热处理冷却方式对316-Q345复合钢筋耐蚀性的影响_李琳.pdf

D O I:1 0.1 1 9 7 3/f s y f h-2 0 2 3 0 2 0 0 4热处理冷却方式对3 1 6-Q 3 4 5复合钢筋耐蚀性的影响李 琳1,2,陈义庆1,2,钟 彬1,2,艾芳芳1,2,高 鹏1,2,伞宏宇1,2,苏显栋1,2,沙楷智1,2(1.海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室,鞍山 1 1 4 0 0 9;2.鞍钢集团钢铁研究院,鞍山 1 1 4 0 0 9)摘 要:通过显微组织观察、全浸腐蚀试验和电化学测试等方法研究了热处理冷却方式对3 1 6-Q 3 4 5复合钢筋耐蚀性的影响。结果表明:冷却速率的增加促使3 1 6不锈钢覆层钝化膜更为致密、维持钝化能力和耐点蚀性能更强;复合钢筋结合界面的电极电位均介于碳钢电位与不锈钢电位之间,冷却速率的降低有利于提高结合界面的耐蚀性以及覆层与芯材的冶金结合,但也会导致覆层中合金元素稀释程度提高,从而降低覆层的耐蚀性。关键词:冷却方式;复合钢筋;耐蚀性;电化学腐蚀中图分类号:T G 1 7 4 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 5-7 4 8 X(2 0 2 3)0 2-0 0 1 9-0 6E f f e c t o f C o o l i n g M e t h o d o f H e a t-T r e a t m e n t o n C o r r o s i o n R e s i s t a n c e o f 3 1 6-Q 3 4 5 C o m p o s i t e S t e e l B a r sL I L i n1,2,CHE N Y i q i n g1,2,Z HONG B i n1,2,A I F a n g f a n g1,2,GAO P e n g1,2,S AN H o n g y u1,2,S U X i a n d o n g1,2,S HA K a i z h i1,2(1.S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f M e t a l M a t e r i a l f o r M a r i n e E q u i p m e n t a n d A p p l i c a t i o n,A n s h a n 1 1 4 0 0 9,C h i n a;2.I r o n&S t e e l R e s e a r c h I n s t i t u t e o f A n s t e e l,A n s h a n 1 1 4 0 0 9,C h i n a)A b s t r a c t:T h e e f f e c t s o f c o o l i n g m e t h o d s o f h e a t-t r e a t m e n t o n t h e c o r r o s i o n r e s i s t a n c e o f 3 1 6-Q 3 4 5 c o m p o s i t e s t e e l b a r s w e r e s t u d i e d b y m e a n s o f m i c r o s t r u c t u r e o b s e r v a t i o n,f u l l i mm e r s i o n c o r r o s i o n t e s t a n d e l e c t r o c h e m i c a l t e s t i n g.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e i n c r e a s e o f c o o l i n g r a t e m a d e t h e p a s s i v a t i o n f i l m o f 3 1 6 s t a i n l e s s s t e e l c o a t i n g m o r e c o m p a c t,b o t h t h e p a s s i v a t i o n a b i l i t y a n d t h e p i t t i n g r e s i s t a n c e h i g h e r.T h e e l e c t r o d e p o t e n t i a l s o f t h e b o n d i n g i n t e r f a c e s w e r e b e t w e e n t h o s e o f t h e c a r b o n s t e e l a n d s t a i n l e s s s t e e l.T h e d e c r e a s e o f c o o l i n g r a t e w a s b e n e f i c i a l t o i m p r o v e t h e c o r r o s i o n r e s i s t a n c e o f t h e b o n d i n g i n t e r f a c e s a n d t h e m e t a l l u r g i c a l b o n d i n g b e t w e e n t h e c o a t i n g s a n d t h e c o r e m a t e r i a l,b u t a l s o l e d t o t h e i n c r e a s e o f t h e d i l u t i o n d e g r e e o f a l l o y i n g e l e m e n t s i n t h e c o a t i n g,t h u s r e d u c i n g t h e c o r r o s i o n r e s i s t a n c e o f t h e c o a t i n g.K e y w o r d s:c o o l i n g m e t h o d;c o m p o s i t e s t e e l b a r;c o r r o s i o n r e s i s t a n c e;e l e c t r o c h e m i c a l c o r r o s i o n 近半个世纪以来,人们发现钢筋混凝土材料并非是一种能够长时间服役的建筑材料,尤其是在严酷的海洋环境中,钢筋腐蚀被认为是降低沿海地区土木工程耐久性的最主要原因。普通碳素钢筋的正常使用寿命为3 5 a左右,钢筋的锈蚀会导致混凝土内部结构严重恶化,寿命大大缩短。用不锈钢钢筋代替普通碳素钢筋是提高混凝土耐久性最有效的措施之一1。C C E S 0 1-2 0 0 4(2 0 0 5年修订版)混凝土结构耐久性设计与施工指南 中指出,在恶劣的腐收稿日期:2 0 2 1-0 3-1 5基金项目:中 国 交 通 建 设 集 团 有 限 公 司 科 技 项 目(2 0 2 1-Z J K Z-0 1)通信作者:李 琳(1 9 8 3-),高级工程师,硕士,从事钢铁材料的腐蚀与防护,1 5 0 4 0 7 6 4 8 1 3,a n s t e e l l i l i n 1 6 3.c o m蚀环境中要求确保百年以上使用年限的特殊重要工程可选用不锈钢钢筋2。不锈钢钢筋虽然具有优良的耐腐蚀性能,但其生产成本过高,价格昂贵,这限制了其在实际工程中的广泛应用,因此开发新型的耐腐蚀钢筋势在必行3。不锈钢-碳钢复合钢筋的芯部为普通碳素钢即碳钢,覆层为不锈钢,两种金属材料通过特定的工艺实现冶金结合。碳钢和不锈钢各自都有最佳的热处理冷却方式,在不锈钢-碳钢复合钢筋的生产过程中,不锈钢和碳钢作为一个整体,只能采用一种冷却方式,因此在保证碳钢力学性能的基础上兼顾不锈钢耐腐蚀性能是制备品质优良的复合钢筋的关键。本工作以3 1 6-Q 3 4 5复合钢筋为研究对象,对比分析了3种热处理冷却方式对覆层不锈钢和结合界面91第4 4卷 第2期2 0 2 3年2月腐蚀与防护C O R R O S I ON&P R O T E C T I ONV o l.4 4 N o.2F e b r u a r y 2 0 2 3耐腐蚀性能的影响,为制定适用于3 1 6-Q 3 4 5复合钢筋的冷却方式提供理论依据。1 试验1.1 复合钢筋制备在实验室采用真空感应熔炼炉冶炼3 1 6不锈钢,在金属模中心预制截面为1 0 0 mm Q 3 4 5碳钢芯材,将熔炼后的3 1 6不锈钢钢液浇铸入金属模中,得到截面为1 6 0 mm1 6 0 mm复合钢坯,将浇铸好的复合钢坯高温热轧成3 0 mm复合钢筋,其中芯材1 5 mm。覆层3 1 6不锈钢和芯材Q 3 4 5碳钢的化学成分见表1。对热轧成型复合钢筋进行热处理,具体工艺制度见表2。表1 试验材料的化学成分T a b.1 C h e m i c a l c o m p o s i t i o n o f t e s t m a t e r i a l s%钢种w(C)w(S i)w(M n)w(P)w(S)w(C r)w(N i)w(M o)3 1 60.0 20.61.2 0.0 3 5油冷空冷,说明提高冷却速率有利于提高覆层的耐腐蚀性能。由图4可以看出,极化曲线测试后,不同热处理冷却方式处理的3 1 6不锈钢覆层表面均有点蚀坑产生,水冷和油冷3 1 6不锈钢覆层表面的点蚀坑形状近似为圆形,其中水冷试样的点蚀坑数量相对较少,尺寸也较小,空冷试样的点蚀数量最多,点蚀坑扩展连接在一起。2.3 腐蚀浸泡试验结果由图5可见,在5%N a C l溶液中浸泡1 8 0 d后,不同热处理冷却方式处理的3 1 6不锈钢覆层已经全面腐蚀,表面失去金属光泽,呈现黄褐色,一层棕色腐蚀产物出现在局部区域、稀疏地分布在试样(a)水冷 (b)油冷(c)空冷 图4 不同热处理冷却方式处理的3 1 6不锈钢覆层的点蚀形貌F i g.4 P i t t i n g a p p e a r a n c e o f 3 1 6 s t a i n l e s s s t e e l c o a t i n g s c o o l e d b y d i f f e r e n t c o o l i n g m e t h o d s o f h e a t-t r e a t m e n t:(a)w a t e r c o o l i n g;(b)o i l c o o l i n g;(c)a i r c o o l i n g22李 琳,等:热处理冷却方式对3 1 6-Q 3 4 5复合钢筋耐蚀性的影响(a)水冷,低倍(b)油冷,低倍(c)空冷,低倍 (d)空冷,高倍 (e)空冷,点蚀三维图 图5 在5%N a C l溶液中浸泡1 8 0 d后不同热处理冷却方式处理的3 1 6不锈钢覆层的微观形貌F i g.5 M i c r o s c o p i c m o r p h o l o g y o f 3 1 6 s t a i n l e s s s t e e l c o a t i n g s c o o l e d b y d i f f e r e n t c o o l i n g m e t h o d s o f h e a t-t r e a t m e n t a n d i mm e r s e d i n 5%N a C l s o l u t i o n f o r 1 8 0 d:(a)w a t e r c o o l i n g,a t l o w m a g n i f i c a t i o n;(b)o i l c o o l i n g,a t l o w m a g n i f i c a t i o n;(c)a i r c o o l i n g,a t l