螺紋鋼表面銹蝕的實(shí)驗(yàn)研究

谷征滿，李艷杰，鄧　倩，陳　義，劉相華

(1.東北大學(xué)冶金學(xué)院，沈陽110819 ；2.東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽110819；3.東北大學(xué)研究院，沈陽110819)

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螺紋鋼表面銹蝕的實(shí)驗(yàn)研究

谷征滿1，李艷杰1，鄧倩2，陳義2，劉相華3

(1.東北大學(xué)冶金學(xué)院，沈陽110819 ；2.東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽110819；3.東北大學(xué)研究院，沈陽110819)

為解決螺紋鋼加速冷卻后容易生銹的問題，結(jié)合其生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀,在其穿水冷卻過程中提供加速氧化氣氛，以形成致密氧化膜.利用氧化膜的防護(hù)作用，控制螺紋鋼基體氧化，達(dá)到防銹目的.螺紋鋼加熱快速冷卻后通過噴射霧化的H2O2處理，電子探針分析觀察到鋼筋表面致密氧化膜從3～4 μm增加到17～18 μm.樣品經(jīng)過干濕交替加速腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果表明：經(jīng)過H2O2處理后的螺紋鋼開始生銹時(shí)間從2 d延長至14 d，防銹性能得到大幅度提升.

螺紋鋼; 防銹; 致密氧化膜

螺紋鋼廣泛使用在各類建筑中，建筑工地上隨處可見生了銹的螺紋鋼筋.生了銹的鋼筋會削弱它與混凝土的結(jié)合程度，嚴(yán)重時(shí)可影響到鋼筋強(qiáng)度，甚至影響建筑物壽命[1].為了提高我國建筑安全標(biāo)準(zhǔn)，國家已明確規(guī)定要以高強(qiáng)度的Ⅲ級螺紋鋼取代Ⅱ級螺紋鋼.與微合金強(qiáng)化鋼筋相比，采用軋后水冷強(qiáng)化成本低，很多鋼鐵企業(yè)采用軋后穿水冷卻工藝[2].但穿水冷卻后的鋼筋更容易生銹[3]，影響外觀和強(qiáng)度，導(dǎo)致銷售困難，成為加速冷卻鋼筋的一個(gè)瓶頸問題.本文針對這一問題，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)工藝，在避免大幅度增加成本、不增加專門工序環(huán)節(jié)的前提下，找到一種提高螺紋鋼防銹性能的方法.

1　實(shí)驗(yàn)研究

1.1實(shí)驗(yàn)材料

選取鋼種為400 MPa級的Ф16 mm螺紋鋼筋(成分見表1)，削去表面氧化皮，切割成四組 100 mm 長的試樣；選取體積分?jǐn)?shù)為3%的H2O2水溶液作為氧化劑.

1.2實(shí)驗(yàn)過程

對表2所示的4組螺紋鋼試樣編號，1號試樣不作任何處理，2-4號試樣裝入充滿氮?dú)獾氖⒐苤忻芊夂螅腿爰訜釥t加熱.2、3號試樣加熱溫度為900 ℃，4號試樣加熱溫度為 1 100 ℃.設(shè)置上述加熱溫度時(shí)，考慮了實(shí)際生產(chǎn)過程中穿水前溫度為900～1 000 ℃，穿水后溫度為700～800 ℃，及實(shí)驗(yàn)中從出爐到噴水過程試件產(chǎn)生的溫降問題.

表1　400 MPa級螺紋鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

把石英管中密封的試樣放入爐中，加熱到指定溫度并恒溫20 min后依次取出，立刻敲碎石英管并淬水，瞬間將試樣的表面溫度降低到320 ℃，試樣停止淬水9 s后，表面反紅至約700 ℃，再將2號試樣噴灑霧化水，3、4號試樣噴灑3%H2O2霧化試劑，持續(xù)約2 s，之后自然冷卻.噴霧處理的工藝條件見表2.

表2　噴霧處理工藝條件

噴霧處理24 h后對4組試樣進(jìn)行干濕交替加速腐蝕試驗(yàn)：每天中午 13∶00 開始噴水，15∶00 停噴，晾干后放置在室內(nèi)常溫環(huán)境.每天噴水之前觀察螺紋鋼銹蝕情況并記錄.當(dāng)全部試樣均發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)銹蝕時(shí)，把2-4號試樣用環(huán)氧樹脂鑲嵌,經(jīng)磨拋機(jī)拋光處理后,用酒精清洗試樣表面,吹風(fēng)機(jī)吹干,表面進(jìn)行噴碳處理，做電子探針分析，觀察氧化皮厚度，分析氧化層成分分布狀況.

2　結(jié)果與討論

2.1試樣銹斑觀察

經(jīng)2個(gè)循環(huán)周期(2 d)后1號試樣開始出現(xiàn)銹斑，14個(gè)循環(huán)周期(14 d)后，防銹性能最好的一組(4號試樣)最后一個(gè)出現(xiàn)了銹斑，4組試樣銹跡有明顯差異，如圖1所示.未經(jīng)處理的1號試樣已布滿一層黃銹(羥基氧化鐵，F(xiàn)eOOH)，2號試樣也已銹跡斑斑，3號試樣銹斑明顯，但遠(yuǎn)少于1號試樣和2號試樣.對比之下，4號試樣銹跡最少，螺紋鋼本體外觀呈藍(lán)黑色.通過對比可以看出，經(jīng)過3%H2O2水溶液處理的4號試樣防銹性能最佳.

圖1　不同實(shí)驗(yàn)條件下螺紋鋼防銹試驗(yàn)照片

2.2電子探針分析

試樣切割后,用電子探針觀察氧化鐵皮厚度，發(fā)現(xiàn)2號試樣在放大10,000倍下觀測到氧化皮厚度為3.8～4.3 μm，見圖2(a)；3號試樣在5000倍下觀察，氧化層厚度為3.0～5.4 μm， 見圖2(b)； 4號試樣在3000倍下觀察，氧化皮厚度為17.0～18.0 μm， 見圖2(c).顯然在不同溫度下噴灑不同冷卻劑對氧化皮厚度的影響很顯著，氧化皮厚度相差達(dá)6倍，極差達(dá)15 μm；同一試樣上氧化皮厚度也不均勻，但是偏差一般不超過2～3 μm，其原因可能與試樣成分的均勻性、溫度的均勻性及噴灑冷卻劑的均勻性有關(guān).

圖2(c)中還發(fā)現(xiàn)有島狀析出物，初步分析認(rèn)為是共析反應(yīng)的殘余物：FeO、Fe等，不會對螺紋鋼防銹性能造成影響；在氧化鐵皮與基體之間，可見有寬度為納米級的間隙.

圖2　氧化鐵皮的電子探針照片

2.3氧化鐵皮結(jié)構(gòu)分析

氧化鐵皮的結(jié)構(gòu)比較固定,一般由三層組成,最外層是Fe2O3,中間層是Fe3O4，最內(nèi)層是FeO.由于氧化條件不同，氧化鐵皮的組成和厚度也不同,各層厚度也會因生成條件的改變而不同[4].在加熱過程中，鋼的氧化可用Wanger理論進(jìn)行分析，初始時(shí)符合拋物線增厚規(guī)律[5],此時(shí)氧化反應(yīng)由鐵原子的擴(kuò)散及接觸金屬的氧化性氣體控制；而穿水過后，由于水中游離氧含量較少，水冷速度較快，生成氧化皮中致密的Fe3O4較少，而生成疏松多孔的FeO較多，這是造成穿水螺紋鋼容易生銹的重要原因.氧化皮中的Fe3O4主要通過共析反應(yīng)由FeO 轉(zhuǎn)變而來[6]，反應(yīng)方程式如下：

4Fe1-yO=Fe3O4+(1-4y)Fe

(1)

當(dāng)溫度在570 ℃ 以下,FeO 層發(fā)生共析反應(yīng)時(shí),其反應(yīng)產(chǎn)物的形成與含氧量有關(guān),在貧氧區(qū)形成Fe 晶核,在富氧區(qū)形成Fe3O4晶核,兩者共同形成了一個(gè)共析反應(yīng)產(chǎn)物的晶核(片層狀的Fe3O4/Fe)[6].由此說明Fe3O4形成與FeO層中的氧含量有關(guān),在富氧區(qū)即供氧相對充足時(shí)促使Fe3O4的形成[7].實(shí)驗(yàn)中H2O2在螺紋鋼表皮氧化過程中提供了相對充足的氧，促使形成致密的Fe3O4.

對4號試樣的氧化皮做電子探針分析，在同一直線上從內(nèi)到外選取3個(gè)點(diǎn)，如圖3所示.氧化鐵皮中這3個(gè)點(diǎn)處Fe與O的物質(zhì)的量比見表3.

圖3　氧化鐵皮結(jié)構(gòu)測試照片

位置123x(Fe)/%45.2344.9444.56x(O)/%54.7755.0655.44n(Fe)/n(O)0.830.820.80

FeO、Fe3O4和Fe2O3的n(Fe)/n(O)分別為1.0、0.75和0.66，經(jīng)分析可知所取3個(gè)點(diǎn)均在Fe3O4組成層內(nèi)(17～18 μm).這與分析結(jié)果基本一致，氧化皮中含致密的Fe3O4層確實(shí)得到增厚而且比魏鳳玉等人[8]關(guān)于緩蝕劑研究所得到的致密氧化膜更厚.Fe3O4阻止了部分氧氣滲入，起到了防銹作用.本實(shí)驗(yàn)改變傳統(tǒng)加入緩蝕劑防銹的思路，通過加入氧化劑增加致密氧化膜的厚度來達(dá)到防銹的目的，為解決螺紋鋼防銹難題提供新途徑.

3　結(jié)　論

(1)選用環(huán)境友好型化學(xué)試劑H2O2作為氧化劑，促進(jìn)螺紋鋼表面生成致密Fe3O4氧化膜，實(shí)現(xiàn)了以氧化鐵皮保護(hù)控制基體的氧化.

(2)經(jīng)3%H2O2噴霧處理，可生成厚度為17.0～18.0 μm 的致密氧化膜，經(jīng)干濕交替加速腐蝕實(shí)驗(yàn)，所生成的致密氧化膜起到了防止基體生銹的作用.

(3)在現(xiàn)有螺紋鋼的加速冷卻后增加H2O2噴霧處理的技術(shù)路線，能解決螺紋鋼易生銹的問題.

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An Experimental investigation on rust-eaten of rebar surface

Gu Zhengman1,Li Yanjie1,Deng Qian2,Chen Yi2,Liu Xianghua3

(1.School of Metallurgy，Northeastern University,Shenyang 110819,China; 2 School of Materials Science and Engineering，Northeastern University,Shenyang 110819,China;3 Research Institute of Science and Technoligy,Northeastern University Shenyang 110819,China )

It is easy for the rebar to rust-eaten after the water cooling process.In order to solve the problem,an experiment was carryed where a strongly oxidative atmosphere was provided to produce a dense layer of the oxide,so that base metal can be prevented from further rust-eaten.After heated,the rebar was sprayed by atomized H2O2.The electron probe analysis showed that the oxide layer increases from 3～4 μm to 17～18 μm.After several times of dry and wet corrosion test,it was showed that the time for the rebar to be rusted changes the from 2 days to 14 days.It is believed that the authors method is feasible.

rebar,antirust,tightly oxide layer

10.14186/j.cnki.1671-6620.2016.02.013

TG 178

A

1671-6620(2016)02-0143-04