上冷床温度对螺纹钢筋表面氧化铁皮抗锈蚀性能的影响

2018-07-01李殿凯张耀辉

安徽工业大学学报（自然科学版） 2018年4期

张波，曹杰，郭湛，李殿凯，李康，张耀辉

(1.安徽工业大学a.冶金工程学院，b.材料科学与工程学院，安徽马鞍山243032；2.马鞍山钢铁股份有限公司技术中心，安徽马鞍山243000)

热轧螺纹钢筋是建筑行业常见的钢材，广泛应用于工业和民用建筑中[1-3]。热轧螺纹钢筋在运输和堆放过程中，受大气环境的影响，表面易产生不同程度的锈蚀。尤其是在露天堆放的情况下，受雨水、温度等气候条件的影响，产品的表面锈蚀速度较快，大大降低了钢筋的产品质量和使用性能[4-5]。然而，热轧螺纹钢筋在轧制后的冷却过程中，表面会自然形成一层薄的氧化铁皮，这层氧化铁皮可在一定程度上隔绝钢筋基体与空气的直接接触，对基体有一定的保护作用。氧化铁皮对大气环境中钢材抗锈蚀性能的影响已引起人们的重视[6]。Collazo等[7]利用X射线衍射(X ray diffraction，XRD)和扫描电镜(scanning electron microscope，SEM)研究了中碳钢氧化铁皮层的性质和形貌，发现氧化铁皮层能够降低钢基体的腐蚀速度；张华民等[8]分别研究了表面有、无氧化铁皮的J-55钢试片在3%(质量分数)NaCl溶液中的腐蚀行为，发现表面无氧化铁皮试片全面腐蚀，有氧化铁皮试片局部腐蚀，局部腐蚀由氧化铁皮本身的不连续性引起；Duan等[9]利用多种电化学方法研究热轧带钢的腐蚀行为，发现氧化铁皮层可阻止基体钢的腐蚀。由于轧制工艺的不同，热轧螺纹钢筋表面氧化铁皮的形貌和结构呈现多样化[10-11]。因此，研究热轧螺纹钢筋表面氧化铁皮的结构对钢筋存放、运输和使用过程中抗锈蚀性能的提高具有重要意义。

鉴于此，笔者分别利用光学显微镜和电子背散射衍射(electron backscatter diffraction，EBSD)技术，检测不同上冷床温度条件下热轧螺纹钢筋表面氧化铁皮的形貌和结构，分析上冷床温度对螺纹钢筋表面氧化铁皮抗锈蚀性能的影响，以期得到合适的生产工艺，提高钢筋表面质量和使用性能，减少不必要的损耗。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

实验材料取自某钢厂提供的Φ16 mm的HRB400热轧螺纹钢筋，化学成分见表1。

表1 HRB400化学成分，w/%Tab.1 Chemical composition of HRB400，w/%

1.2 实验方法

将不同上冷床温度条件下的轧件暴露在大气环境中进行抗锈蚀性能的比较实验；再采用光学显微镜观察螺纹钢筋表面的宏观形貌以及氧化铁皮的截面形貌，并测量不同温度下的氧化铁皮厚度；最后采用扫描电镜进行电子背散射衍射实验，研究氧化铁皮的结构和相组成。光学显微镜型号为OLYMPUS-BX51，扫描电子显微镜型号为JSM-6510。

HRB400热轧螺纹钢筋终轧温度为1 050℃，穿水后上冷床的温度分别为1 000，900，850，820℃，其中820℃为常规生产采用的上冷床温度。在4种不同上冷床温度条件下的HRB400热轧螺纹钢筋试验钢上分别截取尺寸为60 mm的试样，同时悬置于楼顶空旷环境中进行暴露锈蚀实验，每隔一定时间(4 d)对钢筋表面锈蚀情况进行观察拍照，并记录每天的天气情况，直到钢筋表面的锈蚀出现明显差异时结束实验，实验周期为60 d。对于4种试样，分别沿其横向截取10 mm的样品进行镶嵌，且依次经砂纸表面打磨、抛光后，用4%(质量分数)的硝酸酒精溶液浸蚀，用于金相和截面氧化铁皮观察。对于EBSD样品制备，先将试样沿横向切取约10 mm，再纵向切成两半进行镶嵌，研磨试样时注意方向和力度，避免氧化铁皮脱落；为去除试样表面应力，用金刚石研磨膏抛光后用二氧化硅抛光液抛光30 min，再用酒精清洗。

2 实验结果分析

2.1 不同上冷床温度钢筋的抗锈蚀性能

表2为放置试样当天、第8 d、第20 d和第60 d的实验外观照片。其中第8 d之前均为晴天，第20 d试样经过3场雨淋，第60 d试样经过7场雨淋。

由表2可看出：放置当天，4种不同上冷床温度条件下的螺纹钢筋表面形貌无明显差异；第8 d时，除820℃的钢筋表面出现少量锈蚀外，其他3种温度条件下的钢筋外观基本无变化，820℃的钢筋锈蚀出现在横肋处，说明此处氧化膜完整性较差，最易开裂剥落，该部位最易腐蚀；至第20 d，经过3场雨淋，钢筋表面均有明显变化，其中820℃情况下的钢筋表面横肋处均被腐蚀，其他地方呈现出被锈蚀的小斑点，850，900℃的情况下除横肋处局部腐蚀外，基体上也出现少量锈蚀，1 000℃时可见锈蚀处极少；至第60 d，经过7场雨淋，820℃的钢筋表面全部被黄锈覆盖，严重影响外观质量，850，900℃条件下的钢筋横肋处锈蚀加重，1 000℃时仅横肋处锈蚀明显。由此可知，大气环境中，钢筋抗锈蚀性能主要受雨水和暴露时间的影响，并且随着上冷床温度的提高，螺纹钢筋在大气环境中抗锈蚀性能明显提高，820℃条件下生产的螺纹钢筋最易被腐蚀，1 000℃时钢筋抗锈蚀性能最强。

表2 放置不同时间的螺纹钢筋表面腐蚀形貌Tab.2 Surface corrosion morphology of rebar placed at different placing times

2.2 钢筋表面形貌分析

检测螺纹钢筋表面形貌和结构，以探讨不同上冷床温度下螺纹钢抗锈蚀性能差异的原因。取不同上冷床温度条件下的螺纹钢筋，对其表面宏观形貌进行观察，结果如图1。

由图1可看出：820℃时，钢筋表面粗糙、不平整，呈破碎的花纹状，且存在多个凹凸不平的沟槽；当温度升至850℃时，沟槽明显减少，但表面仍比较粗糙，出现少量不同深度的孔洞；随上冷床温度的提高，螺纹钢筋表面变得光整，孔洞数量减少，沟槽深度降低，1 000℃时表面形貌最为平整，只存在少量微孔。对比可看出，随着上冷床温度的升高，钢筋表面形貌变得平整，这与穿水冷却条件及随后的冷却时间有关。为达到设定的上冷床温度，在穿水过程中所需的水量和水压不同。上冷床温度越低，要求的水量越大，喷射时的压力越大，对轧件表面氧化铁皮的破坏力也越大，从而导致钢筋表面呈破碎状，凹凸不平；温度越低，轧件冷却到室温的时间越短，氧化铁皮没有充分的生长时间。当温度达到1 000℃时，水量和水压降低，此时的破坏力最小，氧化铁皮生长时间也较长，故氧化铁皮最完整，钢筋表面最为平整。

2.3 氧化铁皮光学显微分析

为进一步分析氧化铁皮的结构，在光学显微镜下观察截面上氧化铁皮的微观形貌。图2为不同上冷床温度下的螺纹钢筋表面氧化铁皮显微照片。

图2 不同温度下螺纹钢筋表面氧化铁皮的光学显微照片Fig.2 Optical micrographs of oxide scale of rebar surface at different temperatures

由图2看出，不同上冷床温度下，螺纹钢筋基体组织均为铁素体F+珠光体P，但氧化铁皮的微观形貌存在一定的区别。820℃时的氧化铁皮较薄，其连续性较差；850℃的氧化铁皮厚度有所提高，外层结构也不太连续完整；900℃时的氧化铁皮厚度稍有增加，但此时氧化铁皮结构比较连续和完整；温度升高至1 000℃时，氧化铁皮厚度明显增厚，同时氧化铁皮的连续性和完整性也得到较大改善，氧化铁皮与基体结合紧密。

取不同温度下的试样分别对氧化铁皮厚度进行测量，变换试样和观察视野，测取多个值，得到氧化铁皮厚度，如表3。从表3可得出，氧化铁皮的厚度随着上冷床温度的提高而增加。轧件上冷床时的温度不同，冷却到室温所需时间也不同。上冷床温度低，钢筋冷却时间短，此时氧原子和铁原子的相互扩散时间也短，从而导致氧化铁皮厚度较薄。提高上冷床温度即增加冷却时间，也提高了氧原子的迁移量，氧化铁皮厚度也随之增加。

表3 不同温度下的氧化铁皮厚度Tab.3 Thickness of oxide scale at different temperatures

综合分析可得，随着上冷床温度的提高，氧化铁皮的厚度增加，其完整性和连续性也明显改善。此时氧化铁皮对钢筋基体的保护能力增强，尤其是在大气环境下抗锈蚀性能较好。生产过程中适当提高上冷床温度，可改善螺纹钢筋表面形貌，提高其抗锈蚀性能。但是上冷床温度过高，一方面对钢筋的组织性能会有影响[12]，另一方面氧化铁皮太厚易造成起皮，且在接触过程中更易脱落。因此为保证钢筋的使用性能和良好的外观，选择合适的上冷床温度至关重要。

2.4 氧化铁皮结构分析

对不同上冷床温度条件下的试样进行EBSD分析，选取820，1 000℃两种氧化铁皮进行检测，检测结果如图3。钢材表面的氧化铁皮由内向外一般由FeO、Fe3O4和Fe2O3等3层组成。Fe3O4为较致密的氧化物，Fe2O3较为疏松，FeO则介于两者之间[13]。由图3可知：不同上冷床温度条件下钢筋表面氧化铁皮主要由Fe3O4和FeO两层组成，基体上存在极少量的Fe2O3，且应在制样过程中产生；820℃时，氧化铁皮表面呈破碎状，微观结构也不太完整，其厚度薄且不均匀，Fe3O4和FeO二者交叉分布，即有些地方只有Fe3O4而有些地方只有FeO，并不是内层是FeO外层是Fe3O4的结构；1 000℃时，氧化铁皮主要由表层的Fe3O4和内层的FeO组成，二者厚度比约为1∶2，由于生长较为充分，氧化铁皮层较厚。图3中在氧化铁皮和金属基体之间有一些没有标定出的区域，其物相类型需进一步研究。

图3 不同温度下的氧化铁皮EBSD图像Fig.3 EBSD images of oxide scale at different temperatures

综上分析表明，螺纹钢筋不同上冷床温度条件下得到的氧化铁皮相组成可解释钢筋在抗大气腐蚀性能方面的差别。上冷床温度高时，氧化铁皮表面平整，厚度较厚，外层是致密的Fe3O4组织，内层为FeO，在大气环境中可较好地隔绝空气与金属基体的接触，防止雨水在表面的积存，其抗锈蚀性能好。相反地，上冷床温度低时，氧化铁皮表面粗糙，厚度较薄，氧化铁皮结构不完整，有些地方没有致密的Fe3O4组织，在大气环境中氧化铁皮不能较好地隔绝空气与金属基体的接触，抗锈蚀性能差。