技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于耐蝕材料領(lǐng)域，涉及一種熱擴散制備耐蝕鋼筋的方法。

發(fā)明背景：

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是現(xiàn)今土木工程中應用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式之一，其成本低廉、堅固耐久、用途廣泛等優(yōu)點，使之很快成為廣受歡迎的建筑材料。隨著人類對海洋資源的開發(fā)，在海洋環(huán)境服役的鋼筋混凝土設(shè)施處于高濃度的氯離子環(huán)境，因此導致的鋼筋銹蝕誘發(fā)的結(jié)構(gòu)耐久性急劇下降問題日益嚴峻。在一些大量使用氯鹽融雪劑的寒冷地區(qū)也面臨同樣的難題。

表面涂鍍層鋼筋可以提升鋼筋的抗腐蝕性能，當前，表面涂鍍層鋼筋中使用較多的為環(huán)氧樹脂涂層鋼筋和熱浸鍍鋅鋼筋，采用環(huán)氧樹脂涂層鋼筋的優(yōu)點是其可以獲得表面噴涂均勻的涂層，易于工業(yè)化作業(yè)，其缺點是鋼筋表面的涂層容易在運輸、施工過程中發(fā)生破損。對于熱浸鍍鋅鋼筋，其具有鍍層均勻，附著力強，使用壽命長等優(yōu)點，而其存在的問題是加工難度大，工作環(huán)境差，污染較嚴重。專利“螺紋鋼熱擴散處理方法及螺紋鋼(公開號cn103924189b)”公開了一種螺紋鋼熱擴散處理方法及螺紋鋼，通過熱擴散處理，螺紋鋼的表面形成鋅鐵金屬間化合物，且該鋅鐵金屬間化合物具有強附著力，使螺紋鋼具有較好的抗劃傷性、抗沖擊性和抗腐蝕性，適用于氯離子的海洋環(huán)境，可滿足螺紋鋼嚴酷的環(huán)境要求。但該發(fā)明并未給出具體的腐蝕速率及相關(guān)測試結(jié)果。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是提供一種熱擴散制備耐蝕鋼筋的方法，依據(jù)本發(fā)明制備出的鋼筋具有很高的耐磨性和耐蝕性。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)手段實現(xiàn)的。

1.自行設(shè)計鋼筋原胚化學成分。

為了通過熱擴散工藝制備出性能良好的鋼筋，本發(fā)明自行設(shè)計鋼筋原胚化學成分。鋼筋原胚所含主要元素質(zhì)量百分數(shù)分別為：c:0.02-0.04wt％、mn:0.8-1.0wt％、si:0.6-0.8wt％、s≤0.001wt％、p≤0.01wt％、v:0.02-0.05wt％、cr:3.0-6.0wt％、mo:0.6-1.0wt％、nb:0.10-0.15wt％、ti:0.08-0.10wt％、ce:0.10-0.15wt％，其余部分為fe及不可避免的雜質(zhì)。

本發(fā)明遴選了以下合金元素以提升熱擴散制備鋼筋的性能。

(1)鋼中基本元素

碳是提高鋼材強度的重要元素之一，鋼中含碳量增加，硬度、屈服點和抗拉強度升高，但韌性和塑性降低，此外，碳量高還會降低鋼的耐蝕能力。另一方面，由于在熱擴散的過程當中基體中的碳極易與滲劑當中的鉻在鋼筋表面形成致密的化合物，阻礙鉻、鎳原子進一步向基體內(nèi)擴散，因此，本發(fā)明中鋼筋原坯的碳含量應控制在0.02-0.04wt％的范圍內(nèi)。

錳元素可以提高鋼的強度、淬透性和耐磨性，但錳含量過高會降低鋼的抗腐蝕能力和焊接性能。另一方面，錳元素為奧氏體形成元素，會降低鉻的擴散速率，阻止熱擴散層的形成。因此本發(fā)明中鋼筋原坯的錳含量應控制在0.8-1.0wt％范圍內(nèi)。

硅元素能顯著地提高鋼的彈性極限、屈服極限和硬度，但是過高的硅元素會使鋼的可塑性和韌性下降。因此本發(fā)明中鋼筋原坯的硅含量應控制在0.6-0.8wt％。

(2)提升鋼筋強度的元素：

釩元素能細化鋼的晶粒組織，提高鋼的強度、韌性和耐磨性，此外，釩是強碳化物形成元素，具有很好的固碳作用，可以固定鋼筋當中的碳，防止鋼中的碳與鉻在鋼筋表面形成碳化鉻阻礙鉻、鎳的擴散。但是釩元素會降低鋼的淬透性，而且成本較高，因此本發(fā)明中鋼筋原坯的釩含量應控制在0.02-0.05wt％。

鈦元素能細化鋼的晶粒組織，從而提高鋼的強度和韌性，能減輕鋼的晶間腐蝕，另外鈦還有很強的固碳作用，通常鋼中的鈦含量取決于碳含量，一般約為碳含量的4～8倍，因此本發(fā)明中鋼筋原坯的鈦含量應控制在0.08-0.10wt％。

鈮元素可以提高鋼的強度，提高鋼的抗大氣腐蝕和高溫下抗氫、氮、氨腐蝕能力，但同時也會降低鋼的塑性和韌性，對于一般不銹鋼，鈮的添加量為其碳含量的8～10倍時，可以顯著提高其耐蝕性，但向鋼中添加過多的鈮元素會增加制造成本，因此本發(fā)明中鋼筋原坯的鈮含量應控制在0.10-0.15wt％。

(3)耐蝕合金元素：

鋼筋中添加適量的鉻元素可以提高鋼的強度和硬度，此外一定量的鉻還可以提高鋼筋本身的耐蝕性。由于鉻元素是碳化物形成元素，因此本發(fā)明中適量的鉻元素可以阻止基體當中的碳與熱擴散劑當中的鉻在表層形成化合物，具有固碳的效果，可以促進熱擴散劑當中的鉻原子和鎳原子向基體擴散形成熱擴散層。但向鋼中添加過多的鉻元素會增加制造成本，因此，本發(fā)明中鋼筋原坯的鉻含量應控制在3.0-6.0wt％范圍內(nèi)。

鉬元素在強氧化性鹽溶液和還原性酸環(huán)境下都可以使鋼的表面鈍化，因此鉬可以提升鋼的抗腐蝕性能，防止鋼在氯離子溶液中產(chǎn)生點蝕。而且鉬元素還可以提高鋼的強度、熱穩(wěn)定性和硬度，有一定的固碳作用，但過高的添加鉬元素會使鋼的抗氧化性下降，且會使成本增高，因此本發(fā)明中鋼筋原坯的鉬含量應控制在0.6-1.0wt％。

(4)提高熱擴散層厚度合金元素

鈰元素的添加有利于熱擴散劑中鉻、鎳原子向鋼筋內(nèi)部擴散，由于鈰元素的原子半徑遠大于鐵元素，因此存在于鋼中的鈰元素將優(yōu)先占據(jù)晶界位置和晶內(nèi)缺陷處，引起金屬原子點陣畸變，基體位錯密度增加，降低了活性鉻、鎳原子的擴散能勢壘，使得熱擴散劑當中的鉻、鎳原子更易在畸變區(qū)偏聚，因此鈰元素存在催滲作用，能增加熱擴散劑當中鉻、鎳原子的擴散速度，從而增加熱擴散層厚度，但向鋼中添加過多的鈰元素會增加制造成本，因此本發(fā)明中鋼筋原坯的鈰含量應控制在0.10-0.15wt％。

(5)雜質(zhì)元素

硫元素是鋼中的有害雜物，使鋼具有熱脆性，降低鋼的耐腐蝕性，因此本發(fā)明中鋼筋原坯的硫含量應控制在0.001wt％以內(nèi)。

磷元素能使鋼的可塑性和韌性明顯下降，增加鋼的冷脆性，因此本發(fā)明中鋼筋原坯的磷含量應控制在0.01wt％以內(nèi)。

2.熱擴散工藝：

(1)配置熱擴散劑：

熱擴散劑的各組成成分分別為40‐45％鉻粉(100‐200目)、5‐10％鎳粉(100‐200目)，45％α-三氧化二鋁粉(100‐200目)，3％氯化銨，2％氟化鈉，其中鉻粉和鎳粉的質(zhì)量總和為熱擴散劑總質(zhì)量的50％。將熱擴散劑各組分按上述比例混合，放入球磨罐中球磨10h，充分混合均勻，取出備用。

(2)鋼筋表面處理

在熱擴散處理前，首先對鋼筋進行切割、打磨、噴丸除銹、除油、酸洗、清洗、吹干處理。其中噴丸使用鑄鋼丸，直徑0.4mm‐0.8mm，采用氣動噴丸的方式，噴丸時間0.5min–2min，壓力0.5mpa–0.8mpa。

(3)熱擴散處理

將經(jīng)過表面處理后的鋼筋放入裝有鉻和鎳的熱擴散劑中，鋼筋與熱擴散劑的總體積不超過加熱容器容積的90％，將裝有鋼筋和熱擴散劑的容器密封好后裝入加熱爐中，加熱速率為6～10℃/min，加熱至850～900℃，之后保溫2～4小時，在加熱保溫的過程當中，以4～6轉(zhuǎn)/分鐘的旋轉(zhuǎn)速度讓容器在加熱爐內(nèi)緩慢轉(zhuǎn)動。

(4)冷卻

保溫時間到后，將裝有鋼筋的容器隨爐冷卻至100～120℃后取出空冷，待達到室溫后將鋼筋從容器中取出。

本發(fā)明提供了一種熱擴散制備耐蝕鋼筋的方法，通過熱處理工藝，在鋼筋表面形成一層鉻鎳復合熱擴散層，其含鉻量不小于12.5％，厚度超過20μm，具有良好的耐磨性及耐氯離子腐蝕性能，適用于含有高濃度氯離子的海洋環(huán)境，具有良好的應用前景。

本發(fā)明的優(yōu)點如下：

本發(fā)明自行設(shè)計鋼筋的化學成分及含量，保留了碳、錳、硅、鈦、釩、鈮等不銹鋼部分合金元素，還將一定量的鉻、鉬、鈰元素加入到鋼筋當中，其中，加入鉻元素可以提升鋼筋的耐蝕性能，保證熱擴散層之內(nèi)的鋼筋依然具有良好的耐蝕性，此外，鋼筋含有一定量的鉻元素有利于表面熱擴散層的形成。鉬元素的加入可以提高鋼筋在氯離子環(huán)境當中的抗點蝕性能，而鈰元素的添加具有良好的催滲效果，保證了在900℃以下，鉻、鎳元素依然具有較高的擴散速率，減小了擴散溫度，從而降低了鋼筋的生產(chǎn)成本。

在熱擴散處理前，對鋼筋進行噴丸處理，一方面有效的去除了鋼筋表面的銹層，減小了銹層對鎳、鉻原子擴散的阻礙作用。另一方面使鋼筋表面的晶粒產(chǎn)生畸變、破碎，從而使鋼筋表面獲得大量的位錯等晶格缺陷，提供了更多的擴散通道，從而提升了在較低溫度與較短時間條件下鎳、鉻原子向鋼筋內(nèi)部擴散的速率。

經(jīng)過熱擴散處理，鋼筋表面形成含有鉻、鎳的熱擴散合金層，其鉻含量超過12.5％，達到了不銹鋼對鉻元素含量的標準，且熱擴散層厚度超過20μm，保證了在長期使用過程當中熱擴散鋼筋具有良好的耐蝕性能及穩(wěn)定性。采用交流阻抗法來測試熱擴散鋼筋在ph＝12.68混凝土模擬孔隙液中的臨界氯離子濃度，熱擴散鋼筋展現(xiàn)了良好的抗氯離子腐蝕性能。對制備的鋼筋進行顯微硬度測試，其表面硬度超過900hv，具有良好的耐磨性。

附圖說明：

圖1：實施例1在含10％氯化鈉的飽和氫氧化鈣溶液中浸泡30天后的腐蝕形貌圖

圖2：比較例1在含10％氯化鈉的飽和氫氧化鈣溶液中浸泡30天后的腐蝕形貌圖

具體實施方式：

本發(fā)明實施例與比較例鋼筋化學成分及所使用熱擴散劑成分見表一

表一本發(fā)明鋼筋實施例和比較例的主要合金元素化學成分分析結(jié)果(wt％)及所用熱擴散劑成分

將熱擴散劑按上述比例混合，球磨10h后，取出備用。在熱擴散處理前，對實施例和比較例鋼筋進行切割、打磨、噴丸除銹、除油、酸洗、清洗、吹干處理，之后放入裝有鉻和鎳的熱擴散劑中，鋼筋與熱擴散劑的總體積不超過加熱容器容積的90％，將裝有鋼筋和熱擴散劑的容器密封好后裝入加熱爐中，加熱速率為8℃/min，加熱至880℃，之后保溫3小時，在加熱保溫的過程當中，以5轉(zhuǎn)/分鐘的旋轉(zhuǎn)速度讓容器在加熱爐內(nèi)緩慢轉(zhuǎn)動，保溫時間到后，將裝有鋼筋的容器隨爐冷卻至110℃后取出空冷，達到室溫后將鋼筋從容器中取出。

采用本發(fā)明熱擴散方法制備的鋼筋，對其進行eds能譜分析，測試本發(fā)明制備的鋼筋其表面鉻元素含量超過12.5％的有效熱擴散層厚度及有效熱擴散層中的平均鉻元素含量。將本發(fā)明制備的鋼筋切成15mm*40mm*5mm的試片，在含有10％氯化鈉的飽和氫氧化鈣溶液當中進行30天浸泡試驗，測試其耐氯離子腐蝕性能，并觀察其腐蝕形貌。對本發(fā)明制備的鋼筋在不同氯離子濃度的飽和氯化鈉溶液中進行交流阻抗法測試，找到其臨界氯離子濃度。對本發(fā)明制備的鋼筋進行顯微硬度測試，分析其表面耐磨性。各項測試數(shù)據(jù)的分析結(jié)果如表二所示。

從表二當中可以發(fā)現(xiàn)，比較例1鋼筋的有效熱擴散層厚度及臨界氯離子濃度較實施例明顯偏小，說明本發(fā)明在鋼筋當中添加適量的鉻元素有利于促進有效熱擴散層的形成。

比較例2鋼筋在進行浸泡試驗過程當中出現(xiàn)明顯的銹斑和點蝕坑，而各實施例在試驗過程中無明顯的腐蝕發(fā)生，說明本發(fā)明在鋼筋當中添加適量的鉬元素提升了鋼筋的抗點蝕性能。

比較例3鋼筋的有效熱擴散層厚度和臨界氯離子濃度較實施例明顯偏小，說明在鋼筋當中加入適量鈰元素有利于增加有效熱擴散層的厚度，從而提升材料的耐氯離子腐蝕性能。

比較例4鋼筋的臨界氯離子濃度較實施例明顯偏小，說明在鋼筋表面同時進行鉻、鎳復合擴散比單純的鉻擴散更能提升鋼筋的耐氯離子腐蝕性能。