CN1121535A - 用于预应力混凝土的高强、高焊接性的钢筋和钢丝 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有较好焊接性能的高强钢丝或钢筋，其高温松弛有改善，因而韧性提高。它含有0.3％～2.0％的硅、0.08％～0.35％的钼，和预定数量的碳和锰。如果需要，还可含有钛和硼。尤其是，以Si+4Mo结合的硅和钼不低于1％。在热处理时，钢筋或钢丝在20秒内被加热，以形成晶粒度数为9.0或更大的细的奥氏体显微结构。优选地，当钢筋或钢丝被加热至回火温度时，向它施加负载使其弯曲应变不超过3％，然后快速冷却。

Description

用于预应力混凝土的高强、高焊接 性的钢筋和钢丝
本发明涉及用于预应力混凝土的钢筋和钢丝，它们具有改进的力学性能，强度、焊接性提高，高温松驰减小。
一般都要求用于预应力混凝土的钢筋和钢丝(下文中简称PC钢筋)具有高的抗拉强度以保证有效预应力。根据JIS的要求，高品质的PC钢筋应具有高达1420N/mm2的抗拉强度。通常，为了高效地制造混凝土桩和混凝土柱，将埋有PC钢筋的原料混凝土通过蒸汽高压养护工艺加热至高于100℃，以提高其力学强度。但是，加热温度越高，降低PC钢筋对混凝土的预应力作用的松驰越加速。因此，要求PC钢筋在高温条件下的应力松驰尽量小。此外，要求PC钢筋具有高的均匀的延伸率，这是对于给定韧性的一个基本因素。
在某些应用中，焊接性对PC钢筋也是必须的。例如，将许多平行放置的PC钢筋捆绑一起，并点焊到螺旋钢丝上形成钢架结构，该结构用于混凝土桩或混凝土柱的增强。这种焊接性应该足够高，以使得可用常规的点焊技术将钢筋焊在螺旋钢丝上。
众所周知，PC钢筋是通过合适的热处理(包括淬火和回火)而制成的，以赋予它需要的性能或更具体地说，具有硬度和韧性的良好的统一。在热处理时，热轧过的原料钢筋或钢丝被冷拨至一定长度，表面压纹使其易于与混凝土结合，再经淬火和回火处理。通常，在钢筋或钢丝连续运动时，它们按照要求被反复加热和冷却。
为了减小在高于100℃温度下的松驰，将常规PC钢筋的硅含量由0.2～0.3％(重量，以下均为重量比)提高到0.5～2.0％，或最高可达2.3％，这在日本专利公报62—49334(1987)中有公开。此外，这项公开试图在快速冷却之前，通过将PC钢筋加热到一个回火温度并同时施加最小应变来达到降低高温松驰并不损失均匀延伸率的效果。
但是，这种高硅PC钢筋的电阻变大，导致点焊的焊接强度降低(除非焊接电压增大50％)。因为在现场使用具有不同硅含量的各种PC钢筋来制造钢架，需要频繁地调节电压，因此焊接过程花费较长时间。为此，本发明的申请人通过使用钼已经开发并引入了改进的焊接性能，这在日本专利公报3—151445和3—285045(1991)中有叙述。应该了解，钼在市场上只有以高的价格才能获得。因此，本发明的一个目的是提供一种钼含量较少的高强PC钢筋，这种钢筋焊接性增强，力学性能得以改进。
本发明的目的是提供一种高强PC钢筋，其抗拉强度高达1420N/mm2，高温松驰作用减小，韧性提高，而不损失焊接性能。更具体地说，根据本发明的用于预应力混凝土的高强、高焊接性的钢筋的特征在于，它含有0.15％～0.40％的碳、0.3～2.0％的硅、0.4％～1.6％的锰和0.08～0.35％的钼(均以重量计)，以Si＋4Mo结合的硅和钼不少于1.0％(重量)，余量为铁及固有杂质，这种钢筋具有奥氏体晶粒度数大于或等于9.0的细的显微结构。优选地，这种PC钢筋还含有0.01～0.05％的钛和0.0005％～0.005％的硼，均以重量计。
一种生产根据本发明的上述PC钢筋的方法，包括：将原料钢筋在20秒内加热到850℃～1050℃，该原料钢筋含有0.15％～0.40％的碳、0.3～2.0％的硅、0.4％～1.6％的锰和0.08～0.35％的钼(均以重量计)，以Si＋4Mo结合的硅和钼不少于1.0％(重量)，余量为铁及固有杂质，将其快速淬火；在25秒内将其加热到一回火温度，并快速冷却，以便形成奥氏体晶粒度数大于或等于9.0的细的显微结构。优选地，在加热至回火温度后，可向PC钢筋施加不超过3％的弯曲应变的负载，然后快速地冷却。
图1是表示硅和钼的含量与高温松弛的关系曲线图。
图2是表示硅和钼的含量与焊接电流和焊接强度的关系曲线图。
图3是根据本发明的PC钢筋的先有奥氏体显微结构照片。
根据本发明，提供一种含适量钼以降低硅含量对焊接性的不利影响的PC钢筋，而硅含量是降低高温松弛所必须的，使得这些钢筋在不提高焊接电压前提下可可靠地焊接。为获得最佳效果，应仔细确定含量中的钼/硅比，由于钼的作用(它导致碳化物析出)形成奥氏体晶粒度数9.0或更高的细的显微结构。结果，本发明的PC钢筋尽管含有最少量的昂贵的钼，却在强度和韧性上都有增加。
本发明的发明人通过一系列的实验，进行并检验了向用常规的冷拨、淬火和回火工序制得的PC钢筋中添加主要元素。图1表示了一些具有不同硅含量和钼含量的PC钢筋(它们含有或不含钛和硼)在180℃下的高温松弛的结果，其中A、B、C和D分别代表钼含量为0、0.1％、0.2％和0.3％的PC钢筋，空白和实心的符号分别表示含有或不含钛和硼的情形。显然可以看出，尽管硅的存在有利于降低高温松弛，但超过1.5％时其效果趋于饱和。还可以看出钼对降低高温松弛是有利的。但是，钛和硼的存在对控制高温松弛几乎没有效果。
本发明的发明人进行了一个检验PC钢筋和螺旋钢丝的点焊处的焊接强度的试验。更具体地说，用常规电点焊工艺在1.45V焊接电压下将每一直径9.2mm的试验PC钢筋焊在直径3.2mm的螺旋钢丝上，钢筋和钢丝之间的电导率通过电流来测量。然后，利用符合JISG3551的“Welded steel net”要求的剪切强度试验进行焊点的力学强度检测。
结果列于图2，当PC钢筋不含钼且硅含量小于1％时，其焊点的电导率降低，因此物理强度降低。当硅含量高于1.5％时，含钼PC钢筋的电导率和强度将不改变或降低较少。此外，在这种情况下，钛和硼的存在具有某些效果。
从上述实验结果来看，本发明是为直接获得需要的PC钢筋。下面将介绍PC钢筋的化学组成。
优选地，PC钢筋含0.15—0.40％的碳，因为若碳含量低于0.15％，则其强度将低至不利的水平。若碳含量高于0.40％，其韧性和焊接性能都将下降。
硅含量为0.3—2.0％。如果低于0.3％，即使加有钼，也难以降低其高温松弛。如果硅含量高于2.0％，高温松弛将饱和，但韧性和焊接性能降低。
该PC钢筋含0.4—1.6％的锰。锰的存在使硬化工艺容易进行，并对均匀延伸率和韧性的提高有作用。如果其含量低于0.4％，这种优点将失去。如果其含量高于1.6％，在淬火后仍将存在不可忽略的奥氏体，因此会降低其力学强度。由此，0.4～1.6％的范围是最佳的。
钼含量为0.08～0.35％，钼与硅结合一起可抑制PC钢筋的高温松弛，即使硅含量增加，它也可保持焊接性能。此外，它还提高了硬化效果，并且有助于细晶粒显微结构的形成，因此增加了力学强度和韧性。若钼含量低于0.08％，上述优点将减小，若高于0.35％，则有利的效果将饱和，而费用则会上升。
详细地说，需保持以Si＋4Mo形式结合的硅和钼不低于1.0％。为将高温松弛限制在一个给定值，Si＋4Mo最好不小于1.0％，更好为1.4％或更高。实验发现，当上述硅和钼的结合得到满足并分别保持其预定数值时，可获得性能优越的PC钢筋。
此外，为增强焊接性能，可以加入钛和硼。钛含量低于0.01％时不太有效，当它超过0.05％时将有损于改善。当硼含量低于0.0005％时不太有效，而超过0.005％时其效果基本不变。过多的硼会使钢筋在热轧时产生裂缝或断裂。
本发明的PC钢筋具有晶粒度数为9.0或更大的细的奥氏体晶粒。晶粒度数在JISG0551中有定义，每平方毫米中的晶粒数n用n＝2N＋3表示，而晶粒度数为N。图3是表明本发明的PC钢筋的奥氏体相的显微照片，它具有晶粒度数为10.6的细的显微结构。通过本发明的淬火前热处理可得到图3的奥氏体结构。通过淬火，奥氏体相转变为晶粒更细的马氏体相，因此PC钢筋的强度和韧性比晶粒度数小于9.0的常规钢筋要高。
本发明的PC钢筋是这样来生产的：将原料钢冷拨至期望的直径，如果需要可在其表面压纹，使其易于与混凝土结合，淬火并回火。淬火时，在20秒内将PC钢筋升温至850—1050℃。这个快速加热过程保留了许多由冷拨产生的奥氏体晶粒的晶核，因而形成了晶粒度数为9.0或更大的细的奥氏体显微结构。可以通过高频感应加热或直接电阻加热来进行快速升温。如果加热至奥氏体化温度所用时间超过20秒，产生的少量晶核在升温时会长成大晶粒，因此不能获得期望的细的显微结构。
在淬火温度时的保温时间应尽可能地短，但要能够形成均匀的奥氏体结构。尽管本发明的原料含有Mo的碳化物析出物，可以抑制奥氏体晶粒的生长，但保温时间最好在20秒以内。保温后的淬火速度应不低于100℃/秒，以形成完整的马氏体结构。
然后进行回火，尽可能在25秒内升温至回火温度以形成均匀回火的马氏体结构。通常在400—500℃范围内确定回火温度以达到预定的抗拉强度，例如1420N/mm2。在升温至回火温度后，在该温度下保温一段时间，例如10秒，再较快地将钢筋冷却，以防止由于结构变粗引起强度下降。
作为本发明的一个更加优选的方法，在加热至回火温度过程中向钢筋施加小于3％的弯曲应变，这将进一步地降低高温松弛。弯曲应变的施加可以通过一排重复的弯曲辊来实现，这些弯曲辊与矫直机的辊相似，并布置在用来加热连续供来的钢筋的加热装置(例如感应加热器)之后。由于弯曲应变材料中形成的位错相互缠结，并且在缠结析出物如碳化物和氮化物等的作用下位错被限制了运动，这降低了高温松弛。
弯曲应变小于或等于3％，更优选地，小于或等于2％。如果应变过高，将降低韧性和均匀延伸率。如果在施加弯曲应变之后，钢筋在回火温度保温时间过长，产生的位错将消失，因此失去其优越的性能。因此，不久以后，例如10秒内就应实施强制冷却。实施例
将有表1所示不同化学组成的热轧钢冷拨至直径9.2mm的钢筋。用感应加热在7秒内将钢筋加热至950℃，在用水淬火之前在该温度下保温6秒钟。将一组钢筋在5秒钟内加热至回火温度，在该温度下保温10秒，再用水冷却。另一组钢筋被加热至同样的回火温度，加压使其产生0.9％的弯曲应变，加压后在该温度下保持5秒，再用水冷却。另一组钢筋在25秒钟中被加热至与前面各组相同的温度950℃。根据组成来改变回火温度，使得得到的PC钢筋抗拉强度大于1420N/mm2。
                                    表1
 No.     化学组成(％)
    C     Sl     Mn     P     S     Mo     Ti  B    Si＋4Mo
本发明     1     0.31     0.51     0.90     0.011     0.010     0.27     0.02  0.0016     1.59
    2     0.28     0.82     0.62     0.015     0.008     0.24     0.02  0.0019     1.78
    3     0.32     1.01     0.82     0.009     0.008     0.20     0.02  0.0018     1.81
    4     0.29     1.53     0.98     0.012     0.011     0.12     0.02  0.0018     2.01
    5     0.33     1.82     0.70     0.011     0.009     0.11     0.02  0.0020     2.26
    6     0.30     0.35     1.20     0.016     0.010     0.31     0.02  0.0017     1.59
    7     0.34     0.82     1.10     0.010     0.008     0.25     -  -     1.82
    8     0.30     1.00     0.80     0.008     0.012     0.22     -  -     1.88
    9     0.29     1.72     0.85     0.009     0.009     0.18     -  -     2.44
对比例     10     0.32     0.25     0.92     0.010     0.011     0.18     0.02  0.0022     0.97
    11     0.28     0.50     0.80     0.012     0.008     0.12     0.02  0.0020     0.98
    12     0.30     0.83     0.76     0.009     0.012     -     0.02  0.0018     0.83
    13     0.27     1.05     0.84     0.014     0.011     -     0.02  0.0017     1.05
    14     0.31     2.03     0.82     0.010     0.009     -     0.02  0.0021     2.03
进行一系列实验来检验奥氏体晶粒尺寸，力学性能，应力松弛和焊接强度，结果列于表2和表3。显然，本发明的PC钢筋的力学性能与常规PC钢筋的相当，甚至更高。尤其是，晶粒度数大于或等于9.0的本发明PC钢筋的均匀延伸率高，其它性能也很优越。
松驰试验在两个不同温度下进行，即在室温和180℃下进行，以检测施加1020N/mm2的起始应力(预定屈服应力1275N/mm2的80％)时，在恒定夹距时应力的降低。为了检测高温松弛，将测试条在4小时内加热至180℃，再于该温度下保温3小时，然后逐渐冷却。在施加起始应力23小时以后进行测量。可以看出，在以Si＋4Mo结合的硅和钼含量大于1.0％的PC钢筋上获得了最好的结果。还可以看出，在相同含量的材料中，在回火时施加小的弯曲应变可以降低高温松弛。
                          表2
 No.           条件* 晶粒尺寸数 屈服应力(N/mm2) 抗拉强度(N/mm2) 均匀延伸率(％) 断裂后的延伸率(％)
材料 快速加热 弯曲应变
本发明  1A 1     Y     Y     10.1   1451     1479     3.6     10.9
 1B     Y     N     10.1   1452     1478     3.6     11.1
 2A     2     Y     Y     10.3   1442     1475     3.5     10.9
 3A 3     Y     Y     10.4   1439     1466     3.7     10.8
 3B     Y     N     10.4   1453     1474     3.5     10.6
 4A     4     Y     Y     10.6   1452     1476     3.8     10.8
 5A 5     Y     Y     10.7   1449     1463     3.5     10.8
 5B     Y     N     10.7   1452     1482     3.6     11.0
 6A     6     Y     Y     10.2   1440     1473     3.7     11.2
 7A     7     Y     Y     10.5   1445     1479     3.5     10.7
 8A     8     Y     Y     10.3   1450     1481     3.6     10.7
 9A     9     Y     Y     10.4   1444     1478     3.5     10.8
对比例 1C 1 N Y 8.6 1450 1468 3.1 9.9
 3C     3     N     Y     8.5   1453     1464     2.9     10.2
 5C     5     N     Y     8.7   1455     1470     3.0     10.1
 10A     10     Y     Y     10.4   1448     1482     3.4     10.8
11A     11 Y Y 10.4 1450 1478 3.5 10.6
 11B     Y     N     10.4   1439     1473     3.4     10.9
 11C     N     Y     8.6   1457     1475     2.9     10.0
12A 12 Y Y 9.9 1445 1472 3.3 10.3
13A 13 Y Y 10.0 1447 1470 3.4 10.7
 14A     14     Y     Y     9.7   1445     1468     3.3     10.4
*Y：是N：否
                                  表3
No. 应力松弛(％) 焊接性剪切强度(kg)
室温 高温
本发明  1A     0.34     7.3     151
 1B     0.33     12.3     150
 2A     0.41     7.4     153
 3A     0.38     6.5     150
 3B     0.33     11.0     148
 4A     0.39     6.4     142
 5A     0.30     6.9     141
 5B     0.35     11.8     143
 6A     0.31     8.0     155
 7A     0.38     7.6     150
 8A     0.37     6.4     155
 9A     0.34     7.0     148
对比例  1C     0.35     8.5     147
 3C     0.36     8.1     142
 5C     0.36     8.2     140
 10A     0.41     9.5     145
 11A     0.39     10.1     151
 11B     0.40     15.5     148
 11C     0.38     13.0     139
 12A     0.33     10.3     138
 13A     0.35     9.4     115
 14A     0.34     7.7     88
以前面所述相同方式进行焊接强度测试。显然，含硅量较高的PC钢筋，钼在增强抗拉强度方面更具优越性。还可清楚地看出，钛和硼的存在降低了强度的不一致性，因此提高了力学性能。
如上所述，本发明的PC钢筋在降低高温松弛上是有效的。而高温松弛在批量生产预应力混凝土所用的蒸汽高压养护中明显会加剧。它们在不使用特殊的焊接条件下，对通过点焊形成焊接强度足够高的增强钢架是有利的。此外，PC钢筋在强度满足相关标准的最高要求前提下，其韧性也很高，因而提供了较好的力学性能。

Claims (5)

1.一种用于预应力混凝土的高强、高焊接性的钢筋或钢丝，它含有0.15％～0.40％的碳、0.3～2.0％的硅、0.4％～1.6％的锰和0.08～0.35％的钼(均以重量计)，其中以Si＋4Mo结合的硅和钼不少于1.0％(重量)，余量为铁及固有杂质，这种钢筋具有奥氏体晶粒度数大于或等于9.0的细的显微结构。
2.根据权利要求1的用于预应力混凝土的高强、高焊接性能的钢丝或钢筋，还含有0.01％～0.05％的钛和0.0005％～0.005％的硼(均以重量计)。
3.一种生产用于预应力混凝土的高强、高焊接性的钢筋或钢丝的方法，包括以下步骤：
将原料钢筋在20秒内加热到850℃～1050℃，该原料钢筋含有0.15％～0.40％的碳、0.3～2.0％的硅、0.4％～1.6％的锰和0.08～0.35％的钼(均以重量计)，其中以Si＋4Mo结合的硅和钼不少于1.0％(重量)，余量为铁及固有杂质，将其快速淬火；在25秒内将其加热到一回火温度，并快速冷却，以便形成奥氏体晶粒度数大于或等于9.0的细的显微结构。
4.根据权利要求3的制备用于预应力混凝土的高强、高焊接性的钢筋或钢丝的方法，其中钢筋或钢丝还含有0.01％～0.05％的钛和0.0005％～0.005％的硼(均以重量计)。
5.根据权利要求3或4的方法，其中在加热至回火温度后，向钢丝或钢筋施加负载，使其弯曲应变不超过3％，然后快速冷却。
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