加工工藝對不銹鋼直螺紋接頭耐蝕性的影響

朱清華王愛軍

(1. 中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088；2. 北京思達(dá)建茂科技發(fā)展有限公司，北京 102206)

海水對金屬材料具有較強的腐蝕性，容易造成金屬材料破壞[1]。對于海上建筑，鋼筋連接節(jié)點的耐蝕性是衡量其可靠性的關(guān)鍵因素。目前，最常用的機(jī)械連接方法包括擠壓連接、錐螺紋連接、鐓粗直螺紋連接和滾軋直螺紋連接等[2]。采用擠壓連接時，鋼筋容易在擠壓處產(chǎn)生疲勞源；錐螺紋連接很難實現(xiàn)等強連接[3]。本工作以具有高耐蝕性的HRB500級2205不銹鋼為研究對象，采用剝肋滾軋、鐓粗車削及鐓粗滾軋三種工藝將試驗鋼制成直螺紋連接試樣，通過鹽霧試驗和浸泡試驗對其耐蝕性進(jìn)行檢測，研究了不同加工工藝對2205不銹鋼直螺紋連接接頭耐蝕性能的影響。

1 試驗

1.1 試樣制備

絲頭試樣采用直徑分別為16，25，32 mm的HRB500級2205不銹鋼鋼筋加工，其化學(xué)成分如表1所示。采用剝肋滾軋(工藝A)、鐓粗車削(工藝B)及鐓粗滾軋(工藝C)三種直螺紋加工工藝將試驗鋼筋加工成絲頭。

1)剝肋滾軋工藝

將鋼筋端頭通過剝肋刀進(jìn)行剝肋后用滾絲輪滾軋成直螺紋。其原理是利用了金屬材料表層塑性變形并達(dá)到冷作硬化，從而增強了鋼筋強度[4]。

2)鐓粗車削工藝

將鋼筋端部通過鐓粗模具擠壓至其外徑鐓粗，再經(jīng)過梳刀車削制成螺紋。鐓粗變形使鋼筋端部高度變小橫截面積增大[5]。

表1 試驗鋼筋的化學(xué)成分及標(biāo)準(zhǔn)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of test rebars and standard (mass fraction) %

3)鐓粗滾軋工藝

將鋼筋端部經(jīng)過鐓粗模具鐓粗后，再使用滾絲輪進(jìn)行滾軋加工，將鐓粗和滾軋工藝結(jié)合，從而進(jìn)一步增大鋼筋端部的力學(xué)性能。

套筒采用相同材料的不銹鋼棒材。將其車削成與套筒外徑相應(yīng)的不銹鋼圓棒，再通過鋸切、鉆孔后形成管料，最后采用數(shù)控機(jī)床及以上直螺紋加工工藝加工成直螺紋套筒。

對采用不同工藝加工的套筒與絲頭進(jìn)行螺紋連接，每一個套筒連接兩個絲頭形成一個接頭。試樣主要參數(shù)見表2。加工得到的不銹鋼鋼筋絲頭、套筒及螺紋連接后的接頭如圖1，圖2和圖3所示。

表2 試樣主要參數(shù)Tab. 2 Main parameters of specimens

(a) 工藝A

(b) 工藝B

(c) 工藝C圖1 不同加工工藝制備的絲頭Fig. 1 Threaded sectors prepared by different processing techniques: (a) process A; (b) process B; (c) process C

(a) 工藝A

(b) 工藝C

(a) 工藝A

(b) 工藝C

1.2 試驗方法

1.2.1 鹽霧試驗

鹽霧試驗在ATLAS CCX2000鹽霧試驗箱中進(jìn)行，以pH為7的(50±5)g/L NaCl溶液采用連續(xù)噴霧的方式制造鹽霧。試樣放置角度與垂直方向成(20±5)°角[6]。將不同工藝加工的絲頭試樣(每種規(guī)格6個)懸掛于鹽霧腐蝕試驗箱中進(jìn)行120 h的鹽霧腐蝕。試驗結(jié)束后，用稀鹽酸洗去其表面銹蝕層后烘干、稱量。然后，按式(1)計算腐蝕速率[7]。

v=(m0-m)/(ST)

(1)

式中：v為腐蝕速率，g/(m2·h)；S為試樣表面積，m2；T為試驗時間，h；m0為試樣腐蝕前的質(zhì)量，g；m為試樣腐蝕后的質(zhì)量，g。

鋼筋絲頭的表面積的確定：對三種工藝加工的絲頭試樣(各6組平行樣)進(jìn)行尺寸測量與稱量，按照鋼筋絲頭相關(guān)參數(shù)，運用PROE三維軟件繪制螺紋的三維圖形，然后通過面積測量功能對直螺紋鋼筋絲頭表面積進(jìn)行分段測量和疊加計算，最終得出鋼筋絲頭的表面積。

1.2.2 腐蝕浸泡試驗

在(50±5)g/L NaCl溶液中對A，C型兩種工藝加工的不銹鋼直螺紋接頭進(jìn)行浸泡試驗。另外，以相同工藝加工的絲頭(2個)和套筒(1個)作為對比樣，進(jìn)行試驗。對比分析絲頭和套筒在未連接情況下的腐蝕質(zhì)量損失之和，及絲頭和套筒連接形成接頭后的腐蝕質(zhì)量損失。每種試驗條件下測3個平行樣，結(jié)果取其平均值。

試驗前將所有試樣的螺紋工作面清理干凈，并進(jìn)行稱量，將其他部位工作面用防銹漆覆蓋后，再浸泡于(50±5)g/L NaCl溶液中120 h后取出，清除防銹漆和表面銹蝕層后烘干、稱量。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼筋絲頭的鹽霧試驗

以Φ16 mm不銹鋼鋼筋制成的絲頭為例，鹽霧試驗120 h后，A、B、C三種加工工藝制成的絲頭的宏觀形貌見圖4。

表3為根據(jù)式(1)計算得出的腐蝕速率。從表3中可以看出，采用工藝A與工藝C制成的絲頭的腐蝕速率較低，耐蝕性較好。在三種加工工藝中，平均腐蝕速率從大到小的順序為工藝B>工藝A>工藝C，可見采用工藝B制成的絲頭的耐蝕性最差。螺紋加工工藝對其他直徑鋼筋絲頭耐蝕性的影響也滿足以上結(jié)論。

(a) 工藝A

(b) 工藝B

(c) 工藝C圖4 鹽霧試驗后不同工藝加工的絲頭的宏觀形貌Fig. 4 Macro morphology of rebar threaded sectors after salt-spraying test: (a) process A; (b) process B; (c) process C

試樣加工工藝ABC絲頭11.78313.590.833絲頭20.68014.781.004絲頭31.11121.410.261絲頭41.46513.461.282絲頭50.88919.511.298絲頭62.45020.821.161平均值1.39617.260.973

從圖5中可以看出，與鐓粗車削(工藝B)加工的螺紋組織相比，剝肋滾軋(工藝A)和鐓粗滾軋(工藝C)加工的螺紋組織較細(xì)小。滾軋成形是靠體積轉(zhuǎn)移和分配實現(xiàn)的，該方式可改善鋼筋表面的顯微組織，使晶粒細(xì)化，并最終得到纖維組織，改善了工件的力學(xué)性能[8]，也相對提高了工件的耐蝕性。

(a) 工藝A

(b) 工藝B

(c) 工藝C

2.2 螺紋接頭的耐蝕性能

不同工藝加工的試樣在NaCl溶液中腐蝕 120 h 后的宏觀形貌見圖6。

(a) 套筒，工藝A

(b) 絲頭，工藝A

(c) 螺紋接頭，工藝A

(d) 套筒，工藝C

(e) 絲頭，工藝C

(f) 螺紋接頭，工藝C

以Φ16 mm試樣為例，分別對A,C兩種工藝加工的絲頭(2個)與套筒(1個)腐蝕質(zhì)量損失和，和螺紋接頭的腐蝕質(zhì)量損失進(jìn)行比較，共比較了3組試樣。表4為相同工藝加工的2個絲頭與1個套筒腐蝕質(zhì)量損失和與螺紋接頭的腐蝕質(zhì)量損失的差值。

表4 腐蝕質(zhì)量損失的差值Tab. 4 Difference values of corrosion weight loss

從表4中可以看出，兩種工藝加工的試樣經(jīng)過120h浸泡試驗后，絲頭與套筒的腐蝕質(zhì)量損失和減去對應(yīng)接頭腐蝕質(zhì)量損失的差值為正值，且平均值相差不大，說明采用工藝A與工藝C加工的螺紋接頭的耐蝕性相差不大，且耐蝕性均良好。但鐓粗滾軋加工工藝即工藝C還需要增加鐓粗加工機(jī)等相關(guān)設(shè)備，基于加工成本等因素的綜合考慮，優(yōu)先選用剝肋滾軋工藝加工不銹鋼直螺紋接頭。

3 結(jié)論

(1) 對于2205不銹鋼鋼筋，采用剝肋滾軋加工方式及鐓粗滾軋加工方式制成絲頭的耐蝕性優(yōu)于鐓粗車削加工方式制成絲頭的，且耐蝕性穩(wěn)定。

(2) 通過剝肋滾軋及鐓粗滾軋兩種加工工藝制成的絲頭、套筒腐蝕質(zhì)量損失和與對應(yīng)的螺紋接頭腐蝕質(zhì)量損失比較，相差不大，且都為正值，說明其耐蝕性好。但綜合考慮成本等其他問題，優(yōu)先選用剝肋滾軋工藝作為直螺紋加工工藝。