闫军; 李振华; 沈晓辉; 刘伟明; 郭湛; 章静; 于同仁; 曹杰; 王会廷; 温永红
Original assignee: Anhui University of Technology AHUT
Current assignee: Anhui University of Technology AHUT
Priority date: 2017-11-29
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2018-03-02

Abstract

本发明公开一种400MPa级耐Cl^‑环境腐蚀钢筋及其制造方法，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：0.08～0.12％，Si：0.40～0.70％，Mn：1.00～1.30％，Cr：1.00～1.30％，Ni：≤0.20％，Cu：0.20～0.40％，Mo：0.10～0.20％，V：0.04～0.07％，Nb：0.02～0.04％，P≤0.035％，S≤0.010％，余量为Fe和不可避免的残存杂质元素。本发明通过合金元素的协同作用改善钢筋的耐腐蚀性能，充分利用合金元素的不同强化机制进行综合强韧化设计。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，钢筋的综合性能优异，资源节约，生产成本低。

Description

一种400MPa级耐Cl-环境腐蚀钢筋及其制造方法

技术领域：

本发明属于建筑用耐蚀钢技术领域，特别涉及一种400MPa级耐Cl^-环境腐蚀钢筋及其制造方法。

背景技术：

钢筋是现代建筑的基础性材料，广泛用于房屋、桥梁、道路等工程建设，其性能直接影响着混凝土构件的寿命和安全性。无论在国外还是国内，钢筋锈蚀是威胁钢筋混凝土结构耐久性的最主要、最普遍的病害，它所造成的直接、间接损失之大，远远超出人们的预料。虽然混凝土对钢筋有保护作用，但在实际应用过程中，特别是在Cl^-腐蚀环境中使用时钢筋容易受到腐蚀，从而降低建筑物结构的使用寿命，给国民经济带来巨大损失，更造成能源与资源的极大浪费。

为了减缓钢筋锈蚀，延长钢筋混凝土结构寿命，目前主要有以下几种防腐措施：在混凝土中添加钢筋阻锈剂；采用非金属涂层的环氧树脂钢筋和金属涂层的热浸镀锌钢筋；使用不锈钢钢筋。但在实际应用中均存在一些问题：拌制混凝土时添加钢筋阻锈剂会降低混凝土的强度；环氧树脂涂层在5年后会老化，失去保护效果，且在运输与实施过程中容易破坏涂层，破坏部位反而加剧局部腐蚀；表面镀锌涂层在使用一段时间后也会被腐蚀掉，而且在高Cl^-浓度条件下，镀锌钢筋容易分层，加速钢筋腐蚀；不锈钢钢筋添加了大量的合金元素Cr、Ni，含Cr量一般不低于12％，生产成本高而难以大量推广使用。因此，在普通螺纹钢筋基础上添加少量合金元素改善钢筋的耐腐蚀性能，提高建筑物的使用寿命及维护费用是未来钢筋防腐的主要方向。

中国专利CN103556058A公开了低成本高性能耐腐蚀钢筋及其制造方法，所述钢筋虽然具有较高的耐腐蚀性能，但是钢筋中包括3～8％的Cr含量以及0.5～1％的Cu含量，合金元素较高，成本较高，不利于合金元素的综合利用，且所含Cr、Mn、Cu等淬透性元素含量较高，在现有钢筋生产线上很容易生成马氏体组织，性能(力学性能与焊接性能)难以满足要求，需对工艺装备进行改造或进行后续处理。中国专利文献CN103789677A公开了一种具有高耐腐蚀性的高强钢筋及其制备方法，所述钢筋虽然具有较高的强度与腐蚀性能，但是钢筋中包含7～9％的Cr、1.5～4.0％的Ni以及Al、Cu合金，其合金元素含量很高，与不锈钢钢筋成分接近，造成资源的浪费，成本很高，焊接性能差；同时现有钢筋生产工艺生产其组织很容易生成马氏体或贝氏体，造成强度过高，其强度远高于现有广泛使用的IV、V级钢筋，不利于广泛推广。中国专利文献CN107034418A公开了一种混凝土用400MPa级耐氯离子腐蚀高强钢筋及其生产方法，所述钢筋合金元素含量相对较低，主要是利用0.020～0.035％的Re来对O、S的夹杂物改性，以提高其腐蚀性能，但是合金中Cr含量相对较低，在生产过程中Cr很容易在冷床冷却时与C结合成细小的碳化物，从而造成局部贫铬而产生点蚀现象。中国专利文献CN104109815A公开了一种耐海洋气候腐蚀钢筋，所述钢筋含有0.2～0.25％的C，0.05～0.30％Cu，0.04～0.25％Ni，0.05～0.30％Cr，相比普通钢筋来说，虽然其耐潮湿的海洋气候性能有较大提高，但是由于较高的C含量与较低的合金含量，在干湿恶劣环境下很容易形成局部腐蚀，不利于海洋飞溅区与潮汐区等干湿腐蚀恶劣环境下腐蚀性能的改善，难以满足现有建筑物对使用寿命的要求。中国专利文献CN102605255A公开了一种400MPa级耐腐蚀钢筋，所述钢筋含有0.04～0.09％的P，0.3～0.6％Cu，0.1～0.4％Ni，其主要采用的是P、Cu、Ni合金来改善钢筋的耐腐蚀性能，P≥0.045％以上时很容易形成裂纹以及冷弯开裂，对钢筋的塑性发挥不利。

针对大量的沿海建设需求和国家大力推广使用400MPa级高强度钢筋的趋势，亟需研发一种耐Cl^-腐蚀的、资源节约、成本经济合理、生产操作简单可行、综合性能优异的高强度低合金钢筋。

发明内容：

本发明的目的是为解决上述技术问题，提供一种400MPa级耐Cl^-环境腐蚀钢筋及其制造方法。本发明从控制钢筋自身腐蚀电位、腐蚀原电池对、均匀腐蚀、锈层结构及转变、钝化膜的影响机制等角度出发来综合改善其耐Cl-的腐蚀性能，从控制细晶强韧化、固溶强化、析出强化、相变强化等角度来改善钢的强塑性能，综合以上2个方面对钢筋的合金成分及轧制工艺的合理设计。使所发明的钢筋在具有优异耐Cl^-腐蚀性能的条件下，其力学性能、疲劳性能、以及焊接性能满足GB1499.2-2007中400MPa级钢筋的性能指标要求，并且成本经济合理，性价比高，生产工艺稳定。

本发明所提供的400MPa级耐Cl^-环境腐蚀钢筋的化学成分按重量百分比为：C：0.08～0.12％，Si：0.40～0.70％，Mn：1.00～1.30％，Cr：1.00～1.30％，Ni：≤0.20％，Cu：0.20～0.40％，Mo：0.10～0.20％，V：0.04～0.07％，Nb：0.02～0.04％，P≤0.035％，S≤0.010％，余量为Fe和不可避免的残存杂质元素。

本发明为了保证在恶劣的Cl^-干湿腐蚀环境下具有优异的耐蚀性能，以及400MPa级的高强度、优异的塑性与焊接性能，在钢筋的成分设计上，在低碳硅锰钢的基础上，添加少量的Cr、Ni、Cu、Mo改善其耐腐蚀性能，并添加微量的Nb、V合金元素来改善其强塑性能。其中各合金元素的作用及含量设计的基本原理如下：

C：碳是钢中非常重要的强化元素，在钢中形成固溶体提高钢的强度，含碳量越高，钢的强度和硬度越高，因此C含量不宜过低；但含量过高钢的塑性、韧性、耐腐蚀性与焊接性能会随之降低。对于含铬的耐腐蚀钢，由于C与Cr亲和力很强，过高的C含量会降低固溶体中Cr的含量，从而显著削弱Cr的表面钝化作用，降低钢的耐蚀性能。所以C含量宜控制在0.08～0.12％范围之内。

Si：硅元素在钢中主要是脱氧及强化元素，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，同时Si过高对塑性不利；当钢中硅含量过低时，脱氧不完全，钢中含氧量过高，并且钢的强化效果明显减弱。所以本发明将Si含量控制在0.40～0.70％范围之内。

Mn：锰是钢中主要强化元素，同时锰可以与硫生成硫化锰，抑制硫的危害作用；当钢中Mn含量在1.0～1.6％时将起到细化晶粒的作用，可提高钢的强塑性，另外Mn在钢中与Cu协同作用改善钢在腐蚀后期的锈层，从而减缓钢的腐蚀。但锰具有较高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1.00～1.30％范围之内。

Cr：铬在钢中是提高耐蚀性的重要元素，可以在钢的表面会生成致密的氧化膜，从而抑制钢的进一步腐蚀；但是过高的Cr会增加钢的淬透性，从而降低钢的塑性与焊接性，同时增加钢的生产成本，因此综合考虑将Cr含量控制在1.00～1.30％范围以内。

Ni：镍元素具有一定的耐蚀能力，钢中加入镍元素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；但是Ni属于贵金属元素，所以Ni含量宜控制在≤0.20％。

Cu：铜在钢中是提高耐蚀性的重要元素，同时Mn与Cu的协同作用显著改善钢耐Cl-的腐蚀性能；但是钢在加热炉进行加热时，由于铜不易氧化，且熔点较低，这就容易造成钢表面富铜，在热轧时出现热裂现象。所以本发明Cu含量宜控制在0.20～0.40％以内。

Mo：钼元素可以推迟钢中先共析铁素体转变，促进针状铁素体和贝氏体的形成，提高钢的强韧性，钼元素还可以细化钢的晶粒，对铁素体有固溶强化作用；Mo在400-600℃之间缓冷时会与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。

Nb：铌可以延迟再结晶过程，可以显著提高形变奥氏体的再结晶温度，可以在相对较高的轧制温度下进行多道次奥氏体未再结晶区轧制，达到需要低温轧制才能得到的细化晶粒的效果，显著提高钢的强度和改善钢的塑性，同时晶粒细小有利于均匀腐蚀与锈层致密化，降低后期腐蚀速率；但是Nb含量超过0.04％时其细化晶粒的效果很弱，所以本发明将Nb含量控制在0.02～0.04％之内。

V：钒能够在钢筋轧制后析出碳氮化钒化合物，阻止铁素体晶粒长大，具有较强的析出强化和细晶强化作用，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0.04～0.07％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％。

本发明提供的一种400MPa级耐Cl^-环境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1050～1150℃，保温1～2h，使合金元素(尤其是Nb元素)充分固溶；开轧温度为900～1000℃，粗轧、中轧、精轧机组之间采用水冷，水冷后立即轧制，一方面使精轧最后几架温度处于未再结晶区轧制，细化组织；另一方面表面温度急冷，有利于变形渗透至芯部；终轧温度为850～900℃，终轧后进行轻穿水冷却；上冷床温度控制在800～850℃，随后进行空冷，一方面细化组织，另一方面使V以细小弥散的析出物形式充分析出，提高析出强化效果。

与现有技术相比，本发明采用资源节约型成分设计，综合利用各元素对腐蚀的作用机制与强韧化效果，在普通棒材轧机上采用控轧控冷技术，生产出400MPa级耐Cl^-环境腐蚀钢筋，钢筋力学性能满足GB1499.2-2007要求，其屈服强度R_eL≥400MPa，抗拉强度R_m≥540MPa，伸长率A％≥20％；其耐Cl^-干湿腐蚀恶劣条件下的腐蚀性能为HRB400的1.5倍以上。本发明钢筋在现有普通棒材轧机上不需任何改造即可生产，生产工艺简单，可操作性强。在低碳硅锰基础上，添加少量Cr、Ni、Cu、Mo及微量Nb、V合金化，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400MPa级耐Cl^-环境腐蚀钢筋不仅可以降低建筑成本，还可大大提高建筑结构的使用寿命，减少维护费用，具有良好的市场前景。

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：0.08％，Si：0.50％，Mn：1.04％，Cr：1.23％，Ni：0.10％，Cu：0.22％，Mo：0.13％，V：0.04％，Nb：0.04％，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：0.10％，Si：0.63％，Mn：1.20％，Cr：1.05％，Ni：0.20％，Cu：0.31％，Mo：0.20％，V：0.06％，Nb：0.03％，P：0.03％，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：0.08％，Si：0.70％，Mn：1.00％，Cr：1.32％，Ni：0.24％，Cu：0.23％，Mo：0.12％，V：0.06％，Nb：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：0.12％，Si：0.40％，Mn：1.28％，Cr：1.17％，Ni：0.18％，Cu：0.40％，Mo：0.18％，V：0.04％，Nb：0.02％，P：0.025％，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：0.10％，Si：0.63％，Mn：1.22％，Cr：1.24％，Ni：0.11％，Cu：0.32％，Mo：0.17％，V：0.06％，Nb：0.04％，P：0.02％，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

实例	加热温度/℃	开轧温度/℃	终轧温度/℃	上冷床温度/℃
					实施例1	1080	950	860	810
实施例2	1140	985	900	840
					实施例3	1120	965	875	830
实施例4	1100	970	880	820
					实施例5	1050	920	855	815

表2本发明实施例1-5的轧制规格及力学性能

其中：R_eL为屈服强度；R_m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与对比钢筋的腐蚀结果如表3所示。

表3本发明实施例1-5与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Cl^-环境腐蚀钢筋的力学性能与耐腐蚀性能均明显优化普通HRB400钢筋。

Claims

1.一种400MPa级耐Cl^-环境腐蚀钢筋，其特征在于所述耐Cl^-环境腐蚀钢筋按重量百分比计包括以下成分：C：0.08～0.12％，Si：0.40～0.70％，Mn：1.00～1.30％，Cr：1.00～1.30％，Ni：≤0.20％，Cu：0.20～0.40％，Mo：0.10～0.20％，V：0.04～0.07％，Nb：0.02～0.04％，P≤0.035％，S≤0.010％，余量为Fe和不可避免的残存杂质元素。

2.一种权利要求1所述的400MPa级耐Cl^-环境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1050～1150℃，保温1～2h，开轧温度为900～1000℃，终轧温度为850～900℃，上冷床温度控制在800～850℃。

4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于粗轧、中轧、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，其特征在于终轧后进行轻穿水冷却。