CN115341149A

CN115341149A - 一种耐应力腐蚀钢绞线及其制备方法

Info

Publication number: CN115341149A
Application number: CN202211016518.5A
Authority: CN
Inventors: 王雷; 李月云; 喻智晨; 张宇; 袁长生
Original assignee: Jiangsu Shagang Group Co Ltd; Jiangsu Shagang Iron and Steel Research Institute Co Ltd; Zhangjiagang Rongsheng Special Steel Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Shagang Group Co Ltd; Jiangsu Shagang Iron and Steel Research Institute Co Ltd; Zhangjiagang Rongsheng Special Steel Co Ltd
Priority date: 2022-08-24
Filing date: 2022-08-24
Publication date: 2022-11-15

Abstract

本发明涉及一种耐应力腐蚀钢绞线及其制备方法，本发明通过降低残余应力与氢的含量，降低了应力腐蚀的风险，通过控制盘条的表面脱碳层厚度，使钢绞线的表面产生一层低碳组织从而抑制析氢反应的发生，另外，通过钢绞线的热处理，使其渗碳体片层发生微观上的球化，在降低氢陷阱的同时提高氢在钢绞线中的扩散系数，使氢更容易从基体逸出；本发明为了保证钢绞线的强度在稳定化处理过程中不出现较大幅度下降，还对盘条中氢含量进行控制，从而抑制了热处理中的强度损失，使得制备的钢绞线具有较好的耐应力腐蚀能力，本发明的方法简单易行，无需对生产线进行改造，利用现有生产装备即可完成生产。

Description

一种耐应力腐蚀钢绞线及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种耐应力腐蚀钢绞线及其制备方法。

背景技术

预应力钢绞线具有抗拉强度高、松弛低等特点，在道路、桥梁、机场、水利大坝等工程建设中有着广泛的应用。随着我国基础建设的快速发展，预应力钢绞线需求量日渐增多，其应用领域也在不断扩展。

在腐蚀工业、海洋、除冰盐等恶劣环境下使用的钢绞线极易发生腐蚀，有些结构虽然处在正常大气环境下，但随着服役时间增长，碳化作用也会引起钢绞线腐蚀。在所有的腐蚀中，应力腐蚀是一种几乎无预兆的极为突然的脆性破坏方式，对预应力结构的危害最大。

为保证预应力结构的安全性，在特殊环境中使用的预应力钢绞线必须进行应力腐蚀试验，且所有的钢绞线样品应力腐蚀时间不小于2h，中值不小于5h。目前普遍使用的1860MPa级预应力钢绞线的应力腐蚀问题已基本解决。随着预应力技术的不断进步，钢绞线强度级别也随之提高。钢绞线强度越高越容易发生应力腐蚀，当钢绞线强度达到2000MPa以上时，应力腐蚀问题愈加突出，目前还没有很好的解决方案。

按照电化学的观点，应力腐蚀一般包括“阳极溶解型”和“氢致开裂型”两类。前者的腐蚀程度非常轻微，但在与应力耦合作用下往往只沿某一通道溶解，从而引起突然的脆性破坏；后者是在特殊的腐蚀条件下产生氢，氢进入金属后与应力耦合、引起滞后开裂或断裂。

预应力钢绞线的微观组织主要为片状细珠光体(即索氏体)，片状细珠光体经冷拔后其珠光体细片的取向大致平行于纵轴线方向。研究表明，这种组织结构发生阳极溶解型应力腐蚀的可能性很小，预应力钢绞线的应力腐蚀主要为氢致开裂型。因此，提高钢绞线的耐应力腐蚀能力需要解决应力与氢含量两个问题。

韩国专利第2004-0107768号公开了一种钢绞线，通过硼与钛的氮化物在钢中形成氢的强陷阱、使氢在该缺陷处偏聚从而提高了其耐应力腐蚀能力。采用该方法生产的钢绞线的耐应力腐蚀能力与氢陷阱的数量和分布有关，生产中较难得到理想的硼与钛的氮化物析出相。生产中形成的氮化物若控制不好，很容易形成大型脆性夹杂物、影响钢材塑性，同时环境中氢含量较高时，氢陷阱很容易饱和、失去作用。

CN105483550A公开了一种预应力混凝土钢绞线，所述钢绞线成分包括：C 0.9-1.2％，Mn 0.4-0.7％，Si 1.0-1.5％，Cr 0.4-0.7％，P≤0.01％，S≤0.01％，剩余为铁与不可避免的杂质。该钢绞线通过410-500℃的退火，表面存在至少10微米的球化层，同时氢含量为10ppm以下，其碳与铬含量高，一方面增加了盘条的偏析风险，另一方面，铬为强碳化物形成元素，其容易与碳结合形成碳化物，其含量较高时，钢丝中的碳化物发生球化需要更高的温度与更长的时间，在生产中难以实现。

鉴于以上原因，特提出本发明。

发明内容

为了解决现有技术的方法制备的钢绞线不能同时满足高强度和耐应力腐蚀的问题，本发明提供了一种耐应力腐蚀钢绞线及其制备方法，本发明所述的钢绞线具有较高的耐应力腐蚀和抗拉强度，且制备方法简单，无需对生产线进行改造，利用现有的生产装备即可完成生产。

本发明的第一目的，提供了耐应力腐蚀钢绞线，按照质量百分比，所述的耐应力腐蚀钢绞线由如下组分组成：C 0.81～0.84％、Si 0.70～0.90％、Mn 0.20～0.50％、Cr+2V≤0.30％、S≤0.008％、P≤0.010％、As≤0.003％、Ti≤0.005％、Al≤0.005％、B≤0.0005％，其余为Fe和不可避免的杂质。

其中，Cr和V的可以是任意比例，只要满足Cr+2V≤0.30％即可。

C是钢材中最基本的强化元素，C含量每增加0.01％，盘条强度约增加10MPa。应力腐蚀主要是氢的影响，碳含量越高，氢扩散系数减小，氢溶解度增大。析出物(作为氢原子的陷阱位置)、电位、空孔等各种晶格缺陷与碳含量成正比，碳含量增大，就会抑制氢扩散，因此氢扩散系数也较低。根据电化学氢渗透试验结果，试样内的碳含量和碳化物的体积分数越大，氢原子的扩散系数就越小，溶解度增大。随着碳含量的增加，抗氢脆能力会降低。考虑到预应力钢绞线所需强度与耐应力腐蚀能力，本发明中的碳含量被限定为0.81～0.84％。

Si是铁素体强化元素，能够通过固溶强化提高铁素体的强度。Si也是重要的脱氧剂，有助于降低钢中的氧含量，减少夹杂物。Si有提高氢脆的倾向，但本发明中主要利用Si可以抑制稳定化过程中钢绞线强度降低的作用。通过一定的稳定化热处理工艺可大大降低钢绞线的氢脆倾向。Si含量低于0.7％时对抑制热处理过程强度损失作用不明显，Si含量超过1.0％容易造成脱碳。因此，本发明中Si含量范围选为0.70～0.90％。

Mn在钢中主要用于增加钢的强度，同时可以增加奥氏体的稳定性，降低相变温度，同时Mn能改变硫化物成分、减小S的有害作用，但Mn对应力腐蚀存在不利影响，所以Mn含量不易过高。因此本发明中，Mn含量控制在0.30～0.50％。

Cr是碳化物生成元素，它在钢中主要存在于渗碳体片层中通过置换作用形成合金渗碳体。Cr的添加提高了奥氏体的稳定性，使得钢的连续冷却转变曲线右移，在相同的冷速下可以细化珠光体片层间距。同时一定量的Cr结合前面所述的Si元素的添加可以在钢绞线的表面形成致密的氧化层，阻止外部氢向钢基体中的扩散，从而有利于提高钢绞线的耐应力腐蚀能力。Cr与V的添加会抑制钢绞线中的渗碳体的球化，本发明中需要得到球化的组织，研究表明Cr+2V≤0.3％时，其抑制渗碳体球化作用不明显。因此，本发明中控制Cr+2V≤0.3％。

杂质元素会恶化钢材的韧塑性，应该在工艺路线和成本允许的条件下尽量控制。其中对应力腐蚀影响较大的S、P、As必须严格控制。本发明中，部分杂质成分要求如下：S≤0.008％、P≤0.010％、As≤0.003％。此外，为抑制氢在钢绞线中强陷阱处的偏聚，必须严格控制钢水中Ti、Al、B等元素的含量。本发明中，Ti、Al、B含量要求如下：Ti≤0.005％、Al≤0.005％、B≤0.0005％。

本发明的第二目的，提供了一种所述的耐应力腐蚀钢绞线的制备方法，所述的制备方法包括如下步骤：

(1)按照质量百分比，称取各原料，依次进行冶炼、精炼和真空处理，得到钢水；

(2)将所述的钢水进行连铸和轧制，得到盘条；

(3)将所述的盘条依次进行酸洗磷化、拉拔、绞线和稳定化处理，得到所述的耐应力腐蚀钢绞线。

进一步的，步骤(1)中所述的钢水中氢含量不高于1.5ppm。

进一步的，步骤(2)中盘条中的氢含量不高于0.5ppm，盘条中脱碳层厚度为0.05-0.15mm，但不能出现全脱碳层。

进一步的，步骤(2)中盘条的的直径为13～14mm，抗拉强度≥1250MPa，断面收缩率≥32％。

生产过程中的内氢会在盘条中偏聚，其会加剧应力腐蚀的进程，因此，炼钢过程中的氢必须严格控制。本发明中，钢水中的氢含量不高于1.5ppm，盘条中氢不高于0.5ppm。

进一步的，步骤(2)中轧制过程中加热炉中均热段的空燃比为0.75～0.90。

进一步的，步骤(3)中盘条采用9道次拉拔处理，拉拔过程中单道次压缩率不高于25％。

进一步的，步骤(3)中稳定化处理中张力为钢绞线最大破断力的40-50％，稳定化处理中的稳定化温度为445-470℃，稳定化时间35-60s。

为降低钢绞线自身的残余应力，同时提高氢在钢绞线中的扩散系数，可采用对钢绞线进行球化退火的方式，但球化退火处理会伴随着抗拉强度的显著下降，为解决该问题，本发明添加了较高含量的Si元素来抑制钢绞线热处理过程中抗拉强度的下降，同时少量添加Cr、V等，一方面提高了钢绞线的强度，同时也保证了钢绞线的球化效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过降低残余应力与氢的含量，降低了应力腐蚀的风险，通过控制盘条的表面脱碳层厚度，使钢绞线的表面产生一层低碳组织从而抑制析氢反应的发生，另外，通过钢绞线的热处理，使其渗碳体片层发生微观上的球化，在降低氢陷阱的同时提高氢在钢绞线中的扩散系数，使氢更容易从基体逸出；本发明为了保证钢绞线的强度在稳定化处理过程中不出现较大下降，还对盘条中硅含量进行控制，从而抑制了热处理中的强度损失，使得制备的钢绞线具有较好的耐应力腐蚀能力，本发明的方法简单易行，无需对生产线进行改造，利用现有生产装备即可完成生产。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

实施例1

本实施例的一种耐应力腐蚀钢绞线的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)配制制备钢绞线的原料，按照质量比，C 0.81％、Si 0.90％、Mn 0.20％、Cr+2V＝0.30％、S 0.008％、P 0.010％、As 0.003％、Ti 0.005％、Al 0.005％、B 0.0005％，其余为Fe和不可避免的杂质，将原料在电炉冶炼，LF精炼，经真空处理使得钢水中的氢含量不高于1.5ppm；

(2)将所述的钢水进行连铸和轧制，得到盘条，轧制过程控制加热炉均热段的空燃比为0.75～0.90，使得盘条表面的脱碳层厚度为0.05mm，盘条的的直径为13mm，抗拉强度≥1250MPa，断面收缩率≥32％，盘条中的氢含量不高于0.5ppm；

(3)将直径为13mm的盘条酸洗磷化，随后进行9道次的连续拉拔至5.0mm(边丝)与5.3mm(中心丝)，拉拔过程单道次压缩率不高于25％，然后将钢丝捻制成1×7 15.2mm钢绞线，捻制过程中的捻距为220mm，最后将钢绞线进行稳定化处理，稳定化过程中张力为钢绞线最大破断力的40％，稳定化温度为445℃，稳定化时间60s。

实施例2

(1)配制制备钢绞线的原料，按照质量比，C 0.825％、Si 0.80％、Mn 0.35％、Cr+2V＝0.25％、S 0.007％、P 0.009％、As 0.0025％、Ti 0.004％、Al 0.004％、B 0.0004％，其余为Fe和不可避免的杂质，将原料在电炉冶炼，LF精炼，经真空处理使得钢水中的氢含量不高于1.5ppm；

(2)将所述的钢水进行连铸和轧制，得到盘条，轧制过程控制加热炉均热段的空燃比为0.75～0.90，使得盘条表面的脱碳层厚度为0.10mm，盘条的的直径为14mm，抗拉强度≥1250MPa，断面收缩率≥32％，盘条中的氢含量不高于0.5ppm；

(3)将直径为14mm的盘条酸洗磷化，随后进行9道次的连续拉拔至5.0mm(边丝)与5.3mm(中心丝)，拉拔过程单道次压缩率不高于25％，然后将钢丝捻制成1×7 15.2mm钢绞线，捻制过程中的捻距为225mm，最后将钢绞线进行稳定化处理，稳定化过程中张力为钢绞线最大破断力的42.5％，稳定化温度为458℃，稳定化时间48s。

实施例3

(1)配制制备钢绞线的原料，按照质量比，C 0.84％、Si 0.70％、Mn 0.50％、Cr+2V＝0.30％、S 0.008％、P 0.010％、As 0.003％、Ti 0.005％、Al 0.005％、B 0.0005％，其余为Fe和不可避免的杂质，将原料在电炉冶炼，LF精炼，经真空处理使得钢水中的氢含量不高于1.5ppm；

(2)将所述的钢水进行连铸和轧制，得到盘条，轧制过程控制加热炉均热段的空燃比为0.75～0.90，使得盘条表面的脱碳层厚度为0.15mm，盘条的的直径为13mm，抗拉强度≥1250MPa，断面收缩率≥32％，盘条中的氢含量不高于0.5ppm；

(3)将直径为13mm的盘条酸洗磷化，随后进行9道次的连续拉拔至5.0mm(边丝)与5.3mm(中心丝)，拉拔过程单道次压缩率不高于25％，然后将钢丝捻制成1×7 15.2mm钢绞线，捻制过程中的捻距为230mm，最后将钢绞线进行稳定化处理，稳定化过程中张力为钢绞线最大破断力的45％，稳定化温度为470℃，稳定化时间35s。

试验例1

分别采用实施例1-3的方法制备的15.2mm钢绞线的抗拉强度达到了2000MP以上，采用GB\T 21839测试钢绞线的应力腐蚀性能，结果如表1所示。

表1

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种耐应力腐蚀钢绞线，其特征在于，按照质量百分比，所述的耐应力腐蚀钢绞线由如下组分组成：C 0.81～0.84％、Si 0.70～0.90％、Mn 0.20～0.50％、Cr+2V≤0.30％、S≤0.008％、P≤0.010％、As≤0.003％、Ti≤0.005％、Al≤0.005％、B≤0.0005％，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.一种权利要求1所述的耐应力腐蚀钢绞线的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括如下步骤：

(2)将所述的钢水进行连铸和轧制，得到盘条；

3.根据权利要求2所述的耐应力腐蚀钢绞线的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的钢水中氢含量不高于1.5ppm。

4.根据权利要求2所述的耐应力腐蚀钢绞线的制备方法，其特征在于，步骤(2)中盘条中的氢含量不高于0.5ppm，盘条中脱碳层厚度为0.05-0.15mm。

5.根据权利要求2所述的耐应力腐蚀钢绞线的制备方法，其特征在于，步骤(2)中盘条的的直径为13～14mm，抗拉强度≥1250MPa，断面收缩率≥32％。

6.根据权利要求2-5任一项所述的耐应力腐蚀钢绞线的制备方法，其特征在于，步骤(2)中轧制过程中加热炉中均热段的空燃比为0.75～0.90。

7.根据权利要求2-5任一项所述的耐应力腐蚀钢绞线的制备方法，其特征在于，步骤(3)中盘条采用9道次拉拔处理，拉拔过程中单道次压缩率不高于25％。

8.根据权利要求2-5任一项所述的耐应力腐蚀钢绞线的制备方法，其特征在于，步骤(3)中稳定化处理中张力为钢绞线最大破断力的40-50％，稳定化温度为445-470℃，稳定化时间35-60s。