CN106947939B - 一种热扩散制备耐蚀钢筋的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热扩散制备耐蚀钢筋的方法，属于耐蚀材料技术领域，该制备方法具体为，自行确定钢筋原胚成分，在热扩散前需对钢筋进行切割、打磨、喷丸除锈、除油、酸洗、清洗、吹干处理，之后放入装有铬、镍的热扩散剂中，在一定温度下保温一定时间，之后对钢筋进行冷却处理。本发明自行确定钢筋成分，优化了热扩散工艺，制备出的钢筋具有良好的耐磨性和抗腐蚀性。

Description

一种热扩散制备耐蚀钢筋的方法

技术领域：

本发明属于耐蚀材料领域，涉及一种热扩散制备耐蚀钢筋的方法。

发明背景：

钢筋混凝土结构是现今土木工程中应用最为广泛的结构形式之一，其成本低廉、坚固耐久、用途广泛等优点，使之很快成为广受欢迎的建筑材料。随着人类对海洋资源的开发，在海洋环境服役的钢筋混凝土设施处于高浓度的氯离子环境，因此导致的钢筋锈蚀诱发的结构耐久性急剧下降问题日益严峻。在一些大量使用氯盐融雪剂的寒冷地区也面临同样的难题。

表面涂镀层钢筋可以提升钢筋的抗腐蚀性能，当前，表面涂镀层钢筋中使用较多的为环氧树脂涂层钢筋和热浸镀锌钢筋，采用环氧树脂涂层钢筋的优点是其可以获得表面喷涂均匀的涂层，易于工业化作业，其缺点是钢筋表面的涂层容易在运输、施工过程中发生破损。对于热浸镀锌钢筋，其具有镀层均匀，附着力强，使用寿命长等优点，而其存在的问题是加工难度大，工作环境差，污染较严重。专利“螺纹钢热扩散处理方法及螺纹钢(公开号CN103924189B)”公开了一种螺纹钢热扩散处理方法及螺纹钢，通过热扩散处理，螺纹钢的表面形成锌铁金属间化合物，且该锌铁金属间化合物具有强附着力，使螺纹钢具有较好的抗划伤性、抗冲击性和抗腐蚀性，适用于氯离子的海洋环境，可满足螺纹钢严酷的环境要求。但该发明并未给出具体的腐蚀速率及相关测试结果。

发明内容：

本发明的目的是提供一种热扩散制备耐蚀钢筋的方法，依据本发明制备出的钢筋具有很高的耐磨性和耐蚀性。

本发明是通过以下技术手段实现的。

1.自行设计钢筋原胚化学成分。

为了通过热扩散工艺制备出性能良好的钢筋，本发明自行设计钢筋原胚化学成分。钢筋原胚所含主要元素质量百分数分别为：C:0.02-0.04wt％、Mn:0.8-1.0wt％、Si:0.6-0.8wt％、S≤0.001wt％、P≤0.01wt％、V:0.02-0.05wt％、Cr:3.0-6.0wt％、Mo:0.6-1.0wt％、Nb:0.10-0.15wt％、Ti:0.08-0.10wt％、Ce:0.10-0.15wt％，其余部分为Fe及不可避免的杂质。

本发明遴选了以下合金元素以提升热扩散制备钢筋的性能。

(1)钢中基本元素

碳是提高钢材强度的重要元素之一，钢中含碳量增加，硬度、屈服点和抗拉强度升高，但韧性和塑性降低，此外，碳量高还会降低钢的耐蚀能力。另一方面，由于在热扩散的过程当中基体中的碳极易与渗剂当中的铬在钢筋表面形成致密的化合物，阻碍铬、镍原子进一步向基体内扩散，因此，本发明中钢筋原坯的碳含量应控制在0.02-0.04wt％的范围内。

锰元素可以提高钢的强度、淬透性和耐磨性，但锰含量过高会降低钢的抗腐蚀能力和焊接性能。另一方面，锰元素为奥氏体形成元素，会降低铬的扩散速率，阻止热扩散层的形成。因此本发明中钢筋原坯的锰含量应控制在0.8-1.0wt％范围内。

硅元素能显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和硬度，但是过高的硅元素会使钢的可塑性和韧性下降。因此本发明中钢筋原坯的硅含量应控制在0.6-0.8wt％。

(2)提升钢筋强度的元素：

钒元素能细化钢的晶粒组织，提高钢的强度、韧性和耐磨性，此外，钒是强碳化物形成元素，具有很好的固碳作用，可以固定钢筋当中的碳，防止钢中的碳与铬在钢筋表面形成碳化铬阻碍铬、镍的扩散。但是钒元素会降低钢的淬透性，而且成本较高，因此本发明中钢筋原坯的钒含量应控制在0.02-0.05wt％。

钛元素能细化钢的晶粒组织，从而提高钢的强度和韧性，能减轻钢的晶间腐蚀，另外钛还有很强的固碳作用，通常钢中的钛含量取决于碳含量，一般约为碳含量的4～8倍，因此本发明中钢筋原坯的钛含量应控制在0.08-0.10wt％。

铌元素可以提高钢的强度，提高钢的抗大气腐蚀和高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力，但同时也会降低钢的塑性和韧性，对于一般不锈钢，铌的添加量为其碳含量的8～10倍时，可以显著提高其耐蚀性，但向钢中添加过多的铌元素会增加制造成本，因此本发明中钢筋原坯的铌含量应控制在0.10-0.15wt％。

(3)耐蚀合金元素：

钢筋中添加适量的铬元素可以提高钢的强度和硬度，此外一定量的铬还可以提高钢筋本身的耐蚀性。由于铬元素是碳化物形成元素，因此本发明中适量的铬元素可以阻止基体当中的碳与热扩散剂当中的铬在表层形成化合物，具有固碳的效果，可以促进热扩散剂当中的铬原子和镍原子向基体扩散形成热扩散层。但向钢中添加过多的铬元素会增加制造成本，因此，本发明中钢筋原坯的铬含量应控制在3.0-6.0wt％范围内。

钼元素在强氧化性盐溶液和还原性酸环境下都可以使钢的表面钝化，因此钼可以提升钢的抗腐蚀性能，防止钢在氯离子溶液中产生点蚀。而且钼元素还可以提高钢的强度、热稳定性和硬度，有一定的固碳作用，但过高的添加钼元素会使钢的抗氧化性下降，且会使成本增高，因此本发明中钢筋原坯的钼含量应控制在0.6-1.0wt％。

(4)提高热扩散层厚度合金元素

铈元素的添加有利于热扩散剂中铬、镍原子向钢筋内部扩散，由于铈元素的原子半径远大于铁元素，因此存在于钢中的铈元素将优先占据晶界位置和晶内缺陷处，引起金属原子点阵畸变，基体位错密度增加，降低了活性铬、镍原子的扩散能势垒，使得热扩散剂当中的铬、镍原子更易在畸变区偏聚，因此铈元素存在催渗作用，能增加热扩散剂当中铬、镍原子的扩散速度，从而增加热扩散层厚度，但向钢中添加过多的铈元素会增加制造成本，因此本发明中钢筋原坯的铈含量应控制在0.10-0.15wt％。

(5)杂质元素

硫元素是钢中的有害杂物，使钢具有热脆性，降低钢的耐腐蚀性，因此本发明中钢筋原坯的硫含量应控制在0.001wt％以内。

磷元素能使钢的可塑性和韧性明显下降，增加钢的冷脆性，因此本发明中钢筋原坯的磷含量应控制在0.01wt％以内。

2.热扩散工艺：

(1)配置热扩散剂：

热扩散剂的各组成成分分别为40‐45％铬粉(100‐200目)、5‐10％镍粉(100‐200目)，45％α-三氧化二铝粉(100‐200目)，3％氯化铵，2％氟化钠，其中铬粉和镍粉的质量总和为热扩散剂总质量的50％。将热扩散剂各组分按上述比例混合，放入球磨罐中球磨10h，充分混合均匀，取出备用。

(2)钢筋表面处理

在热扩散处理前，首先对钢筋进行切割、打磨、喷丸除锈、除油、酸洗、清洗、吹干处理。其中喷丸使用铸钢丸，直径0.4mm‐0.8mm，采用气动喷丸的方式，喷丸时间0.5min–2min，压力0.5Mpa–0.8Mpa。

(3)热扩散处理

将经过表面处理后的钢筋放入装有铬和镍的热扩散剂中，钢筋与热扩散剂的总体积不超过加热容器容积的90％，将装有钢筋和热扩散剂的容器密封好后装入加热炉中，加热速率为6～10℃/min，加热至850～900℃，之后保温2～4小时，在加热保温的过程当中，以4～6转/分钟的旋转速度让容器在加热炉内缓慢转动。

(4)冷却

保温时间到后，将装有钢筋的容器随炉冷却至100～120℃后取出空冷，待达到室温后将钢筋从容器中取出。

本发明提供了一种热扩散制备耐蚀钢筋的方法，通过热处理工艺，在钢筋表面形成一层铬镍复合热扩散层，其含铬量不小于12.5％，厚度超过20μm，具有良好的耐磨性及耐氯离子腐蚀性能，适用于含有高浓度氯离子的海洋环境，具有良好的应用前景。

本发明的优点如下：

本发明自行设计钢筋的化学成分及含量，保留了碳、锰、硅、钛、钒、铌等不锈钢部分合金元素，还将一定量的铬、钼、铈元素加入到钢筋当中，其中，加入铬元素可以提升钢筋的耐蚀性能，保证热扩散层之内的钢筋依然具有良好的耐蚀性，此外，钢筋含有一定量的铬元素有利于表面热扩散层的形成。钼元素的加入可以提高钢筋在氯离子环境当中的抗点蚀性能，而铈元素的添加具有良好的催渗效果，保证了在900℃以下，铬、镍元素依然具有较高的扩散速率，减小了扩散温度，从而降低了钢筋的生产成本。

在热扩散处理前，对钢筋进行喷丸处理，一方面有效的去除了钢筋表面的锈层，减小了锈层对镍、铬原子扩散的阻碍作用。另一方面使钢筋表面的晶粒产生畸变、破碎，从而使钢筋表面获得大量的位错等晶格缺陷，提供了更多的扩散通道，从而提升了在较低温度与较短时间条件下镍、铬原子向钢筋内部扩散的速率。

经过热扩散处理，钢筋表面形成含有铬、镍的热扩散合金层，其铬含量超过12.5％，达到了不锈钢对铬元素含量的标准，且热扩散层厚度超过20μm，保证了在长期使用过程当中热扩散钢筋具有良好的耐蚀性能及稳定性。采用交流阻抗法来测试热扩散钢筋在PH＝12.68混凝土模拟孔隙液中的临界氯离子浓度，热扩散钢筋展现了良好的抗氯离子腐蚀性能。对制备的钢筋进行显微硬度测试，其表面硬度超过900HV，具有良好的耐磨性。

附图说明：

图1：实施例1在含10％氯化钠的饱和氢氧化钙溶液中浸泡30天后的腐蚀形貌图

图2：比较例1在含10％氯化钠的饱和氢氧化钙溶液中浸泡30天后的腐蚀形貌图

具体实施方式：

本发明实施例与比较例钢筋化学成分及所使用热扩散剂成分见表一

表一本发明钢筋实施例和比较例的主要合金元素化学成分分析结果(wt％)及所用热扩散剂成分

将热扩散剂按上述比例混合，球磨10h后，取出备用。在热扩散处理前，对实施例和比较例钢筋进行切割、打磨、喷丸除锈、除油、酸洗、清洗、吹干处理，之后放入装有铬和镍的热扩散剂中，钢筋与热扩散剂的总体积不超过加热容器容积的90％，将装有钢筋和热扩散剂的容器密封好后装入加热炉中，加热速率为8℃/min，加热至880℃，之后保温3小时，在加热保温的过程当中，以5转/分钟的旋转速度让容器在加热炉内缓慢转动，保温时间到后，将装有钢筋的容器随炉冷却至110℃后取出空冷，达到室温后将钢筋从容器中取出。

采用本发明热扩散方法制备的钢筋，对其进行EDS能谱分析，测试本发明制备的钢筋其表面铬元素含量超过12.5％的有效热扩散层厚度及有效热扩散层中的平均铬元素含量。将本发明制备的钢筋切成15mm*40mm*5mm的试片，在含有10％氯化钠的饱和氢氧化钙溶液当中进行30天浸泡试验，测试其耐氯离子腐蚀性能，并观察其腐蚀形貌。对本发明制备的钢筋在不同氯离子浓度的饱和氯化钠溶液中进行交流阻抗法测试，找到其临界氯离子浓度。对本发明制备的钢筋进行显微硬度测试，分析其表面耐磨性。各项测试数据的分析结果如表二所示。

从表二当中可以发现，比较例1钢筋的有效热扩散层厚度及临界氯离子浓度较实施例明显偏小，说明本发明在钢筋当中添加适量的铬元素有利于促进有效热扩散层的形成。

比较例2钢筋在进行浸泡试验过程当中出现明显的锈斑和点蚀坑，而各实施例在试验过程中无明显的腐蚀发生，说明本发明在钢筋当中添加适量的钼元素提升了钢筋的抗点蚀性能。

比较例3钢筋的有效热扩散层厚度和临界氯离子浓度较实施例明显偏小，说明在钢筋当中加入适量铈元素有利于增加有效热扩散层的厚度，从而提升材料的耐氯离子腐蚀性能。

比较例4钢筋的临界氯离子浓度较实施例明显偏小，说明在钢筋表面同时进行铬、镍复合扩散比单纯的铬扩散更能提升钢筋的耐氯离子腐蚀性能。

Claims (4)

1.一种热扩散制备耐蚀钢筋的方法，其特征在于，具有以下步骤：

(a)自行确定钢筋原胚成分，钢筋原胚所含主要元素质量百分数分别为：C:0.02-0.04wt％、Mn:0.8-1.0wt％、Si:0.6-0.8wt％、S≤0.001wt％、P≤0.01wt％、V:0.02-0.05wt％、Cr:3.0-6.0wt％、Mo:0.6-1.0wt％、Nb:0.10-0.15wt％、Ti:0.08-0.10wt％、Ce:0.10-0.15wt％，其余部分为Fe及不可避免的杂质；

(b)配置热扩散剂：将铬粉、镍粉、α-三氧化二铝粉、氯化铵和氟化钠按预设比例混合均匀；

(c)钢筋表面处理：在热扩散处理前对钢筋进行表面处理；

(d)热扩散处理：将待处理的钢筋和热扩散剂一起放入容器中加热，使钢筋表面形成铬含量超过12.5％的铬镍复合热扩散层，有效扩散层厚度不小于20μm；

(e)冷却：对热扩散处理后的钢筋进行冷却；

步骤(b)中，热扩散剂的各组成成分分别为40-45％铬粉100-200目、5-10％镍粉100-200目，45％α-三氧化二铝粉100-200目，3％氯化铵，2％氟化钠，其中铬粉和镍粉的质量总和为热扩散剂总质量的50％；将热扩散剂各组分按上述比例混合，放入球磨罐中球磨10h，充分混合均匀，取出备用。

2.如权利要求1所述的热扩散制备耐蚀钢筋的方法，其特征在于，步骤(c)中，钢筋表面处理具体包括：对钢筋进行切割、打磨、喷丸除锈、除油、酸洗、清洗、吹干处理；其中喷丸使用铸钢丸，直径0.4mm-0.8mm，采用气动喷丸的方式，喷丸时间0.5min–2min，压力0.5Mpa–0.8Mpa。

3.如权利要求1所述的热扩散制备耐蚀钢筋的方法，其特征在于，步骤(d)中，热扩散处理的具体方法为：将经表面处理的钢筋放入含有铬和镍的热扩散剂中，钢筋与热扩散剂的总体积不超过加热容器容积的90％，将装有钢筋和热扩散剂的容器密封好后装入加热炉中，加热速率为6-10℃/min，加热至850～900℃，之后保温2-4小时，在加热保温的过程当中，以4-6转/分钟的旋转速度让容器在加热炉内缓慢转动。

4.如权利要求1所述的热扩散制备耐蚀钢筋的方法，其特征在于，步骤(e)中，冷却处理的方法具体为：将装有钢筋的容器随炉冷却至100-120℃后取出空冷，待达到室温后将钢筋从容器中取出。