上冷床溫度對螺紋鋼筋表面氧化鐵皮抗銹蝕性能的影響

張 波，曹 杰，郭 湛，李殿凱，李 康，張耀輝

(1.安徽工業大學a.冶金工程學院，b.材料科學與工程學院，安徽馬鞍山243032；2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術中心，安徽馬鞍山243000)

熱軋螺紋鋼筋是建筑行業常見的鋼材，廣泛應用于工業和民用建筑中[1-3]。熱軋螺紋鋼筋在運輸和堆放過程中，受大氣環境的影響，表面易產生不同程度的銹蝕。尤其是在露天堆放的情況下，受雨水、溫度等氣候條件的影響，產品的表面銹蝕速度較快，大大降低了鋼筋的產品質量和使用性能[4-5]。然而，熱軋螺紋鋼筋在軋制后的冷卻過程中，表面會自然形成一層薄的氧化鐵皮，這層氧化鐵皮可在一定程度上隔絕鋼筋基體與空氣的直接接觸，對基體有一定的保護作用。氧化鐵皮對大氣環境中鋼材抗銹蝕性能的影響已引起人們的重視[6]。Collazo等[7]利用X射線衍射(X ray diffraction，XRD)和掃描電鏡(scanning electron microscope，SEM)研究了中碳鋼氧化鐵皮層的性質和形貌，發現氧化鐵皮層能夠降低鋼基體的腐蝕速度；張華民等[8]分別研究了表面有、無氧化鐵皮的J-55鋼試片在3%(質量分數)NaCl溶液中的腐蝕行為，發現表面無氧化鐵皮試片全面腐蝕，有氧化鐵皮試片局部腐蝕，局部腐蝕由氧化鐵皮本身的不連續性引起；Duan等[9]利用多種電化學方法研究熱軋帶鋼的腐蝕行為，發現氧化鐵皮層可阻止基體鋼的腐蝕。由于軋制工藝的不同，熱軋螺紋鋼筋表面氧化鐵皮的形貌和結構呈現多樣化[10-11]。因此，研究熱軋螺紋鋼筋表面氧化鐵皮的結構對鋼筋存放、運輸和使用過程中抗銹蝕性能的提高具有重要意義。

鑒于此，筆者分別利用光學顯微鏡和電子背散射衍射(electron backscatter diffraction，EBSD)技術，檢測不同上冷床溫度條件下熱軋螺紋鋼筋表面氧化鐵皮的形貌和結構，分析上冷床溫度對螺紋鋼筋表面氧化鐵皮抗銹蝕性能的影響，以期得到合適的生產工藝，提高鋼筋表面質量和使用性能，減少不必要的損耗。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗材料取自某鋼廠提供的Φ16 mm的HRB400熱軋螺紋鋼筋，化學成分見表1。

表1 HRB400化學成分，w/%Tab.1 Chemical composition of HRB400，w/%

1.2 實驗方法

將不同上冷床溫度條件下的軋件暴露在大氣環境中進行抗銹蝕性能的比較實驗；再采用光學顯微鏡觀察螺紋鋼筋表面的宏觀形貌以及氧化鐵皮的截面形貌，并測量不同溫度下的氧化鐵皮厚度；最后采用掃描電鏡進行電子背散射衍射實驗，研究氧化鐵皮的結構和相組成。光學顯微鏡型號為OLYMPUS-BX51，掃描電子顯微鏡型號為JSM-6510。

HRB400熱軋螺紋鋼筋終軋溫度為1 050℃，穿水后上冷床的溫度分別為1 000，900，850，820℃，其中820℃為常規生產采用的上冷床溫度。在4種不同上冷床溫度條件下的HRB400熱軋螺紋鋼筋試驗鋼上分別截取尺寸為60 mm的試樣，同時懸置于樓頂空曠環境中進行暴露銹蝕實驗，每隔一定時間(4 d)對鋼筋表面銹蝕情況進行觀察拍照，并記錄每天的天氣情況，直到鋼筋表面的銹蝕出現明顯差異時結束實驗，實驗周期為60 d。對于4種試樣，分別沿其橫向截取10 mm的樣品進行鑲嵌，且依次經砂紙表面打磨、拋光后，用4%(質量分數)的硝酸酒精溶液浸蝕，用于金相和截面氧化鐵皮觀察。對于EBSD樣品制備，先將試樣沿橫向切取約10 mm，再縱向切成兩半進行鑲嵌，研磨試樣時注意方向和力度，避免氧化鐵皮脫落；為去除試樣表面應力，用金剛石研磨膏拋光后用二氧化硅拋光液拋光30 min，再用酒精清洗。

2 實驗結果分析

2.1 不同上冷床溫度鋼筋的抗銹蝕性能

表2為放置試樣當天、第8 d、第20 d和第60 d的實驗外觀照片。其中第8 d之前均為晴天，第20 d試樣經過3場雨淋，第60 d試樣經過7場雨淋。

由表2可看出：放置當天，4種不同上冷床溫度條件下的螺紋鋼筋表面形貌無明顯差異；第8 d時，除820℃的鋼筋表面出現少量銹蝕外，其他3種溫度條件下的鋼筋外觀基本無變化，820℃的鋼筋銹蝕出現在橫肋處，說明此處氧化膜完整性較差，最易開裂剝落，該部位最易腐蝕；至第20 d，經過3場雨淋，鋼筋表面均有明顯變化，其中820℃情況下的鋼筋表面橫肋處均被腐蝕，其他地方呈現出被銹蝕的小斑點，850，900℃的情況下除橫肋處局部腐蝕外，基體上也出現少量銹蝕，1 000℃時可見銹蝕處極少；至第60 d，經過7場雨淋，820℃的鋼筋表面全部被黃銹覆蓋，嚴重影響外觀質量，850，900℃條件下的鋼筋橫肋處銹蝕加重，1 000℃時僅橫肋處銹蝕明顯。由此可知，大氣環境中，鋼筋抗銹蝕性能主要受雨水和暴露時間的影響，并且隨著上冷床溫度的提高，螺紋鋼筋在大氣環境中抗銹蝕性能明顯提高，820℃條件下生產的螺紋鋼筋最易被腐蝕，1 000℃時鋼筋抗銹蝕性能最強。

表2 放置不同時間的螺紋鋼筋表面腐蝕形貌Tab.2 Surface corrosion morphology of rebar placed at different placing times

2.2 鋼筋表面形貌分析

檢測螺紋鋼筋表面形貌和結構，以探討不同上冷床溫度下螺紋鋼抗銹蝕性能差異的原因。取不同上冷床溫度條件下的螺紋鋼筋，對其表面宏觀形貌進行觀察，結果如圖1。

由圖1可看出：820℃時，鋼筋表面粗糙、不平整，呈破碎的花紋狀，且存在多個凹凸不平的溝槽；當溫度升至850℃時，溝槽明顯減少，但表面仍比較粗糙，出現少量不同深度的孔洞；隨上冷床溫度的提高，螺紋鋼筋表面變得光整，孔洞數量減少，溝槽深度降低，1 000℃時表面形貌最為平整，只存在少量微孔。對比可看出，隨著上冷床溫度的升高，鋼筋表面形貌變得平整，這與穿水冷卻條件及隨后的冷卻時間有關。為達到設定的上冷床溫度，在穿水過程中所需的水量和水壓不同。上冷床溫度越低，要求的水量越大，噴射時的壓力越大，對軋件表面氧化鐵皮的破壞力也越大，從而導致鋼筋表面呈破碎狀，凹凸不平；溫度越低，軋件冷卻到室溫的時間越短，氧化鐵皮沒有充分的生長時間。當溫度達到1 000℃時，水量和水壓降低，此時的破壞力最小，氧化鐵皮生長時間也較長，故氧化鐵皮最完整，鋼筋表面最為平整。

2.3 氧化鐵皮光學顯微分析

為進一步分析氧化鐵皮的結構，在光學顯微鏡下觀察截面上氧化鐵皮的微觀形貌。圖2為不同上冷床溫度下的螺紋鋼筋表面氧化鐵皮顯微照片。

圖2 不同溫度下螺紋鋼筋表面氧化鐵皮的光學顯微照片Fig.2 Optical micrographs of oxide scale of rebar surface at different temperatures

由圖2看出，不同上冷床溫度下，螺紋鋼筋基體組織均為鐵素體F+珠光體P，但氧化鐵皮的微觀形貌存在一定的區別。820℃時的氧化鐵皮較薄，其連續性較差；850℃的氧化鐵皮厚度有所提高，外層結構也不太連續完整；900℃時的氧化鐵皮厚度稍有增加，但此時氧化鐵皮結構比較連續和完整；溫度升高至1 000℃時，氧化鐵皮厚度明顯增厚，同時氧化鐵皮的連續性和完整性也得到較大改善，氧化鐵皮與基體結合緊密。

取不同溫度下的試樣分別對氧化鐵皮厚度進行測量，變換試樣和觀察視野，測取多個值，得到氧化鐵皮厚度，如表3。從表3可得出，氧化鐵皮的厚度隨著上冷床溫度的提高而增加。軋件上冷床時的溫度不同，冷卻到室溫所需時間也不同。上冷床溫度低，鋼筋冷卻時間短，此時氧原子和鐵原子的相互擴散時間也短，從而導致氧化鐵皮厚度較薄。提高上冷床溫度即增加冷卻時間，也提高了氧原子的遷移量，氧化鐵皮厚度也隨之增加。

表3 不同溫度下的氧化鐵皮厚度Tab.3 Thickness of oxide scale at different temperatures

綜合分析可得，隨著上冷床溫度的提高，氧化鐵皮的厚度增加，其完整性和連續性也明顯改善。此時氧化鐵皮對鋼筋基體的保護能力增強，尤其是在大氣環境下抗銹蝕性能較好。生產過程中適當提高上冷床溫度，可改善螺紋鋼筋表面形貌，提高其抗銹蝕性能。但是上冷床溫度過高，一方面對鋼筋的組織性能會有影響[12]，另一方面氧化鐵皮太厚易造成起皮，且在接觸過程中更易脫落。因此為保證鋼筋的使用性能和良好的外觀，選擇合適的上冷床溫度至關重要。

2.4 氧化鐵皮結構分析

對不同上冷床溫度條件下的試樣進行EBSD分析，選取820，1 000℃兩種氧化鐵皮進行檢測，檢測結果如圖3。鋼材表面的氧化鐵皮由內向外一般由FeO、Fe3O4和Fe2O3等3層組成。Fe3O4為較致密的氧化物，Fe2O3較為疏松，FeO則介于兩者之間[13]。由圖3可知：不同上冷床溫度條件下鋼筋表面氧化鐵皮主要由Fe3O4和FeO兩層組成，基體上存在極少量的Fe2O3，且應在制樣過程中產生；820℃時，氧化鐵皮表面呈破碎狀，微觀結構也不太完整，其厚度薄且不均勻，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，并不是內層是FeO外層是Fe3O4的結構；1 000℃時，氧化鐵皮主要由表層的Fe3O4和內層的FeO組成，二者厚度比約為1∶2，由于生長較為充分，氧化鐵皮層較厚。圖3中在氧化鐵皮和金屬基體之間有一些沒有標定出的區域，其物相類型需進一步研究。

圖3 不同溫度下的氧化鐵皮EBSD圖像Fig.3 EBSD images of oxide scale at different temperatures

綜上分析表明，螺紋鋼筋不同上冷床溫度條件下得到的氧化鐵皮相組成可解釋鋼筋在抗大氣腐蝕性能方面的差別。上冷床溫度高時，氧化鐵皮表面平整，厚度較厚，外層是致密的Fe3O4組織，內層為FeO，在大氣環境中可較好地隔絕空氣與金屬基體的接觸，防止雨水在表面的積存，其抗銹蝕性能好。相反地，上冷床溫度低時，氧化鐵皮表面粗糙，厚度較薄，氧化鐵皮結構不完整，有些地方沒有致密的Fe3O4組織，在大氣環境中氧化鐵皮不能較好地隔絕空氣與金屬基體的接觸，抗銹蝕性能差。

3 結 論

1)螺紋鋼筋表面形貌隨上冷床溫度的提高趨于平整，螺紋鋼筋的基體顯微組織無明顯變化，均為F+P。表面氧化鐵皮厚度隨上冷床溫度的提高而增加。

2)螺紋鋼筋表面氧化鐵皮的主要組成為Fe3O4和FeO。820℃時，Fe3O4和FeO二者交叉存在，致密性較差；1 000℃時，氧化鐵皮結構完整，外層為Fe3O4、內層為FeO，致密性提高。

3)大氣環境中，不同上冷床溫度條件下的螺紋鋼筋抗銹蝕性能主要受雨水和暴露時間的影響。相同條件下，上冷床溫度越高，鋼筋抗銹蝕性能越強。故在保證螺紋鋼筋不起皮和力學性能的條件下，實際生產中應適當提高上冷床溫度。