CN110144521A - 一种高强度高韧性桥索钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及桥索钢丝制备技术领域，尤其涉及一种高强度高韧性桥索钢及其制备方法。本发明高强度高韧性桥索钢的制备方法，包括步骤：1)盘条包括化学成分及其重量百分比为，C 0.22～0.28％、Si 1.60～1.68％、Mn 2.10～2.30％、Al 1.0～1.5％、P≤0.01％、S≤0.01％、Co 0.31～0.38％、V 0.75～0.85％，其余为Fe及不可避免的杂质；2)将热轧后的盘条在真空或保护气氛下，加热至700℃～750℃保温20～30min后拉拔，直径为14mm的盘条带温拉拔至直径12.3mm；3)第一次拉拔结束后水冷至360℃～460℃并保温40～50min后进行空冷带温拉拔，直径为12.3mm的盘条带温拉拔至直径6.9mm。本发明得到的高强度高韧性桥索钢抗拉强度达到2400MPa以上，同时能满足扭转20次以上。

Description

一种高强度高韧性桥索钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及桥索钢丝制备技术领域，尤其涉及一种高强度高韧性桥索钢及其制备方法。
背景技术
桥索钢丝是现代桥梁(斜拉索桥、悬索桥)的安全承重件，由高碳钢盘条经冷拔、热镀锌而成。从上世纪90年代至今，桥索钢丝强度不断提升，逐渐由1670MPa、1770MPa向1860MPa、1960MPa发展，高强度意味着更大的桥梁跨度(满足跨江、跨海需求，减少对生态、通航的影响)、更高的安全性(降低桥梁自重)和更低的投资成本(减少用钢量)，是衡量桥梁建造水平的关键性指标。数据显示，作为现代桥梁的“生命线”的缆索钢丝，其强度每提高10％，则缆索相应减重下降10％以上。材料强度的提高能增强主缆的跨越能力，在跨越距离一定时则能减小缆索体系的材料用量或者提高主缆的安全系数：规划中的意大利墨西拿海峡大桥为主跨3300m的双塔悬索桥，采用1860MPa镀锌钢丝主缆后，主缆总重约166500吨，相比1770MPa镀锌钢丝主缆，降低近10000吨。因此，随着桥梁跨径的越来越大以及对桥梁建设要求的提高，缆索向更高强度发展的趋势是必然的。
当前，桥梁缆索用钢丝全部都是由过共析盘条经拉拔和镀锌而成，不同强度等级的缆索钢丝对应不同牌号的热轧盘条，如82B(碳含量0.82％)对应钢丝强度1770MPa，87Mn(碳含量0.87％)对应钢丝强度1860MPa，97Si(碳含量0.97％)对应钢丝强度2000MPa。而随着强度的提升，碳含量增加，偏析、组织等控制愈加困难，冶炼、轧制工艺窗口狭窄；同时，随着碳含量的增加，钢丝强度增加，脆性增大，显著降低了钢丝韧性和安全性。如申请公布号CN102936688A的专利发明专利涉及一种抗拉强度≥2000MPa的桥梁缆索用线材及生产方法，该专利钢丝实际强度均小于2100MPa，且C含量高达0.95～1.2％，N0.01～0.03％。高含量的C、N确保了钢丝强度，但生产难度大且若生产控制不当，往往伴随着扭转值的大幅度波动，不利于钢丝品质的控制和桥梁安全。又如申请公布号CN103397273A的中国发明专利申请文件公开了一种无碳化物贝氏体钢、采用该钢体的齿板及其制备方法，该申请文件中添加了大量Ni及Cr、Ti等贵重合金且钢材抗拉强度只达到1500MPa级，适用于钢体的齿板，制成钢丝强度不会超过2000MPa。
随着2000MPa级镀锌钢丝的工程化应用，以及桥梁建造环境的日益苛刻(易于建造桥梁的位置逐渐减少)，更高等级(超高强度以及高韧性)桥索用钢的研发日益迫切。目前，桥索钢的超高强度可以通过增加碳含量来较容易地实现，但是在保证桥索钢的超高强度的前提下同时满足较好的韧性是当前急需解决的难题。
发明内容
为了解决以上问题，本发明的目的是提供一种高强度高韧性桥索钢及其制备方法，其抗拉强度达到2400MPa以上，同时能满足扭转20次以上。
为实现上述目的，本发明所设计的高强度高韧性桥索钢，所述高强度高韧性桥索钢包括化学成分及其重量百分比为，C：0.22～0.28％、Si：1.60～1.68％、Mn：2.10～2.30％、Al：1.0～1.5％、P≤0.01％、S≤0.01％、Co：0.31～0.38％、V：0.75～0.85％，其余为Fe及不可避免的杂质。
C：碳是钢中最重要的组成元素，对桥索钢的强度和塑性影响最为显著，随着碳含量的增加，拉拔后强度不断提高，而塑性急剧降低。桥索钢丝不仅对强度有较高的要求，还对衡量材料综合韧性的扭转值要求苛刻。而降低的碳含量，能显著提升扭转值，因此为平衡两者的要求，本发明与现有技术不同，创新性采用了中低碳的成分体系，改变了传统桥索钢主要依赖碳含量提高强度的现状。本发明碳含量为0.22～0.28wt％。
Si：硅是钢中强化元素并能够抑制碳化物的形成，促进无碳化物贝氏体的形成，但过量的硅将增加钢的脆性并恶化钢丝热镀锌效果。本发明Si含量控制在1.60～1.68wt％。
Mn：适量的锰可以提高强度和淬透性，可获得尺寸细小的板条贝氏体；另外，锰与硫结合生成MnS，进而减轻硫的危害，但过高的锰会增加钢材的过热敏感性，使热处理时晶粒容易长大。本发明Mn含量控制在2.10～2.30wt％。
Al：本发明中铝的作用主要是抑制碳化物的形成，促进无碳化物贝氏体的形成，是成分体系中的关键元素，可以显著缩短贝氏体相变时间，将常规需要几个小时乃至几天的相变过程缩短至满足工业生产的要求，但过高的铝对会造成冶炼连铸困难。本发明Al：1.0～1.5wt％。
P、S：磷和硫在本钢种属于有害元素，磷容易产生冷脆，硫容易产生热脆，进而恶化钢丝拉拔和热处理加工条件，因此需要尽量降低其含量。本发明P≤0.01wt％、S≤0.01wt％。
Co：钴的作用与Al类似，主要是起到加快相变进程，促进无碳化物贝氏体组织的形成，但钴属于贵重稀有金属，因此综合考虑本发明Co：0.31～0.38wt％。
V：钒对无碳化物贝氏体相变具有促进作用，并且在热轧动态再结晶过程能显著细化晶粒，但过量的钒会造成VCN颗粒粗大，失去细化晶粒作用并对钢材性能有害。本发明V：0.75～0.85wt％。
作为优选方案，所述高强度高韧性桥索钢包括化学成分及其重量百分比为，C：0.22～0.25％、Si：1.60～1.68％、Mn：2.15～2.30％、Al：1.1～1.5％、P≤0.01％、S≤0.01％、Co：0.32～0.38％、V：0.75～0.85％，其余为Fe及不可避免的杂质。
作为优选方案，所述高强度高韧性桥索钢包括化学成分及其重量百分比为，C：0.23～0.25％、Si：1.60～1.65％、Mn：2.15～2.20％、Al：1.1～1.2％、P≤0.01％、S≤0.01％、Co：0.32～0.33％、V：0.75～0.77％，其余为Fe及不可避免的杂质。
一种高强度高韧性桥索钢的制备方法，包括步骤：
(1)冶炼、连铸成坯后热轧得到盘条：所述盘条包括化学成分及其重量百分比为，C：0.22～0.28％、Si：1.60～1.68％、Mn：2.10～2.30％、Al：1.0～1.5％、P≤0.01％、S≤0.01％、Co：0.31～0.38％、V：0.75～0.85％，其余为Fe及不可避免的杂质；
(2)第一次拉拔：将热轧后的盘条在真空或保护气氛下，以10℃～15℃/s的加热速度加热至700℃～750℃并保温20～30min后拉拔，直径为14mm的盘条带温拉拔至直径12.3mm；
(3)第二次拉拔：第一次拉拔结束后水冷至360℃～460℃并保温40～50min后进行空冷带温拉拔，直径为12.3mm的盘条带温拉拔至直径6.9mm；
(4)镀锌、稳定化处理：将第二次拉拔后的盘条镀锌、稳定化处理得到高强度高韧性桥索钢。
与传统桥索钢主要通过高碳含量提高强度的制备工艺相比，本发明采用低碳的成分体系，钢中碳、硅、锰、铝、钴、钒成分共同促进无碳化物贝氏体组织的形成，而且配合两次高温拉拔工艺得到无碳化物贝氏体组织的桥索钢，无碳化物贝氏体组织由细长的贝氏体铁素体和薄膜状富碳的残余奥氏体交替组成，无碳化物贝氏体组织中的铁素体与母相半共格关系，过饱和度，低温转变带来的细晶组织、以及铁素体内部的微细结构和高密度位错共同决定了钢的高强度，而残奥属于面心立方结构，其滑移系多，能缓解应力集中，属于软相，显著提高了无碳化物贝氏体钢的韧性。
实现本发明较好的技术方案为：
高强度高韧性桥索钢的制备方法，包括步骤：
(1)冶炼、连铸成坯后热轧得到盘条：所述盘条包括化学成分及其重量百分比为，C：0.22～0.25％、Si：1.60～1.68％、Mn：2.15～2.30％、Al：1.1～1.5％、P≤0.01％、S≤0.01％、Co：0.32～0.38％、V：0.75～0.85％，其余为Fe及不可避免的杂质。
(2)第一次拉拔：将热轧后的盘条在真空或保护气氛下，以12℃～15℃/s的加热速度加热至720℃～750℃并保温20～30min后拉拔，直径为14mm的盘条带温拉拔至直径12.3mm；
(3)第二次拉拔：第一次拉拔结束后水冷至380℃～460℃并保温40～50min后进行空冷带温拉拔，直径为12.3mm的盘条带温拉拔至直径6.9mm；
(4)镀锌、稳定化处理：将第二次拉拔后的盘条镀锌、稳定化处理得到高强度高韧性桥索钢。
实现本发明更好的技术方案为：
高强度高韧性桥索钢的制备方法，包括步骤：
(1)冶炼、连铸成坯后热轧得到盘条：所述盘条包括化学成分及其重量百分比为，C：0.23～0.25％、Si：1.60～1.65％、Mn：2.15～2.20％、Al：1.1～1.2％、P≤0.01％、S≤0.01％、Co：0.32～0.33％、V：0.75～0.77％，其余为Fe及不可避免的杂质；
(2)第一次拉拔：将热轧后的盘条在真空或保护气氛下，以12℃～15℃/s的加热速度加热至720℃～750℃并保温22～30min后拉拔，直径为14mm的盘条带温拉拔至直径12.3mm；
(3)第二次拉拔：第一次拉拔结束后水冷至380℃～460℃并保温40～45min后进行空冷带温拉拔，直径为12.3mm的盘条带温拉拔至直径6.9mm；
(4)镀锌、稳定化处理：将第二次拉拔后的盘条镀锌、稳定化处理得到高强度高韧性桥索钢。
作为优选方案，所述高强度高韧性桥索钢的金相微观组织为无碳化物贝氏体。
作为优选方案，所述高强度高韧性桥索钢的抗拉强度≥2400Mpa，所述扭转次数≥20次。
附图说明
图1为实施例1得到的高强度高韧性桥索钢的金相微观组织图；
图中α表示贝氏体铁素体，γ表示残余奥氏体。
具体实施方式
为更好地理解本发明，以下将结合附图和具体实例对发明进行详细的说明。
为解决现有超高强度桥索钢的韧性差的问题，本发明提供一种高强度高韧性桥索钢的制备方法，其对高强度高韧性桥索钢的化学成分及其重量百分比进行改进，并且配合两次高温拉拔工艺得到微观组织为无碳化物贝氏体的桥索钢，无碳化物贝氏体作为软相的残奥能在应力作用下，发生TRIP效应生产马氏体减少裂纹的产生(无碳化物贝氏体微观组织通过相变可实现微裂纹的自我修复)，实现钢丝超高强度的同时提高了桥索钢的韧性。以下将通过具体的实施例来对本发明的高强度高韧性桥索钢的制备方法的优选方式进行详细地说明。
实施例1～10
以下实施例中的高强度高韧性桥索钢按如下步骤制造而成：
实施例1～10中高强度高韧性桥索钢的化学成分及其重量百分比以及拉拔工艺参数见下表1和表2：
表1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
C 0.25 0.23 0.22 0.25 0.26 0.28 0.22 0.25 0.22 0.26
Si 1.65 1.60 1.65 1.68 1.64 1.68 1.65 1.68 1.63 1.65
Mn 2.20 2.15 2.16 2.30 2.2 2.3 2.1 2.2 2.15 2.25
Al 1.1 1.2 1.3 1.5 1.3 1.5 1.0 1.3 1.0 1.3
P 0.006 0.007 0.006 0.009 0.007 0.01 0.004 0.004 0.005 0.003
S 0.008 0007 0.008 0.01 0.01 0.005 0.003 0.002 0.004 0.006
C<sub>O</sub> 0.32 0.33 0.34 0.38 0.35 0.38 0.31 0.35 0.34 0.38
V 0.77 0.75 0.77 0.85 0.79 0.85 0.80 0.85 0.77 0.83
表2
实施例1～10得到的高强度高韧性桥索钢的力学性能见表3：
表3
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
抗拉强度MPa 2480 2475 2450 2445 2410 2460 2410 2425 2415 2420
扭转次数 23 23 22 22 20 20 21 20 21 21
无碳化物贝氏体组织是由贝氏体铁素体和残余奥氏体组成，如图1所示，其中贝氏体铁素体由于含有过饱和的碳，可提高钢的硬度，而残余奥氏体则具有良好的韧性，两者相互作用决定了无碳化贝氏体钢具有极高的强度和良好的韧性。
实施例1得到的高强度高韧性桥索钢的金相微观组织为无碳化物贝氏体。无碳化物贝氏体作为软相的残奥能在应力作用下，发生TRIP效应生产马氏体减少裂纹的产生(无碳化物贝氏体微观组织通过相变可实现微裂纹的自我修复)，实现钢丝超高强度的同时提高了桥索钢的韧性。从表3可以看出，本发明得到的高强度高韧性桥索钢的抗拉强度均在2400MPa以上，而且满足扭转20次以上。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种高强度高韧性桥索钢，其特征在于，所述高强度高韧性桥索钢包括化学成分及其重量百分比为，C：0.22～0.28％、Si：1.60～1.68％、Mn：2.10～2.30％、Al：1.0～1.5％、P≤0.01％、S≤0.01％、Co：0.31～0.38％、V：0.75～0.85％，其余为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高强度高韧性桥索钢，其特征在于，所述高强度高韧性桥索钢包括化学成分及其重量百分比为，C：0.22～0.25％、Si：1.60～1.68％、Mn：2.15～2.30％、Al：1.1～1.5％、P≤0.01％、S≤0.01％、Co：0.32～0.38％、V：0.75～0.85％，其余为Fe及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的高强度高韧性桥索钢，其特征在于，所述高强度高韧性桥索钢包括化学成分及其重量百分比为，C：0.23～0.25％、Si：1.60～1.65％、Mn：2.15～2.20％、Al：1.1～1.2％、P≤0.01％、S≤0.01％、Co：0.32～0.33％、V：0.75～0.77％，其余为Fe及不可避免的杂质。
4.一种高强度高韧性桥索钢的制备方法，其特征在于，包括步骤：
(1)冶炼、连铸成坯后热轧得到盘条：所述盘条包括化学成分及其重量百分比为，C：0.22～0.28％、Si：1.60～1.68％、Mn：2.10～2.30％、Al：1.0～1.5％、P≤0.01％、S≤0.01％、Co：0.31～0.38％、V：0.75～0.85％，其余为Fe及不可避免的杂质；
(2)第一次拉拔：将热轧后的盘条在真空或保护气氛下，以10℃～15℃/s的加热速度加热至700℃～750℃并保温20～30min后拉拔，直径为14mm的盘条带温拉拔至直径12.3mm；
(3)第二次拉拔：第一次拉拔结束后水冷至360℃～460℃并保温40～50min后进行空冷带温拉拔，直径为12.3mm的盘条带温拉拔至直径6.9mm；
(4)镀锌、稳定化处理：将第二次拉拔后的盘条镀锌、稳定化处理得到高强度高韧性桥索钢。
5.根据权利要求4所述的高强度高韧性桥索钢的制备方法，其特征在于，包括步骤：
(1)冶炼、连铸成坯后热轧得到盘条：所述盘条包括化学成分及其重量百分比为，C：0.22～0.25％、Si：1.60～1.68％、Mn：2.15～2.30％、Al：1.1～1.5％、P≤0.01％、S≤0.01％、Co：0.32～0.38％、V：0.75～0.85％，其余为Fe及不可避免的杂质；
(2)第一次拉拔：将热轧后的盘条在真空或保护气氛下，以12℃～15℃/s的加热速度加热至720℃～750℃并保温20～30min后拉拔，直径为14mm的盘条带温拉拔至直径12.3mm；
(3)第二次拉拔：第一次拉拔结束后水冷至380℃～460℃并保温40～50min后进行空冷带温拉拔，直径为12.3mm的盘条带温拉拔至直径6.9mm；
(4)镀锌、稳定化处理：将第二次拉拔后的盘条镀锌、稳定化处理得到高强度高韧性桥索钢。
6.根据权利要求4所述的高强度高韧性桥索钢的制备方法，其特征在于，包括步骤：
(1)冶炼、连铸成坯后热轧得到盘条：所述盘条包括化学成分及其重量百分比为，C：0.23～0.25％、Si：1.60～1.65％、Mn：2.15～2.20％、Al：1.1～1.2％、P≤0.01％、S≤0.01％、Co：0.32～0.33％、V：0.75～0.77％，其余为Fe及不可避免的杂质；
(2)第一次拉拔：将热轧后的盘条在真空或保护气氛下，以12℃～15℃/s的加热速度加热至720℃～750℃并保温22～30min后拉拔，直径为14mm的盘条带温拉拔至直径12.3mm；
(3)第二次拉拔：第一次拉拔结束后水冷至380℃～460℃并保温40～45min后进行空冷带温拉拔，直径为12.3mm的盘条带温拉拔至直径6.9mm；
(4)镀锌、稳定化处理：将第二次拉拔后的盘条镀锌、稳定化处理得到高强度高韧性桥索钢。
7.根据权利要求4～6中任一项所述高强度高韧性桥索钢的制备方法，其特征在于，所述高强度高韧性桥索钢的金相微观组织为无碳化物贝氏体。
8.根据权利要求4～6中任一项所述高强度高韧性桥索钢的制备方法，其特征在于，所述高强度高韧性桥索钢的抗拉强度≥2400Mpa，所述扭转次数≥20次。
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