CN107747045A - 一种400MPa级耐Cl‑环境腐蚀钢筋及其制造方法 - Google Patents
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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
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ReL≥400MPa,抗拉强度Rm≥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: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 (5)
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。
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