CN113549835B

CN113549835B - 一种高屈服强度、高韧塑性精轧螺纹钢筋及其生产方法

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Publication number: CN113549835B
Application number: CN202110832608.0A
Authority: CN
Inventors: 王军祥; 卢小扬
Original assignee: Individual
Current assignee: Cnooc Environmental Energy Research Institute Tianjin Co ltd
Priority date: 2021-07-22
Filing date: 2021-07-22
Publication date: 2022-08-09
Anticipated expiration: 2041-07-22
Also published as: CN113549835A

Abstract

本发明公开一种高屈服强度、高韧塑性精轧螺纹钢筋及其生产方法。其化学成分组成及质量百分含量为：C：0.20‑0.35％、Si：0.25‑0.46％、Mn：1.7‑1.8％、P：≤0.03％、S：≤0.03％、Cr：0.45‑0.5％、W：0.4‑0.5％、Cu：0.3‑0.45％、Nb：0.02‑0.04％，其中Cr+W+Cu≤1.5％，Cu元素选择性添加，其余为Fe。其生产方法包括：熔炼、连铸、轧制、热处理工序。轧制后空冷获得贝氏体、马氏体及残余奥氏体复相细化组织。采用高温回火，分解并充分软化马氏体，回火前无需预处理，回火后产物中碳化物均无明显长大。其屈服强度≥800MPa，抗拉强度≥970MPa，延伸率≥16％，20℃时的冲击功KV2≥50J。该精轧螺纹钢筋综合性能优异，具备高屈服强度、高冲击韧性、高延伸特性，而且生产工艺简单，尤其适用于锚杆支护领域，可提升深部矿井支护安全等级，节约支护成本。

Description

一种高屈服强度、高韧塑性精轧螺纹钢筋及其生产方法

技术领域

本发明涉及低合金高强钢领域和锚杆支护领域，具体涉及一种高屈服强度、高韧塑性精轧螺纹钢筋及其生产方法。

背景技术

锚杆支护是我国煤矿巷道最主要的支护方式，已占煤矿巷道支护总量的70％以上，在安全、高效矿井建设与生产中起到了重要作用。目前，按照GB/T 35056-2018煤矿巷道锚杆支护技术规范，我国锚杆杆体材料主要采用MG335、MG400、MG500和MG600系列螺纹钢筋，其牌号对应屈服强度等级，其化学成分主要为20MnSi、25MnSi，其金相组织主要是铁素体和珠光体或回火马氏体组织，其屈服强度等级仍然相对较低。但是，随着矿井开采深度、强度与范围的增加，巷道开采环境变得十分复杂，巷道围岩应力高、采动影响强烈，围岩大伸长、持续流变，冲击地压、煤与瓦斯突出等动力现象频发，且松软破碎岩层矿区分布很广，有些矿区岩层强度低、稳定性差，巷道支护难度显著增加。这给煤矿企业安全高效开采带来重大挑战，对锚杆支护技术和材料提出了更高的要求。煤巷锚杆材料的延伸率应在15％及以上，并在此前提下，要求有更高的屈服强度或更大的承载能力，以及抗冲击载荷能力。

贝氏体钢是第三代高强度钢研究的热点之一，受到材料工作者的广泛关注。该钢组织为大量贝氏体、适量回火马氏体或马奥岛和一定量残余奥氏体，残余奥氏体在受到外力作用时产生相变诱发塑性效应，能够提高材料的强度和塑韧性，具有优良的综合力学性能，可广泛应用于汽车工业、铁路运输、煤炭矿山、超高层建筑等。该钢主要通过以下两种方法获得：一是先将钢奥氏体化，然后采用盐浴的方法在贝氏体转变温区进行等温淬火。该方法对微合金成分要求不高，且可以获得优异的综合性能。但是，浴液对环境有污染，工件带出废盐造成浪费，且腐蚀工件，浴面辐射热损失严重，不便于机械化和连续化生产。二是通过合金化方法改变材料动力学特性，使材料在空冷状态下获得贝氏体组织，然后进行回火处理。该类方法工艺简单，产品均一性良好，便于批量化生产。然而，在现有空冷贝氏体钢中，对于低碳含量空冷贝氏体钢C在 0.08-0.20％，低碳含量马氏体回火后具有较高的韧塑性，低碳含量残余奥氏体稳定性较低，相变诱导塑性效应较强，这有利于获得较高的韧塑性，但是不利于获得较高强度，为了提高屈服强度，还需显著增大Mn、 Si、Cr、Mo、Ni等合金元素含量；而且，熔炼过程需选用低碳含量原料，或配备具有良好脱碳功能的精炼炉，这增加了生产成本。对于高碳含量空冷贝氏体钢C≥0.35％，材料淬透性增大，空冷后马氏体组织所占比例较大，屈服强度显著增大，但是高碳含量马氏体韧塑性较差，高碳含量残余奥氏体稳定增大，相变诱导塑性效应减弱，不利于材料获得较高的韧塑性。对于适中碳含量空冷贝氏体钢C在0.20-0.35％，其合金成分Si、Mn含量一般较高，一般3％≤Si+Mn≤5％，常见Mn≥2％，利于获得高性能无碳化物贝氏体组织，但是Si含量过高会降低钢的塑性和焊接性，Mn含量过高易产生晶内偏析，不利于材料获得优异的综合性能，该类钢回火后的韧塑性仍有待提高。此外，现有空冷贝氏体钢的回火工艺一般为中低温回火，回火温度一般低于Bs或Ms点。这是因为高温回火时容易产生较粗大的碳化物，而且钢在450-550℃回火，易产生第二类回火脆性，两者均会降低贝氏体钢的韧塑性。中低温回火意在释放残余应力，软化马氏体，并保留大部分残余奥氏体组织，使可以产生相变诱导塑性效应，以提高材料的强度和塑韧性。然而，对于稍高碳含量高强空冷贝氏体钢，高碳含量残余奥氏体相变诱导塑性效应减弱，马氏体相对材料的韧塑性起主导作用，中低温回火工艺对高碳硬脆相马氏体的软化程度仍然不够，拉伸过程中易沿着马氏体相或马氏体板条界面首先产生裂纹，并导致材料的断裂失效，成为限制高强贝氏体钢塑韧性进一步提高的技术短板。而且，现有高温回火工艺，在回火之前多进行预处理，如深冷处理或贝氏体区间等温，以消除残余奥氏体，这降低了生产效率，增加了生产成本。

综上，建立空冷贝氏体钢理想成分区间，改变传统回火思路与工艺，优化材料微观组织，发展高屈服强度、高冲击韧性、高延伸特性的螺纹钢筋，已成为提高煤矿巷道锚杆支护等级的迫切需要。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种高屈服强度、高韧塑性精轧螺纹钢筋及其生产方法。所得钢筋综合性能优异，具备高屈服强度、高冲击韧性、高延伸特性，同时该钢筋生产工艺简单，力学性能稳定，满足批量化生产需求。

本发明提供一种高屈服强度、高韧塑性精轧钢筋，其化学成分组成及质量百分含量为C：0.20-0.35％、 Si：0.25-0.46％、Mn：1.7-1.8％、P：≤0.03％、S：≤0.03％、Cr：0.45-0.5％、W：0.4-0.5％、Cu：0.3-0.45％、 Nb：0.02-0.04％，其中Cr+W+Cu≤1.5％，Cu元素选择性添加，其余为Fe和不可避免的杂质。

提供一种高屈服强度、高韧塑性精轧钢筋的生产方法，包括炼钢、连铸、轧制、热处理工序。所述轧制工序，铸坯加热温度为1150～1200℃，保温时间为0.5～2小时，开轧温度控制在1000～1050℃时，终轧温度控制在900～950℃，轧后空冷得到钢筋；所述热处理工序，回火温度为Bs+40～100℃，回火时间为2-5h。

本发明的合金钢中，各个元素在合金钢中的作用如下：

C：碳元素具有固溶强化和析出强化作用，同时能显著影响残余奥氏体形态、含量和稳定性。一般C含量升高，钢的强度升高，Bs点降低，残余奥氏体含量升高，残余奥氏体稳定性升高；但含C量太高会降低钢的塑性和韧性，恶化焊接性能；含C量太低则无法保证钢的强度，残余奥氏体含量和稳定性也大大降低，以致没有相变诱导塑性效应显现。

Si：硅元素能起到固溶强化作用，提高钢的强度，增加弹性极限；同时Si是一种脱氧剂，可减少氧化类夹杂物；Si还是非碳化物形成元素，可促进C向奥氏体富集，抑制粗大碳化物形成，回火过程中，延迟渗碳体的析出，推迟第一类回火脆性的出现温度，使得材料能在更高温度下回火，进一步提高材料韧性；Si 还能增强C和Mn元素在相界和晶界上偏聚，延迟贝氏体转变，细化贝氏体组织。但是Si含量过高会降低钢的塑性和焊接性。

Mn：锰元素能够在相界面处富集，延缓铁素体转变，实现高温转变与中温转变分离，显著提高钢的淬透性，使空冷状态下可获得贝、马氏体组织；Mn能够显著降低Bs点，细化贝氏体组织，有利于提高钢的强韧性。但是，在钢液冷却过程中，Mn元素容易产生晶内偏析，因此钢中Mn含量不宜过高。

P和S：磷和硫元素是两种常见的有害元素。P能增加钢的冷脆性，降低钢的塑性和韧性，使冷弯性能变坏，对焊接性能不利。S能使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹，对焊接性能也不利，S含量的提高还将提高MnS夹杂物的数量，使钢的综合性能变差。但是，过低的P、S含量会大量增加成本。

Cr：铬元素使先共析铁素体转变曲线右移，转变区变窄，提高亚稳态奥氏体的淬透性和稳定性；降低Bs 点，细化贝氏体组织，增加贝氏体铁素体基体的强韧性。但Cr含量过高，贝氏体比例过高且尺寸粗大，会降低塑性。

Nb:可以显著提高钢的屈服和拉伸强度，同时可以提高退火温度不改变钢的强度从而提高钢的其他性能。 W：生成特殊的碳化物可以阻止钢晶粒的长大，细化钢的组织增强钢的耐腐蚀性。

本发明选用适中的C含量C：0.20-0.35％，确保材料具有一定的强度和塑韧性，并通过C元素调控空冷状态下贝氏体钢的组织种类、形态、大小、分布、含量和稳定性，并一定程度上决定了回火后组织及其碳化物的分布情况；选用适中的Si、Mn含量2.1％≤Si+Mn≤3.0％，通过适量Si元素在一定程度上抑制碳化物的析出长大，使得材料能在更高温度下回火，通过降低Mn元素含量使材料不会产生显著晶内偏析，回火过程中不会产生粗大碳化物；使钢筋在轧后空冷状态下获得一定比例贝氏体、马氏体、残余奥氏体的复相细化组织，可以避免盐浴工艺的污染等问题，还可以避免水淬过程产生的淬裂现象；加入微量的Nb 元素，使其碳化物弥散析出；通过多种合金元素固溶强化、析出强化确保钢的强度加入W元素是进一步增强钢的耐腐蚀性；通过在Bs点以上40-100℃区间回火处理，分解并充分软化马氏体，马氏体相不再是限制材料塑韧性的短板；确保回火前无需分解残余奥氏体，回火后产品中碳化物均无明显长大，大多呈球状细小弥散分布；本发明的有益效果为：钢筋综合性能优异，在获得高屈服强度同时，还具有高冲击韧性和高延伸特性，且该生产工艺简单，回火前无需预处理，力学性能稳定，可批量化生产。

附图说明

附图1为本发明实施例2所得钢筋空冷状态下的金相组织图；

附图2为本发明实施例2所得钢筋620℃回火2小时后的金相组织图；

实施例

1)经转炉冶炼和LF炉精炼后，进行方坯连铸，铸坯尺寸为150×150×12000mm；

2)铸坯堆垛冷却至室温，铸坯化学成分组成及质量百分含量见表1，如下：

表1铸坯化学成分组成及质量百分含量(Wt.％)

实施例	C	Si	Mn	P	S	Cr	W	Cu	Nb
										1	0.213	0.251	1.783	0.026	0.006	0.46	0.412	0.311	0.021
2	0.266	0.312	1.754	0.025	0.007	0.53	0.455	0.428	0.038
										3	0.326	0.205	1.772	0.023	0.01	0.49	0.499	0	0.027

根据经验公式：Bs＝830-270C-90Mn-70Cr，实施例1、2、3的Bs点分别为579.82、563.22、548.2℃；

3)铸坯加热，均热段温度为1150℃，均热时间为2h；

4)铸坯轧制，开轧温度为1050℃，终轧温度为900℃，轧后空冷得到钢筋，其直径为30mm；

5)钢筋热处理，回火温度为620℃，回火时间为2小时，然后空冷；

6)实施例所得精轧钢筋的力学性能见表2，经高温回火后，钢筋的屈服强度(Rel)≥800MPa，抗拉强度 (Rm)≥970MPa,延伸率(A)≥16％，20℃时的冲击功(KV2)≥50J。

表2实施例所得精轧钢筋的力学性能

实施例	Rel(MPa)	Rm(MPa)	A(％)	KV2(J)
					1	840	984	18.4	67.0
2	873	1023	17.0	63.5
					3	815	973	16.0	54.0

Claims

1.一种高屈服强度、高韧塑性精轧钢筋，其特征在于，所述精轧钢筋化学成分组成及质量百分含量为C：0.20-0.35％、Si：0.25-0.46％、Mn：1.7-1.8％、P：≤0.03％、S：≤0.03％、Cr：0.45-0.5％、W：0.4-0.5％、Cu：0.3-0.45％、Nb：0.02-0.04％，其中Cr+W+Cu≤1.5％，Cu元素选择性添加，其余为Fe和不可避免的杂质；

所述精轧钢筋的生产方法包括炼钢、连铸、轧制及热处理工序，所述轧制工序，铸坯加热温度为1150～1200℃，保温时间为0.5～2小时，开轧温度控制在1000～1050℃时，终轧温度控制在900～950℃，轧后空冷得到钢筋，空冷状态下形成贝氏体、马氏体、残余奥氏体复相组织，所述热处理工序，采用高温回火，回火前无需预处理，回火温度为Bs+(40～100)℃，回火时间为2～5h。

2.根据权利要求1所述的一种高屈服强度、高韧塑性精轧钢筋，其特征在于，所述精轧钢筋，屈服强度Rel：≥800MPa、抗拉强度Rm：≥970MPa、断后伸长率A：≥16％、20℃时的冲击功KV2：≥50J。