CN107849659B

CN107849659B - 高强度pc钢丝

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Publication number: CN107849659B
Application number: CN201680042375.1A
Authority: CN
Inventors: 小此木真; 平上大辅; 山田真人; 大岛克仁; 田中秀一
Original assignee: Nippon Steel Corp; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2015-07-21
Filing date: 2016-07-20
Publication date: 2019-09-13
Anticipated expiration: 2036-07-20
Also published as: JP2017025369A; EP3327162A1; US10808305B2; EP3327162B1; KR102090718B1; WO2017014232A1; CN107849659A; KR20180031730A; JP6416708B2; ZA201801008B; US20180216213A1; EP3327162A4

Abstract

一种高强度PC钢丝，所述钢丝的化学组成以质量％计为C:0.90～1.10％、Si:0.80～1.50％、Mn:0.30～0.70％、P:0.030％以下、S:0.030％以下、Al:0.010～0.070％、N:0.0010～0.010％、Cr:0～0.50％、V:0～0.10％、B:0～0.005％、Ni:0～1.0％、Cu:0～0.50％、以及余量：Fe和杂质，距钢丝表面0.1D[D：钢丝的线径]的部位(表层部)的维氏硬度(Hv_S)与比表层部更内侧的区域的维氏硬度(Hv_I)之比满足[1.10＜Hv_S/Hv_I≤1.15]，从钢丝表面至距钢丝表面10μm为止的区域(最表层区域)中的平均碳浓度为上述钢丝的碳浓度的0.8倍以下，比上述最表层区域更内侧的区域中的金相组织以面积％计为珠光体组织：95％以上，并且上述钢丝的拉伸强度为2000～2400MPa。该高强度PC钢丝的制造方法容易，且耐延迟断裂特性优异。

Description

高强度PC钢丝

技术领域

本发明涉及用于预应力混凝土等的PC钢丝，尤其涉及拉伸强度为2000MPa以上，且耐延迟断裂特性提高的高强度PC钢丝。

背景技术

PC钢丝主要用于土木工程和建筑结构物用预应力混凝土的张拉。以往，PC钢丝是通过对钢琴线材进行铅浴淬火处理形成珠光体组织之后，进行拉丝加工和绞线加工，在最终工序中进行时效处理而制造得到的。

近年来，为了施工成本的降低和结构物的轻量化，要求拉伸强度超过2000MPa的高强度PC钢丝。然而，随着PC钢丝的高强度化，存在耐延迟断裂特性降低的问题。

作为提高PC钢丝的耐延迟断裂特性的技术，例如，在日本特开2004-360005号公报中提出了，在钢丝表层的至少1/10d(d为钢丝半径)为止的深度的区域内，珠光体中的板状渗碳体的平均纵横比设定为30以下的高强度PC钢丝。此外，日本特开2009-280836号公报中提出了，为了使拉伸强度为2000MPa以上，将钢丝的线径设为D时，从表面至距表面0.1D为止的区域的硬度设定为比从表面至距表面0.1D为止的区域更内侧的区域的硬度的1.1倍以下的高强度PC钢丝。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004-360005号公报

专利文献2：日本特开2009-280836号公报

发明内容

发明要解决的问题

然而，日本特开2004-360005号公报记载的高强度PC钢丝的拉伸强度不满足2000MPa，因此作为用于预应力混凝土等的PC钢丝，拉伸强度不足。此外，日本特开2009-280836号公报记载的高强度PC钢丝虽然具有足够的拉伸强度，但是要使从表面至距表面0.1D为止的区域的硬度为比从表面至距表面0.1D为止的区域更内侧的区域的硬度的1.1倍以下，需要特殊的热处理。也就是说，在日本特开2009-280836号公报中，需要将线材加热至900℃～1100℃之后，保持在600～650℃的温度范围内进行部分的珠光体相变处理后，继续保持在540℃～小于600℃的温度范围内，需要通过热轧在700～950℃下终轧后，冷却至500～600℃的温度范围内，以及需要在拉丝加工后，在超过450℃且650℃以下的温度范围内保持2～30秒，继续在250～450℃下进行发蓝处理，制造方法复杂。

本发明是鉴于上述现状而完成的，其目的在于提供一种制造方法容易，且耐延迟断裂特性优异的高强度PC钢丝。

用于解决问题的方案

本发明人等为了解决上述技术问题而进行了深入研究，其结果得出了以下见解。

以往提出的高强度PC钢丝为了提高耐延迟断裂特性，关注的是从钢丝的表面至线径的1/20为止的深度的区域或者至1/10为止的深度的区域中的组织和硬度。本发明人等对拉伸强度超过2000MPa的高强度PC钢丝的硬度分布进行详细调查的结果，其硬度分布具有以钢丝的中心为对称的M字型。并且得到了如下结论，若控制从钢丝表面至距钢丝表面10μm为止的区域(以下称为最表层区域)中的金相组织，将钢丝的线径设为D时，则在距上述钢丝表面0.1D的部位(以下称为表层部)的维氏硬度与比上述表层部更内侧的区域(以下称为内部区域)的维氏硬度之比超过1.1倍的情况下，也可以得到耐延迟断裂特性优异的高强度PC钢丝。

另外，本发明人等发现为了提高PC钢丝的耐延迟断裂特性，降低最表层区域的平均碳浓度是有效的。由于延迟断裂的发生起点为表面，所以通过降低表面的平均碳浓度，在表面上断裂韧性值提高。其结果可以推定，龟裂的发生被抑制，耐延迟断裂特性提高。

然而，另一方面，PC钢丝若在表面形成平均碳浓度低的层，虽然可以提高耐延迟断裂特性，但强度不足。因此，仅在钢丝的最表层区域形成平均碳浓度降低的层，也就是说，使平均碳浓度降低的层的厚度变薄。由此，可以不使强度和扭曲等特性恶化地提高耐延迟断裂特性。

也就是说，通过将最表层区域的平均碳浓度设定为上述钢丝中的平均碳浓度的0.8倍以下，并且，将比上述最表层区域更内侧的区域中珠光体组织的面积率设定为95％以上，即使提高钢丝的强度也不会使耐延迟断裂特性恶化。

本发明是基于上述见解而完成的，其要点在于如下所示的高强度PC钢丝。

(1)一种高强度PC钢丝，所述钢丝的化学组成以质量％计为，

C：0.90～1.10％、

Si：0.80～1.50％、

Mn：0.30～0.70％、

P：0.030％以下、

S：0.030％以下、

Al：0.010～0.070％、

N：0.0010～0.010％、

Cr：0～0.50％、

V：0～0.10％、

B：0～0.005％、

Ni：0～1.0％、

Cu：0～0.50％、以及

余量：Fe和杂质，

将上述钢丝的线径设为D时，距上述钢丝表面0.1D的部位的维氏硬度与比距上述钢丝表面0.1D的部位更内侧的区域的维氏硬度之比满足下述式(i)，

从上述钢丝表面至距钢丝表面10μm为止的区域中的平均碳浓度为上述钢丝的碳浓度的0.8倍以下，

比距上述钢丝表面10μm的部位更内侧的区域中的金相组织以面积％计为珠光体组织：95％以上，并且

上述钢丝的拉伸强度为2000～2400MPa。

1.10＜Hv_S/Hv_I≤1.15 (i)

其中，上述式(i)中的各符号的含义如下。

Hv_S：距钢丝表面0.1D的部位的维氏硬度

Hv_I：比距钢丝表面0.1D的部位更内侧的区域的维氏硬度

(2)根据上述(1)记载的高强度PC钢丝，其中，上述化学组成以质量％计含有选自

Cr：0.05～0.50％、

V：0.01～0.10％、和

B：0.0001～0.005％中的1种以上。

(3)根据上述(1)或(2)记载的高强度PC钢丝，其中，上述化学组成以质量％计含有选自

Ni：0.1～1.0％、和

Cu：0.05～0.50％中的1种以上。

发明的效果

根据本发明，可以提供一种制造方法容易，且耐延迟断裂特性优异的高强度PC钢丝。

附图说明

图1是表示本实施方式的高强度PC钢丝的与长度方向垂直的截面中的硬度分布的一例的图表。

具体实施方式

以下，针对本发明进行详细说明。另外，以下的说明中，“最表层区域”是指，从钢丝表面至距钢丝表面10μm为止的区域，“表层部”是指将钢丝的线径设为D时，距上述钢丝表面0.1D的部位，“内部区域”是指比距上述钢丝表面0.1D的部位更内侧的区域。

(A)化学组成

本发明的高强度PC钢丝中，限定化学组成的理由如下。另外，以下的说明中关于含量的“％”是指“质量％”。

C：0.90～1.10％

C是为了确保钢丝的拉伸强度而含有的。如果C含量小于0.90％，则难以确保规定的拉伸强度。另一方面，如果C含量超过1.10％，则先共析渗碳体量增加，拉丝加工性恶化。因此，C含量设定为0.90～1.10％。而考虑到兼顾高强度和拉丝加工性，C含量优选为0.95％以上，另外优选为1.05％以下。

Si：0.80～1.50％

Si提高松弛特性的同时，具有通过固溶强化提高拉伸强度的效果。进一步，具有促进脱碳，从而使最表层区域的平均碳浓度降低的效果。Si含量小于0.80％时，这些效果不充分。另一方面，如果Si含量超过1.50％，则上述效果饱和的同时，热延性恶化，制造性降低。因此，Si含量设定为0.80～1.50％。Si含量优选为超过1.0％，另外优选为1.40％以下。

Mn：0.30～0.70％

Mn具有提高珠光体相变后的钢的拉伸强度的效果。Mn含量小于0.30％时，该效果不充分。另一方面，如果Mn含量超过0.70％，则效果饱和。因此，Mn含量设定为0.30～0.70％。Mn含量优选为0.40％以上，另外优选为0.60％以下。

P：0.030％以下

P作为杂质含有。P在晶界偏析使耐延迟断裂特性恶化，因此抑制为宜。因此，P含量设定为0.030％以下。P含量优选为0.015％以下。

S：0.030％以下

S与P同样作为杂质含有。S在晶界偏析使耐延迟断裂特性恶化，因此抑制为宜。因此，S含量设定为0.030％以下。S含量优选为0.015％以下。

Al：0.010～0.070％

Al作为脱氧元素起作用，与此同时，具有形成AlN使晶粒微粒化提高延性的效果，以及使固溶N降低提高耐延迟断裂特性的效果。Al含量小于0.010％时，无法得到上述效果。另一方面，如果Al含量超过0.070％，则上述效果饱和的同时，使制造性恶化。因此，Al含量设定为0.010～0.070％。Al含量优选为0.020％以上，另外优选为0.060％以下。

N：0.0010～0.0100％

N与Al或V形成氮化物，具有使晶体粒径微粒化提高延性的效果。N含量小于0.0010％时，无法得到上述效果。另一方面，如果N含量超过0.0100％，则使耐延迟断裂特性恶化。因此，N含量设定为0.0010～0.0100％。N含量优选为0.0020％以上，并且优选为0.0050％以下。

Cr：0～0.50％

Cr具有提高珠光体相变后的钢的拉伸强度的效果，因此可以根据需要含有。然而，若Cr含量超过0.50％，则不仅合金成本上升，而且容易形成本发明所不需要的马氏体组织，使拉丝加工性和耐延迟断裂特性恶化。因此，Cr含量设定为0.50％以下。Cr含量优选为0.30％以下。此外，为了充分获得上述效果，Cr含量优选为0.05％以上、更优选为0.10％以上。

V：0～0.10％

V析出碳化物VC，提高拉伸强度的同时，生成VC或VN，它们作为氢捕获点起作用，因此具有提高耐延迟断裂特性的效果。因此，可以根据需要含有。然而，若含有超过0.10％的V，则合金成本增加，因此V含量设定为0.10％以下。V含量优选为0.08％以下。此外，为了充分获得上述效果，V含量优选为0.01％以上、更优选为0.03％以上。

B：0～0.005％

B具有提高珠光体相变后的拉伸强度的效果和提高耐延迟断裂特性的效果，因此可以根据需要含有。然而，若含有超过0.005％的B，则上述效果饱和。因此，B含量设定为0.005％以下。B含量优选为0.002％以下。此外，为了充分获得上述效果，B含量优选为0.0001％以上、更优选为0.0003％以上。

Ni：0～1.0％

Ni具有抑制氢的侵入，防止耐氢脆化的效果，因此可以根据需要含有。然而，若Ni含量超过1.0％，则合金成本上升的同时，容易形成马氏体组织，使拉丝加工性和耐延迟断裂特性恶化。因此，Ni含量设定为1.0％以下。Ni含量优选为0.8％以下。此外，为了充分获得上述效果，Ni含量优选为0.1％以上、更优选为0.2％以上。

Cu：0～0.50％

Cu具有抑制氢的侵入，防止耐氢脆化的效果，因此可以根据需要含有。然而，若Cu含量超过0.50％，则阻碍热延性、制造性恶化的同时，容易形成马氏体组织，使拉丝加工性和耐延迟断裂特性恶化。因此，Cu含量设定为0.50％以下。Cu含量优选为0.30％以下。此外，为了充分获得上述效果，Cu含量优选为0.05％以上、更优选为0.10％以上。

余量：Fe和杂质

本发明的高强度PC钢丝具有含有上述元素、余量为Fe和杂质的化学组成。“杂质”是指，工业上制造钢时从作为原料的矿石、废料或从制造环境等混入的成分，在不会对本发明造成不良影响的范围内是允许的。

O在高强度PC钢丝中作为杂质含有，以Al等的氧化物形式存在。若O含量高，则形成粗大的氧化物，在拉丝加工时引起断线。因此，O含量优选抑制为0.01％以下。

(B)维氏硬度

1.10＜Hv_S/Hv_I≤1.15 (i)

本发明的高强度PC钢丝，即使表层部的维氏硬度(Hv_S)与内部区域的维氏硬度(Hv_I)之比(Hv_S/Hv_I)超过1.10，也可以提高耐延迟断裂特性。另一方面，若Hv_S/Hv_I超过1.15，则耐延迟断裂特性变差。因此，本发明的高强度PC钢丝需要满足上述式(i)。

图1是表示本实施方式的高强度PC钢丝的与长度方向垂直的截面中的硬度分布的一例的图表。如图1所示，本发明的高强度PC钢丝，其硬度分布具有以高强度PC钢丝的中心(从表面起的距离为0.5D的位置)为对称的M字型。其结果，高强度PC钢丝具有优异的耐延迟断裂特性。

其中，内部区域的维氏硬度(Hv_I)是指，从表面起的深度为0.25D的部位和0.5D的部位(中心部)的硬度的平均值。

(C)平均碳浓度

本发明的高强度PC钢丝中，最表层区域中的平均碳浓度为上述钢丝的碳浓度的0.8倍以下。其中，上述钢丝的碳浓度是指上述钢丝中包含的碳的含量。当最表层区域中的平均碳浓度设定为上述钢丝的碳浓度的0.8倍以下时，即使表层部的维氏硬度(Hv_S)与内部区域的维氏硬度(Hv_I)之比(Hv_S/Hv_I)超过1.10的情况下，也可以提高耐延迟断裂特性。最表层区域中的平均碳浓度优选为上述钢丝的碳浓度的0.7倍以下。

此外，在高强度PC钢丝中，当上述钢丝的碳浓度的0.8倍以下的区域从表面起超过10μm、即向高强度PC钢丝的中心扩大时，强度降低。因此，设定为从高强度PC钢丝表面至距钢丝表面10μm为止的区域。此外，平均碳浓度可以使用电子束显微分析仪(EPMA)进行测定。

(D)金相组织

本发明的高强度PC钢丝中，比最表层区域更内侧、即比距钢丝表面10μm的部位更内侧的区域中的珠光体组织的面积率为95％以上。如果比最表层区域更内侧的区域中的珠光体组织的面积率小于95％，则强度降低。此外，珠光体组织的面积率可以通过用光学显微镜或电子显微镜观察高强度PC钢丝来测定。

(E)拉伸强度

拉伸强度：2000～2400MPa

如果高强度PC钢丝的拉伸强度低于2000MPa，则绞线加工的PC钢绞线的强度不足，因此难以实现施工成本的降低和轻量化。另一方面，如果高强度PC钢丝的拉伸强度超过2400MPa，则耐延迟断裂特性急剧恶化。因此，高强度PC钢丝的拉伸强度设定为2000～2400MPa。

(F)制造方法

制造方法没有特别限定，例如，可以通过以下方法容易且廉价地制造本发明的高强度PC钢丝。

首先，加热具有上述组成的钢坯。加热温度优选为1170℃～1250℃。为了降低最表层区域的平均碳浓度，钢坯表面在1170℃以上的时间优选为10分钟以上。

之后，进行热轧，卷取成环状。由于在高强度PC钢丝的最表层区域中，铁素体和奥氏体区的滞留时间变长，促进脱碳而有效地降低最表层区域的平均碳浓度，因此卷取温度优选为700～850℃。

卷取后，浸渍在熔融盐槽中进行珠光体相变处理。从卷取后至600℃为止的冷却速度优选为30℃/秒以上，熔融盐槽的温度优选低于500℃。此外，为了使比最表层区域更内侧的区域中珠光体组织为95％以上，优选在低于500℃的熔融盐槽中浸渍后，在500～600℃的熔融盐槽中保持20秒以上。而为了改变熔融盐槽中的浸渍温度，使用由两个槽以上组成的熔融盐槽是有效的。从熔融盐槽浸渍开始到浸渍结束为止的总浸渍时间优选设定为50秒以上。

接着，对珠光体相变后的线材进行拉丝加工赋予强度，之后进行时效处理。拉丝加工优选以总截面收缩率65％以上进行。此外，时效处理优选在350～450℃下进行。

通过以上方法，可以制造本发明的高强度PC钢丝。

得到的钢丝的线径优选为3.0mm以上、更优选为4.0mm以上。并且，优选为8.0mm以下、更优选为7.0mm以下。

以下，通过实施例对本发明进行更具体地说明。但是，本发明并不限于这些实施例。

实施例

将具有表1所示的化学组成的钢种a～m在表2所示的条件下加热，进行热轧，卷取成环状，浸渍在热轧生产线后方的熔融盐槽中，进行铅浴淬火处理，制造线材。之后，将得到的线材拉丝加工成表2所示的线径，拉丝后加热，进行时效处理，制造试验编号1～28所示的高强度PC钢丝。然后，对这些钢丝进行以下试验。

[表1]

[表2]

拉伸强度试验依据JIS Z 2241使用9A号试验片进行。结果如表3所示。

维氏硬度试验依据JIS Z 2244进行。在计算维氏硬度的比(Hv_S/Hv_I)时，首先，表层部的维氏硬度(Hv_S)如下测定：在钢丝的与长度方向垂直的截面中以每隔45°的8个位置的角度上且从各个表面起的深度为0.1D的部位处在试验力0.98N下进行测定。然后，将得到的8个位置的测定值平均，求出Hv_S。其次，内部区域的维氏硬度(Hv_I)如下测定：在测定Hv_S的8个位置的角度上且从各个表面起的深度为0.25D的部位和0.5D的部位(中心部)总计9个位置处，在试验力0.98N下进行测定。然后，将得到的9个位置的测定值平均，求出Hv_I。计算得出的维氏硬度的比(Hv_S/Hv_I)如表3所示。

最表层区域中的平均碳浓度如下测定：在钢丝的与长度方向垂直的截面中以每隔45°的8个位置的角度上且从各个表面至距表面10μm为止的区域使用电子束显微分析仪(EPMA)进行线分析，求出平均浓度分布。

比最表层区域更内侧、即比距钢丝表面10μm的部位更内侧的区域中的金相组织的面积率如下测定：在钢丝的与长度方向垂直的截面中，对于以珠光体组织的面积率最小的位置为起点、以每隔45°的8个位置的角度上且从各个表面起的深度为0.1D的部位、0.25D的部位和0.5D的部位(中心部)共计17个位置为中心的125μm×95μm的范围，使用扫描电子显微镜(SEM)以1000倍的倍率拍摄照片，通过图像分析测定面积值。之后，将得到的17个位置的测定值平均，求出比最表层区域更内侧的区域中的金相组织的面积率。结果如表3所示。

耐延迟断裂特性通过FIP试验进行评价。具体而言，将试验编号1～28的高强度PC钢丝浸渍于50℃的20％NH₄SCN溶液中，负载断裂载荷0.8倍的载荷，评价断裂时间。此外，比液量设定为12cc/cm²。FIP试验对各高强度PC钢丝各12根进行评价，将其平均值作为延迟断裂时间示于表3。耐延迟断裂特性依赖于高强度PC钢丝的拉伸强度。因此，在试验编号1～24中，将试验编号1～12与使用相同钢种的试验编号13～24分别进行比较，将相对于另一方的延迟断裂时间、其延迟断裂时间为2倍以上且延迟断裂时间在4小时以上的钢丝判定为耐延迟断裂特性“良好”。而将不符合上述条件的钢丝判定为耐延迟断裂特性“不良”。另外，试验编号25～28的延迟断裂时间少于4小时，因此判定为耐延迟断裂特性“不良”。结果如表3所示。

[表3]

满足本发明所规定的全部要件的试验编号1～12的高强度PC钢丝与在本发明所规定的范围之外的试验编号13～24的高强度PC钢丝相比，延迟断裂时间明显更长，耐延迟断裂特性良好。

试验编号27的高强度PC钢丝使用Si含量低于本发明所规定的范围的钢种m制造得到，因此是比较例的钢丝。Si含量低于本发明所规定的范围的情况下，高强度PC钢丝的拉伸强度低于本发明所规定的范围，并且，最表层区域中的平均碳浓度也在本发明所规定的范围之外。因此，试验编号27的高强度PC钢丝的耐延迟断裂特性为不良。

此外，试验编号13～24的高强度PC钢丝，最表层区域中的平均碳浓度在本发明所规定的范围之外，因此是比较例的钢丝。因此，试验编号13～24的高强度PC钢丝的耐延迟断裂特性为不良。

试验编号25和26的高强度PC钢丝，拉伸强度超出了本发明所规定的范围，因此是比较例的钢丝。因此，试验编号25和26的高强度PC钢丝的耐延迟断裂特性为不良。

试验编号28的高强度PC钢丝，表层部的维氏硬度(Hv_S)与内部区域的维氏硬度(Hv_I)之比(Hv_S/Hv_I)不满足上述式(i)，因此是比较例的钢丝。因此，试验编号28的高强度PC钢丝的耐延迟断裂特性为不良。

产业上的可利用性

根据本发明，可以提供一种制造方法容易，且耐延迟断裂特性优异的高强度PC钢丝。因此，本发明的高强度PC钢丝可适用于预应力混凝土等。

Claims

1.一种高强度PC钢丝，所述钢丝的化学组成以质量％计为

C：0.90～1.10％、

Si：0.80～1.50％、

Mn：0.30～0.70％、

P：0.030％以下、

S：0.030％以下、

Al：0.010～0.070％、

N：0.0010～0.010％、

Cr：0～0.50％、

V：0～0.10％、

B：0～0.005％、

Ni：0～1.0％、

Cu：0～0.50％、以及

余量：Fe和杂质，

将所述钢丝的线径设为D时，距所述钢丝表面0.1D的部位的维氏硬度与比距所述钢丝表面0.1D的部位更内侧的区域的维氏硬度之比满足下述式(i)，

从所述钢丝表面至距钢丝表面10μm为止的区域中的平均碳浓度为所述钢丝的碳浓度的0.8倍以下，

比距所述钢丝表面10μm的部位更内侧的区域中的金相组织以面积％计为珠光体组织：95％以上，并且

所述钢丝的拉伸强度为2000～2400MPa，

1.10＜Hv_S/Hv_I≤1.15 (i)

其中，所述式(i)中的各符号的含义如下，

Hv_S：距钢丝表面0.1D的部位的维氏硬度

Hv_I：比距钢丝表面0.1D的部位更内侧的区域的维氏硬度。

2.根据权利要求1所述的高强度PC钢丝，其中，所述化学组成以质量％计含有选自

Cr：0.05～0.50％、

V：0.01～0.10％、和

B：0.0001～0.005％中的1种以上。

3.根据权利要求1或2所述的高强度PC钢丝，其中，所述化学组成以质量％计含有选自

Ni：0.1～1.0％、和

Cu：0.05～0.50％中的1种以上。