一种不锈钢复合耐腐蚀钢筋及其制备方法 技术领域
本发明涉及一种复合材料，尤其涉及一种不锈钢复合耐腐蚀钢筋及其制备方法。 背景技术 钢筋是建筑行业生产钢筋混凝土的重要原材料，目前钢筋采用碳钢材料生产， 钢筋锈蚀是导致钢筋混凝土结构耐久性失效的主要原因之一。 为了提高建筑结构的耐 腐蚀性能，在一些重要的结构中，如海边的桥梁、钢结构大楼、立交桥等，有的采用 了不锈钢钢筋，克服了碳钢钢筋在海水和需要经常使用融雪盐的环境中，氯离子透过 混凝土接触钢筋，从而产生腐蚀的弊端。 同时，也可以避免空气中的二氧化碳与水泥 中的氢氧化钙，在有水存在的条件下发生化学作用，生成碳酸钙和水，降低混凝土的 碱度，减弱对钢筋的保护作用，导致钢筋锈蚀。 不锈钢中含有稀有、贵重的 Cr、 Ni 等元素，成本较高，限制了其推广应用。 人们为了提高碳钢钢筋的耐腐蚀性能，对合 金成分进行了特别设计。 如中国公开号为 CN101144136 的专利 “一种含钒高强度耐
腐蚀钢筋用钢及其生产工艺”，其合金元素按重量百分比 （%） 计为，0.17-0.24C、 0.55-0.75Si、1.35-1.50Mn、0.04-0.10V、0.04-0.10Re，其余为 Fe 和杂质元素。 中国公 开号为 CN101144137 的专利 “一种含铌高强度耐腐蚀钢筋用钢及其轧制工艺”，其合金 元 素 按 重 量 百 分 比 (%) 计 为，0.17-0.24C、0.55-0.75Si、1.35-1.50Mn、 0.02-0.04Nb、 0.04-0.10％ Re，其余为 Fe 和杂质元素。 上述两个发明的钢筋与普通钢筋相比，在氯盐、 工业大气等环境下具有更好的耐腐蚀性能，生产成本低、生产工艺简单。 通过优化碳钢 钢筋的合金成分，虽然能够提高其耐腐蚀性能，但提高有限，难以达到不锈钢钢筋的效 果。
随着 Ni、 Cr 等资源的逐渐减少，不锈钢的生产成本会不断提高，因此寻求既具 有不锈钢钢筋的耐腐蚀性能，又成本低廉、强度还高于不锈钢钢筋的材料是人们迫切追 求的目标。 低碳钢、低合金钢的成本低、强度高，不锈钢具有优异的耐腐蚀性能，将低 碳钢或低合金钢与不锈钢复合制备出不锈钢复合钢筋，对于提高建筑工程质量、延长建 筑结构的使用寿命具有重要意义。 发明内容
本发明为了解决不锈钢钢筋耐腐蚀性好，但成本高 ；碳钢钢筋成本低，但耐 腐蚀性差的问题，提供一种不锈钢复合耐腐蚀钢筋及其制备方法，它可获得耐腐蚀性能 好，成本低，可批量生产的钢筋。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案 ： 一种不锈钢复合耐腐蚀钢筋，钢筋直径为 6mm~40mm，它主要由芯部金属和其周围沿芯部金属长度方向均匀包覆的不锈钢合金层组成，两者间冶金结合，不锈钢合金层 的厚度为 1mm~10mm。
所述芯部金属为低碳钢、低合金钢中的任意一种。
所述不锈钢合金层为现有的奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢或双 相不锈钢中的一种。 优选奥氏体不锈钢。
一种不锈钢复合耐腐蚀钢筋的制备方法，它的步骤如下 ： （1） 选用现有的铸造方法生产出碳钢钢坯，碳钢钢坯的长度、横截面形状和面积任 意确定。 碳钢钢坯横截面的几何形状优选圆形或正方形，其直径不超过 120mm，或其边 长不超过 120mm。
（2） 用质量分数为 10% NaOH 水溶液除去步骤 （1） 制备的碳钢钢坯表面的油 污，温度为 80~90℃，浸洗 8~10 分钟。 然后用质量分数为 10% 的 H2SO4 （或 HCl） 水 溶液，在温度 40~60℃下，浸蚀 10~20 分钟，去除氧化膜。
（3） 采用现有的铸造方法或者热轧工艺生产不锈钢坯料，不锈钢坯料的长度 与步骤 （1） 的碳钢钢坯的长度一致，其横截面的几何形状是，中心部位为一个与步骤 （1） 碳钢钢坯横截面轮廓匹配的孔 ；不锈钢坯料横截面的外轮廓可以是任意形状，优选 圆形或者正方形。
（4） 用质量百分数 10% 的 Na2CO3 的水溶液，在温度 90~100 ℃下，浸洗步骤 （3） 所述不锈钢坯料的内孔，直到去除全部油污。 然后在如下溶液中浸蚀除油后的内 孔 ：HNO3 150 毫升， H2O 水 850 毫升， NaF 50 克，温度 20~90℃，直到光亮为止。
（5） 将步骤 （4） 获得的不锈钢坯料放置到步骤 （2） 的碳钢钢坯中部的孔 内，并在两者之间预置上中间合金层，中间合金层选用镍基合金薄带或者粉末，或者铜 基合金薄带或者粉末。
镍基合金薄带或铜基合金薄带的厚度为 20mm ~40mm ；合金粉末的粒度为－ 140 目 ~+325 目。
镍基合金薄带或铜基合金薄带的加入方法为，将薄带以螺旋线的形式、单层缠 绕到步骤 （2）获得的碳钢钢坯的表面，两头采用 TIG 焊接工艺，将其与碳钢钢坯焊接到 一起，然后将包覆薄带的碳钢钢坯插入步骤 （4） 获得的不锈钢坯料中心部位的孔内，两 者之间的间隙控制在 0.5mm 以下。
镍基合金粉末，或者铜基合金粉末则采用现有的火焰喷涂工艺、或者等离子喷 涂工艺，将粉末均匀喷涂到步骤 （2） 获得的碳钢钢坯的表面，或者步骤 （4） 获得的不 锈钢钢坯内孔的表面，喷涂层的厚度为 20mm ~40mm。 然后将碳钢钢坯插入到不锈钢坯 料中心部位的孔内，两者之间的间隙控制在 0.5mm 以下。
上 述 镍 基 合 金 薄 带 或 粉 末 的 成 分 （质 量 百 分 比 %） 为 ：14~18Cr、3~4Fe、 3~6Si、2.5~3.5B、余为 Ni，熔点为 960℃ ~1030℃；或者 6.0~8.0Cr、2.5~3.5Fe、4~5.0Si、 2.3~3.5B、余为 Ni，熔点为 900℃ ~1000℃ ； 上述铜基合金薄带或粉末的成分 （质量百分比 %）为 ：27~30Ni、1.5~2Si、0.2B、Fe 不超过 1.5、余为 Cu。 熔点为 1122℃ ~1166℃ （6） 采用现有的电弧焊方法，在不锈钢坯料和低碳钢坯料位于其两端端面上的间 隙处焊接一周焊缝，将两者之间的间隙焊合，并将两个坯料连接为一体。 采用 E4303 焊条，用焊条电弧焊 ；或者采用 ER50-6 焊丝，用熔化极气体保护焊。 获得不锈钢复合坯 料。
（7） 将步骤 （6） 的不锈钢复合坯料加热到 1050~1250℃，中间合金层熔化， 采用现有的轧制工艺轧制，逐道次减径，并通过现有的孔形尺寸保证钢筋型材的尺寸和 外形，获得不锈钢复合耐腐蚀钢筋产品。 根据轧制工艺的不同，产品分为光面钢筋、带 肋钢筋、钢线、冷轧扭钢筋。 在轧制过程中，通过液态中间合金层和母材原子的扩散， 实现碳钢和不锈钢的冶金结合，这个过程即为液相扩散焊。
本发明钢筋的外形与现有的钢筋相同，即是光面钢筋、带肋钢筋、钢线、冷轧 扭钢筋之一，优选带肋钢筋。
本发明实施具有如下明显效果 ： （1） 不锈钢复合耐腐蚀钢筋芯部采用碳钢，保证了钢筋具有较高的强度、良好的韧 性和塑性。
（2） 不锈钢复合耐腐蚀钢筋表面预置不锈钢层，使钢筋具有优异的耐腐蚀性 能，可广泛用于暴露于高氯离子或腐蚀性工业环境下的钢结构、使用融雪剂的道路和桥 梁、海洋围墙或防御工事、沿海钢结构、地下通道、钢筋混凝土内等，显著提高其耐腐 蚀性能，提高结构的寿命和安全性。 不锈钢层的厚度可以在 1mm 到 10mm 之间灵活调 整，以满足不同耐腐蚀工况不同使用寿命的要求。 （3） 不锈钢与碳钢之间为冶金结合，结合强度高，不脱落，寿命长。
（4） 不锈钢层和芯部碳钢可以设计成不同的成分，能够适用于不同腐蚀介质、 不同工作温度的各种工况，其适用面更广。
（5） 不锈钢复合耐腐蚀钢筋生产工艺简单，设备投资少，可连续生产，生产效 率较高。
附图说明 图 1 为本发明的不锈钢复合耐腐蚀钢筋的横截面剖面示意图 ； 图 2 不锈钢复合坯料的横截面剖面示意图。
其中，1 芯部，2 不锈钢合金层，3 碳钢钢坯，4 中间合金层，5 不锈钢坯料。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
实施例 1 ： 图 1 中，不锈钢复合耐腐蚀钢筋，其规格 （即直径） 为 6mm~40mm，它主要由芯部 1 金属和其周围沿芯部 1 金属长度方向包覆的不锈钢合金层 2 组成，两者间冶金结合，不 锈钢合金层 2 的厚度为 1mm~10mm。
所述芯部 1 金属为低碳钢、低合金钢中的任意一种。
所述不锈钢合金层 2 为现有的奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢或 双相不锈钢中的一种。 优选奥氏体不锈钢。
制备不锈钢复合耐腐蚀光面钢筋，芯部 1 为碳钢 Q235，横截面的几何形状为直 径 10mm 的圆形，耐腐蚀不锈钢合金层 2 的厚度为 2mm，不锈钢合金层 2 选用符合国标GB/T 20878-2007 的 06Cr19Ni10 奥氏体不锈钢。
（1） 选用现有的铸造方法生产 Q235 碳钢钢坯 3，碳钢钢坯 3 的长度为 9m，横 截面的几何形状为圆形，直径 110mm。
（2） 用质量分数为 10% NaOH 水溶液除去步骤 （1） 制备的碳钢钢坯 3 表面 的油污，温度为 85℃，浸洗 10 分钟。 然后用质量分数为 10% 的 H2SO4 水溶液，在温度 60℃下，浸蚀 15 分钟，去除氧化膜。
（3）采用现有的铸造工艺生产不锈钢坯料 5，不锈钢坯料 5 的长度为 9m，其横 截面的几何形状是一个同心圆的圆环，外径为 136mm，内径为 111mm。 如图 2 所示。
（4） 用质量百分数 10% 的 Na2CO3 的水溶液，在温度 90~l00 ℃下，浸洗步骤 （3）所述不锈钢坯料 4 的内孔，直到去除全部油污。 然后在如下溶液中浸蚀除油后的内 孔 ：HNO3 150 毫升、 H2O 水 850 毫升、 NaF 50 克，温度 80℃，直到光亮为止。
（5） 选用镍基合金薄带作为中间合金层 4，其化学成分 （质量百分比 %） 为 ： 7.0Cr、3.0Fe、4.0Si、2.5B、余为 Ni，薄钢带厚度为 30mm，宽度为 50mm。 将上述薄带 以螺旋线的形式、单层缠绕到步骤 （2）获得的碳钢钢坯 3 的表面，两头采用 TIG 焊接工 艺，将其与碳钢钢坯 3 焊接到一起，然后将包覆薄带的碳钢钢坯 3 插入步骤 （4） 获得的 不锈钢坯料 5 中心部位的孔内。 （6）采用直径为 2.5mm 的 E4303 焊条，用现有的焊条电弧焊方法，在不锈钢坯 料 5 和碳钢坯料 3 位于其两端端面上的间隙处焊接一周焊缝，将两者之间的间隙焊合，并 将两个坯料连接为一体，获得不锈钢复合坯料。
（7） 将步骤 （6） 的不锈钢复合坯料加热到 1200 ℃，中间合金层 4 熔化，采 用现有的轧制工艺轧制，逐道次减径，并通过现有的孔形尺寸保证钢筋型材的尺寸和外 形，获得不锈钢复合耐腐蚀光面钢筋产品。
按上述方法生产的不锈钢复合耐腐蚀钢筋，芯部 Q235 的直径为 10mm，不锈钢 合金层 2 的厚度为 2mm，两者之间为冶金结合，不锈钢复合耐腐蚀钢筋的外径为 14mm， 表面成形美观。
实施例 2 ： 制备不锈钢复合耐腐蚀光面钢筋，芯部 1 为碳钢，化学成分与市售 HRB335 二级钢筋 的相同，横截面的几何形状为直径 19mm 的圆形，耐腐蚀不锈钢合金层 2 的厚度为 3mm， 不锈钢合金层 2 选用符合国标 GB/T 20878-2007 的 06Cr17Ni12Mo2 奥氏体不锈钢。
（1） 选用现有的铸造方法生产 HRB335 二级钢筋的碳钢钢坯 3，碳钢钢坯 3 的 长度为 3m，横截面的几何形状为圆形，直径 100mm。
（2） 用质量分数为 10% NaOH 水溶液除去步骤 （1） 制备的碳钢钢坯 3 表面的 油污，温度为 80℃，浸洗 8 分钟。 然后用质量分数为 10% 的 H2SO4 水溶液，在温度 50℃ 下，浸蚀 15 分钟，去除氧化膜。
（3）采用现有的铸造工艺生产不锈钢坯料 5，不锈钢坯料 5 的长度为 3m，其横 截面的几何形状是一个同心圆的圆环，外径为 132mm，内径为 101mm。
（4） 用质量百分数 10% 的 Na2CO3 的水溶液，在温度 90℃下，浸洗步骤 （3） 所述不锈钢坯料 5 的内孔，直到去除全部油污。 然后在如下溶液中浸蚀除油后的内孔 ： HNO3 150 毫升、 H2O 水 850 毫升和 NaF 50 克，温度 50℃，直到光亮为止。
（5） 选用镍基合金薄带为中间合金层 4，其化学成分 （质量百分比 %） 为 ： 16Cr、3.5Fe、4Si、3B、余为 Ni，薄钢带厚度为 20mm，宽度为 50mm。 将上述薄带以螺 旋线的形式、单层缠绕到步骤 （2）获得的碳钢钢坯 3 的表面，两头采用 TIG 焊接工艺， 将其与碳钢钢坯 3 焊接到一起，然后将包覆薄带的碳钢钢坯 3 插入步骤 （4） 获得的不锈 钢坯料 5 中心部位的孔内。 如图 2 所示。
（6） 采用直径为 1.2mm 的 ER50-6 焊丝，用现有的熔化极气体保护焊工艺，在 不锈钢坯料 5 和碳钢钢坯 3 位于其两端端面上的间隙处焊接一周焊缝，将两者之间的间隙 焊合，并将两个坯料连接为一体，获得不锈钢复合坯料。
（7） 将步骤 （6） 的不锈钢复合坯料加热到 1150℃，中间层合金层 4 熔化，采 用现有的轧制工艺轧制，逐道次减径，并通过现有的孔形尺寸保证钢筋型材的尺寸，获 得不锈钢复合耐腐蚀人字形带筋钢筋产品。
按上述方法生产的不锈钢复合耐腐蚀带筋钢筋，芯部 1 碳钢的直径为 19mm，不 锈钢合金层 2 的厚度为 3mm，两者之间为冶金结合，不锈钢复合耐腐蚀带筋钢筋的外径 为 25mm，表面成形美观。
实施例 3 ： 制备不锈钢复合耐腐蚀光面钢筋，芯部 1 为碳钢，化学成分与市售 HRB400 三级钢筋 的相同，横截面的几何形状为直径 24mm 的圆形，耐腐蚀不锈钢合金层 2 的厚度为 3mm， 不锈钢合金层 2 选用符合国标 GB/T 20878-2007 的 06Cr17Ni12Mo2 奥氏体不锈钢。 （1） 选用现有的铸造方法生产 HRB400 二级钢筋的碳钢钢坯 3，碳钢钢坯 3 的 长度为 1m，横截面的几何形状为正方形，边长为 120mm。
（2） 用质量分数为 10% NaOH 水溶液除去步骤 （1） 制备的碳钢钢坯 3 表面的 油污，温度为 90℃，浸洗 10 分钟。 然后用质量分数为 10% 的 HCl 水溶液，在温度 40℃ 下，浸蚀 18 分钟，去除氧化膜。
（3）采用现有的铸造工艺生产不锈钢坯料 5，不锈钢坯料 5 的长度为 1m，其横 截面的几何形状是壁厚相等的正方形环，外轮廓正方形的边长为 150mm，内孔正方形的 边长为 121mm，两个正方形的对应边平行。
（4） 用质量百分数 10% 的 Na2CO3 的水溶液，在温度 95℃下，浸洗步骤 （3） 所述不锈钢坯料 5 的内孔，直到去除全部油污。 然后在如下溶液中浸蚀除油后的内孔 ： HNO3 150 毫升、 H2O 水 850 毫升和 NaF 50 克，温度 80℃，直到光亮为止。
（5） 选用镍基合金粉末的涂层为中间合金层 4，其化学成分 （质量百分比 %） 为 ：17Cr、3.5Fe、6Si、3.5B、余为 Ni，粒度为－ 140 目 ~+325 目。 采用现有的等离子 喷涂工艺，将上述粉末均匀喷涂到步骤 （2） 获得的碳钢钢坯的表面，喷涂层的厚度为 35mm。 然后将碳钢钢坯 3 插入到不锈钢坯料中心部位的孔内，两者之间的间隙控制在 0.5mm 以下。 如图 2 所示。
（6） 采用直径为 1.2mm 的 ER50-6 焊丝，用现有的熔化极气体保护焊工艺，在 不锈钢坯料 5 和碳钢钢坯 3 位于其两端端面上的间隙处焊接一周焊缝，将两者之间的间隙 焊合，并将两个坯料连接为一体，获得不锈钢复合坯料。
（7） 将步骤 （6） 的不锈钢复合坯料加热到 1200℃，中间层合金层 4 熔化，采 用现有的轧制工艺轧制，逐道次减径，并通过现有的孔形尺寸保证钢筋型材的尺寸，获
得不锈钢复合耐腐蚀人字形带筋钢筋产品。
按上述方法生产的不锈钢复合耐腐蚀带筋钢筋，芯部 1 碳钢的直径为 24mm，不 锈钢合金层 2 的厚度为 3mm，两者之间为冶金结合，不锈钢复合耐腐蚀带筋钢筋的外径 为 30mm，表面成形美观。
实施例 4 ： 制备不锈钢复合耐腐蚀光面钢筋，芯部 1 为碳钢 Q235，横截面的几何形状为直径 18mm 的圆形，耐腐蚀不锈钢合金层 2 的厚度为 1mm，不锈钢合金层 2 选用符合国标 GB/ T 20878-2007 的 12Cr13 马氏体不锈钢。
（1）选用现有的铸造方法生产碳钢 Q235 钢坯，碳钢钢坯 3 的长度为 3m，横截 面的几何形状为圆形，直径 110mm。
（2） 用质量分数为 10% NaOH 水溶液除去步骤 （1） 制备的碳钢钢坯 3 表面 的油污，温度为 90℃，浸洗 10 分钟。 然后用质量分数为 10% 的 H2SO4 水溶液，在温度 60℃下，浸蚀 20 分钟，去除氧化膜。
（3）采用现有的铸造工艺生产不锈钢坯料 5，不锈钢坯料 5 的长度为 3m，其横 截面的几何形状是一个同心圆的圆环，外径为 122mm，内径为 111mm。
（4） 用质量百分数 10% 的 Na2CO3 的水溶液，在温度 95℃下，浸洗步骤 （3） 所述不锈钢坯料 5 的内孔，直到去除全部油污。 然后在如下溶液中浸蚀除油后的内孔 ： HNO3 150 毫升， H2O 水 850 毫升， NaF 50 克，温度 80℃，直到光亮为止。
（5） 选用铜基合金粉末的涂层为中间合金层 4，其化学成分 （质量百分比 %） 为 ：28Ni、1.5Si、0.2B、1.2Fe、 余 为 Cu， 粒 度 为 － 140 目 ~+325 目。 采 用 现 有 的 火 焰喷涂工艺，将上述粉末均匀喷涂到步骤 （2） 获得的碳钢钢坯的表面，喷涂层的厚度 为 40mm。 然后将碳钢钢坯插入到不锈钢坯料中心部位的孔内，两者之间的间隙控制在 0.5mm 以下。
（6） 采用直径为 1.2mm 的 ER50-6 焊丝，用现有的熔化极气体保护焊工艺，在 不锈钢坯料 5 和碳钢钢坯 3 位于其两端端面上的间隙处焊接一周焊缝，将两者之间的间隙 焊合，并将两个坯料连接为一体，获得不锈钢复合坯料。 如图 2 所示。
（7） 将步骤 （6） 的不锈钢复合坯料加热到 1250℃，中间层合金层 4 熔化，采 用现有的轧制工艺轧制，逐道次减径，并通过现有的孔形尺寸保证钢筋型材的尺寸，获 得不锈钢复合耐腐蚀人字形带筋钢筋产品。
按上述方法生产的不锈钢复合耐腐蚀带筋钢筋，芯部 1 碳钢的直径为 18mm，不 锈钢合金层 2 的厚度为 1mm，两者之间为冶金结合，不锈钢复合耐腐蚀带筋钢筋的外径 为 20mm，表面成形美观。
实施例 5 ： 不锈钢合金层 2 选用符合国标 GB/T 20878-2007 的 10Cr17 铁素体不锈钢，其他与实 施例 1 相同。
实施例 6 ： 不锈钢合金层 2 选用符合国标 GB/T 20878-2007 的 12Cr21Ni5Ti 奥氏体 - 铁素体双相 不锈钢，其他与实施例 1 相同。
实施例 7 ：制备不锈钢复合耐腐蚀光面钢筋，芯部 1 为普通低合金钢，化学成分与市售 HRB500 三级钢筋的相同，其他与实施例 3 相同。