CN112662946A - 一种耐腐蚀桥梁钢材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐腐蚀桥梁钢材及其制备方法，涉及桥梁合金技术领域。本发明研制的产品1、包括以下重量份数的元素：100‑120份的铁，0.03‑0.05份碳，0.5‑1.5份的硼，0.5‑1.5份的硅，0.02‑0.04份的磷，0.001‑0.003份硫，0.3‑0.5份铜，0.3‑0.5份镍；其中，硼和硅至少部分形成硼硅化合物；且硼硅化合物至少部分分布于所述耐腐蚀桥梁钢材晶界处；另外，所述铜和镍至少部分分布于所述耐腐蚀桥梁钢材表面，并形成铁固溶体相。本发明所得产品可以发挥优异的耐腐蚀性能。

Description

一种耐腐蚀桥梁钢材及其制备方法

技术领域

本发明涉及桥梁合金技术领域，具体是一种耐腐蚀桥梁钢材及其制备方法。

背景技术

随海洋资源开发与利用的不断发展，对海上平台、跨海大桥等大型海洋工程的需求不断扩大。然而，海洋环境对工程中钢结构的腐蚀作用尤为严重，据报道碳钢在海水潮差区的腐蚀速率可超过 0.5 mm/a。通常认为钢筋腐蚀是导致海工混凝土结构过早失效的最主要原因，每年由腐蚀导致的经济损失约占总 GDP 的 3.34%以上。

混凝土中钢筋的腐蚀需要周围环境中同时存在氧、水和去钝化剂，海洋环境的氯离子侵入和大气中CO2导致的混凝土碳化是主要的去钝化因素。氯离子半径小、极性大，易于吸附在钢筋表面，导致钢筋表面钝化膜破裂；环境中的 CO2则通过与混凝土孔隙液中的Ca(OH)2发生化学反应，降低孔隙液 pH 值，来溶解钢筋钝化膜，钝化膜破坏产生的腐蚀产物进而引发混凝土胀裂和顺筋裂缝。

缓蚀剂防护是应用广泛的防腐技术，其成本低廉、施工简单、无需专门的设备设施。然而，海洋工程中钢筋混凝土的失效多发生在几年或十几年后，而缓蚀剂常常掺拌在新鲜混凝土中，因此缓蚀剂的自发泄漏和提前失活是导致其优异的防腐性能得不到充分发挥的瓶颈问题。

因此，如何从根本上解决混凝土和海洋复杂环境对钢筋混凝土的腐蚀，是本领域技术人员亟待解决的技术难题之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐腐蚀桥梁钢材及其制备方法，以解决现有技术中的桥梁钢材无法应对海洋和混凝土复杂环境侵蚀，而在混凝土中添加缓蚀剂无法从根本上解决钢材腐蚀问题的弊端。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种耐腐蚀桥梁钢材，包括以下重量份数的元素：100-120份的铁，0.03-0.05份碳，0.5-1.5份的硼，0.5-1.5份的硅，0.02-0.04份的磷，0.001-0.003份硫，0.3-0.5份铜，0.3-0.5份镍；

所述硼和硅至少部分形成硼硅化合物。

一种耐腐蚀桥梁钢材的制备方法，具体制备步骤包括：

铸锭制坯：

在钢材中添加硼和硅元素，并熔炼成铸锭，再将铸锭锻造成方坯；

热轧：

将方坯于温度为1200-1300℃条件下，保温后，进行热轧，得热轧钢；

梯度降温：

将热轧钢缓慢冷却至900-950℃后，快速冷却至500-550℃，再经自然冷却至室温，出料，即得耐腐蚀桥梁钢材。

与现有技术相比，上述技术方案的有益效果是：

（1）从产品组成角度，上述技术方案在钢材体系中引入硼、硅等元素，其中，部分铜元素可以在腐蚀过程中形成铜离子，而磷元素可以转化为磷酸根离子，两者相互配合可在基体附近与基体的亚铁离子发生作用，促进亚铁离子向铁离子的转化，沉积在钢铁基体的表面，对锈蚀层的稳定有利，从而可以快速组织锈蚀层的增长，从而降低基体的腐蚀速率；另外，在硼和硅的作用下，两者发挥协同作用，使得硅元素在锈蚀层的内层富集更加明显，从而进一步降低腐蚀速率，这主要是由于硼元素对锈蚀层中的羟基铁氧化物的胜场具有有益作用；再者，羟基铁氧化物由于具有双层结构，结晶的内核和外层附着物，在硼和硅的作用下，可使得羟基铁氧化物在锈蚀层表面富集，提高锈蚀层的致密性，避免进一步发生锈蚀；

（2）从产品结构角度，上述技术方案通过采用梯度降温，来使得硼和硅在钢材基体的晶界处形成硼硅化合物，在梯度降温过程中，可使铁合金中晶界析出相（硼硅化合物）逐渐粗化，析出相间距增大，从而转变为经接触的增强相，从而进一步提高耐应力腐蚀能力和屈服强度。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种耐腐蚀桥梁钢材，包括以下重量份数的元素：100-120份的铁，0.03-0.05份碳，0.5-1.5份的硼，0.5-1.5份的硅，0.02-0.04份的磷，0.001-0.003份硫，0.3-0.5份铜，0.3-0.5份镍；

所述硼和硅至少部分形成硼硅化合物。

进一步的，所述硼硅化合物至少部分分布于所述耐腐蚀桥梁钢材晶界处。

进一步的，所述铜和镍至少部分分布于所述耐腐蚀桥梁钢材表面，并形成铁固溶体相。

一种耐腐蚀桥梁钢材的制备方法，具体制备步骤包括：

铸锭制坯：

在钢材中添加硼和硅元素，并熔炼成铸锭，再将铸锭锻造成方坯；

热轧：

将方坯于温度为1200-1300℃条件下，保温后，进行热轧，得热轧钢；

梯度降温：

将热轧钢缓慢冷却至900-950℃后，快速冷却至500-550℃，再经自然冷却至室温，出料，即得耐腐蚀桥梁钢材。

进一步的，所述具体制备步骤还包括：

在所述梯度降温过程中进行固态扩渗；

所述固态扩渗过程在缓慢冷却后；

所述固态扩渗为：将铜和镍铺于缓慢冷却后的热轧钢表面，保温扩渗4-8h后，继续进行快速冷却。

进一步的，所述缓慢冷却为：以0.3-0.5℃/min速率进行冷却。

进一步的，所述快速冷却为：以20-25℃/min速率进行冷却。

上述技术方案通过进一步的在桥梁钢材产品表面形成由铜和镍形成的铁固溶体相，且该铁固溶体相的形成过程在缓慢冷却之后，在缓慢冷却过程中，内部残留物质逐渐向表层扩散，此时热轧钢表面存在一定的扩散孔隙，有利于铜和镍元素向内部扩散；并利用铜和镍逐渐填平表面的扩散孔隙，使表面的铁固溶体相和刚才基体之间形成共晶组织渗透层，两者牢固结合，有效起到抵御外部腐蚀介质对内部钢材的侵蚀。

实施例1

铸锭制坯：

在钢材中添加硼和硅元素，并熔炼成铸锭，再将铸锭锻造成方坯；

热轧：

将方坯于温度为1200-1300℃条件下，保温后，进行热轧，得热轧钢；

梯度降温：

将热轧钢缓慢冷却至900-950℃后，进行固态扩渗，将铜和镍铺于缓慢冷却后的热轧钢表面，保温扩渗4-8h后，快速冷却至500-550℃，再经自然冷却至室温，出料，即得耐腐蚀桥梁钢材；

所述缓慢冷却为：以0.3-0.5℃/min速率进行冷却；

所述快速冷却为：以20-25℃/min速率进行冷却；

所述耐腐蚀桥梁刚才中各元素按重量份数计，满足如下配比：100-120份的铁，0.03-0.05份碳，0.5-1.5份的硼，0.5-1.5份的硅，0.02-0.04份的磷，0.001-0.003份硫，0.3-0.5份铜，0.3-0.5份镍。

实施例2

铸锭制坯：

在钢材中添加硼和硅元素，并熔炼成铸锭，再将铸锭锻造成方坯；

热轧：

将方坯于温度为1200-1300℃条件下，保温后，进行热轧，得热轧钢；

梯度降温：

将热轧钢缓慢冷却至900-950℃后，进行固态扩渗，将铜和镍铺于缓慢冷却后的热轧钢表面，保温扩渗4-8h后，快速冷却至500-550℃，再经自然冷却至室温，出料，即得耐腐蚀桥梁钢材；

所述缓慢冷却为：以0.3-0.5℃/min速率进行冷却；

所述快速冷却为：以20-25℃/min速率进行冷却；

所述耐腐蚀桥梁刚才中各元素按重量份数计，满足如下配比：100-120份的铁，0.03-0.05份碳，0.5-1.5份的硼，0.5-1.5份的硅，0.02-0.04份的磷，0.001-0.003份硫，0.3-0.5份铜，0.3-0.5份镍。

实施例3

铸锭制坯：

在钢材中添加硼和硅元素，并熔炼成铸锭，再将铸锭锻造成方坯；

热轧：

将方坯于温度为1200-1300℃条件下，保温后，进行热轧，得热轧钢；

梯度降温：

将热轧钢缓慢冷却至900-950℃后，进行固态扩渗，将铜和镍铺于缓慢冷却后的热轧钢表面，保温扩渗4-8h后，快速冷却至500-550℃，再经自然冷却至室温，出料，即得耐腐蚀桥梁钢材；

所述缓慢冷却为：以0.3-0.5℃/min速率进行冷却；

所述快速冷却为：以20-25℃/min速率进行冷却；

所述耐腐蚀桥梁刚才中各元素按重量份数计，满足如下配比：100-120份的铁，0.03-0.05份碳，0.5-1.5份的硼，0.5-1.5份的硅，0.02-0.04份的磷，0.001-0.003份硫，0.3-0.5份铜，0.3-0.5份镍。

对比例1

本对比例相比于实施例1而言，缺少B元素，其余条件保持不变。

对比例2

本对比例相比于实施例1而言，直接随炉冷却至室温，未进行缓慢降温和快速降温，其余条件保持不变。

对比例3

本对比例相比于实施例1而言，未进行固态扩渗，其余条件保持不变；

对比例4

本对比例相比于实施例1而言，未添加镍元素，其余条件保持不变。

将实施例1-3及对比例1-4所得产品进行性能测试，具体测试方法和测试结果如下所述：

醋酸盐雾腐蚀试验：采用BG/T 10125-1997(ISO 9227:1990)ASS.试验标准；记录样品开始出现红褐色锈斑的时间；具体结果如表1所示；

表1：产品性能测试结果

由表1测试结果可知，本申请所得产品具有优异的耐腐蚀性能，且固态扩渗技术的采用对产品耐腐蚀性能的提升更由于硼硅化合物的作用。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种耐腐蚀桥梁钢材，其特征在于，包括以下重量份数的元素：100-120份的铁，0.03-0.05份碳，0.5-1.5份的硼，0.5-1.5份的硅，0.02-0.04份的磷，0.001-0.003份硫，0.3-0.5份铜，0.3-0.5份镍；

所述硼和硅至少部分形成硼硅化合物。

2.根据权利要求1所述的一种耐腐蚀桥梁钢材，其特征在于，所述硼硅化合物至少部分分布于所述耐腐蚀桥梁钢材晶界处。

3.根据权利要求1所述的一种耐腐蚀桥梁钢材，其特征在于，所述铜和镍至少部分分布于所述耐腐蚀桥梁钢材表面，并形成铁固溶体相。

4.一种耐腐蚀桥梁钢材的制备方法，其特征在于，具体制备步骤包括：

铸锭制坯：

在钢材中添加硼和硅元素，并熔炼成铸锭，再将铸锭锻造成方坯；

热轧：

将方坯于温度为1200-1300℃条件下，保温后，进行热轧，得热轧钢；

梯度降温：

将热轧钢缓慢冷却至900-950℃后，快速冷却至500-550℃，再经自然冷却至室温，出料，即得耐腐蚀桥梁钢材。

5.根据权利要求4所述的一种耐腐蚀桥梁钢材的制备方法，其特征在于，所述具体制备步骤还包括：

在所述梯度降温过程中进行固态扩渗；

所述固态扩渗过程在缓慢冷却后。

6.所述固态扩渗为：将铜和镍铺于缓慢冷却后的热轧钢表面，保温扩渗4-8h后，继续进行快速冷却。

7.根据权利要求4或5任一项所述的一种耐腐蚀桥梁钢材的制备方法，其特征在于，所述缓慢冷却为：以0.3-0.5℃/min速率进行冷却。

8.根据权利要求4或5任一项所述的一种耐腐蚀桥梁钢材的制备方法，其特征在于，所述快速冷却为：以20-25℃/min速率进行冷却。