Cr元素對HRB400E鋼筋抗銹蝕能力的影響研究

[摘" " 要]目前，HRB400E熱軋抗振鋼筋廣泛應(yīng)用于建筑工程，由于鋼筋出現(xiàn)表面銹蝕，一方面影響表面外觀，另一方面影響鋼筋加工焊接質(zhì)量。很多鋼筋用戶對鋼筋表面抗銹蝕能力提出了要求。某鋼筋生產(chǎn)企業(yè)通過在HRB400E鋼筋成分中加入Cr元素，研究分析鋼筋中Cr含量不同下的抗銹蝕能力，探索優(yōu)化熱軋抗震鋼筋抗銹蝕能力的措施。

[關(guān)鍵詞]Cr元素;熱軋帶肋鋼筋;抗銹蝕能力

[中圖分類號(hào)]TG335.64 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

1 Cr元素在鋼中的抗銹蝕作用

在鋼鐵產(chǎn)品中，添加Cr的含量不同，其作用也不同。通常來說，Cr在鋼中具有以下作用。

（1）可提高鋼的強(qiáng)度和硬度。

（2）可提高鋼的高溫機(jī)械性能。

（3）使鋼具有良好的抗腐蝕性和抗氧化性。

（4）阻止石墨化，提高淬透性。但也存在顯著提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，促進(jìn)鋼的回火脆性的缺點(diǎn)[1]。

Cr元素能與碳生成Cr3C等金屬化合物，這些金屬化合物具有較高的強(qiáng)度和硬度[2]。當(dāng)它以顆粒狀彌散性分布在金屬基體上時(shí)，能大大提高材料的強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性和抗氧化性。Cr能夠提高基體的自腐蝕電位，并且Cr很活潑，有較強(qiáng)的鈍化性能，在氧化劑作用下能夠迅速生成致密完整的氧化膜，修復(fù)被電離子穿孔的氧化鐵保護(hù)膜，阻止基體進(jìn)一步腐蝕。因此，Cr元素能夠抑制鋼材在電離子環(huán)境中的點(diǎn)蝕現(xiàn)象[3]，提高鋼的鈍化能力。當(dāng)Cr與Cu同時(shí)加入鋼中時(shí)，效果尤為明顯。但當(dāng)含有Cr的碳化物析出時(shí)，鋼的耐蝕性會(huì)下降。

2 前期分析及思路

鋼材的銹蝕大致可分為兩類：一是化學(xué)銹蝕，指鋼材表面與周圍介質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的銹蝕。鋼材在高溫中氧化形成Fe3O4，在常溫下氧化形成FeO。二是電化學(xué)銹蝕，建筑鋼材在存放和使用中發(fā)生的銹蝕主要屬于這一類。

目前，國內(nèi)生產(chǎn)HRB400E熱軋抗振鋼筋的廠家均采用加入釩鈮合金，來改善鋼筋性能和表面抗腐蝕能力。但由于運(yùn)輸、使用和工程等因素，往往鋼筋需要存儲(chǔ)一段時(shí)間才使用，因此現(xiàn)場用戶在使用鋼筋時(shí)要求表面銹蝕越少越好，并對鋼筋抗腐蝕能力提出更高要求，甚至希望鋼廠生產(chǎn)耐腐蝕鋼筋。

基于Cr元素對鋼材內(nèi)部組織和力學(xué)性能的作用及影響，可在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)加入一定量的合金元素Cr，改變鋼筋成分來增強(qiáng)鋼筋的抗銹蝕能力。某鋼筋生產(chǎn)企業(yè)通過生產(chǎn)不同Cr元素含量的鋼筋進(jìn)行抗銹蝕能力對比，探究提高鋼筋表面抗銹蝕能力的含Cr元素最優(yōu)成分方案，改善HRB400E鋼筋抗銹蝕能力，從而增強(qiáng)鋼筋產(chǎn)品市場競爭力。

3 生產(chǎn)及對比試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)準(zhǔn)備?？紤]Cr元素可提高鋼材的強(qiáng)度，依據(jù)碳當(dāng)量公式，對高Cr成分鋼坯適當(dāng)降低C和Mn的含量，設(shè)計(jì)Cr元素含量為0.1%～0.15%和0.65%～0.7%兩組不同成分。在含釩微合金化鋼筋中加入適量的Cr合金，生產(chǎn)Φ18和Φ14兩種規(guī)格HRB400E熱軋帶肋抗振鋼筋，進(jìn)行鋼筋抗銹蝕能力研究試驗(yàn)。兩組試驗(yàn)鋼坯成分見表1。

（2）分別軋制Φ18和Φ14兩個(gè)規(guī)格的HRB400E熱軋抗振鋼筋，生產(chǎn)過程按正常工藝控制。

（3）鋼筋力學(xué)性能結(jié)果見表2

（4）通過理論計(jì)算，設(shè)計(jì)的兩種成分均能滿足軋制后鋼筋性能要求。

（5）從鋼筋的屈服特征比可以看出，鋼筋冶煉時(shí)加入一定量的Cr合金能增強(qiáng)鋼筋的強(qiáng)度，但相對于C元素，對屈服強(qiáng)度增幅能力不大。

（6）高倍檢測金相組織，圖1是顯微鏡500倍下金相。

（7）1#試樣金相Cr含量高，與碳生成Cr3C等金屬化合物，增強(qiáng)了組織結(jié)合力，提高了鋼筋強(qiáng)度和硬度。

（8）Cr元素以顆粒狀彌散性分布在金屬基體，提高了基體的自腐蝕電位，增強(qiáng)了耐腐蝕性和抗氧化性。

（9）露天自然條件下鋼筋表面銹蝕情況對比試驗(yàn)。①一般工地放置鋼筋為露天，使用周期1個(gè)月左右，試驗(yàn)考慮按10d、30d和60d進(jìn)行鋼筋表面銹蝕情況對比。②分規(guī)格對比不同Cr含量在露天自然存放情況下表面銹蝕情況，如圖2和圖3所示。

經(jīng)過10d放置，所有樣品表面均無紅銹產(chǎn)生;放置30d后，Cr含量低的2#樣品肋邊出現(xiàn)明顯紅銹，表面也出現(xiàn)腐蝕銹點(diǎn);Cr含量高的1#樣品肋邊出現(xiàn)紅銹，表面銹蝕不明顯;放置60d后，Cr含量低的2#樣品已經(jīng)出現(xiàn)大面積紅銹，而Cr含量高的1#樣品表面沒有銹蝕，僅肋邊出現(xiàn)紅銹。

鋼筋含有一定的Cr合金能在表面形成防腐的氧化保護(hù)膜，增強(qiáng)鋼筋表面的抗腐蝕能力。露天情況下，經(jīng)過60d的對比，1#試樣的鋼材僅肋附近出現(xiàn)銹蝕情況，2#試樣的鋼材表面已經(jīng)完全被銹跡所遮蓋。說明Cr含量對螺紋鋼抗銹蝕能力影響明顯，鋼筋中Cr含量在0.65%以上能滿足工地用戶對鋼筋表面抗銹蝕能力要求。

（10）室內(nèi)自然條件下鋼筋表面銹蝕情況對比試驗(yàn)。①考慮中間商一般將鋼筋堆放在室內(nèi)庫房，存放期平均2個(gè)月左右，試驗(yàn)按30d、60d和90d進(jìn)行鋼筋表面銹蝕情況對比。②取Φ18和Φ14規(guī)格試驗(yàn)鋼筋，進(jìn)行室內(nèi)抗銹蝕對比試驗(yàn)，如圖4和圖5所示，未粘貼標(biāo)簽為1#高Cr鋼筋試樣，貼標(biāo)簽為2#低Cr鋼筋試樣。

經(jīng)過90d的試驗(yàn)，可以看出，1#（鋼筋中Cr元素含量高）、2#（鋼筋中Cr元素含量）試樣在泡水的部分全部銹蝕，并深入鋼筋表面;2#低Cr鋼筋試樣，經(jīng)過長時(shí)間泡水的環(huán)境下放置，鋼筋內(nèi)徑表面沒有出現(xiàn)銹蝕情況，但其橫肋和縱肋處都出現(xiàn)了明顯的銹跡;1#高Cr鋼筋試樣只是在肋邊出現(xiàn)少量點(diǎn)狀銹蝕，表面和縱肋上都沒有出現(xiàn)銹跡。

鋼筋表面產(chǎn)生銹蝕現(xiàn)象，主要是鋼筋與水產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕導(dǎo)致。鋼筋在室內(nèi)堆放90d，1#、2#試樣內(nèi)徑表面沒有出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，說明兩種成分在室內(nèi)堆放均能滿足客戶對鋼筋表面抗銹蝕要求。

4 結(jié)語

（1）試驗(yàn)表明，HRB400E鋼筋中加入0.65%以上Cr合金，可以大大提高鋼筋抗銹蝕能力，滿足工地用戶對鋼筋的抗銹蝕能力要求。

（2）鋼筋生產(chǎn)企業(yè)可在鋼筋成分中加入適量的Cr合金，增強(qiáng)螺紋鋼筋的抗腐蝕能力，提高鋼筋產(chǎn)品競爭力。

（3）相對于C元素，Cr合金對屈服強(qiáng)度貢獻(xiàn)度不大，企業(yè)應(yīng)結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)對成分的控制要求，在保證鋼筋力學(xué)性能的前提下，進(jìn)行成分設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄧海平. 合金元素Cr對螺紋鋼組織和力學(xué)性能的影響[J]. 福建冶金，2018（3）：5.

[2] 張焱. 鉻在金屬材料中的作用[J]. 機(jī)械工程師，1999（3）：56.

[3] 劉昊東，張曉燕，盧錦德，等. Al-Cu系鑄造鋁合金中Cr元素在模擬酸雨溶液中腐蝕行為的研究[J]. 現(xiàn)代機(jī)械，2010（5）：3.

作者簡介

郝飛翔（1970—），男，吉林長春人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事鋼鐵技術(shù)管理工作。