CN112159933B

CN112159933B - 一种超高强度耐蚀钢筋及其制造方法

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Publication number: CN112159933B
Application number: CN202011060542.XA
Authority: CN
Inventors: 李拔; 刘清友; 贾书君; 汪兵; 陈小平; 黄涛; 童帅
Original assignee: Zhonglian Advanced Steel Technology Co ltd; Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Zhonglian Advanced Steel Technology Co ltd; Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2020-09-30
Filing date: 2020-09-30
Publication date: 2022-03-08
Anticipated expiration: 2040-09-30
Also published as: CN112159933A

Abstract

本发明公开了一种超高强度耐蚀钢筋及其制造方法，涉及钢筋制造技术领域，用于同时提高钢筋的耐蚀性和强度，钢筋的化学成分为：C：0.04～0.07wt.％，Si：0.20～0.40wt.％，Mn：1.00～1.40wt.％，Al：0.020～0.050wt.％，V：0.02～0.05wt.％，Ti：0.02～0.05wt.％，Cr：4.00～6.00wt.％，Ni：1.00～3.00wt.％，Mo：0.2～0.5wt.％，P：＜0.015wt.％，S：＜0.005wt.％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明能够显著提高钢筋的强度和耐蚀性。

Description

一种超高强度耐蚀钢筋及其制造方法

技术领域

本发明涉及钢筋制造技术领域，尤其涉及一种超高强度耐蚀钢筋及其制造方法。

背景技术

钢筋是国内钢铁材料产品中消耗量最大的品种,大约占中国钢产量的1/5，随着建筑行业的快速发展，对钢筋的需求量不断增加。随着钢筋技术的不断发展，目前国内400MPa的Ⅲ级钢筋的开发和应用已经卓有成效，相比之下500MPa的Ⅳ级钢筋的应用还较少，而欧洲的部分发达国家已经广泛使用。随着对建筑安全性和经济性要求的不断提高，钢筋的强度级别也不断提高。当钢筋的屈服强度大于600MPa时，可以称之为超高强度钢筋，目前在日本已经进行了大量的研究和报道，其中超高强度箍筋已经取得了广泛应用，我国也正在大力研究和推广过程中。当变形能力相同时，采用高强度钢筋可以减少钢筋的用量，符合我国可持续发展的需要。我国相关试点工程显示，采用高强箍筋大致比普通强度箍筋可以节约8％～15％的箍筋用量。在提高强度的同时，保证耐蚀性才能最终提高其结构安全性，因为钢筋锈蚀是导致混凝土结构耐久性能下降的重要原因。为了确保耐蚀性的同时显著提高钢筋的强度，合理的成分设计至关重要。针对超高强度耐蚀钢筋的开发与应用，开发一种新型钢筋材料，目的在于满足耐蚀性能的基础上显著提高钢筋的强度。

对于超高强度耐蚀钢筋，目前已有相关专利公开，如“一种基于混凝土结构耐久性的耐蚀钢筋及其制备方法”(申请号：201710807357.4)报道的钢筋屈服强度达到800MPa，但是其Cr元素含量为9-11％，合金成本过高。

专利“一种HRB600耐腐蚀钢筋”(申请号：201510286446.X)和专利“一种HRB700Mpa级耐腐蚀钢筋”(申请号：201510286447.4)报道的高强度耐蚀钢筋的镍和铬含量较少(Cr：0.01-0.03％，Ni：0.01-0.03％)，耐蚀性能有限。

专利“屈服强度≥600Mpa的耐腐蚀热轧带肋钢筋”(申请号：201310408630.8)和专利“一种650MPa级高强度钢筋用钢及其制备方法”(申请号：201710174954.8)报道的钢筋强度超过600MPa，但是其成分中铬含量较低，耐蚀性能有限。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种超高强度耐蚀钢筋及其制造方法，通过控制合金中的组分和比例实现了耐蚀性能的基础上显著提高钢筋的强度的难题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种超高强度耐蚀钢筋，化学成分为：C：0.04～0.07wt.％，Si：0.20～0.40wt.％，Mn：1.00～1.40wt.％，Al：0.020～0.050wt.％，V：0.02～0.05wt.％，Ti：0.02～0.05wt.％，Cr：4.00～6.00wt.％，Ni：1.00～3.00wt.％，Mo：0.2～0.5wt.％，P：＜0.015wt.％，S：＜0.005wt.％，其余为Fe和不可避免的杂质。

进一步地，化学成分中Cr：4.50～5.50wt.％，Ni：1.50～2.50wt.％。

进一步地，所述Cr和Ni的质量比为(2.1-2.2)：1。

进一步地，组织类型为回火索氏体。

进一步地，屈服强度：685～785MPa。

第二方面，本发明实施例提供了一种超高强度耐蚀钢筋的制造方法，用于制备第一方面中的超高强度耐蚀钢筋，采用转炉或电炉冶炼及炉外精炼，钢水浇铸成连铸坯，包括以下步骤：

步骤1：将铸坯装入加热炉中加热，加热温度为1180～1220℃，保温时间为1～2小时；

步骤2：控轧控冷工艺：开轧温度为1100～1030℃，终轧温度为950～890℃，轧后空冷到室温。

步骤3：将钢筋直接进行回火处理。

进一步地，所述步骤2中，积累变形量为65％-75％。

进一步地，所述步骤3中，回火处理温度为600～660℃，保温1～2小时。

进一步地，所述步骤1中，加热温度为1200-1210℃。

进一步地，所述步骤2中，开轧温度为1060～1040℃，终轧温度为910～895℃。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、采用提高淬透性的硅、锰等元素复合添加，配合控轧控冷后的回火工艺得到强韧性良好的回火索氏体组织。

2、借助控轧控冷工艺和热处理工艺充分发挥微合金元素钒、钛、钼的细晶强化和沉淀强化作用，显著提高钢筋的强度。

3、本发明通过合金组分和含量的调控，尤其是铬镍含量配比的控制实现钢筋的耐蚀性的提高。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书中所特别指出的结构来实现和获得。

具体实施方式

下面具体描述本发明的优选实施例。

本发明提供了一种超高强度耐蚀钢筋，化学成分为：C：0.04～0.07wt.％，Si：0.20～0.40wt.％，Mn：1.00～1.40wt.％，Al：0.020～0.050wt.％，V：0.02～0.05wt.％，Ti：0.02～0.05wt.％，Cr：4.00～6.00wt.％，Ni：1.00～3.00wt.％，Mo：0.2～0.5wt.％，P：＜0.015wt.％，S：＜0.005wt.％，其余为Fe和不可避免的杂质。

与现有技术相比，本发明提供的钢筋通过镍铬的协同作用，加快锈层的形成速度，改变钢表面的腐蚀形态，促进完整锈层的形成含量，从而进一步提高耐蚀效果。且镍和铬的质量百分含量分别控制在1.00～3.00wt.％和4.00～6.00wt.％，有效地节约了合金的生产成本。此外，采用提高淬透性的硅、锰等元素复合添加，配合控轧控冷后的回火工艺得到强韧性良好的回火索氏体组织，以进一步提高钢筋强度。

上述超高强度耐蚀钢筋中的元素作用如下：

铬：提高耐蚀性的主要元素之一，参与形成钝化膜，提高钝化膜的极化电阻。当形成锈层时，Cr元素可以在内锈层富集，使内锈层更致密，并且可以增加锈层的非晶态倾向。此外，单独加入铬提高耐蚀性的作用有限，与Ni等共同加入，可以起到协同作用：加快锈层的形成速度，改变钢表面的腐蚀形态，使得锈层具有阳离子选择性，可以阻碍Cl^-和SO₄ ^2-离子的侵入，促进完整锈层的形成，从而进一步提高耐蚀效果。Cr的含量过高时，会影响合金的组织稳定性和加工性能，因此在本发明实施例中，当铬含量为4.00％～6.00wt.％时具有最佳耐蚀性能。

镍：提高钢的自腐蚀电位，增加腐蚀稳定性；提高锈层电阻，部分取代锈相中Fe的位置，使得锈层具有阳离子选择性，抑制Cl^-离子的侵入；均匀分布在锈层中，从而提高锈层致密性。可以显著提高钢的低温韧性。本发明中，镍含量控制在1.00～3.00wt.％，与铬元素同时添加具有最佳耐蚀效果。

碳：作为强化元素形成碳化物对合金强度有利，C具有在浇注时保证熔融金属的流动性的作用，同时C还会和金属生成中间体有助于控制晶粒尺寸。具体地：

1)同钒和钛形成碳化物延迟奥氏体再结晶从而细化晶粒；

2)在回火热处理过程中与钒和钛形成碳化物析出，显著提高钢的强度。

但是，C含量过高时，也会产生不良影响，具体地：1)对冲击韧性影响较大，含量过高会明显破坏焊接性能；2)与铬元素会形成Cr7C3和Cr23C6等金属间化合物，会消耗铬元素含量从而降低合金化效果。本发明实施例中，碳含量控制在：C：0.04～0.07wt.％。

硅：冶炼过程中的脱氧剂，具有较强的固溶强化作用，但是过高会损害韧性，本发明实施例中，硅含量控制在：Si：0.20～0.40wt.％。

锰：1)具有固溶强化作用，可以弥补碳含量降低导致的屈服强度下降，同时还可提高钢的韧性，降低韧脆转变变温度；2)锰能降低冷却时钢的相变温度，对铁素体的晶粒尺寸具有细化作用；3)过高的锰含量会加大控轧钢板的中心偏析，对焊接性能不利。本发明实施例中，锰含量控制在：Mn：1.00～1.40wt.％。

钼：提高钢的自腐蚀电位，具有良好的耐点蚀性能；也是碳化物形成元素，在后续的回火过程中形成碳化物析出，提高钢的强度。并且可以融入微合金碳氮化物的晶格中降低错配能，从而促进微合金碳氮化物的析出，进一步提高钢的强度。同时，钼也可以和铬起到协同作用，促进铬提高耐蚀性的效果。但是，当过量Mo进入时，不仅降低合金的抗腐蚀性能，而且会促进有害相的形成，并使高温加工性能变差，因此在本发明实施例中，控制钼的含量为0.30％～0.50wt.％。

钒：除了细晶强化作用，轧制时应变诱导析出纳米级的V(C,N)第二相粒子，可以产生明显的沉淀强化作用。此外，还使得钢筋具有优良的抗时效性能。因此在本发明实施例中，控制钒的含量为0.02～0.05wt.％。

钛：高温下形成稳定的TiN，在再加热过程中抑制奥氏体晶粒长大；含量过高会形成大尺寸的析出相，影响钢的韧性，因此在本发明实施例中，钛的含量控制在0.02～0.05wt.％。

磷：P具有双重作用，P可以向晶界偏聚，增加晶间结合力，能够提高钢的耐大气腐蚀性能，但是过量的P容易引发偏析，从而增加钢的脆性。因此，本发明实施例中，P的含量控制在0.015wt.％以下。

硫：是钢中的有害元素，会降低钢的韧性和焊接性能，形成硫化物容易使钢材发生点蚀。硫的含量控制在S：＜0.005wt.％。

为了进一步提高钢筋的耐蚀性能，在本发明实施例中，钢筋中镍铬的质量百分比可以为：1:(2.1-2.2)，且钢筋的组织类型为回火索氏体。回火索氏体具有良好的综合强韧性能，在回火过程中析出的细小碳化物可以使强度进一步提高。

另一方面，本发明还提供了一种超高强度耐蚀钢筋的制造方法，采用转炉或电炉冶炼及炉外精炼，钢水浇铸成连铸坯。

具体地步骤如下：

步骤1：将铸坯装入加热炉中加热，加热温度为1180～1220℃，保温时间为1～2小时。

优选地，加热温度为1200-1210℃。

步骤2：控轧控冷工艺：开轧温度为1100～1050℃，终轧温度为950～900℃，累积变形量65％-75％，优选地70％，轧后直接空冷到室温。

优选地，开轧温度为1060～1040℃，终轧温度为910～895℃。

步骤3：将钢筋直接进行回火处理：加热到600～660℃，保温1～2小时。

为了说明本发明实施例的可行性，本发明实施例提供了三个实施例，其中，三个实施例的合金组分如表1所示，

表1实施例1-3中钢筋的主要化学成分(wt.％)

实施例1

将铸坯装入加热炉中加热，将其加热到1200℃，时间为2小时，轧制开轧温度1050℃，终轧温度为896℃，轧后空冷至室温。将钢筋加热到660℃保温2小时，然后出炉空冷至室温，得到耐蚀性能优良的超高强度钢筋。

得到的超高强度钢筋的屈服强度为690MPa，抗拉强度为743MPa，伸长率为22％，室温冲击功为50J，具有良好的力学性能。

实施例2

将铸坯装入加热炉中加热，将其加热到1185℃，时间为2小时，轧制开轧温度1090℃，终轧温度为946℃，轧后空冷至室温。将钢筋加热到603℃保温2小时，然后出炉空冷至室温，得到耐蚀性能优良的超高强度钢筋。

得到的超高强度钢筋的屈服强度为695MPa，抗拉强度为740MPa，延伸率为22.5％，室温冲击功为54J，具有良好的力学性能。

实施例3

将铸坯装入加热炉中加热，将其加热到1215℃，时间为2小时，轧制开轧温度1060℃，终轧温度为920℃，轧后空冷至室温。将钢筋加热到630℃保温2小时，然后出炉空冷至室温，得到耐蚀性能优良的超高强度钢筋。

得到的超高强度钢筋的屈服强度为693MPa，抗拉强度为746MPa，延伸率为22.3％，室温冲击功为52J，具有良好的力学性能。

为了说明本发明实施例的技术效果，本发明实施例提供了另三个实施例，其中，三个实施例的合金组分如表2所示，其分别对应A、B、C。其中，A为实验组，B和C均为对照组。

表2超高强度耐蚀钢筋的化学成分(wt.％)

实验组

制备A组分的钢冶炼铸坯，将铸坯装入加热炉中加热，将其加热到1200℃，时间为2小时，轧制开轧温度1050℃，终轧温度为896℃，轧后空冷至室温。将钢筋加热到660℃保温2小时，然后出炉空冷至室温，得到耐蚀性能优良的超高强度钢筋。

得到的超高强度钢筋的屈服强度为690MPa，抗拉强度为743MPa，延伸率为22％，室温冲击功为50J，具有良好的力学性能。

对照组1

制备B组分的钢冶炼铸坯，将铸坯装入加热炉中加热，将其加热到1210℃，时间为2小时，轧制开轧温度1060℃，终轧温度为905℃，轧后空冷至室温。将钢筋加热到662℃保温2小时，然后出炉空冷至室温，得到耐蚀性能优良的超高强度钢筋。

得到的超高强度钢筋的屈服强度为450MPa，抗拉强度为576MPa，延伸率为23.5％，室温冲击功为52J。

对照组2

制备C组分的钢冶炼铸坯，将铸坯装入加热炉中加热，将其加热到1206℃，时间为2小时，轧制开轧温度1040℃，终轧温度为910℃，轧后空冷至室温。将钢筋加热到661℃保温2小时，然后出炉空冷至室温，得到耐蚀性能优良的超高强度钢筋。

得到的超高强度钢筋的屈服强度为485.5MPa，抗拉强度为677MPa，延伸率为16％，室温冲击功为57J。

三个实施例得到的钢的耐蚀性性能如表3所示。

表3超高强度耐蚀钢筋和对比钢的耐蚀性能

其中，Q345是本发明实施例的对照组。Q345是一种低合金钢，广泛应用于桥梁、车辆、船舶、建筑、压力容器、特种设备等，其中“Q”意为屈服强度，345表示这种钢材屈服强度为345MPa。Q345的组分为C≤0.20，Mn≤1.70，Si≤0.50，P≤0.035，S≤0.020，Al≥0.015，Nb≤0.07，V≤0.15，Ti≤0.20，Cr≤0.30，Ni≤0.012，Mo≤0.10。力学性能为抗拉强度：500MPa；屈服强度：345MPa；伸长率：22％。

A组分中Ni和Cr的质量比为1:2.16，B组分中Ni和Cr的质量比为1:0.18，C组分中Ni和Cr的质量比为1:8.8。Q345镍铬含量太低，可以忽略不计。

对比对照组和B组分、对照组和C组分可知，Ni和Cr都能极大地提高钢筋的耐腐蚀性。对比A组分和B组分、A组分和C组分可知，Ni和Cr之间存在协同作用，以使得A组分对耐腐蚀性的提升效果远强于B组分和C组分对耐腐蚀性的提升效果。

三组实施例的力学强度如表4所示，

表4实验组、对照组1和对照组2的力学性能参数

由表4可知，掺入镍铬后钢材的抗拉强度、屈服强度和室温冲击功都明显的增加了，说明镍铬同时参入可以提高钢材的力学性能。具体地，A组的抗拉强度和屈服强度明显大于对照组、B组和C组。A组的伸长率与最高的伸长率仅差1.5个百分点，而室温冲击功相比于对照组也有显著的提高，综合来看，A组钢材的性能是最好的。由此可知，本发明实施例提供的最佳镍铬比能够最大限度的提高力学性能。

综上所述，本发明实施例提供的技术方案能够极大地提高提高钢筋的强度和耐蚀性，得到的超高强度钢筋的屈服强度为690-785MPa，抗拉强度为734-776MPa，延伸率为22-24％，室温冲击功为50-60J，具有良好的力学性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种超高强度耐蚀钢筋，其特征在于，化学成分为：C：0.04～0.07wt.%，Si：0.20～0.40wt.%，Mn：1.00～1.40wt.%，Al：0.020～0.050wt.%， V：0.02～0.05wt.%，Ti：0.02～0.05wt.%，Cr：4.00～6.00wt.%，Ni：2.50～3.00wt.%，Mo：0.2～0.5wt.%，P：＜0.015wt.%，S：＜0.005wt.%，Cr和Ni的质量比为（2.1-2.2）：1，其余为Fe和不可避免的杂质；钢筋的组织类型为回火索氏体。

2.根据权利要求1所述的超高强度耐蚀钢筋，其特征在于，化学成分中Cr：4.50～5.50wt.%，Ni：2.50～2.53wt.%。

3.根据权利要求2所述的超高强度耐蚀钢筋，其特征在于，所述Cr和Ni的质量比为（2.16-2.2）：1。

4.根据权利要求1所述的超高强度耐蚀钢筋，其特征在于，屈服强度：685～785MPa。

5.一种超高强度耐蚀钢筋的制造方法，用于制备权利要求1至4任一项所述的超高强度耐蚀钢筋，其特征在于，采用转炉或电炉冶炼及炉外精炼，钢水浇铸成连铸坯，包括以下步骤：

步骤2：控轧控冷工艺：开轧温度为1100～1030℃，终轧温度为950～890℃，轧后空冷到室温；

步骤3：将钢筋直接进行回火处理。

6.根据权利要求5所述的超高强度耐蚀钢筋的制造方法，其特征在于，

所述步骤2中，积累变形量为65%-75%。

7.根据权利要求5所述的超高强度耐蚀钢筋的制造方法，其特征在于，

所述步骤3中，回火处理温度为600～660℃，保温1～2小时。

8.根据权利要求5所述的超高强度耐蚀钢筋的制造方法，其特征在于，

所述步骤1中，加热温度为1200-1210℃。

9.根据权利要求5所述的超高强度耐蚀钢筋的制造方法，其特征在于，

所述步骤2中，开轧温度为1060～1040℃，终轧温度为910～895℃。