CN104018059A - 屈服强度≥980MPa的贝氏体精轧螺纹钢筋及生产方法 - Google Patents

Abstract

屈服强度≥980MPa的贝氏体精轧螺纹钢筋，其组分及wt%为：C0.10～0.20%、Si0.20～0.50%、Mn1.80～2.3%、P≦0.035%、S≦0.035%、B0.0010～0.0030%；金相组织中贝氏体不低于95%；生产步骤：常规冶炼并铸坯；对铸坯进行堆垛冷却并至室温；对铸坯加热；粗轧；精轧；自然空冷至室温并待用。本发明是利用组织相变来提高强度的，无需进行热处理，从而降低了生产成本及简化了工艺，且塑性性能、抗松弛性能更好，也无需改造现有设备就可生产。

Description

屈服强度≥980MPa的贝氏体精轧螺纹钢筋及生产方法

技术领域

精轧螺纹钢筋又叫预应力混凝土用螺纹钢筋，我国于20世纪80年代开始研发生产，于2005年经国家标准化管理委员会审批发布了GB/T 20065～2006《预应力混凝土用螺纹钢筋》标准。精轧螺纹钢筋是在整根钢筋上轧有外螺纹的高强度、高精度直条钢筋。在整根钢筋的任意截面都能旋上带有内螺纹的连接器进行连结，或旋上螺纹帽进行锚固，具有连接、锚固简便，粘着力强，施工方便等优点，又因省掉焊接工艺，避免了由于焊接而造成的内应力及组织不稳定等引起的断裂，因此被广泛应用于大型水利工程、公路、铁路、大中跨桥梁等工程。随着国家加大基础设施投资力度，国内高铁项目对精轧螺纹钢的需求用量逐年递增。精轧螺纹钢筋的合金含量高、强度高、成形较困难，属钢筋中附加值高的高端产品。

中国专利申请号为CN200710118997.0的专利文献，其公开了高强度精轧螺纹钢筋的生产方法，钢坯材质为中碳低合金钢，工艺流程为转炉冶炼—钢包钒微合金化—LF炉精炼—全保护浇铸—钢坯检查—加热炉加热—控制轧制—轧后控制冷却；其中连铸过程采用130mm²小方坯全保护浇铸；轧制过程开轧温度950-1100℃，精轧入口温度800-950℃；轧后采用两段式或三段式分级控制冷却方式，出一冷段温度控制在700-850℃之间，出二冷段或三冷段上冷床回火温度控制在570-700℃之间。其存在的不足：工序复杂，需要维护多个水箱设备，多线在线冷却不能充分发挥自回火的功能，而此工艺即是一种强穿水工艺使得表面有一层厚的淬硬层来提高强度，其边部组织为回火索氏体，中心为铁素体+珠光体。该方法不易控制，强度富余量不高；若淬硬层厚度太薄使强度达不到要求，若太厚虽强度富余量高，但延伸率显著降低而不能满足使用性能。

经检索：中国专利申请号为CN93115947.4的专利文献，公开了一种空冷变态贝氏体高强螺纹钢及处理工艺；其成分为C 0.28～0.36％，Mn 0.80～1.20％，Cr 0.70～1.10％，Si 0.60～1.20％，Mo 0.20～0.40％，V 0.10～0.15％，其余为Fe，限制S、P含量分别小于0.03％；终轧温度控制在880～900℃，余热在200～ 300℃区间回火2～3小时后空冷；从而获得了强韧性极佳的变态贝氏体螺纹钢。其存在的不足：工序复杂，即需要热处理工艺，导致生产成本增加；其Cr含量高达0.7%以上，存在晶界偏析厉害，易在轧制冷却时产生马氏体组织而使塑性变差，延伸率也不能满足要求。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种利用贝氏体组织强化技术来生产的精轧预应力钢筋的方法；钢板金相组织主要为不低于95%的贝氏体组织，同时力学性能稳定，各种性能均优于市场上精轧螺纹钢筋，且化学成分简单，使成本至少可比目前降低100元/吨，且无需后期热处理工艺。

本申请为了实现上述目的，对实现本申请的目的起影响或者关键作用的合金元素及工艺进行了深入的研究其结果，为了即使在保证性能的前提下，还能实现降低生产成本，因此提出了在成分方面主要是利用Si阻止贝氏体相变过程中碳化物的析出，Mn推迟过冷奥氏体的高温转变，以及微量硼提高钢的淬透性，促使珠光体和贝氏体转变曲线分离。通过该生产方法，可以得到贝氏体在95%以上的组织，屈服强度≥980MPa的精轧螺纹钢筋。同时，本发明是根据Mn是扩大奥氏体区的元素，Mn原子在界面富集，对界面迁移产生钉扎作用即溶质拖拽作用，是铁素体生长显著减缓同时也降低了相界附近奥氏体机体内碳的浓度及浓度梯度，导致碳在奥氏体中扩散速度降低，进一步抑制铁素体的生长，使钢的共析转变温度下降，并推迟过冷奥氏体的珠光体转变，从而能显著提高钢的淬透性。另外，本发明根据微量的B在奥氏体晶界上有偏聚作用，可有效地抑制先析铁素体析出，提高了贝氏体淬透性。其作用机制主要有： (1)硼偏聚在奥氏体晶界，降低了晶界能并减少了铁素体优先形核的位置。 (2)硼减少了铁在晶界上的自身扩散系数，降低了铁素体的形核速度。 (3)由于晶界是铁素体优先形核的位置，所以当硼偏聚于晶界后，这些优先形核的位置将要消失。 (4)沿晶界形成细小的硼化物并且与基体是相关的(连贯的、粘着的)，在这种情况下，铁素体很难在硼化物与基体之间的界面上形核。成分的优化，还需要匹配的工艺才行，因此经研究，工艺方面主要主要是采取了控制精轧后冷却工艺，即按照3~12℃/s的速度冷却到480℃~600℃，从而使轧后组织为不低于95%的贝氏体。

实现上述目的的措施：

屈服强度≥980MPa的贝氏体精轧螺纹钢筋，其组分及重量百分比含量为： C 0.10～0.20%、Si 0.20～0.50%、Mn 1.80～2.3%、P≦0.035%、S≦0.035%、B 0.0010～0.0030%，其余为Fe和杂质元素；金相组织中贝氏体不低于95%，余为铁素体。

优选地：当钢筋的直径为大于Φ32mm至Φ50mm规格时，以下组分在：C 0.15～0.20%、Mn 1.95～2.3%、B 0.0015～0.0030%取值。

生产屈服强度≥980MPa的贝氏体精轧螺纹钢筋的方法，其步骤：

1）常规冶炼并铸坯，出钢温度在1680～1700℃，铸坯拉速不高于1.8m/min；

2）对铸坯进行堆垛冷却并至室温；

3）对铸坯加热，控制均热段温度为：1100～1200℃，均热时间在100~120min；

4）进行粗轧，并控制其开轧温度在：1050～1150℃；

5）进行精轧，精轧后立即以3~12℃/s的速度冷却到480℃~600℃范围内上冷床，总的压缩比不低于25；

6）自然空冷至室温并待用。

本发明中各元素及主要工序的作用

C：C是提高钢材强度最有效的元素，但是当其含量低于0.1%时，会导致力学性能不足而增加合金添加量从而增加了生产成本，当其含量高于0.2%，不利于贝氏体的形核和长大，因为贝氏体形核必须在低碳区，因此，本发明C选择在0.1~0.2%。

Si：特别强烈地阻止贝氏体转变时碳化物的形成，促使尚未转变的奥氏体富集碳，形成无碳化物贝氏体，提高贝氏体钢的韧性，硅含量小于0.2%时，无法发挥抑制碳化物的形成作用，含量过高，则残余奥氏体含量过高，钢的强度下降，所以选择Si的范围在0.2～0.5%

Mn：Mn是扩大奥氏体区的元素，Mn原子在界面富集，对界面迁移产生钉扎作用即溶质拖拽作用，是铁素体生长显著减缓同时也降低了相界附近奥氏体机体内碳的浓度及浓度梯度，导致碳在奥氏体中扩散速度降低，进一步抑制铁素体的生长，使钢的共析转变温度下降，并推迟过冷奥氏体的珠光体转变，从而能显著提高钢的淬透性，锰低于下限时，发挥不了上述作用，锰过高，加剧其在钢中的偏析，在偏析严重的地方容易析出粗大马氏体，而使钢的韧性急剧降低，所以选择Mn的范围在1.2～1.5%；

P、S：作为有害元素，其含量越低越好。S含量过高，会形成大量的MnS夹杂，降低钢材的机械性能，因此含量越低越好，所以选择S的范围在≦0.035%；P易在晶界偏析，增加钢筋的脆性，因此含量越低越好，所以选择P的范围在≦0.035%。

B：在奥氏体晶界上有偏聚作用，可有效地抑制先析铁素体析出，提高了钢的淬透性，随着含量的增加其淬透性成直线增加，但超过0.0030%时，其效果不再明显的增加，反而增加了成本，所以选择 B的范围在0.0010～0.0030%。

之所以采用精轧后立即以3~12℃/s的速度冷却到480℃~600℃，经试验证实，如低于3℃/s冷却速度，铁素体量会很多而使力学性能达不到要求，如高于12℃/s冷却速度，则会出现马氏体，而使得塑性变差导致延伸率不合格。因此，在本发明中选择3~12℃/s的速度冷却，才能使金相组织中贝氏体不低于95%，从而避免出现马氏体或者过多的铁素体而使性能不合格的现象。

本发明与现有技术相比，是利用组织相变来提高强度的，无需进行热处理，从而降低了生产成本及简化了工艺，且塑性性能、抗松弛性能更好，也无需改造现有设备就可生产。

附图说明

附图为本发明的金相组织图。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

对实施例1的铸坯尺寸为230×250mm外，均采用200×200mm的方坯；

表1为本发明各实施例及对比例的取值列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；

表3为本发明各实施例及对比例性能检测情况列表。

本发明各实施例按照以下步骤生产：

1）常规冶炼并铸坯，出钢温度在1680～1700℃，铸坯拉速不高于1.8m/min；

2）对铸坯进行堆垛冷却并至室温；

3）对铸坯加热，控制均热段温度为：1100～1200℃，均热时间在100~120min；

4）进行粗轧，并控制其开轧温度在：1050～1150℃；

5）进行精轧，精轧后立即以3~12℃/s的速度冷却到480℃~600℃范围内上冷床，总的压缩比不低于25；

6）自然空冷至室温并待用。

表1    本发明实施例与比较例的化学成分列表（wt%）

按照目前市场上合金价格，高锰合金6023.54元/吨，钒铁73281.81元/吨，而一般钒的收得率为50%，高锰合金收得率76%，依上表成分进行计算，本发明钢种与市场上普通精轧螺纹钢筋相比，吨钢成本约少195元。

表2   本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表

注：本发明钢种的参考液相温度为1509℃

表3   本发明各实施例及对比例的力学性能对比列表

从表3可以看出，本发明强度比目前生产的精轧螺纹钢筋性能富余量要高，且塑性性能、抗松弛性能更好。

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims (3)

1.屈服强度≥980MPa的贝氏体精轧螺纹钢筋，其组分及重量百分比含量为： C 0.10～0.20%、Si 0.20～0.50%、Mn 1.80～2.3%、P≦0.035%、S≦0.035%、B 0.0010～0.0030%，其余为Fe和杂质元素；金相组织中贝氏体不低于95%，余为铁素体。

2.如权利要求1所述的屈服强度≥980MPa的贝氏体精轧螺纹钢筋，其特征在于：当钢筋的直径为大于Φ32mm至Φ50mm规格时，以下组分在：C 0.15～0.20%、Mn 1.95～2.3%、B 0.0015～0.0030%取值。

3.生产权利要求1所述的屈服强度≥980MPa的贝氏体精轧螺纹钢筋的方法，其步骤：

1）常规冶炼并铸坯，出钢温度在1680～1700℃，铸坯拉速不高于1.8m/min；

2）对铸坯进行堆垛冷却并至室温；

3）对铸坯加热，控制均热段温度为：1100～1200℃，均热时间在100~120min；

4）进行粗轧，并控制其开轧温度在：1050～1150℃；

5）进行精轧，精轧后立即以3~12℃/s的速度冷却到480℃~600℃范围内上冷床，总的压缩比不低于25；

6）自然空冷至室温并待用。