CN110014051B - 一种增材制造-控温槽轧制备不锈钢复合钢筋的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种增材制造‑控温槽轧制备不锈钢复合钢筋的方法。该方法包括以下步骤：碳钢表面经过预处理后进行电弧增材，在四周堆焊一层2.5‑5mm厚的不锈钢；之后用直线焊对四条棱边进行焊接填充，直到不锈钢完全将碳钢包覆，得到不锈钢复合棒；淬火、回火处理，并最终在槽轧机上进行多道次槽轧成型，将不锈钢包覆在碳钢基体上，获得较好的层间界面结合状态以及纳米级的晶粒尺寸，从而实现耐腐蚀和强韧化的目的。本发明利用电弧增材制造可以获得很强的界面结合强度，拉伸性能能够达到800‑1000MPa冲击韧性能够达到120‑150J/cm2。
Description
技术领域
本发明涉及电弧增材制造技术，属于增材制造领域，特别涉及金属材料控温槽轧技术，属于金属压延领域。
背景技术
据资料显示，2018年我国对钢材的需求量为6.7亿吨，其中建筑行业用钢占比过半，高达3.7亿吨。其中钢筋混凝土的研究已经成为一个热点，但是，在钢筋混凝土的结构中，钢筋的腐蚀导致土木工程以及基础设施的破坏，已经成为困扰科研工作者的世界性问题。由于常规的钢筋多为碳钢材质，其耐蚀性能差，腐蚀生锈后会引起材料酥松膨胀而产生内应力，当其内应力超过混凝土的弹性极限时就会破坏混凝土结构，从而给建筑物和桥梁带来严重的安全隐患。
相关数据显示，我国钢筋混凝土建筑结构平均寿命只有30年。同时据不完全统计，美国平均每年用于维护钢筋混凝土结构桥梁的费用高达63亿美元，英国每年用于因腐蚀造成的基础设施的维修费用为55亿英镑。我国也存在大量桥梁因钢筋腐蚀破坏严重出现裂纹、承载力下降等问题需要高昂的维护费。为此不锈钢复合钢筋的研究，主要有以下两个方面，一个是钢筋的加工成型研究，另一个是钢筋的防腐蚀性能研究。由于不锈钢/碳钢覆层钢筋有着良好的抗腐蚀性能，可以满足人们对钢筋混凝土建筑结构设计寿命提高的要求，由此成为国内外学者和科研人员研究的热点。
美国SMI-TEXAS公司，采用喷射沉积工艺制备不锈钢复合钢筋，这种钢筋性能良好，界面结合强度高，但是这种工艺相对能耗高，所需成本高，导致竞争力低。日本黒川宣幸等人采用旋转减径机轧制出不锈钢覆层钢筋。通过这种方法得到的不锈钢复合钢筋不锈钢壁厚均匀，界面结合强度高。但是这种方法对轧制速度有着极高的要求，不适合高速轧制的发展要求。2006年华南理工大学的汤勇教授用复合型材套拉工艺制备得到了不锈钢包覆的钢筋，而且申请了国家发明专利。这种工艺方法是通过在碳钢棒材外表面卷曲压合一层不锈钢层，焊缝后拉拔成型。这种工艺制备的不锈钢覆层钢筋的不锈钢壁厚均匀，但是由于小的加工变形量，界面结合强度低，很难应用于实际生活当中。
发明内容
本发明的目的为针对当前碳钢在工程结构用钢中耐蚀性差，低温冲击韧性低的缺点。提供一种增材制造-控温槽轧制备不锈钢复合钢筋的方法。该方法通过对碳钢进行电弧增材制造、淬火、回火处理，并最终在槽轧机上进行多道次槽轧成型，将不锈钢包覆在碳钢基体上，获得较好的层间界面结合状态以及纳米级的晶粒尺寸，从而实现耐腐蚀和强韧化的目的。
本发明的技术方案是：
一种增材制造-控温槽轧制备不锈钢复合钢筋的方法，包括以下步骤：
(1)用角磨机和砂纸依次对碳钢表面进行打磨；其中，碳钢尺寸为(20-30)mm*(20-30)mm，长度在150-200mm；
(2)再用酒精清洗打磨后的碳钢表面，然后吹干；
(3)在碳钢四周堆焊一层2.5-5mm厚的不锈钢；具体操作如下：将碳钢放平，在其中一个面进行焊接，沿着两个长边上分别进行振幅为4-8mm的摆焊，中间进行1-2道直线焊，将整个面填充满，这样一个面便焊接完成；其余3个面重复上述步骤；
(4)待四个面全部焊接完后，将碳钢棱边固定放平，之后用直线焊对四条棱边进行焊接填充，直到不锈钢完全将碳钢包覆，得到不锈钢复合棒；
(5)待焊接好的不锈钢复合棒冷却之后用砂轮机进行表面处理，去掉不锈钢复合棒表面上残留的焊点，并且将不锈钢复合棒表面打磨平整；
(6)将马弗炉升温至850℃-900℃，放入已经焊接好的不锈钢复合棒，保温45min-1h后取出，并立即放入凉水中做淬火处理；
(7)将经过淬火的不锈钢复合棒放入500℃-600℃度炉中保温30-45分钟，进行高温回火处理；
(8)将不锈钢复合棒从炉中取出并立即进行槽轧，每槽轧3道次放回炉中，500℃-600℃下继续保温30-45min，再槽轧；总计进行10-12道次轧制；轧制到最后两道次时，需要保证轧制方向一致；最终得到13mm-15mm宽的不锈钢复合钢筋。
最终得到不锈钢复合钢筋的等效应变为1.5-1.7之间。
所述的步骤(3)中的焊接优选为采取焊接机器人进行。
所述的步骤(3)中摆焊的参数为：起伏点电流120A，焊接速度0.10～0.20m/min；步骤(4)中直线焊：起伏点电流150A，焊接速度0.2～0.4m/min。
本发明的实质性特点为：
在现有技术中，不论是将碳钢屑加入到不锈钢管中进行热轧制备不锈钢覆层钢筋还是通过冷拔-高温钎焊制备不锈钢覆层钢筋，其界面结合状态都不理想，并且伴随着高成本，高能耗的问题很难实现工业化生产。为了开发高强度、低成本、耐腐蚀的工程结构用钢筋，本发明提供了一种增材制造-控温槽轧制备不锈钢复合钢筋的方法。其中增材制造是一种基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动，采用材料逐层累加快速制造实体零件的一种方法。与传统成型方法相比，增材制造降低加工工序，缩短产品制造周期，尤其适用于低成本小批量产品的制造。本发明所采用的电弧增材制造技术是以电弧为载能束，焊丝作为增材材料，采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件的方法。这种方法制备的成形零件由全焊缝构成，化学成分均匀、致密度高。由于开放的成形环境对成形件尺寸无限制，并且这种方法成形速率可达几kg/h，因此在航空航天、生物医学、能源化工、微纳制造等领域具有广阔的应用前景。而本发明采用的控温槽轧方法可以得到纤维超细晶粒、纤维织构和纳米级碳化物，通过控温槽轧可有效地解决金属材料的强度-韧性倒置现象，同时，这种多级结构能够明显的提高碳钢的低温冲击韧性和降低韧脆转变温度，特别对于碳钢来说，当槽轧温度在500℃左右，槽轧压下量达到78％以上，在-60℃～60℃温度区间呈现出冲击韧性峰值，冲击性能显示特殊的逆温度效应，从而扩大了碳钢的服役温度范围。
本发明方法将电弧增材制造技术与控温槽轧技术相结合，设计制备具有结构功能一体化的不锈钢复合钢筋。首先在碳钢棒表面用电弧增材制造方式堆焊一层厚3mm的不锈钢覆层，获得具有较强界面结合的不锈钢复合棒，然后通过控温槽轧的方式制备不锈钢复合钢筋，控温槽轧技术在高温变形过程中，基体会发生剧烈的回复与再结晶，使得组织和晶粒变得细小，从而获得超细纤维晶，此外，通过大的压下量在碳钢内部获得纳米级别的的碳化物颗粒以及纤维织构，这一效果可以有效地解决单一晶粒细化导致材料塑韧性严重下降的问题。这样，表面不锈钢覆层起到耐蚀作用，而内部碳钢特殊的结构又克服了低温冲击性能差的特点，从而实现耐腐蚀性能和强韧化目的。
本发明的有益效果为：
(1)利用电弧增材制造可以获得很强的界面结合强度。拉伸性能能够达到850-1200MPa冲击韧性能够达到120-150J/cm2。(原始态碳钢为30-50J/cm2)。
(2)利用控温槽轧技术，可以获得纤维超细晶粒、纤维织构和纳米级碳化物，为深入研究纳米和亚微米金属复合材料的力学行为和界面增韧机制提供了契机。
(3)通过槽轧，利用较大的变形量可引起基体组织的回复和再结晶行为，从而明显细化晶粒，起到强韧化的效果。从槽轧后的SEM照片中可以明显看出晶粒细化的效果。
附图说明
图1为不锈钢复合钢筋制备流程图；
图2为实施例1中得到的不锈钢包覆45#钢金相组织图；
图3为实施例2中得到的不锈钢包覆Q345钢金相组织图。
具体实施方式
本发明涉及的碳钢为45#、Q345，焊条采用304焊条，为不锈钢焊条，为本领域广泛应用的公知材料，主要成分：
45#：0.42-0.50C，0.50-0.80Mn，0.17-0.37Si
Q345：C≤0.20，Si≤0.50，Mn≤1.70，Nb≤0.07，V≤0.15，Ti≤0.20，Cr≤0.30，Ni≤0.50
304：C≤0.08，18.00-20.00Cr，8.0-10.50Ni，Si≤1.00，Mn≤2.00，P≤0.045，S≤0.030。实施例采用的焊条为MIG-ER304(H1Cr19Ni9)，标准：YB/T5092-1996
实施例1：
(1)用角磨机和砂纸对45#钢进行表面打磨，去掉氧化层，直到表面被打磨光亮为止。其中45#钢尺寸为28mm*28mm*180mm。
(2)用酒精清洗打磨后的45#钢表面，去掉上面的油污，并用吹风机吹干。
(3)利用唐山松下产业机械有限公司生产的YA-1VAR61CJ0型焊接机器人在45#钢四周堆焊一层3mm厚的SUS304不锈钢。具体操作如下：将45#钢放平，在其中一个面进行焊接，两个边上分别进行振幅为7mm的摆焊，中间进行一道直线焊，这样一个面便焊接完成，其余3个面重复上述步骤。焊接参数：摆焊：振幅7mm，起伏点电流120A，焊接速度0.15m/min；直线焊：起伏点电流150A，焊接速度0.3m/min。
(4)待四个面全部焊接完后，将45#钢棱边固定放平，之后用直线焊对四条棱边分别进行焊接，将304不锈钢完全包覆在45#表面，得到不锈钢复合棒。
(5)待焊接好的不锈钢复合棒冷却之后用砂轮机进行简单的表面处理，使不锈钢复合棒表面光亮整洁。
(6)将马弗炉升温至900℃，放入已经焊接好的不锈钢复合棒，保温50min后取出，并立即放入凉水中做淬火处理。
(7)将不锈钢复合棒放入530℃度炉中保温30min，进行高温回火处理。
(8)将不锈钢复合棒从炉中取出并立即进行槽轧，一共需要进行10-12道次轧制，在二轧辊轧机上从大到小依次进行槽轧，每槽轧3道次放回炉中继续保温30min再槽轧，轧制到最后两道次时，需要保证轧制方向一致。最终得到15mm宽，等效应变为1.5的不锈钢复合钢筋。
利用OLYCIA M3型光学显微镜观察，图2为不锈钢包覆45#钢复合钢筋槽轧后的金相组织图，(左边为45钢基体，右边为304不锈钢)，从图中可以明显看到不锈钢均匀地包覆在45#钢基体上，界面结合良好。
实施例2：
(1)用角磨机和砂纸对Q345钢进行表面打磨，去掉氧化层，直到表面被打磨光亮为止。其中Q345钢尺寸为28mm*28mm*180mm。
(2)用酒精清洗打磨后的Q345钢表面，去掉上面的油污，并用吹风机吹干。
(3)利用唐山松下产业机械有限公司生产的YA-1VAR61CJ0型焊接机器人在Q345钢四周堆焊一层3mm厚的SUS304不锈钢。具体操作如下：将Q345钢放平，在其中一个面进行焊接，两个边上分别进行振幅为7mm的摆焊，中间进行一道直线焊，这样一个面便焊接完成，其余3个面重复上述步骤。焊接参数同实施例1。
(4)待四个面全部焊接完后，将Q345钢棱边固定放平，之后用直线焊对四条棱边进行填充焊接，将304不锈钢完全包覆在Q345钢表面得到不锈钢复合棒。
(5)待焊接好的不锈钢复合棒冷却之后用砂轮机进行简单的表面处理，将表面打磨光亮，去掉表面焊点。
(6)将马弗炉升温至900℃，放入已经焊接好的不锈钢复合棒，保温50min后取出，并立即放入凉水中做淬火处理。
(7)将不锈钢复合棒放入530℃炉中保温45min，进行高温回火处理。
(8)将不锈钢复合棒从炉中取出并立即进行槽轧，每槽轧3道次放回炉中继续保温45min后再槽轧，一共需要槽轧10-12道次，轧制到最后两道次时，需要保证轧制方向一致。最终得到15mm宽的不锈钢复合钢筋。
利用OLYCIA M3型光学显微镜观察，图3为不锈钢包覆Q345钢复合钢筋的金相组织图(右边边为Q345钢基体，左边为304不锈钢)，从图中可以看到304不锈钢均匀包覆在Q345钢基体上，界面平整，结合良好。
性能测试结果如下：
测试条件：为常温拉伸实验和常温冲击实验，所用的仪器为日本岛津公司生产的电子万能材料试验机和深圳三思纵横科技股份有限公司生产的金属摆锤冲击试验机。
| 实施例1 | 实施例2 | |
| 拉伸试验(抗拉强度) | 956MPa | 1065MPa |
| 冲击试验(冲击韧性) | 141J/cm2 | 147J/cm2 |
将电弧增材制造技术与控温槽轧技术相结合，设计制备具有结构功能一体化的不锈钢复合钢筋。最终得到不锈钢复合钢筋界面结合良好，达到了冶金结合；碳钢内部获得纳米级别的的碳化物颗粒以及纤维织构，可以有效地解决单一晶粒细化导致材料塑韧性严重下降的问题；冲击性能与拉伸性能得到了大的提升；同时包覆在碳钢基体上的不锈钢有效地防止了钢筋的腐蚀问题；很好地提高了钢筋耐腐蚀性能并达到了强韧化目的。
本发明未尽事宜为公知技术。
Claims (1)
1.一种增材制造-控温槽轧制备不锈钢复合钢筋的方法，其特征为该方法包括以下步骤：
（1）用角磨机和砂纸依次对碳钢表面进行打磨；
（2）再用酒精清洗打磨后的碳钢表面，然后吹干；
（3）在碳钢四周堆焊一层2.5-5mm厚的不锈钢；具体操作如下：将碳钢放平，在其中一个面进行焊接，沿着两个长边上分别进行振幅为4-8mm的摆焊，中间进行1-2道直线焊，将整个面填充满，这样一个面便焊接完成；其余3个面重复上述步骤；
（4）待四个面全部焊接完后，将碳钢棱边固定放平，之后用直线焊对四条棱边进行焊接填充，直到不锈钢完全将碳钢包覆，得到不锈钢复合棒；
（5）待焊接好的不锈钢复合棒冷却之后用砂轮机进行表面处理，去掉不锈钢复合棒表面上残留的焊点，并且将不锈钢复合棒表面打磨平整；
（6）将马弗炉升温至850℃-900℃，放入已经焊接好的不锈钢复合棒，保温45min-1h后取出，并立即放入凉水中做淬火处理；
（7）将经过淬火的不锈钢复合棒放入500℃-600℃炉中保温30-45分钟，进行高温回火处理；
（8）将不锈钢复合棒从炉中取出并立即进行槽轧，每槽轧3道次放回炉中，500℃-600℃下继续保温30-45min，再槽轧，总计进行10-12道次轧制；轧制到最后两道次时，轧制方向一致；最终得到不锈钢复合钢筋；
所述的步骤（3）中的焊接为采取焊接机器人进行；
所述的步骤（1）中，碳钢尺寸为（20-30）mm*（20-30）mm，长度在150-200mm；步骤（8）中最终得到不锈钢复合钢筋的宽为13mm-15mm；
所述的步骤（3）中摆焊的参数为：起伏点电流120A，焊接速度0.10~0.20m/min；步骤（4）中直线焊：起伏点电流150A，焊接速度0.2~0.4m/min；
得到不锈钢复合钢筋的等效应变为1.5-1.7之间。
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