螺纹钢表面锈蚀的实验研究

谷征满，李艳杰，邓　倩，陈　义，刘相华

(1.东北大学冶金学院，沈阳110819 ；2.东北大学材料科学与工程学院，沈阳110819；3.东北大学研究院，沈阳110819)



螺纹钢表面锈蚀的实验研究

谷征满1，李艳杰1，邓倩2，陈义2，刘相华3

(1.东北大学冶金学院，沈阳110819 ；2.东北大学材料科学与工程学院，沈阳110819；3.东北大学研究院，沈阳110819)

为解决螺纹钢加速冷却后容易生锈的问题，结合其生产工艺现状,在其穿水冷却过程中提供加速氧化气氛，以形成致密氧化膜.利用氧化膜的防护作用，控制螺纹钢基体氧化，达到防锈目的.螺纹钢加热快速冷却后通过喷射雾化的H2O2处理，电子探针分析观察到钢筋表面致密氧化膜从3～4 μm增加到17～18 μm.样品经过干湿交替加速腐蚀试验，结果表明：经过H2O2处理后的螺纹钢开始生锈时间从2 d延长至14 d，防锈性能得到大幅度提升.

螺纹钢; 防锈; 致密氧化膜

螺纹钢广泛使用在各类建筑中，建筑工地上随处可见生了锈的螺纹钢筋.生了锈的钢筋会削弱它与混凝土的结合程度，严重时可影响到钢筋强度，甚至影响建筑物寿命[1].为了提高我国建筑安全标准，国家已明确规定要以高强度的Ⅲ级螺纹钢取代Ⅱ级螺纹钢.与微合金强化钢筋相比，采用轧后水冷强化成本低，很多钢铁企业采用轧后穿水冷却工艺[2].但穿水冷却后的钢筋更容易生锈[3]，影响外观和强度，导致销售困难，成为加速冷却钢筋的一个瓶颈问题.本文针对这一问题，结合现场生产工艺，在避免大幅度增加成本、不增加专门工序环节的前提下，找到一种提高螺纹钢防锈性能的方法.

1　实验研究

1.1实验材料

选取钢种为400 MPa级的Ф16 mm螺纹钢筋(成分见表1)，削去表面氧化皮，切割成四组 100 mm 长的试样；选取体积分数为3%的H2O2水溶液作为氧化剂.

1.2实验过程

对表2所示的4组螺纹钢试样编号，1号试样不作任何处理，2-4号试样装入充满氮气的石英管中密封后，送入加热炉加热.2、3号试样加热温度为900 ℃，4号试样加热温度为 1 100 ℃.设置上述加热温度时，考虑了实际生产过程中穿水前温度为900～1 000 ℃，穿水后温度为700～800 ℃，及实验中从出炉到喷水过程试件产生的温降问题.

表1　400 MPa级螺纹钢的化学成分(质量分数)

把石英管中密封的试样放入炉中，加热到指定温度并恒温20 min后依次取出，立刻敲碎石英管并淬水，瞬间将试样的表面温度降低到320 ℃，试样停止淬水9 s后，表面反红至约700 ℃，再将2号试样喷洒雾化水，3、4号试样喷洒3%H2O2雾化试剂，持续约2 s，之后自然冷却.喷雾处理的工艺条件见表2.

表2　喷雾处理工艺条件

喷雾处理24 h后对4组试样进行干湿交替加速腐蚀试验：每天中午 13∶00 开始喷水，15∶00 停喷，晾干后放置在室内常温环境.每天喷水之前观察螺纹钢锈蚀情况并记录.当全部试样均发现出现锈蚀时，把2-4号试样用环氧树脂镶嵌,经磨抛机抛光处理后,用酒精清洗试样表面,吹风机吹干,表面进行喷碳处理，做电子探针分析，观察氧化皮厚度，分析氧化层成分分布状况.

2　结果与讨论

2.1试样锈斑观察

经2个循环周期(2 d)后1号试样开始出现锈斑，14个循环周期(14 d)后，防锈性能最好的一组(4号试样)最后一个出现了锈斑，4组试样锈迹有明显差异，如图1所示.未经处理的1号试样已布满一层黄锈(羟基氧化铁，FeOOH)，2号试样也已锈迹斑斑，3号试样锈斑明显，但远少于1号试样和2号试样.对比之下，4号试样锈迹最少，螺纹钢本体外观呈蓝黑色.通过对比可以看出，经过3%H2O2水溶液处理的4号试样防锈性能最佳.

图1　不同实验条件下螺纹钢防锈试验照片

2.2电子探针分析

试样切割后,用电子探针观察氧化铁皮厚度，发现2号试样在放大10,000倍下观测到氧化皮厚度为3.8～4.3 μm，见图2(a)；3号试样在5000倍下观察，氧化层厚度为3.0～5.4 μm， 见图2(b)； 4号试样在3000倍下观察，氧化皮厚度为17.0～18.0 μm， 见图2(c).显然在不同温度下喷洒不同冷却剂对氧化皮厚度的影响很显著，氧化皮厚度相差达6倍，极差达15 μm；同一试样上氧化皮厚度也不均匀，但是偏差一般不超过2～3 μm，其原因可能与试样成分的均匀性、温度的均匀性及喷洒冷却剂的均匀性有关.

图2(c)中还发现有岛状析出物，初步分析认为是共析反应的残余物：FeO、Fe等，不会对螺纹钢防锈性能造成影响；在氧化铁皮与基体之间，可见有宽度为纳米级的间隙.

图2　氧化铁皮的电子探针照片

2.3氧化铁皮结构分析

氧化铁皮的结构比较固定,一般由三层组成,最外层是Fe2O3,中间层是Fe3O4，最内层是FeO.由于氧化条件不同，氧化铁皮的组成和厚度也不同,各层厚度也会因生成条件的改变而不同[4].在加热过程中，钢的氧化可用Wanger理论进行分析，初始时符合抛物线增厚规律[5],此时氧化反应由铁原子的扩散及接触金属的氧化性气体控制；而穿水过后，由于水中游离氧含量较少，水冷速度较快，生成氧化皮中致密的Fe3O4较少，而生成疏松多孔的FeO较多，这是造成穿水螺纹钢容易生锈的重要原因.氧化皮中的Fe3O4主要通过共析反应由FeO 转变而来[6]，反应方程式如下：

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

(1)

当温度在570 ℃ 以下,FeO 层发生共析反应时,其反应产物的形成与含氧量有关,在贫氧区形成Fe 晶核,在富氧区形成Fe3O4晶核,两者共同形成了一个共析反应产物的晶核(片层状的Fe3O4/Fe)[6].由此说明Fe3O4形成与FeO层中的氧含量有关,在富氧区即供氧相对充足时促使Fe3O4的形成[7].实验中H2O2在螺纹钢表皮氧化过程中提供了相对充足的氧，促使形成致密的Fe3O4.

对4号试样的氧化皮做电子探针分析，在同一直线上从内到外选取3个点，如图3所示.氧化铁皮中这3个点处Fe与O的物质的量比见表3.

图3　氧化铁皮结构测试照片

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)分别为1.0、0.75和0.66，经分析可知所取3个点均在Fe3O4组成层内(17～18 μm).这与分析结果基本一致，氧化皮中含致密的Fe3O4层确实得到增厚而且比魏凤玉等人[8]关于缓蚀剂研究所得到的致密氧化膜更厚.Fe3O4阻止了部分氧气渗入，起到了防锈作用.本实验改变传统加入缓蚀剂防锈的思路，通过加入氧化剂增加致密氧化膜的厚度来达到防锈的目的，为解决螺纹钢防锈难题提供新途径.

3　结　论

(1)选用环境友好型化学试剂H2O2作为氧化剂，促进螺纹钢表面生成致密Fe3O4氧化膜，实现了以氧化铁皮保护控制基体的氧化.

(2)经3%H2O2喷雾处理，可生成厚度为17.0～18.0 μm 的致密氧化膜，经干湿交替加速腐蚀实验，所生成的致密氧化膜起到了防止基体生锈的作用.

(3)在现有螺纹钢的加速冷却后增加H2O2喷雾处理的技术路线，能解决螺纹钢易生锈的问题.

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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