CN103060541A - 一种表面纳米化耐蚀钢筋的连续加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表面纳米化耐蚀钢筋的连续加工方法。表面纳米化后钢筋籍由表层的纳米晶非平衡组织，在混凝土碱性环境中的钝化性能和抗氯离子侵蚀能力得以改善，从而显著提高了耐蚀性和服役寿命。其加工过程包括：送料轮1提供钢筋2的自动进给；一对高速旋转的钢丝轮3在钢筋2表面的重复刮擦加工。优化组合钢筋送料速度、钢丝轮的旋转速度、钢丝与钢筋表面的接触程度和加工道次四个主要参数，籍此大塑性变形实现钢筋表面自纳米化改性的高效率连续加工，可获得厚度≥30μm的纳米晶层。本发明生产效率高、工艺操作与设备要求简单，所得钢筋的耐蚀寿命可提升1.5倍以上，其它各项性能与常规产品保持一致，具有良好的工业应用前景。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种通过高速旋转丝大塑性变形实现表面纳米化耐蚀改性的连续加工方法，属于钢铁加工技术领域。
二、背景技术
钢筋混凝土结构是基础设施建设中应用最为广泛的结构形式。随着跨江海大型桥梁和海港码头等基础设施建设的逐渐开展，混凝土结构的耐久性问题日益凸显。在影响混凝土结构耐久性的众多因素中，钢筋锈蚀所导致的混凝土结构劣化最为严重，同时也引起了业界和政府部门的高度关注【陈肇元，土建结构工程的安全性与耐久性，中国建筑工业出版社】。混凝土中钢筋锈蚀是材料和环境因素共同作用的复杂电化学腐蚀过程。一般情况下，钢筋在混凝土高碱性条件下表面可形成致密的钝化膜而免被侵蚀。但在氯离子的侵蚀介质的作用下，钢筋将会活化破钝，最终导致锈蚀失效。一般而言，钢筋锈蚀可大致分为三个阶段：维钝阶段、活化破钝阶段和腐蚀扩展阶段【Xianming Shi, Construction and Building Materials, 2012, 20:125】。其中维钝阶段时间由混凝土中侵蚀介质的传输速度和钢筋自身耐蚀性共同决定，其占钢筋全寿命的时间最长，加强钝化效果以延长维钝时间即可显著增加钢筋寿命【S.M. Abd Ei Haleem, Corrosion Science, 2010, 52:3875】钢筋一旦破钝化后，腐蚀反应发展迅速，腐蚀产物膨胀引起混凝土保护层出现纵筋开裂，加速钢筋混凝土结构失效。在给定的外部环境和混凝土条件下，要延长钢筋的维钝时间，钢筋自身的耐蚀性就显得尤为重要。因此，新型耐蚀钢筋的研究开发和应用，对提高钢筋混凝土结构耐久性十分重要。国内外对耐蚀钢筋的研发主要有两个思路：一种是合金化耐蚀钢筋，以提高钢筋整体的耐蚀性；另一种是表面涂镀层钢筋，以隔绝侵蚀介质或提供阴极保护【M.C. García-Alonso, Cement and Concrete Research, 2007, 37:1463】。合金耐蚀钢筋，尤其是含大量Cr-Ni元素的不锈钢钢筋具有很高的耐氯离子侵蚀能力，但生产成本甚高。环氧涂层钢筋和热浸镀锌钢筋等表面涂镀层钢筋，涂镀层自身的老化/腐蚀问题使得此类耐蚀钢筋的寿命仍然有限。由此可见，研发低成本长寿命的耐蚀钢筋迫在眉睫。众所周知，钢筋腐蚀在表面萌生并逐渐向心部扩展，而钢筋耐蚀性又主要取决于其在混凝土中的钝化效果。由此可以推断，钢筋表层的显微组织耐蚀性将很大程度上决定钢筋使用寿命。因此，采用简单而有效的加工方法对钢筋进行表面改性，调整钢筋的表层组织状态以提高其钝化效果和耐蚀性，将是一种有益的尝试。
纳米材料，因其特异的物理/化学性能，一直以来是材料界的研究热门。现有的表面改性技术，通过机械、物理、化学等方法，已可实现金属材料表面组织纳米化，使材料表面具有较本体更优的工作性能。表面纳米化改性的金属工件，其表层强韧性、硬度和耐磨性均显著提高，但耐蚀性变化较为复杂。王福会等人研究指出，表面纳米化后活性金属耐蚀性降低，而钝性金属材料在纳米晶的高能非平衡组织作用下，表面更易形成耐钝化膜，有利于其耐蚀性的提高【李瑛，王福会，腐蚀与防护，2003,24:6】。由上述可见，通过表面纳米化改性有望改善钢筋在混凝土中的钝化行为和钝化膜的稳定性，从而延长其使用寿命。就目前而言，在传统粗晶材料（晶粒尺寸≥10μm）上获得纳米结构表层有3种基本方式：表面涂层或沉积、表面自纳米化和复合纳米化方式【K. Lu， Materials Science andEngineering: A, 2004, 375-377: 38】。表面涂层和沉积制备的材料往往存在着表层与基体之间以及表层纳米颗粒之间结合力不足的问题，而复合纳米化技术是将表面纳米化技术与化学处理相结合，工艺过程较为复杂。表面自纳米化主要特征在于可在表面形成纳米晶-亚微米晶梯度改性层，且纳米结构表层与基体之间没有明显的界面，处理前后工件外形尺寸基本不变。以往复大塑性变形(severe plastic deformation，SPD)为主要手段的表面机械处理技术是实现材料表面自纳米化的主要途径之一，此类方法通过晶粒碎化和应变诱导相变的方式达到表层组织超细化，获得纳米晶-亚微米晶梯度改性层。表面机械处理纳米化改性方法主要包括：表面机械研磨法、超声喷丸法、气动喷丸法、旋转滚压塑性变形法、超声表面冲击法、超音速颗粒轰击法、高速旋转丝变形法等【刘刚，钢铁研究学报，2011, 23:1】【高家诚，功能材料，2010, 5(41):741】。上述的这些方法，一般只能在小工件的规则表面上实现纳米化改性，而高速旋转丝变形法（High-speed rotation wire-brushing deformation，HRWD）则具有优异的适形性，可对带肋钢筋之类具有复杂表面的工件实现表面纳米化改性。高速旋转丝变形法是在室温下利用高速旋头驱动钢丝轮高速旋转，同时以一定速度沿样品纵向运行，使旋转丝高速刮擦样品表面，导致外加载荷不断重复作用于样品表面层。样品表层组织在再结晶温度下产生强烈的弹、塑性变形，诱发表面组织自纳米化。此方法设备简单、安全易操作，生产效率高，成本低、无污染，高效节能，是环保型的工艺技术。可以相信，根据高速旋转丝变形原理，只需根据钢筋外形特征设计出合适的钢丝轮加工装置并添加自动送料功能，即有望实现钢筋表面纳米化改性连续加工，制备出低成本长寿命的表面纳米化耐蚀钢筋。
三、发明内容
本发明的目的是开发一种长寿命低成本的表面纳米化耐蚀钢筋，并提供其表面纳米化改性的高效率连续加工方法，藉此在不改变钢筋其它各项性能的前提下，大幅度提升氯盐侵蚀混凝土结构中钢筋的耐蚀性和服役寿命。本发明所要解决的技术问题是，开发通过高速旋转丝大塑性变形实现钢筋表面自纳米化连续加工方法，优化组合钢筋送料速度、钢丝轮的旋转速度、钢丝与钢筋表面的接触程度和加工道次这四个主要工艺参数，调控钢筋表层组织制备纳米晶/超细晶梯度改性层以提高钢筋钝化效果，从而实现其在氯盐侵蚀混凝土结构中耐蚀性和服役寿命的大幅度提升。本发明的具体方案如下：
一种表面纳米化耐蚀钢筋的连续加工方法，其特征在于：对自动进给钢筋表面进行高速旋转丝大塑性变形实现自纳米化的连续加工，其基本原理如图1所示，具体加工过程包括如下步骤：（1） 以普通螺纹钢筋或光圆钢筋为原材料，利用两组以上送料轮1实现钢筋2的自动进给，同时满足加工过程中钢筋的刚性要求；（2）利用一组以上高速旋转的钢丝轮3，在钢筋2表面进行重复刮擦加工，利用大塑性变形诱发钢筋表层组织自纳米化，同时去除钢筋氧化皮。所述的钢筋送料速度为5-10mm/s可调，以控制单位时间内钢筋表面的累积应变量和加工速度；所述的钢丝轮转速为5000-12000r/min可调，以控制单位时间钢丝与钢筋表面的刮擦加工次数；钢丝轮轴与待加工钢筋表面的距离可调，以控制钢丝与钢筋表面的接触程度及其外加载荷量；根据改性层厚度的实际需求，调整钢筋表面纳米化改性的加工次数；优化组合钢筋送料速度、钢丝轮的旋转速度、钢丝与钢筋表面的接触程度和加工道次这四个参数，可实现钢筋表面纳米化改性的高效率连续加工，最终获得的表面纳米化钢筋其表面无氧化皮覆盖，表层为纳米晶/超细晶梯度改性层，其中外表层为厚度≥20μm、晶粒尺寸≤100nm的纳米晶层，亚表层为厚度≥10μm。藉此改性层的高能非平衡组织，可实现混凝土碱性环境中钢筋的钝化性能和抗氯盐侵蚀能力的显著提升。对不同规格的螺纹钢筋或光圆钢筋可通过调整钢丝轮尺寸规格进行表面纳米化改性连续加工。
本发明的优点如下：
1. 本发明可在钢筋表面均匀地形成一层与钢筋基体化学成分完全相同，晶粒尺寸≤100nm，厚度≥20μm的纳米晶改性层；借助纳米晶层中高密度位错、大角度晶界等高能非平衡组织，可显著提高钢筋钝化效果和抗氯离子侵蚀能力。
2. 本发明无需前处理，可直接对螺纹钢筋的复杂表面进行表面自纳米化改性，且纳米晶层分布均匀。
3. 本发明结合高速旋转丝大塑性变形加工工艺和钢筋自动送料工艺，可实现不同规格、外形钢筋表面自纳米化改性的高效率连续加工，设备和操作工艺简单，能耗少，成本低，生产效率高，极具工业化生产前景。
四、附图说明
图1. 表面纳米化耐蚀钢筋连续加工原理示意图。
图2. 螺纹钢筋在表面纳米化改性前后的宏观形貌。
图3. 螺纹钢筋在表面纳米化改性前后的横截面显微组织，(a)普通螺纹钢筋；(b)表面 纳米化钢筋。
图4. 表面纳米化钢筋和普通螺纹钢筋在钝化状态和氯离子侵蚀状态下的交流阻抗Nyquist谱线：(a) 饱和Ca(OH)2溶液中钝化10天后的谱线；(b)钝化10天后添加0.5mol/L NaCl侵蚀3天后的谱线。
图5. 光圆钢筋在表面纳米化改性前后的宏观形貌。
图6. 光圆钢筋在表面纳米化改性后的横截面显微组织。
图7. 表面纳米化钢筋和普通光圆钢筋在饱和Ca(OH)2溶液中钝化10天后添加0.1mol/L NaCl侵蚀7天所获得的交流阻抗Nyquist谱线。
附图标记：
1 —送料轮；2 —被加工钢筋；3 —高速旋转的钢丝轮
五、具体实施方式
一种表面纳米化耐蚀钢筋的连续加工方法，其特征在于：对自动进给钢筋表面进行高速旋转丝大塑性变形实现自纳米化的连续加工，其基本原理如图1所示，具体加工过程包括如下步骤：（1） 以普通螺纹钢筋或光圆钢筋为原材料，利用两组以上送料轮1实现钢筋2的自动进给，同时满足加工过程中钢筋的刚性要求；（2）利用一组以上高速旋转的钢丝轮3，在钢筋2表面进行重复刮擦加工，利用大塑性变形诱发钢筋表层组织自纳米化，同时去除钢筋氧化皮。
下面结合具体实例对本发明的技术方案进行进一步说明。本发明所述的一种通过高速旋转丝大塑性变形实现表面自纳米化改性的连续加工方法不只局限于该具体实例。
所有试验原材料均为符合国家标准的钢筋混凝土用钢筋，无特定规格限制，且无需前处理即可对钢筋进行表面自纳米化改性连续加工。
实施例1：
原材料：普通400Mpa级热轧螺纹钢筋，直径20mm，长度1.5m，主要化学成分如下：Fe- 0.22 C- 0.53 Si-1.44 Mn- 0.025 P-0.02 S（单位：wt.%）。按图1的加工原理对钢筋进行表面纳米化耐蚀改性的连续加工，采用一对钢丝轮和两对送料轮进行加工。其中钢丝轮直径120mm，平均厚度为20mm。螺纹钢筋的表面纳米化改性连续加工过程和具体工艺如下：螺纹钢筋在两组送料轮的旋转驱动下以5mm/s的速度匀速自动进给，并在送料轮夹紧力作用下保持足够的刚度；一对钢丝轮等距离分布在钢筋表面两侧，轮轴中心到钢筋表面的距离为57mm，钢丝轮旋转速度均为10000r/min，高速旋转的钢丝在钢筋表面进行重复刮擦加工诱发钢筋表层组织自纳米化，同时去除钢筋氧化皮；为提高钢筋表面纳米化改性层分布的均匀性，在一道次加工结束后将钢筋旋转90°后以同样的方式进行第二道次加工，最终获得如图2所示的表面纳米化钢筋。由表面纳米化钢筋的宏观形貌观察可见，被加工钢筋的表面氧化皮已被完全去除，显现出金属光泽，且表面有明显的塑性加工波纹。由图3可见，表面纳米化钢筋表层组织已发生明显塑性变形，而基体组织保持不变。纳米化改性层的总厚度约为40μm，其中纳米晶层（致密塑性加工流纹的较大应变区）厚度约为25μm，超细晶层（较小应变区）厚度约为15μm，通过XRD测试分析获得纳米晶层平均晶粒尺寸为40nm。表面纳米化耐蚀钢筋在饱和Ca(OH)2溶液中浸泡10天后的交流阻抗Nyquist容抗弧直径明显大于普通钢筋样品，其阻抗值约为235 kΩ·cm2，近4倍于普通钢筋（79kΩ·cm2），表现出显著提升的钝化性能。在饱和Ca(OH)2溶液中添加0.5mol/L NaCl对钝化钢筋连续侵蚀3天后，表面纳米化钢筋阻抗值为19.1 kΩ·cm2（见图3b），1.5倍于普通钢筋（12.7 kΩ·cm2），表现出显著提高的抗氯离子侵蚀能力。
实施例2：
原材料：普通热轧光圆钢筋，直径16mm，长度1.2m，主要化学成分如下：Fe- 0.14 C- 0.33 Si-0.3 Mn- 0.045% P-0.025 S （单位：wt.%）。按图1的加工原理对钢筋进行表面纳米化耐蚀改性的连续加工，采用一对钢丝轮和两对送料轮进行加工。其中钢丝轮直径105mm，平均厚度为15mm。钢丝轮的旋转速度均为7000r/min，钢丝轮轴中心与钢筋表面的距离为50mm，光圆钢筋的自动进给速度为2.5mm/s，一道次加后获得如图5所示的表面纳米化钢筋。由图5可见，被加工钢筋的表面氧化皮已被完全去除，且表面有明显的塑性加工波纹。由图6可见，纳米化改性层的总厚度约为20μm，其中纳米晶层厚度约为10μm，超细晶层厚度约为10μm。表面纳米化耐蚀钢筋在饱和Ca(OH)2溶液中钝化10天后添加0.1mol/L NaCl侵蚀7天（交流阻抗谱线如图7所示），其阻抗值为5.8 kΩ·cm2，3倍于普通钢筋（1.67 kΩ·cm2），表现出显著提高的抗氯离子侵蚀能力。
本发明公开和提出的一种表面纳米化耐蚀钢筋及其通过高速旋转丝大塑性变形实现表面纳米化改性连续加工方法，本领域技术人员可通过借鉴本文内容适当改变钢丝轮和送料轮的尺寸、数量等环节实现。特别指出的是，所有针对钢丝轮和送料机构形状、尺寸和数量等的类似变更与组合都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。
Claims (3)
1.一种表面纳米化耐蚀钢筋的连续加工方法，其特征在于：包括如下步骤：（1） 以普通螺纹钢筋或光圆钢筋为原材料，利用两组以上送料轮1实现钢筋2的自动进给，同时满足加工过程中钢筋的刚性要求；（2）利用一组以上高速旋转的钢丝轮3，在钢筋2表面进行重复刮擦加工，利用大塑性变形诱发钢筋表层组织自纳米化，同时去除钢筋氧化皮；
所述送料轮1的送料速度为5-10mm/s可调，以控制单位时间内钢筋表面的累积应变量和加工速度；
所述钢丝轮3的转速为5000-12000r/min可调，以控制单位时间钢丝与钢筋表面的刮擦加工次数。
2.基于权利要求1所述的表面纳米化耐蚀钢筋的连续加工方法，其特征在于：钢丝轮3的轮轴与待加工钢筋表面的距离可调，以控制钢丝与钢筋表面的接触程度及其外加载荷量。
3.基于权利要求2所述的表面纳米化耐蚀钢筋的连续加工方法，其特征在于：调整钢丝轮3的尺寸规格，可对不同规格的螺纹钢筋或光圆钢筋进行表面纳米化改性连续加工。
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|---|---|---|---|---|
| WO2016074161A1 (en) * | 2014-11-12 | 2016-05-19 | GM Global Technology Operations LLC | Metal sheets with gradient grain size distribution and methods for producing such sheets |
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