CN1042748C - 高附着、高强度异形棒钢及其制造方法 - Google Patents

高附着、高强度异形棒钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种供混凝土用的钢筋、尤其是作为预应力混凝土制件用的钢筋、是经过滚轧螺旋加工或者十字交叉线焊接等才被使用的、具有与混凝土附着强度的高强度异形棒钢。它是把由热轧制成的在外径上具有螺旋状突起的节状轧制加工过的混凝土用的异形棒钢或线材作为坯料，用上述轧制成节的断面减小率进行圆加工，形成多条与上述热轧成的螺旋状突起的节的螺旋旋向相反的螺旋线状沟槽之后，进行淬火、退火等热处理。

Description

高附着、高强度异形棒钢及其制造方法
本发明涉及一种高附着、高强度异形棒钢及其制造方法，这种棒钢是供土木建筑混凝土用的钢筋，或者作为预应力混凝土制件用的主钢筋和辅助钢筋，此外还用作地脚锚钉等，经过滚轧螺旋加工或者经过十字交叉线焊接后被使用的、且具有与混凝土的附着强度的异形钢棒。
以前，供混凝土用的异形棒钢是使用如图10所示的热轧异形棒钢。它是通过热轧在棒钢的表面按一定间隔形成突起状的节11，以增加与混凝土的附着力的。
但是，这种热轧的未经加工的异形棒钢，因突起的高度大，就会使混凝土的附着力大，但是，热轧加工后的圆度就较差，而且，由于在上下轧辊间设置了一定间隙，在轧制方向产生两条肋12，因而在轧制后的状态下对端末进行螺旋滚轧是困难的；此外，在十字交叉线焊接时，会有因电极接触不良而形成焊接性能较差的缺点；以及在把卷材加工成直线状线材时，要用矫正辊加工矫正和用送进辊加工连续地送进等难于处理的缺点；尤其是那种经过热处理的用作预应力混凝土制件用的钢材的高强度异形棒钢，由于钢材本身的硬度高，当圆度较差时，在原有状态下进行螺旋滚轧加工是不可能的，必需在进行螺旋下切削加工之后进行螺旋滚轧加工。另一方面，为了解决这个问题，在进行表面光轧加工使圆度提高的场合下，有把节破坏，使节的高度降低，由此使与混凝土的附着力减小的问题。
因此，本发明的目的是提供一种高附着、高强度的异形棒钢及其制造方法，它是在一种用热轧使其带节的经过异形加工的热轧异形棒钢上进一步进行轻度的拔丝加工，使混凝土用的棒钢断面的圆度提高，使螺旋滚轧等二次加工容易进行，把使用时的焊接加工性能等提高了的高附着性、高强度异形棒钢及其制造方法。此外，本发明的目的还提供一种在原先棒钢上形成多条新的螺旋状的沟槽，增强了与混凝土的附着力的高附着、高强度异形棒钢及其制造方法。
为了达到上述的目的，本发明提供一种高附着、高强度异形棒钢，把带节的热轧而成的混凝土用的异形棒钢或线材作为坯料，以保留热轧而成的节的断面减小率对其进行圆加工之后，进行淬火、退火热处理，使其达到抗拉强度930N/mm2以上、屈服极限785N/mm2以上，所述异形棒钢或线材通过热轧加工而在外径上具有螺旋状突起，其外径为5～50mm，其化学成分(重量比)为C:0.1～0.6％、Si:0.15～2.00％、Mn:0.6～2.00％、Cr:0.6％以下、其余为铁和不可避免的杂质。
本发明还提供一种高附着、高强度异形棒钢，在进行上述的圆加工时，形成多条与上述热轧成的螺旋状突起的节的螺旋旋向相反的螺旋线状沟槽。
本发明还提供一种高附着、高强度异形棒钢的制造方法，把通过热轧而在外径上具有螺旋状突起的、经节状轧制加工的混凝土用异形棒钢或异形线材作为坯料，以保留上述热轧而成的节的断面减小率来进行拉拔加工之后，一边把上述的棒钢或线材连续地送进，一边用高频感应加热装置或直接通电装置把整个断面快速地加热到920℃的淬火温度后，使其骤冷进行淬火，此后，又用高频感应加热装置或直接通电装置快速加热到370℃～380℃的退火温度后，使其骤冷而进行退火。
此外，本发明还提供一种高附着、高强度异形棒钢的制造方法，它是在进行上述的拉拔加工时，使用在内径上具有多条与上述节的螺旋旋向相反的螺旋状突起的圆形拉拔模，以保留上述热轧而成的节的断面减小率来进行拉拔之后，进行上述热处理。
在本发明中，使用由热轧制成的、在外径上有螺旋状突起的、经节状轧制加工的混凝土用异形棒钢或线材，虽然在热轧的状态下圆度较差，但由于坯料上已有节，因而能减少后续的工序，能容易得到高混凝土附着力的异形棒钢。另外，把上述热轧形成的节的高度留剩下多少是由异形棒钢的基准直径、节的高度的拉拔模的内径确定的，而为了得到高的混凝土附着力，最好以能达到圆度的最小的断面减小率进行加工，把热轧形成的节的高度尽可能留剩下来。由本发明实验结果可见，最好以留剩原先的节的高度40％以上的断面减小率进行圆加工。
另外，在外径上新加工出多条螺旋线状沟槽时，就能补偿由圆加工引起的节高度减少带来的混凝土附着力的减少。这时，如果新的螺旋线状沟槽与上述热轧形成的节的螺旋方向相同，由于新的螺旋线状沟槽隐藏在上述节的底部，使混凝土附着力增加的效果减小，而本发明通过形成多条与上述热轧形成的节的螺旋旋向相反的螺旋线状沟槽，就使热轧形成的节和新形成的螺旋线状沟槽对混凝土附着力的增加起到相乘效果。而且，通过淬火、退火热处理还能得到所要求的机械强度。
对异形棒钢坯料的成分的限定由下面所说的理由决定。即把C定成按重量比是0.1～0.6％的理由是由于在0.1％以下，就不能通过淬火得到所要求的强度，在0.6％以上，就会使韧性降低。而Si是降低高温松驰的有效成分，把Si的含量定成0.15～2.00％是由于在0.15％以下，不能得到使高温松驰降低的效果，而在2.00％以上就会使韧性降低。把Mn的含量定成0.6～2.00％是由于要提高淬火性，在0.6％以下则效果不充分，在2.00％以上则会使淬火后留剩下的奥氏体增加。Cr是用来增加淬火性、使退火阻力增大，Cr的含量在0.6％以上，在经济上是不利的，而且对直径较小的棒钢，即使不添加Cr也能得到所要求的性质。
把本发明棒钢的尺寸限定成5～50mm是因为这是作为通常混凝土用高强度异形棒钢的尺寸范围。另外，要进行热处理，使抗拉强度达到930N/mm2以上，屈服极限达到785N/mm2以上，这是由于这样的热处理能达到对预应力的棒钢所要求的强度。
在本发明的制造方法中，圆加工的方法无论用什么样的方法都可以，但其中用拉拔模进行的拉拔加工最适于大量生产。尤其是把那种用内径上有多条螺旋状突起的圆形拉拔模进行的拉拔同时进行圆加工和形成多条螺旋线状沟槽的加工，对大量生产是相当有利的。此外，通过用高频感应加热装置或直接通电装置连续地进行淬火、退火等热处理就能容易地进行性质均匀的大量生产。
图1是本发明实施例的高附着、高强度异形棒钢的外观图；
图2是本发明实施例的制造工序图；
图3是本发明实施例的热轧异形棒钢坯料的断面图；
图4是表示本发明实施例的没有突起的、没有拉拔模拉出的沟槽的异形棒钢的断面图；
图5是表示本发明实施例的用带突起的拉拔模拉拔的带沟槽的异形棒钢的断面图；
图6是本发明实施例的进行混凝土附着强度试验用的试样的断面图；
图7是表示本发明实施例的进行混凝土附着强度试验用的试验装置的示意图；
图8是表示本发明实施例的进行混凝土附着强度试验的试验结果的图表；
图9是表示本发明实施例的在内径上有螺旋状突起的拉拔模的立体图；
图10是表示在本发明中用作坯料的热轧异形棒钢的外观图；
图11是表示本发明实施例的高附着、高强度异形棒钢的头部滚轧加工形状的示意图；
图12是表示本发明实施例中使用的连续淬火和退火的装置示意图。
下面，具体地说明本发明的实施例。
本发明的高附着、高强度异形棒钢(下面将其简称为高强度异形棒钢)是用图2所示的工序制造的。即，在坯料工序，选用如图10所示的卷成螺旋形的热轧异形棒钢或线材(下在简称为热轧异形棒钢)并加以擦刷。接着在下一道脱氧化皮工序中，使其通过多轧辊矫直机等，把表面的氧化皮除去。接着，在拉拔工序，用规定的圆形拉拔模进行冷拔。然后在淬火工序，用高频感应加热装置或直接通电装置连续地加热到淬火温度，并用水冷进行骤冷淬火。此后，在退火工序，同样用高频感应加热装置或者直接通电装置连续地加热到退火温度，再进行退火骤冷。然后，在加工工序，把线材卷成线圈状，把棒材保持成直线状地按规定尺寸加工切断，并进行螺旋加工等；然后经检验工序，制成成品而输出。
在本实施例中，把牌号D10的公称直径是9.53mm的热轧异形棒钢用作坯料，它是符合JIS3112规定的具有如图10所示形状的大约成30度右旋螺旋状突起节的棒钢。表1中列出了这种热轧异形棒钢的化学成分。
                          表1化学成分    (重量％)
规格CH.No.UB32B M 34848 批号4721  C0.33     Si0.24     Mn0.72     P0.010
规格CH.No.UB32B M 34848 批号4721     S0.007     Cr0.15     Ti0.14     B0.0016
图3中表示这种棒钢的断面形状。即在图3中，棒钢的圆柱部分直径是8.85～8.90mm、加强肋的高度是0.36～0.38mm、节的高度是0.58～0.63mm。
用一个内径是9.10mm、在内径上没有突起的圆形拉拔模、以及另一个如图9所示的内径是9.20mm、在内径上有六条成18度左旋角的螺旋状突起22的圆形拉拔模22进行冷拔加工。图4表示用没有突起的拉拔模进行拉拔加工后的棒钢的断面，图5表示用有突起的拉拔模进行拉拔加工后的棒钢的断面。从与混凝土的附着性考虑，希望把上述的螺旋状突起的18度螺旋角做得大些，但螺旋角若加大，拉拔加工就困难，因此取18度角。
图4表示了用没有突起的拉拔模进行拉拔后的棒钢的断面，如图所示，棒钢的圆柱部分直径与坯料一样，没有改变，但加强肋12和节11的顶点变成是平的，加强肋12的高度是0.24～0.28mm，变成是原有高度的63～78％；节11的高度是0.25～0.30mm，变成是原有高度的40～52％。由此，提高了圆度，改善了螺旋滚轧性能等等。与热轧异形棒钢相比，由于使节的高度降低，因而减少了一些与混凝土的附着力，它的试验结果在后面描述。
图5表示了用内径上有螺旋状突起的圆形拉拔模进行冷拔加工后的棒钢断面。如图所示，由于与上述的内径是9.10mm的没有突起的拉拔模相对应，带有突起的拉拔模的内径是9.20mm，因而加强肋12和节11的尺寸都比上述用没有突起的拉拔模拉拔的大些，而且又如图所示，在外径上形成左旋18度角的宽度是1.3mm、深度是0.4mm的六角螺旋线状的沟槽13。图1表示了这种棒钢的外观。即，如图1所示的带沟槽的拉拔异形棒钢2，在它的外径上形成与上述的热轧异形棒钢的30度右旋螺旋的节的旋向相反的左旋18度的螺旋线状沟槽。借助这螺旋线状沟槽来补偿由拉拔引起的使热轧异形棒钢的节高降低所造成的与混凝土的附着力降低。
上述拉拔加工后的异形棒钢的与混凝土的附着强度试验是根据“日本混凝土工程协会的方法(草案)”进行的。试样如图6所示。图中，试样4是把作为试验材料的异形棒钢7配置在10cm立方的混凝土立方体5的中心，在它的周围配置一由直径为6mm的钢筋6卷绕成的螺旋管，该螺旋管直径是8cm节距是4cm(端部省掉0.5圈，用1.5圈过渡到水平)。此外，也有把混凝土立方体横向固牢的(把棒钢水平地设置)，混凝土的性质如下所述。
材料使用期限          28天
混凝土护养条件    14～24℃水中养护
混凝土强度        0℃、300±30 kg f/cm2
塌落度                8±2cm
试验是用30吨拉伸试验机，用图7所示的方法进行的。图中，通过球面座42、垫圈43把试样4放在拉伸试验机的固定部分的承受台41的上方，通过44把拉伸力沿箭头P的方法加到试验的异形棒钢7上。并且用度盘式指示器45测定试验的异形棒钢7的滑移量，通过放大器4b，由xy记录仪47记录滑移量与拉伸力之间的关系。
图8和表2表示这种试验的结果。图8中，纵轴表示拉伸力(KN)，横轴表示滑移量(mm)。曲线A、曲线B、曲线C和曲线D分别表示经热轧的异形棒钢的、不带沟槽的拉拔异形棒钢的、带沟槽的拉拔异形棒钢的和作为比较的9.2mm的乌尔波(带φ10沟槽的拉拔材料、乌尔波是高频热锻公司的注册商标)的拉伸力和滑移的关系曲线。表2是从图8所示的结果中，取出滑移量是0.05mm；0.1mm；0.25mm；及它们的平均值与最大附着力加以表列的。把这些结果加以摘要分析，可得到如下的结论，即，由于把热轧异形棒钢拉拔成不带沟槽，使节的高度降低，因而最大附着就从36.8KN降低到26.5KN，但比作为比较例的乌尔波的附着力大。与此相对的、拉拔成带沟槽的异形棒钢的最大附着力是34.7KN，能得到几乎与热轧异形棒钢相同程度的附着力。因此可以认为由带沟槽的拉拔所形成的新的螺旋沟槽具有补偿由拉拔使热轧异形棒钢的节高减少造成与混凝土的附着力降低的效果。
                      表2混凝土附着强度试验结果
种类     滑移量(mm)     最大附着力
0.05  0.10  0.25 平均 滑移量(mm) 最大附着力(KN)
(1)D10原先压轧的 14.7  19.2  27.5  20.5     1.54     36.8
(2)D10不带φ9.1沟槽的拉拔棒钢 16.2  17.4  19.5  17.7     1.82     26.5
(3)D10带φ9.2沟槽的拉拔棒钢 19.2  21.8  27.4  22.8     0.95     34.7
                        表2(续)混凝土附着强度试验结果
种类     滑移量(mm)     最大附着力
0.05  0.10  0.25 平均 滑移量(mm) 最大附着力(KN)
(4)乌耳波9.2mm*(带φ10沟槽的拉拔棒钢) 12.7  12.4  9.6  11.6     0.02     12.8
*比较材料：鸟尔波是高频热锻公司的注册商标
接着，用图12所示的连续淬火退火的装置30对上述经过拉拔的异形棒钢进行热处理。在图12中，上述的经过拉拔的异形棒钢的坯料W通过夹送辊31、纵段矫正辊32、横段矫正辊33、夹送辊34，被连续地送进，用淬火用的高频感应加热线圈35加热到920℃淬火温度，然后用水冷夹套36骤冷，将棒钢进行淬火。接着，用退火用的高频感应加热线圈37加热到370～380℃的退火温度之后，由水冷夹套38骤冷，然后由夹送辊39送出。
表3列出了热处理后的异形棒钢的机械性能。通过热处理能提高机械强度，如表所示，没有沟槽的异形棒钢和带沟槽的异形棒钢中的任意一种都能满足JISG 3109规格的屈服载荷、拉伸载荷、断裂伸长、断面收缩率。
                       表3热处理后的机械性能(N=5平均值)
种类 热处理条件     外径mm     实断面积mm2
淬火 退火
规格值JISG 3109
D10热压坯料 10.05 71.3
D10→9.10φ没有沟槽的拉拔棒钢 920℃ 380℃ 9.12 63.7
                    表3(续)热处理后的机械性能(N=5平均值)
种类 热处理条件     外径mm     实断面积mm2
淬火 退火
D10→9.2φ带沟槽的拉拔棒钢 920℃ 370℃ 9.22 62.5
    表3(续)热处理后的机械性能(N=5平均值)
种类     屈服载荷KN     拉伸载荷KN 断裂伸长80％
规格值JISG 3109     81.6以上(1,275N/mm2以上)     90.9以上(1,420N/mm2以上)     5以上
                       表3(续)热处理后的机械性能(N=5平均值)
种类 屈服载荷KN     拉伸载荷KN 断裂伸长80％
D10热压坯料     21.9(307N/mm2)     41.9(588N/mm2) 25.1
D10→9.10φ没有沟槽的拉拔棒钢     85.7(1374N/mm2)     93.7(1471N/mm2) 8.7
D10→9.2φ带沟槽的拉拔棒钢     87.9(1406N/mm2)     93.2(1491N/mm2) 7.6
              (    )内是实际应力
用高频热锻公司制造的RL23型滚轧机对这异形棒钢成品进行螺旋滚轧试验。结果列在表4里。能得到这样的结果，即，没有沟槽的异形棒钢和带沟槽的异形棒钢中的任意一个都能满足JISB 0221的规格值。用热轧异形棒钢坯材，由于圆度不好，不能进行螺旋滚轧，而用本实施例的成品，则能进行螺旋滚轧而不会有什么问题。
                        表4螺纹轧制试验结果(高频热锻(股份有限公司)制的滚轧机RL23)
母材外径mm 螺旋尺寸(M10 P=1.25) 头部拉伸试验结果N=5(平均值)(螺旋部强度/母材强度)
螺旋外径 有效直径
JISB 0211公制细目     9.81～9.96    8.998～9.148
D10→9.10φ没有沟槽的拉拔棒钢      9.12     9.86    9.04     86.7KN/93.7KN92.5％
D10→9.20φ带沟槽的拉拔棒钢      9.22     9.84    9.00     85.9KN/93.7KN92.2％
                        表4(续)螺纹轧制试验结果(高频热锻(股份有限公司)制的滚轧机RL23)
    母材外径mm 螺旋尺寸(M10 P=1.25) 头部拉伸试验结果N=5(平均值)(螺旋部强度/母材强度)
螺旋外径 有效直径
乌尔波*9.2φ9.14比较材料     9.83     9.04     85.9KN/93.8KN91.6％
*乌尔波是高频热锻(股份有限公司)的注册商标
接着，用高频热锻公司制造的FP11型滚轧机把这异形棒钢的头部滚轧成如11所示的形状，然后进行拉伸试验。试验的结果列在表5里。表5表示任意一个棒钢都具有规定的拉伸强度，全部在母材处发生正常的断裂。因此显示了头部成型加工也能在通常的条件下进行。
                         表5头部滚轧试验结果(高频热锻公司制造的滚轧机FP11)
母材外径dmm 头部尺寸(mm) 头部拉伸试验结果N=5(使用圆形压板)
外径D 厚度H
D10→9.10φ没有沟槽的拉拔棒钢     9.12     16.5     7.5 (1)93.7KN全部在母(2)93.8KN材处断裂(3)93.6KN(4)93.5KN(5)93.7KN
D10→9.20φ带沟槽的拉拔棒钢     9.22     16.8     7.4 (1)93.0KN全部在母(2)93.0KN材处断裂(3)93.2KN(4)93.4KN(5)93.4KN
乌尔波*9.2φ比较材料     9.14     16.7     7.5 (1)93.8KN全部在母(2)94.0KN材处断裂(3)93.9KN(4)94.2KN(5)94.1KN
*乌尔波是高频热锻公司的注册商标
在本实施例里是用JISG 3112的规格D10的异形棒钢来说明的，当然也能用这个规格的D6～51的。
如上所述，由于本发明通过拉拔加工把圆度差的热轧异形棒钢的节和加强肋毁掉，从而使圆度提高，因而改善了原有的热轧材料因圆度差，不进行螺旋下切削加工就不能进行滚轧加工的缺点，使滚轧加工容易进行；而且，由于在进行十字交叉线的焊接时，电极的接触较良好，因而使焊接容易进行，这样，改善了在现场的处理性能，提高了工作效率。此外，还改善了在用原有的热轧材料从卷材加工成直的线材时，用矫正辊进行矫正的难度，使其能被容易地处理。
最好把原先热轧材料的节的螺旋状突起的高度留下40％以上，这样还能得到比以前广泛使用的乌尔波材料更好的附着力，通过在外径上形成多条与上述节的螺旋旋向相反的螺旋线状沟槽，能更进一步地提高它的混凝土附着力。
如果把坯料的成分限定成按重量比含有C；0.1～0.6％、Si:0.15～2.0％、Mn:0.6～2.0％、Cr:0.6％以下，其余部分由铁和不可避免的杂质构成，就容易得到规格值的强度；由于提高了耐松驰值，因而提高了高强度异形棒钢的使用安全性能。
由于用本发明的制造方法在进行圆的加工时能任意地设定热轧材料上的节的高度的剩余量，因而能得到混凝土附着性良好的高强度异形棒钢。此外，由于使用在内径上具有多条与原先热轧材料的节的螺旋旋向相反的螺旋状突起的圆形拉拔模进行拉拔，因而能形成多条与原先节的螺旋旋向相反的具有任意宽度、深度的螺旋线状沟槽，也就能得到混凝土附着性更好的高强度异形棒钢。而且，通过用高频感应加热装置或直接通电装置连续地进行热处理，就能相当经济地大量生产耐松弛值和强度均相当高的、性能均匀的高强度异形棒钢。

Claims (4)

1、一种高附着、高强度的异形棒钢，其特征在于，把带节的热轧而成的混凝土用的异形棒钢或线材作为坯料，以保留热轧而成的节的断面减小率对其进行圆加工之后，进行淬火、退火热处理，使其达到抗拉强度930N/mm2以上、屈服极限785N/mm2以上，所述异形棒钢或线材通过热轧加工而在外径上具有螺旋状突起，其外径为5～50mm，其化学成分(重量比)为C:0.1～0.6％、Si:0.15～2.00％、Mn:0.6～2.00％、Cr:0.6％以下、其余为铁和不可避免的杂质。
2、根据权利要求1所述的高附着、高强度的异形棒钢，其特征在于，在进行上述的圆加工时，形成多条与上述热轧成的螺旋状突起的节的螺旋旋向相反的螺旋线状沟槽。
3、一种制造根据权利要求1或2所述的高附着、高强度异形棒钢的方法，其特征在于，把通过热轧而在外径上具有螺旋状突起的、经过节状轧制加工的混凝土用的异形棒钢或线材作为坯料，以保留上述的热轧而成的节的断面减小率对其进行拉拔之后，一边把上述的棒钢或线材连续地送进，一边用高频感应加热装置或直接通电装置把整个断面快速加热到920℃的淬火温度后，使其骤冷地进行淬火，此后，又用高频感应加热装置或直接通电装置快速加热到370℃～380℃的退火温度后，使其骤冷地进行退火。
4、一种制造根据权利要求3所述的高附着、高强度异形棒钢的方法，其特征在于，在进行上述的拉拔加工时，使用在内径上具有多条与上述节的螺旋旋向相反的螺旋状突起的圆形拉拔模，以保留上述热轧而成的节的断面减小率进行拉拔之后，进行上述热处理。
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