一種高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒及其加工方法
【專利摘要】本發明是一種高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒及其加工方法，其化學成分重量百分比為：C：0.3-0.5%，Si：0.3-1.8%，Mn：0.6-1.5%，Nb：0.02-0.2%，V：0.01-0.1%，Ni：0.01-0.2%、Cr:0.1-0.5%、Mo：0.01-0.1%、B：0.001-0.005%，Fe：余量，其中碳當量Ceq小于0.8%。采用在線連續超高壓淬火控制工藝技術，可使產品的強度大于1860MPa，甚至超過2000MPa以上。本發明采用的在線連續回火保溫控溫技術，可使鋼棒延伸率大于7%以上，并保持了少量極細鐵素體+回火屈氏體組織狀態，具有較好的延性和抗滯后斷裂的特性。
【專利說明】—種高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒及其加工方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種混凝土用鋼棒及其加工方法，具體的說是一種高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒及其加工方法。
【背景技術】
[0002]目前，國內外生產的預應力混凝土管樁領域大多采用1420MPa級預應力混凝土用鋼棒(簡稱PC鋼棒)，所用的原材料大多為30MnS1、35MnSi等，預應混凝土用鋼棒的生產加工工藝為放線一剝殼除銹一定型刻槽一校直一感應加熱一淬火一回火一冷卻一傳動一剪切分線一收線，盡管PC鋼棒具有韌性強、松弛低、良好的可焊性、鐓鍛性等優點，但是現有的強度級別較低，不能滿足預應力混凝土管樁的使用，特別是直徑在Φ 1000mm長度在50米以上的預應力混凝土管樁的應用。眾所周知，預應力體系中的鋼材張拉力是依靠預應力鋼材的70-80%拉力來保持的，通過其張拉力壓縮高強混凝土來提高構件的極限承載力和控制裂縫開展，所以，采用1420級預應力混凝土用鋼棒在大直徑超長度管樁內應用，其直徑和配筋密度大幅度增加，造成一根該類型管樁的用鋼量在1.3噸左右，建造成本、運輸成本、人力成本大幅增加，無法滿足現有節約型社會發展的需求。與此同時，當PC鋼棒的強度超過1570MPa級以上時，其延伸率均小于7%以下，滯后斷裂的敏感性呈現線性增加的風險，由于滯后斷裂的發生時間的不確定，可能是幾天、幾個月甚至是幾年，這對預應力混凝土用鋼棒產業而言將造成不可估量的質量隱患和巨大的經濟損失。
【發明內容】
[0003]本發明所要解決的技術問題是，針對以上現有技術存在的缺點，提出一種高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒及其加工方法，替代現有1420MPa級預應力混凝土用鋼棒，具有強度高、延性好、抗滯后`斷裂性強、節省鋼材、低松弛、易焊接、鐓鍛性能好等優點，并可以使碳化物充分溶解，均勻擴散，避免了碳化物在晶間的析出造成晶間腐蝕和點蝕超標。
[0004]本發明解決以上技術問題的技術方案是:
一種高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒，其化學成分重量百分比為:c:0.3-0.5%，Si:0.3-1.8%, Mn:0.6-1.5%, Nb:0.02-0.2%, V:0.01-0.1%，Ni:0.01-0.2%、Cr:0.1-0.5%、Mo:0.01-0.1%、B:0.001-0.005%, Fe:余量，其中碳當量 Ceq 小于 0.8%。
[0005]上述高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒的加工方法，按以下步驟進行:
(-)按重量百分比化學成分在鋼廠冶煉并軋成帶有或沒有螺紋的鋼棒；
㈡將軋好的鋼棒送入感應加熱爐加熱到850-950°C ；
曰將感應加熱完成的鋼棒不經過保溫直接用高壓噴射水或淬火液進行淬火處理，淬火冷卻速度200-250°C /s，淬火冷卻時間5-30秒，使鋼棒溫度冷卻到Ms點以下10_30°C ；㈣將淬火后的鋼棒經過回火加熱爐加熱到390-500°C，保溫10-60秒；
?將回火后的鋼棒冷卻到室溫。
[0006]本發明進一步限定的技術方案是:前述的高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒，其化學成分重量百分比為:c:0.45-0.5%, Si:1.5-1.8%, Mn:1.2-1.5%, Nb:0.1-0.2%, V:0.08-0.1%，Ni:0.15-0.2%、Cr:0.3-0.5%、Mo:0.08-0.1%、B:0.004-0.005%, Al:0.017-0.0019%, S:0.005-0.007%, Ti:0.005-0.007%，鑭系稀土:0.1-0.3%，Fe:余量，其中碳當量Ceq小于0.6% ;鑭系稀土的組分質量百分比為:鑭:15-20%，鈰:22-26%，鐠:20-25%,釹:15-20%，鏑:10_15%，其余鑭系元素:2-6%，以上鑭系稀土各組分之和為100%。
[0007]前述的高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒，其化學成分重量百分比為:C:0.45%, Si:1.8%, Mn:1.2%, Nb:0.1%，V:0.1%, N1:0.15%,Cr:0.3%、Mo:0.08%,B:0.004%, Al:0.017%，S:0.005%, Ti:0.005%，鑭系稀土:0.1%，Fe:余量；鑭系稀土的組分質量百分比為:鑭:16%，鈰:26%，鐠:20%，釹:20%,IS: 15%，其余鑭系元素:3%。
[0008]前述的高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒，其化學成分重量百分比為:C:0.48%, Si:1.5%, Mn:1.4%, Nb:0.15%, V:0.08%, N1:0.2%, Cr:0.4%、Mo:0.1%、B:0.005%, Al:0.0019%, S:0.007%，Ti:0.007%，鑭系稀土:0.3%, Fe:余量；鑭系稀土的組分質量百分比為:鑭:20%，鈰:25%，鐠:25%，釹:15%，鏑:13%，其余鑭系元素:2%。
[0009]前述的高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒，其化學成分重量百分比為:C:0.5%, Si:1.6%, Mn:1.5%, Nb:0.2%, V:0.09%, N1:0.18%、Cr:0.5%、Mo:0.09%、B:0.0045%,Al:0.018%, S:0.006%, T1:0.006%，鑭系稀土:0.2%，Fe:余量；鑭系稀土的組分質量百分比為:鑭:19%，鋪:22%，鐠:24%，釹:19%，鏑:10%，其余鑭系元素:6%。
[0010]前述的高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒的加工方法，步驟曰中，將感應加熱完成的鋼棒不經過保溫，使鋼棒表面溫度來不及釋放，奧氏體進入鐵素體轉變過程縮短，形成少量晶粒度極細的鐵素體，晶粒細化的鐵素體不僅可提聞朝性還能提聞強度。
[0011]前述的高延性超高 強度預應力混凝土用鋼棒的加工方法，所述步驟?中，采用水冷與空冷結合，先采用水冷以1-2°C /s的冷卻速率將鋼棒水冷至320-350°C，然后空冷至250-280°C，再采用水冷以3-5°C /s的冷卻速率將鋼棒水冷至210_230°C，最后空冷至室溫。
[0012]前述的高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒的加工方法，步驟曰中，高壓噴射水或淬火液沿環繞在鋼棒四個等份縱向方向噴出，壓力大于等于8Mpa;步驟㈣中，保溫在感應線圈或保溫區間箱內進行。
[0013]前述的高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒的加工方法，鋼棒在前牽引傳動系統的牽動下依次經過加熱、淬火和回火，再由后牽引傳動系統牽出冷卻，前后牽引傳動系統的頻率差為0.5-1.5Hz。
[0014]本發明的技術效果為:
由于現有技術中，采用直接淬火回火處理生產的PC鋼棒強度較低(1420MPa級)，而本發明采用的在線連續超高壓控制淬火工藝技術和連續回火保溫控溫技術，可使產品強度大于1860MPa，延伸率大于7%以上，保證了產品的質量要求及提高了鋼棒的抗滯后斷裂的性能，應用到預應力混凝土管樁內可減少鋼棒用量30%以上，大大節約了鋼棒耗用量，減少管樁的建造成本。
[0015]本發明應用的超高壓控制淬火工藝技術，即將感應加熱完成的鋼棒經過SMPa以上的沿環繞在鋼棒體四個等份縱向方向的高壓噴射水或淬火液進行淬火處理，淬火冷卻速度大于200°C /s，精確控制到使其冷卻到Ms (成份計算值)點以下10-30°C，其作用為:將奧氏體晶粒經過超高壓淬火后得到細化的馬氏體和少量的極細鐵素體，馬氏體板條的分布較均勻，斷口呈現出較均勻的韌窩分布和較少的微裂紋，提高鋼棒的強度。
[0016]本發明應用的連續回火保溫控溫技術，即將上述淬火處理的鋼棒經過回火到390-500°C之間，然后在感應線圈或設置的保溫區間箱內連續控制保溫10-60S時間，其中感應線圈保溫是方式一，主要利用鋼棒余溫經過感應低頻分段連續加熱；保溫區間箱內保溫是方式二，主要利用可控制恒定溫度的保溫箱內的加熱體供熱，確保在保溫10-60S時間內精確控制溫度的起伏變化量小于10°C;其作用為:將回火屈氏體保持維穩態，殘留奧氏體分布呈厚的“薄片狀”，使殘留奧氏體具有高的形變協調能力、阻止裂紋擴展的能力和高的TRIP效應，從而使鋼棒呈現出優良的塑性和抗滯后斷裂的特性。
[0017] 本發明回火后采用水冷與空冷結合，依次為:水冷-空冷-水冷-空冷，這樣，通過回火后的冷卻控制，可以使碳化物充分溶解，均勻擴散，避免了碳化物在晶間的析出造成晶間腐蝕和點蝕超標，保證了材料的鐵素體含量小于0.6%，還可以使材料固溶充分，避免了熱處理方式加熱不均，固溶不均帶來的腐蝕速率超標和硬度超標，從而帶來了另一個技術指標的攬，獲得了意想不到的技術效果。
[0018]本發明鋼前后牽引傳動系統的頻率差為0.5~1.5HZ，設定頻率差使得產品在一定的張力條件下淬火回火，具有強度大于1860MPa、延伸率大于7%以上，抗滯后斷裂性強、低松弛的優點。
[0019]總之，本發明采用的在線連續超高壓淬火控制工藝技術，可使產品的強度大于1860MPa，甚至超過2000MPa以上，應用到管樁內可替代1420MPa級預應力混凝土鋼棒，可節約30%以上的鋼棒成本，具有強度高、節約鋼材的優點；本發明采用的在線連續回火扣溫控溫技術，可使鋼棒延伸率大于7%以上，并保持了極細化回火屈氏體和少量鐵素體組織狀態，，具有較好的延性和抗滯后斷裂的特性，并具有低松弛的優點。
【具體實施方式】
[0020]實施例1
本實施例是一種高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒，其化學成分重量百分比為:C:
0.45%, Si:1.8%, Mn:1.2%, Nb:0.1%, V:0.1%, N1:0.15%, Cr:0.3%、Mo:0.08%,B:0.004%, Al:
0.017%，S:0.005%, Ti:0.005%，鑭系稀土:0.1%，Fe:余量；鑭系稀土的組分質量百分比為:鑭:16%，鈰:26%，鐠:20%，釹:20%,IS: 15%，其余鑭系元素:3%。
[0021]本實施例的高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒的加工方法，按以下步驟進行: (-)按重量百分比化學成分在鋼廠冶煉并軋成帶有或沒有螺紋的鋼棒；
(二)將軋好的鋼棒在前牽引傳動系統的牽動下送入感應加熱爐加熱到850°C ；
曰將感應加熱完成的鋼棒在前牽引傳動系統的牽動下用高壓噴射水或淬火液進行淬火處理，高壓噴射水或淬火液沿環繞在鋼棒四個等份縱向方向噴出，壓強大于等于8MPa，淬火冷卻速度200°C /s，淬火冷卻時間5秒，使鋼棒溫度冷卻到Ms點以下10°C，
(四)將淬火后的鋼棒在前牽引傳動系統的牽動下經過回火加熱爐加熱到390°C，保溫10秒，保溫在感應線圈或保溫區間箱內進行；
⑶將回火后的鋼棒由后牽引傳動系統牽出冷卻至室溫，前后牽引傳動系統的頻率差為
0.5HZ，冷卻采用水冷與空冷結合，先采用水冷以1°C /s的冷卻速率將鋼棒水冷至320°C，然后空冷至250°C，再采用水冷以3°C /s的冷卻速率將鋼棒水冷至210°C，最后空冷至室溫。
[0022]實施例2
本實施例是一種高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒，其化學成分重量百分比為:C:0.48%, Si:1.5%, Mn:1.4%, Nb:0.15%, V:0.08%, N1:0.2%, Cr:0.4%、Mo:0.1%、B:0.005%, Al:
0.0019%, S:0.007%，Ti:0.007%，鑭系稀土:0.3%，Fe:余量；鑭系稀土的組分質量百分比為:鑭:20%，鈰:25%，鐠:25%，釹:15%，鏑:13%，其余鑭系元素:2%。
[0023]本實施例的高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒的加工方法，按以下步驟進行: (-)按重量百分比化學成分在鋼廠冶煉并軋成帶有或沒有螺紋的鋼棒；
(二)將軋好的鋼棒在前牽引傳動系統的牽動下送入感應加熱爐加熱到900°C ；
曰將感應加熱完成的鋼棒在前牽引傳動系統的牽動下用高壓噴射水或淬火液進行淬火處理，高壓噴射水或淬火液沿環繞在鋼棒四個等份縱向方向噴出，壓強大于等于8MPa，淬火冷卻速度230°C /s，淬火冷卻時間20秒，使鋼棒溫度冷卻到Ms點以下20°C，
(四)將淬火后的鋼棒在前牽引傳動系統的牽動下經過回火加熱爐加熱到420°C，保溫30秒，保溫在感應線圈或保溫區間箱內進行；
⑶將回火后的鋼棒由后牽引傳動系統牽出冷卻至室溫，前后牽引傳動系統的頻率差為
1.0ΗΖ，冷卻采用水冷與空冷結合，先采用水冷以2V /s的冷卻速率將鋼棒水冷至335°C，然后空冷至270°C，再采用 水冷以4°C /s的冷卻速率將鋼棒水冷至220°C，最后空冷至室溫。
[0024]實施例3
本實施例是一種高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒，其化學成分重量百分比為:C:
0.5%, Si:1.6%, Mn:1.5%, Nb:0.2%, V:0.09%, N1:0.18%、Cr:0.5%、Mo:0.09%、B:0.0045%,Al:0.018%, S:0.006%, T1:0.006%，鑭系稀土:0.2%，Fe:余量；鑭系稀土的組分質量百分比為:鑭:19%，鋪:22%，鐠:24%，釹:19%，鏑:10%，其余鑭系元素:6%。
[0025]本實施例的高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒的加工方法，按以下步驟進行: (-)按重量百分比化學成分在鋼廠冶煉并軋成帶有或沒有螺紋的鋼棒；
(二)將軋好的鋼棒在前牽引傳動系統的牽動下送入感應加熱爐加熱到950°C ；
曰將感應加熱完成的鋼棒在前牽引傳動系統的牽動下用高壓噴射水或淬火液進行淬火處理，高壓噴射水或淬火液沿環繞在鋼棒四個等份縱向方向噴出，壓強大于等于8MPa，淬火冷卻速度250°C /s，淬火冷卻時間30秒，使鋼棒溫度冷卻到Ms點以下30°C，
(四)將淬火后的鋼棒在前牽引傳動系統的牽動下經過回火加熱爐加熱到500°C，保溫60秒，保溫在感應線圈或保溫區間箱內進行；
⑶將回火后的鋼棒由后牽引傳動系統牽出冷卻至室溫，前后牽引傳動系統的頻率差為
1.5HZ，冷卻采用水冷與空冷結合，先采用水冷以2V /s的冷卻速率將鋼棒水冷至350°C，然后空冷至280°C，再采用水冷以5°C /s的冷卻速率將鋼棒水冷至230°C，最后空冷至室溫。
[0026]除上述實施例外，本發明還可以有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發明要求的保護范圍。
【權利要求】
1.一種高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒，其特征在于:其化學成分重量百分比為:C:0.3-0.5%, Si:0.3-1.8%, Mn:0.6-1.5%, Nb:0.02-0.2%, V:0.01-0.1%，Ni:0.01-0.2%,Cr:0.1-0.5%、Mo:0.01-0.1%、B:0.001-0.005%, Fe:余量，其中碳當量 Ceq 小于0.8%。
2.如權利要求1所述的高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒，其特征在于:其化學成分重量百分比為:C:0.45-0.5%, Si:1.5-1.8%, Mn:1.2-1.5%, Nb:0.1-0.2%, V:0.08-0.1%，Ni:0.15-0.2%、Cr:0.3-0.5%、Mo:0.08-0.1%、B:0.004-0.005%, Al:0.017-0.0019%, S:0.005-0.007%, T1:0.005-0.007%,鑭系稀土:0.1-0.3%, Fe:余量，其中碳當量 Ceq 小于0.6% ； 所述鑭系稀土的組分質量百分比為:鑭:15-20%，鈰:22-26%，鐠:20_25%，釹:15_20%，鏑:10-15%，其余鑭系元素:2-6%，以上鑭系稀土各組分之和為100%。
3.如權利要求2所述的高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒，其特征在于:其化學成分重量百分比為:C:0.45%, Si:1.8%, Mn:1.2%, Nb:0.1%，V:0.1%，Ni:0.15%、Cr:0.3%、Mo:0.08%、B:0.004%, Al:0.017%, S:0.005%, T1:0.005%，鑭系稀土:0.1%，Fe:余量； 所述鑭系稀土的組分質量百分比為:鑭:16%，鈰:26%，鐠:20%，釹:20%，鏑:15%，其余倆系兀素:3%。
4.如權利要求2所述的高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒，其特征在于:其化學成分重量百分比為:C:0.48%, Si:1.5%, Mn:1.4%, Nb:0.15%, V:0.08%, N1:0.2%, Cr:0.4%、Mo:0.1%、B:0.005%, Al:0.0019%, S:0.007%, T1:0.007%，鑭系稀土:0.3%, Fe:余量； 所述鑭系稀土的組分質量百分比為:鑭:20%，鈰:25%，鐠:25%，釹:15%，鏑:13%，其余倆系兀素:2%。
5.如權利要求2所述的高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒，其特征在于:其化學成分重量百分比為:C:0.5%, Si:1.6%, Mn:1.5%, Nb:0.2%, V:0.09%, N1:0.18%、Cr:0.5%、Mo:0.09%、B:0.0045%, Al:0.018%, S:0.006%, T1:0.006%，鑭系稀土:0.2%, Fe:余量； 所述鑭系稀土的組分質量百分比為:鑭:19%，鈰:22%，鐠:24%，釹:19%，鏑:10%，其余鑭系元素:6%。
6.權利要求1-5中任一權利要求所述高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒的加工方法，其特征在于:按以下步驟進行: (-)按重量百分比化學成分在鋼廠冶煉并軋成帶有或沒有螺紋的鋼棒； ㈡將軋好的鋼棒送入感應加熱爐加熱到850-950°C ； 曰將感應加熱完成的鋼棒不經過保溫直接用高壓噴射水或淬火液進行淬火處理，淬火冷卻速度200-250°C /s，淬火冷卻時間5-30秒，使鋼棒溫度冷卻到Ms點以下10_30°C ； ㈣將淬火后的鋼棒經過回火加熱爐加熱到390-500°C，保溫10-60秒； ?將回火后的鋼棒冷卻到室溫。
7.如權利要求6所述的高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒的加工方法，其特征在于:所述步驟曰中，將感應加熱完成的鋼棒不經過保溫，使鋼棒表面溫度來不及釋放，奧氏體進入鐵素體轉變過程縮短，形成少量晶粒度極細的鐵素體，晶粒細化的鐵素體不僅可提聞朝性還能提聞強度。
8.如權利要求6所述的高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒的加工方法，其特征在于:所述步驟?中，采用水冷與空冷結合，先采用水冷以1_2°C /s的冷卻速率將鋼棒水冷至320-350°C，然后空冷至250-280°C，再采用水冷以3_5°C /s的冷卻速率將鋼棒水冷至210-230 0C，最后空冷至室溫。
9.如權利要求6或7或8所述的高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒的加工方法，其特征在于:所述步驟曰中，高壓噴射水或淬火液沿環繞在鋼棒四個等份縱向方向噴出，壓力大于等于SMpa ;所述步驟㈣中，保溫在感應線圈或保溫區間箱內進行。
10.如權利要求6或7或8所述的高延性超高強度預應力混凝土用鋼棒的加工方法，其特征在于:鋼棒在前牽引傳動系統的牽動下依次經過加熱、淬火和回火，再由后牽引傳動系統牽出冷卻，前后牽引傳動系統的`頻率差為0.5-1.5Hzo
【文檔編號】C22C38/54GK103484789SQ201310419305
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月16日 優先權日:2013年9月16日
【發明者】姚圣法, 吳海洋 申請人:江蘇天舜金屬材料集團有限公司