CN103643135B

CN103643135B - 抗拉强度2000Mpa及以上的PC钢棒及热处理方法

Info

Publication number: CN103643135B
Application number: CN201310589893.3A
Authority: CN
Inventors: 郭正洪; 杨继兰; 戎咏华; 左训伟; 陈乃录
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2015-12-30
Anticipated expiration: 2033-11-20
Also published as: CN103643135A

Abstract

本发明提供了一种抗拉强度2000Mpa及以上的PC钢棒及热处理方法，所述钢棒包含的成分含量为：0.38-0.50%C，1.50-2.0%Si，0.30-0.50%Mn，0.30-0.60%Cr，以及0.05-0.15%Mo、0.05-0.3%V、0.01-0.03%Nb、0.0005%-0.01%B中的一种或几种，杂质P、S含量不大于0.02%，Cu小于0.15%，余量为铁和不可避免的其他微量杂质。将钢棒采用感应加热至奥氏体化后水淬冷却，然后立即进行低温回火，最终获得的显微组织为回火马氏体。该方法可使得钢棒的力学性能达到屈服强度大于1820MPa，抗拉强度大于2000MPa，最大力总伸长率大于3.5%，心部到表面的硬度均在55HRC以上，并具有焊接性好、热处理工艺简单、易于大批量生产的特点。

Description

抗拉强度2000Mpa及以上的PC钢棒及热处理方法

技术领域

本发明涉及一种中碳低合金钢及其生产工艺，具体地，涉及一种抗拉强度达到或超过2000MPa的超高强度中碳低合金钢棒及其热处理方法。

背景技术

预应力混凝土用钢棒(SteelBarforPrestressedConcrete,简称PC钢棒)具有高强度韧性、低松弛性以及良好的可焊接性、墩锻性等特点，被广泛的应用于高强预应力混凝土离心管桩、电杆、高架桥墩、铁路轨枕等预应力构件中，在国内外具有十分广阔的应用前景。PC钢棒的生产是采用热轧盘条为原料，通过阴螺纹拉拔、感应加热、淬火、回火等工序制成，当前国内PC棒的材料牌号主要有30MnSi(低端)和45Si2Cr(高端)系列。GB/T24587-2009《预应力混凝土钢棒用热轧盘条》中规定了30MnSi的化学成分为0.28-0.33%C,0.70-1.10%Si，0.90-1.30%Mn，≤0.25%的Cr，≤0.025%的P、S，≤0.25%的Ni以及≤0.20%的Cu，其碳当量在0.510-0.627之间(碳当量计算公式为：碳当量=C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5)。45Si2Cr的化学成分为0.43-0.48%C,1.55-1.95%Si，0.40-0.70%Mn，0.30-0.60%Cr，≤0.025%的P、S，≤0.25%的Ni，以及≤0.20%的Cu，其碳当量在0.587-0.747之间。

根据公开资料，把上述两种热轧盘条用于生产PC棒时，30MnSi钢棒能得到的力学性能：抗拉强度为1420-1650MPa，屈服强度为1270-1575MPa，最大力总伸长率为3-4%，HRC为30-48；45Si2Cr能得到的力学性能:抗拉强度为1500-1790MPa，屈服强度为1350-1660MPa，最大力总伸长率为3-5%，以及42-52范围内的HRC。根据现有国标GB/T5223.3-2005，对PC棒的材料成份未作明确规定，只列出当前能达到的力学性能，包括最大抗拉强度为1570MPa，屈服强度最大为1420MPa，最大力总伸长率大于3.5%，断后伸长率大于7.0%以及1000h下最低松弛值为2.0(初始应力为抗拉强度的70%时)。由此可知，优化成份和改进工艺还能使PC棒的力学性能再上一个台阶。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种抗拉强度2000MPa及以上的PC钢棒及其热处理方法，通过调整化学成分，改进热处理工艺参数使得生产的PC钢棒力学性能显著超过GB/T5223.3-2005《预应力混凝土用钢棒》中的要求，获得了更高强度的PC钢棒。

根据本发明的一个方面，提供一种抗拉强度2000MPa及以上的PC钢棒，所述钢棒包含的成分及其重量百分含量为：0.38-0.50%C，1.50-2.0%Si，0.30-0.50%Mn，0.30-0.60%Cr，以及0.05-0.15%Mo，0.05-0.3%V，0.01-0.03%Nb和0.0005%-0.01%B中的一种或几种，主要杂质P、S含量不大于0.02%，Cu小于0.15%，余量为铁和熔炼过程中不可避免的其他微量杂质（万分之几左右的微量杂质，如Pb、As、Sb、Bi、Cu、Sn等)。其碳当量在0.52-0.803范围内，与现用45Si2Cr的碳当量相差不大。

本发明选择的PC钢棒组分及数量在钢中的作用：

C0.38-0.50%

C碳是强化钢材最合适的元素，也是强化马氏体的重要元素，当含量低于0.38%时，很难确保达到规定的强度；C含量过高，钢的塑性和韧性急剧下降，加工性和焊接性也随之恶化，特别是当碳含量高于0.5%时易引起回火脆性。

Si1.5-2.0%

Si硅是bcc结构，是仅次于碳的强化元素，对钢的强度起重要作用，钢中添加一定量的Si，既能强化马氏体，又可以保证较高的淬透性；同时，Si在奥氏体冷却过程中能抑制Fe₃C渗碳体的形核与长大，并迟滞发生回火脆性。

Mn0.30-0.50%

Mn对增加淬透性的作用最强，然而Mn容易偏析，形成MnS等夹杂，恶化钢的塑性和韧性，并使钢的焊接性能下降，因此，综合考虑选取的Mn含量在0.30-0.50%之间。

Cr0.30-0.60%

Cr能有效提高钢的淬透性，在确保硬化深度方面起重要作用；并且Cr对奥氏体晶粒有细化作用，钢中加入一定量的Cr还可提高合金钢的耐大气腐蚀性。

此外，对可选的微合金元素：

B为0.0005%-0.01%，成本较低的B元素可以增加钢的淬透性，有助于提高晶界强度，提高钢棒的耐延迟断裂特性。

Mo为0.05-0.15%，Mo与C结合形成弥散析出碳化物，细化晶粒，提高钢的淬透性和强度。

Nb为0.01-0.03%，Nb能显著细化奥氏体晶粒，从而细化淬火后的马氏体，有效的提高钢的塑性和韧性，同时Nb具有析出强化作用，且降低钢棒的韧-脆转折温度。

V为0.05-0.3%，V在钢中析出碳化物起析出强化作用，而且由于主要析出于马氏体内，能提高钢棒的抗回火软化性能，有助于在改善塑性和韧性的前提下维持高的强度。

根据本发明的另一个方面，提供一种上述PC钢棒的热处理方法，具体为：将钢棒经感应加热使得钢棒完全奥氏体化后，立即水淬冷却以获得全马氏体组织，钢棒水淬完成后立即进行低温回火处理，最终获得显微组织为回火马氏体的产物。该发明可使钢棒的力学性能达到屈服强度大于1820MPa，抗拉强度大于2000MPa，最大力总伸长率大于3.5%，并具有焊接性好、成本与45Si2Cr、30MnSi等现有产品相差不大、易于大批量生产等特点。

优选的，所述感应加热的温度范围为850-1050℃。

优选的，所述低温回火的温度范围为180-250℃。

优选的，所述钢棒热处理之后的显微组织由回火马氏体组成。

优选的，所述钢棒的最终显微组织为体积分数大于95%的回火马氏体组织。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明可使得钢棒的力学性能达到屈服强度大于1820MPa，抗拉强度大于2000MPa，最大力总伸长率大于3.5%，心部到表面的硬度均在55HRC以上，并具有焊接性好、热处理工艺简单、易于大批量生产的特点。这种经热处理后的高强度高韧性钢棒可取代现国标《预应力混凝土用钢棒》(GB/T5223.3-2005)所列的最高1570MPa级别的钢棒，用于高强预应力混凝土离心管桩、电杆、高架桥墩、铁路轨枕等预应力构件中。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明钢棒采用感应加热方式进行奥氏体化，选择的淬火温度在850-1050℃范围内，并且使得钢棒完全奥氏体化。钢棒奥氏体化后立即进行水淬处理，以获得全马氏体组织。钢棒水淬完成后立即进行低温回火，回火温度范围为180-250℃。钢棒经淬火-回火后，显微组织由回火马氏体组成。钢的最终显微组织为体积分数大于95%的回火马氏体组织。

熔炼表1所列成分(以重量%表示)的钢，根据钢棒组分，调整热处理工艺参数以获得所需要的力学性能。

表1为以wt%表示的成份，其中M1、M2和M3、M4为本发明实施例用钢。

钢号	C(%)	Si(%)	Mn(%)	Cr(%)	Mo(%)	P(%)	S(%)	V(%)	Cu(%)	Nb(%)
											30MnSi	0.30	0.85	1.04	0.025	-	0.014	0.010	-	0.01	-
45Si2Cr	0.45	1.80	0.55	0.60	-	0.013	0.013	-	-	-
											M1	0.39	1.85	0.46	0.43	0.08	0.009	0.005	-	0.02	0.012
M2	0.41	1.65	0.38	0.39	0.10	0.011	0.003	0.10	0.05	-
											M3	0.42	1.76	0.35	0.54	-	0.008	0.007	0.05	0.09	0.18
M4	0.49	1.55	0.30	0.32	-	0.009	0.005	-	0.07	-

表2钢筋热处理后的力学性能

从上述可以看出，本发明钢棒热处理之后，其力学性能满足抗拉强度大于2000MPa，屈服强度大于1820MPa，最大力总伸长率大于3.5%，屈强比为0.8-0.9之间，初始应力为70%公称抗拉强度时1000h时的低松弛小于2.0。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种抗拉强度2000MPa及以上的PC钢棒，其特征在于所述钢棒包含的成分及其重量百分含量为：0.38-0.50%C，1.50-2.0%Si，0.30-0.50%Mn，0.30-0.60%Cr，以及0.05-0.15%Mo、0.05-0.3%V、0.01-0.03%Nb、0.0005%-0.01%B，主要杂质P、S含量不大于0.02%，Cu小于0.15%，余量为铁和熔炼过程中不可避免的其他微量杂质。

2.根据权利要求1所述的PC钢棒，其特征在于所述钢棒的显微组织由回火马氏体组成。

3.根据权利要求1所述的PC钢棒，其特征在于所述钢棒的最终显微组织为体积分数大于95%的回火马氏体组织。

4.一种权利要求1所述PC钢棒的热处理方法，其特征在于：将钢棒经感应加热使得钢棒完全奥氏体化后，立即水淬冷却以获得全马氏体组织，钢棒水淬完成后立即进行低温回火处理，最终获得显微组织为回火马氏体的产物；

所述感应加热的温度范围为850-1050℃；

所述低温回火的温度范围为180-250℃。

5.根据权利要求4所述的热处理方法，其特征在于所述钢棒经热处理之后，其力学性能满足抗拉强度大于2000MPa，屈服强度大于1820MPa，最大力总伸长率大于3.5%，屈强比为0.8-0.9之间，初始应力为70%公称抗拉强度时1000h时的低松弛小于2.0。