CN102876965B - 一种高强锚固螺栓及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高强锚固螺栓及其生产方法，所述高强锚固螺栓按重量百分比包括C：0.25-0.50％、Si：0.2-1.5％、Mn：0.5-2.0％、P≤0.03％、S≤0.03％，以及余量的铁和不可避免的杂质，所述高强锚固螺栓经过连续感应热处理，其中，高强锚固螺栓的力学性能为：抗拉强度σb为830-1220MPa，抗剪强度≥0.7σb，断后伸长率≥14％，20℃冲击功≥60J。本发明的高强锚固螺栓具有高强、高塑、耐冲击的优点，能够有效地抑制脆性断裂等问题。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种高强锚固螺栓及其生产方法。
背景技术
支座系统已在公路、铁路桥梁中大量使用，成为桥梁结构的主要支座类型。
目前，现有技术中的几种系列的支座构造基本相同，其单向活动支座的上支座板是槽形钢板的型式，利用槽形钢板的两肢限制支座的横向位移并传递水平力。支座由支座上摆和支座下摆组成，上摆预埋在PC轨道梁端底部，锚固螺栓将支座下摆与预埋在墩柱帽梁上的基座连接，支座上、下摆通过辊轴或铰轴连接，由此形成线路轨道梁桥系统。锚固螺栓是梁桥支座系统的关键零件。锚固螺栓受力复杂，除安装时的预紧力外，还要承受因列车运行产生的由轨道梁通过支座传来的各种力，是拉力、剪力、弯矩、扭矩等的复合作用。主要荷载包括：动荷载、冲击荷载、离心荷载、车辆横向荷载、混凝土徐变。主要附加荷载包括：风压荷载、温度变化、制动荷载、起动荷载、支座摩擦。这些荷载表面上是作用在轨道梁上，实质上，所有的荷载最终都传递到固定轨道梁支座的锚固螺栓上来。所以，对锚固螺栓的质量要求高，必须严格按设计要求加工制作，按技术规范实施安装，确保其使用的安全性和可靠性。
随着桥梁支座系统的不断升级，锚固螺栓要求具有较高的强度，同时具有较高的塑性。目前，现有技术中经过热轧生产的锚固螺栓强度尚不能超过800MPa，因此必须经过深加工生产高强度锚固螺栓。而常规锚固螺栓热处理后的调质硬度是HRC28～32，对应强度912～1001MPa，相当于10.9级高强度螺栓。高强度材料调质过程中回火时，在高温回火区域，容易产生硫、磷等杂质元素，杂质元素在晶界上偏聚，产生脆性断裂，尤其是当硬度在HRC35以上时，脆性倾向更严重。由有关部门对断裂锚固螺栓进行的硬度检测也说明硬度在HRC35以上时，会有严重的脆性倾向。
发明内容
本发明提供了一种能够解决现有技术中的一种或多种问题的高强锚固螺栓及其生产方法。
根据本发明的一方面，提供了一种高强锚固螺栓，该高强锚固螺栓的化学成分按重量百分比为C：0.25-0.50％、Si：0.2-1.5％、Mn：0.5-2.0％、P≤0.03％、S≤0.03％，其余为铁和不可避免的杂质，所述高强锚固螺栓经过连续感应热处理，其中，该高强锚固螺栓的力学性能为：抗拉强度σb为830-1220MPa，抗剪强度≥0.7σb，断后伸长率≥14％，20℃冲击功≥60J。
根据本发明的另一方面，该高强锚固螺栓的主要显微组织可为回火马氏体、回火索氏体或者回火屈氏体组织。
根据本发明的另一方面，该高强锚固螺栓的显微组织还可包括铁素体组织。
根据本发明的另一方面，该高强锚固螺栓的化学成分还可包含Cr、Mo、Ti、V、Nb等中的一种或几种。
根据本发明的另一方面，在连续感应热处理中，淬火加热温度可为760-950℃，然后可进行冷却，回火加热温度可为400-550℃。
根据本发明的另一方面，在连续感应热处理中可使用感应加热器，所述感应加热器可以是等径多匝线圈组成的IGBT电磁感应炉，电流频率≥20KHZ，线圈的铜管经多次绝缘漆处理以达到完全绝缘。
根据本发明的另一方面，淬火和回火之后可分别使用淬火冷却装置、回火炉后冷却装置对高强锚固螺栓进行冷却，在淬火冷却装置和回火炉后冷却装置中可设置多组环锥形水冷却喷嘴。
本发明的另一方面提供了一种高强锚固螺栓的生产方法，该方法包括下述步骤：制备锚固螺栓，所述锚固螺栓的化学成分按重量百分比为C：0.25-0.50％、Si：0.2-1.5％、Mn：0.5-2.0％、P≤0.03％、S≤0.03％，其余为铁和不可避免的杂质；采用连续感应热处理对所述锚固螺栓进行处理，其中，该高强锚固螺栓的力学性能为：抗拉强度σb为830-1220MPa，抗剪强度≥0.7σb，断后伸长率≥14％，20℃冲击功≥60J。
与现有技术相比，本发明具有下述有益效果中的至少一个：
1、加热速度快，显微组织细小。
2、在线生产稳定，通条性较好，自动化程度高，装备可调性较大。
3、锚固螺栓热处理过程一直是在输送辊道上运送，不易发生弯曲变形。
4、所生产的锚固螺栓力学性能达到：抗拉强度σb为830-1220MPa，抗剪强度≥0.7σb，断后伸长率≥14％，20℃冲击功≥60J。
5、该锚固螺栓的显微组织基本是回火马氏体组织、回火索氏体或者回火屈氏体组织，如果需要，也可以含有一定量的铁素体组织。提高了产品的塑性，反映在性能参数上即为延伸率和可加工性能的提高，满足了锚固螺栓使用过程中的加工操作要求。
6、该锚固螺栓在剪切破坏过程中可以承受更高的载荷，可以提高安全储备能力，提高材料的服役周期，节约资源和能源。
附图说明
通过下面结合附图进行的对实施例的描述，本发明的上述和/或其他目的和优点将会变得更加清楚，其中：
图1是根据本发明示例性实施例的高强锚固螺栓的金相组织显微照片；
图2是根据本发明另一示例性实施例的高强锚固螺栓的金相组织显微照片。
具体实施方式
下面将参照附图详细地描述本发明的示例性实施例，本领域技术人员应当理解，提供这些实施例仅仅是出于充分公开的目的，从而将本发明的原理充分地传达给本领域技术人员，不应将提供的示例性实施例解释为用于限制本发明的范围。本发明的范围由权利要求书及其等同物限定。本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，一个实施例中的技术特征也可以被应用于另一个实施例。
本发明的一个实施例涉及一种高强锚固螺栓，其按重量百分比包括C：0.25-0.50％、Si：0.2-1.5％、Mn：0.5-2.0％、P≤0.03％、S≤0.03％，以及余量的铁和不可避免的杂质，所述高强锚固螺栓经过连续感应热处理，其中，该高强锚固螺栓的力学性能为：抗拉强度σb为830-1220MPa，抗剪强度≥0.7σb，断后伸长率≥14％，20℃冲击功≥60J。其中，该高强锚固螺栓的特性的测试标准为：化学成分按照GB/T223进行；拉伸试验按照GB/T228进行；冲击试验按照GB/T229进行。
根据本发明的一个实施例，可采用的原料为中低碳钢或者合金钢棒材。例如，可采用合金结构钢作为原料，其按重量百分比包括C：0.25-0.50％、Si：0.2-1.5％、Mn：0.5-2.0％、P≤0.03％、S≤0.03％，以及余量的铁和不可避免的杂质。根据本发明的其它实施例，作为原料的结构钢还可包括微量的Cr、Mo、Ti、V和Nb中的一种或几种。当作为原料的结构钢中包括上述元素时，得到的高强锚固螺栓中也相应地包括微量的Cr、Mo、Ti、V和Nb中的一种或几种，从而能够改善锚固螺栓的性能。
可在感应热处理生产线上连续地完成锚固螺栓的上料、辊道输送、前牵引辊、淬火感应加热、淬火冷却、回火感应加热、回火冷却、后牵引辊、辊道输送、下料、包装等生产过程。本领域技术人员能够理解如何具体执行上述步骤，因此为了简要起见，在这里省略对这些步骤的详细描述。
根据本发明的一个实施例，在连续感应热处理中，淬火加热温度为760-950℃，然后冷却，回火加热温度为400-550℃。其中，在连续感应热处理中可使用感应加热器，感应加热器可选用等径多匝线圈组成的IGBT电磁感应炉，电流频率≥20KHZ，线圈的铜管经多次绝缘漆处理以达到完全绝缘。根据本发明的一个实施例，淬火处理和回火处理之后可分别使用淬火冷却装置、回火炉后冷却装置对高强锚固螺栓进行冷却，在淬火冷却装置和回火炉后冷却装置中设置有多组环锥形水冷却喷嘴。在感应热处理生产线上采用等径多匝线圈的中高频感应器对高强锚固螺栓进行加热，能够使锚固螺栓加热、冷却均匀，锚固螺栓的平直度高，通条性好。
根据本发明的示例性实施例，经过连续感应热处理后的锚固螺栓的晶粒细小，其主要显微组织为回火马氏体、回火索氏体或者回火屈氏体组织中的一种。根据本发明的其它实施例，该高强锚固螺栓的显微组织还可包括一定量的铁素体组织。
下面将描述根据本发明的高强锚固螺栓的生产方法，该方法包括下述步骤：制备锚固螺栓，所述锚固螺栓按重量百分比包括C：0.25-0.50％、Si：0.2-1.5％、Mn：0.5-2.0％、P≤0.03％、S≤0.03％，以及余量的铁和不可避免的杂质；采用连续感应热处理对所述锚固螺栓进行处理。经过连续感应热处理后，该高强锚固螺栓的力学性能为：抗拉强度σb为830-1220MPa，抗剪强度≥0.7σb，断后伸长率≥14％，20℃冲击功≥60J。在连续感应热处理中，淬火加热温度可为760-950℃，然后冷却，回火加热温度可为400-550℃。
根据本实施例的方法中使用的原料和设备可以与根据本发明其它实施例的原料和设备相同，原料可在感应热处理生产线上完成连续感应热处理，其中，整个生产工艺可包括端面修整→吊装上料→翻料进线→对齐定位→辊道送进→淬火加热→淬火冷却→高压吹气→回火加热→回火冷却→矫直送进→辊道送进→翻料下线→进入冷床→收集→计数→包装→入库等步骤后，成为高强锚固螺栓产品。其中，在制造高强锚固螺栓的过程中，该高强锚固螺栓一直在输送辊道上运送。虽然上面描述的生产工艺中包括了许多步骤(例如，端面修整、吊装上料、翻料进线等)，但是本领域技术人员应当理解，除了与连续感应热处理相关的步骤(例如，淬火加热、淬火冷却、回火加热、回火冷却等)之外，其它的步骤是为了执行本发明的方法而附加的步骤。本领域技术人员应当理解，这些附加的步骤并不是必须的，根据本发明的方法可以包含这些步骤，也可以不包含这些步骤。
下面结合具体示例来描述本发明的锚固螺栓。
示例1
利用根据本发明的方法制备高强锚固螺栓，其按重量百分比包括C0.38％、Si0.27％、Mn 0.61％、Cr 0.88％，以及余量的铁和不可避免的杂质。该高强锚固螺栓在感应热处理生产线上连续的完成上料、辊道输送、前牵引辊、淬火感应加热、淬火冷却、回火感应加热、回火冷却、后牵引辊、辊道输送、下料、包装等生产过程。淬火加热温度：820℃，然后冷却，回火加热温度：450℃。该钢筋的屈服强度为1030MPa，抗拉强度为1165MPa，断后伸长率A为16.0％，抗剪强度为827MPa，20℃冲击功为89J。
图1中示出了根据示例1的高强锚固螺栓的金相组织的显微照片，根据图1可以看出，其金相组织为回火索氏体+铁素体。
示例2
利用根据本发明的方法制备高强锚固螺栓，其按重量百分比包括C0.42％、Si0.32％、Mn 0.71％、Cr 0.98％，以及余量的铁和不可避免的杂质。该高强锚固螺栓在感应热处理生产线上连续的完成上料、辊道输送、前牵引辊、淬火感应加热、淬火冷却、回火感应加热、回火冷却、后牵引辊、辊道输送、下料、包装等生产过程。淬火加热温度：780℃，然后冷却，回火加热温度：400℃。该钢筋的屈服强度为860MPa，抗拉强度为1020MPa，断后伸长率A为18.0％，抗剪强度为719MPa，20℃冲击功为109J。
图2中示出了根据示例2的高强锚固螺栓的金相组织的显微照片，根据图2可以看出，其金相组织为回火索氏体+铁素体。
与现有技术相比，本发明的高强锚固螺栓的显微组织细小，能够达到抗拉强度σb为830-1220MPa、抗剪强度≥0.7σb、断后伸长率≥14％、20℃冲击功≥60J的优良的力学性能。另外，该高强锚固螺栓的显微组织基本是回火马氏体组织、回火索氏体或者回火屈氏体组织，如果需要，还可以含有一定量的铁素体组织。提高了产品的塑性，反映在性能参数上即为延伸率和可加工性能的提高，满足了锚固螺栓使用过程中的加工操作要求。因此，该高强锚固螺栓在剪切破坏过程中可以承受更高的载荷，可以提高安全储备能力，提高材料的服役周期，节约资源和能源。因此，该锚固螺栓产品具有高强、高塑、耐冲击的优点，能够有效地抑制脆性断裂等问题。
虽然已经结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对示例性实施例进行各种修改和改变，本发明的范围在权利要求书及其等同物中限定。
Claims (10)
1.一种高强锚固螺栓，其特征在于：该高强锚固螺栓按重量百分比包括C：0.25-0.50%、Si：0.2-1.5%、Mn：0.5-2.0%、P≤0.03%、S≤0.03%，以及余量的铁和不可避免的杂质，所述高强锚固螺栓经过连续感应热处理，其中，该高强锚固螺栓的力学性能为：抗拉强度σb为830-1220MPa，抗剪强度≥0.7σb，断后伸长率≥14%，20℃冲击功≥60J，
其中，在连续感应热处理中，淬火加热温度为760-950℃，然后冷却，回火加热温度为400-550℃，
其中，该高强锚固螺栓的主要显微组织为回火马氏体、回火索氏体和回火屈氏体组织中的一种。
2.如权利要求1所述的高强锚固螺栓，其特征在于该高强锚固螺栓的显微组织还包括铁素体组织。
3.如权利要求1所述的高强锚固螺栓，其特征在于该高强锚固螺栓还包含Cr、Mo、Ti、V、Nb中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的高强锚固螺栓，其特征在于在连续感应热处理中使用感应加热器，所述感应加热器是等径多匝线圈组成的IGBT电磁感应炉，电流频率≥20KHZ，线圈的铜管经多次绝缘漆处理以达到完全绝缘。
5.如权利要求1所述的高强锚固螺栓，其特征在于淬火和回火之后分别使用淬火冷却装置、回火炉后冷却装置对高强锚固螺栓进行冷却，在淬火冷却装置和回火炉后冷却装置中设置有多组环锥形水冷却喷嘴。
6.一种高强锚固螺栓的生产方法，其特征在于该方法包括下述步骤：
制备锚固螺栓，所述锚固螺栓按重量百分比包括C：0.25-0.50%、Si：0.2-1.5%、Mn：0.5-2.0%、P≤0.03%、S≤0.03%，以及余量的铁和不可避免的杂质；
采用连续感应热处理对所述锚固螺栓进行处理，
其中，该高强锚固螺栓的力学性能为：抗拉强度σb为830-1220MPa，抗剪强度≥0.7σb，断后伸长率≥14%，20℃冲击功≥60J，
其中，在连续感应热处理中，淬火加热温度为760-950℃，然后冷却，回火加热温度为400-550℃，
其中，该高强锚固螺栓的主要显微组织为回火马氏体、回火索氏体和回火屈氏体组织中的一种。
7.如权利要求6所述的高强锚固螺栓的生产方法，其特征在于该高强锚固螺栓的显微组织还包括铁素体组织。
8.如权利要求6所述的高强锚固螺栓的生产方法，其特征在于该高强锚固螺栓还包含Cr、Mo、Ti、V、Nb中的一种或几种。
9.如权利要求6所述的高强锚固螺栓的生产方法，其特征在于在连续感应热处理中使用感应加热器，所述感应加热器是等径多匝线圈组成的IGBT电磁感应炉，电流频率≥20KHZ，线圈的铜管经多次绝缘漆处理以达到完全绝缘。
10.如权利要求6所述的高强锚固螺栓，其特征在于淬火和回火之后分别使用淬火冷却装置、回火炉后冷却装置对高强锚固螺栓进行冷却，在淬火冷却装置和回火炉后冷却装置中设置有多组环锥形水冷却喷嘴。
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