一種高強熱處理鋼筋及其製造方法
2023-09-27 05:51:30 1
專利名稱：一種高強熱處理鋼筋及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種高強熱處理鋼筋及其製造方法，更具體地說，本發明涉及一種抗拉強度高並且耐延遲斷裂的高強熱處理鋼筋及其製造方法。
背景技術：
在混凝土用鋼筋用作預應力筋時，一般都要求具有較高的抗拉強度及低的鬆弛性能，同一強度級別的普通鬆弛鋼筋和低鬆弛鋼筋，在初始載荷均為1425MPa而其它使用條件相同情況下，50年後，低鬆弛鋼筋的最終應力為1131. 5MPa，而普通鬆弛鋼筋的最終應力為991MPa，低鬆弛鋼筋較普通鬆弛鋼筋的最終應力值提高了 14.2%。與普通鬆弛級鋼筋相t匕，低鬆弛預應力鋼筋具有高的彈性變形極限、高的抗屈服能力以及較低的鬆弛損失，它將
最終取代普通鬆弛級鋼筋，得到全面應用。目前，絕大部分預應力混凝土工程施工均採用低鬆弛預應力鋼材，而普通鬆弛預應力鋼材已趨淘汰。預應力混凝土用鋼筋在追求高強度、高韌性的同時，也將屈強比作為一項重要指標，因為鋼的屈強比越低，則意味著高加工硬化指數和高均勻延伸率。若將低屈強比鋼棒應用在建築上，就可以提高建築物的抗震性能。而傳統的淬回火熱處理工藝所得到的鋼棒的屈強比偏高，可以達到97%，致使抗拉強度與屈服強度的差值較小，安全儲備不足，是建材的危險因素，因而建築鋼材的屈強比問題，已經成為滿足預應力混凝土結構安全儲備的重要課題。然而，當鋼筋用作預應力鋼筋時，現有的鋼筋並不能做到兼顧高強高塑、低鬆弛與低屈強比。隨著汽車、機械、建築等行業的發展，在工程機械、土木建築、汽車、建設機械領域都不斷提出了鋼材高強化的要求，但是，隨著強度的提高，特別是當抗拉強度超過1200MPa時，抗延遲斷裂性能顯著降低，這是低合金馬氏體鋼高強化遇到的一個最主要的問題。在高強度鋼實際開發和應用過程中，經常遇到一系列的延遲斷裂問題。例如美國通用汽車公司由於安裝在轎車底部控制架上的鋼材發生延遲斷裂造成交通事故，最終在640萬輛轎車上更換了材料；1995年阪神大地震後損壞構件的鋼筋斷口發現了延遲斷裂；鋼材生產企業在鋼絲收線機上或驗收打卷之後的靜置過程中突然發生脆斷現象；管樁企業的鋼筋盤卷在靜置庫存、縱向張拉、管樁離心成型、管樁蒸汽養護和蒸壓養護時，甚至已放在成品堆場中的成品管樁內都會發生脆性斷裂現象等。
發明內容
本發明提供了一種能夠解決現有技術中的一種或多種問題的高強熱處理鋼筋及其製造方法，以應對現代化建築的發展要求，本發明的高強耐延遲斷裂鋼筋可以同時適應不同用途的鋼筋的要求。本發明的一方面提供了一種高強熱處理鋼筋，所述鋼筋經過感應加熱處理，冷卻時使鋼筋先緩冷至兩相區，再進行快速冷卻處理，其中，所述鋼筋的力學性能滿足抗拉強度1200-1800MPa，延伸率10%以上，屈強比彡0. 9，並且鬆弛性能滿足初始應力為公稱抗拉強度的70%時1000小時的應力鬆弛率彡2%。根據本發明的一方面，可將鋼筋快速感應加熱到Ac3以上溫度進行奧氏體化，緩冷至兩相區後使鋼筋冷卻至剩餘溫度為200°C至450°C，將鋼筋保溫5s-45s後，不經回火直接快速冷卻到200°C以下。根據本發明的一方面，在感應加熱的過程中可將鋼筋加熱至820°C _950°C。根據本發明的一方面，在將鋼筋緩冷至兩相區後的保溫過程中可向所述鋼筋施加負載，使其彎曲應變不超過3 %，然後快速冷卻。根據本發明的一方面，在將鋼筋緩冷至兩相區的步驟中，可使鋼筋冷卻至720 0C -800。。。
根據本發明的一方面，所述鋼筋的組織結構可為回火屈氏體+鐵素體、回火索氏體+鐵素體或者回火馬氏體+貝氏體+鐵素體。根據本發明的一方面，所述鋼筋按重量計可含有0. 15-0. 5%的C、小於或等於2%的Si、0. 5-2. 0%的Mn，餘量為Fe及不可避免雜質。根據本發明的一方面，所述鋼筋還可包含Ti、V、Nb元素中的一種或幾種。本發明的另一方面提供了一種高強熱處理鋼筋的製造方法，該方法包括下述步驟對鋼筋進行感應加熱處理；使鋼筋緩冷至兩相區；對鋼筋進行快速冷卻處理，其中，所述鋼筋的力學性能滿足抗拉強度1200-1800MPa，延伸率10%以上，屈強比彡0. 9，並且鬆弛性能滿足初始應力為公稱抗拉強度的70%時1000小時的應力鬆弛率< 2%。根據本發明的一方面，在感應加熱處理的步驟中可將鋼筋快速感應加熱到Ac3以上溫度進行奧氏體化，使鋼筋緩冷至兩相區的步驟後使鋼筋冷卻至剩餘溫度為200°C至4500C，然後，將鋼筋保溫5s-45s後，不經回火直接快速冷卻到200°C以下。根據本發明的一方面，在加熱處理的步驟中可將鋼筋加熱至820°C _950°C。根據本發明的一方面，可在將鋼筋緩冷至兩相區後的保溫過程中向所述鋼筋施加負載，使其彎曲應變不超過3 %，然後快速冷卻。根據本發明的一方面，在將鋼筋緩冷至兩相區的步驟中，可使鋼筋稍冷卻至720 0C -800。。。根據本發明的一方面，所述鋼筋的組織結構可為回火屈氏體+鐵素體、回火索氏體+鐵素體或者回火馬氏體+貝氏體+鐵素體。根據本發明的一方面，所述鋼筋按重量計可含有0. 15-0. 5%的C、小於或等於2%的Si、0. 5-2. 0%的Mn，餘量為Fe及不可避免雜質。根據本發明的一方面，所述鋼筋還可包含Ti、V、Nb元素中的一種或幾種。根據本發明的一方面，可將鋼筋經拉拔或輥模拉拔形成螺旋槽、螺旋肋或刻痕表面形狀後再進行熱處理，或可以直接以帶肋或光圓的原料直接進行熱處理。本發明的高強熱處理鋼筋具有高強高塑、低屈強比與低鬆弛的特點，在節約了鋼材的同時，提高了建築的安全儲備能力。此外，本發明的鋼筋的耐延遲斷裂性能得到改善。
通過下面結合附圖進行的對實施例的描述，本發明的上述和/或其他目的和優點將會變得更加清楚，其中圖I是根據本發明示例性實施例的高強熱處理鋼筋的熱處理工藝曲線；圖2是根據現有技術的高強混凝土用鋼筋的熱處理工藝曲線；圖3是現有技術中的高強混凝土用鋼筋的金相組織照片(500倍)；圖4是根據本發明實施例的高強熱處理鋼筋的金相組織照片(500倍)。
具體實施例方式下面將結合附圖詳細地描述本發明，在附圖中示出了本發明的示例性實施例，然而，提供這些實施例僅僅是出於充分公開的目的，從而將本發明的原理充分地傳達給本領域技術人員，不應將提供的示例性實施例解釋為用於限制本發明的範圍。本發明的範圍由 權利要求書及其等同物限定。本發明的一個實施例提供了一種高強熱處理鋼筋，所述鋼筋可經過感應加熱處理。在加熱處理之後的冷卻過程中，先將鋼筋緩冷至兩相區，然後再進行快速冷卻處理。經過上述處理後，鋼筋的力學性能能夠滿足抗拉強度1200-1800MPa，延伸率10%以上，屈強比< 0. 9，並且鬆弛性能滿足下述條件，S卩，在初始應力為公稱抗拉強度的70%時的情況下，1000小時的應力鬆弛率彡2%。根據本發明的一個實施例，在加熱處理的過程中，將鋼筋快速感應加熱到Ac3以上溫度進行奧氏體化，例如，可將鋼筋加熱至820°C -950°C。在冷卻過程中，緩冷至兩相區後，使鋼筋冷卻至剩餘溫度為200°C至450°C，然後，將鋼筋保溫一定時間後，不經回火直接快速冷卻到200°C以下。根據本發明的一個實施例，保溫的時間可為5s-45s。根據本發明的一個實施例，緩冷後的冷卻速度可為100-1000°C /s，然而本發明不限於此，可使用本領域技術人員所常用的各種冷卻方法(例如，水冷等)來對鋼筋進行冷卻處理。根據本發明的另一實施例，還可在保溫的過程中，向鋼筋施加一定的負載，從而使鋼筋的彎曲應變不超過3%，然後再進行快速冷卻。經過上述處理之後，鋼筋的組織結構可以是回火屈氏體+鐵素體、回火索氏體+鐵素體或者回火馬氏體+貝氏體+鐵素體。根據本發明的一個實施例，還可在將鋼筋緩冷至兩相區的步驟中，可使鋼筋冷卻至約720-800°C的溫度，其目的是可以產生針(片)狀的鐵素體組織。本發明所使用的高強熱處理鋼筋可以是各種能夠用於預應力混凝土的鋼筋，根據本發明的一個實施例，該鋼筋按重量計含有0. 15-0. 5%的C、小於或等於2%的Si、
0.5-2. 0 %的Mn、餘量為Fe及不可避免雜質。根據本發明的其它實施例，鋼筋還可包含Ti、V、Nb等中的一種或幾種，以進一步改變其性能。根據本發明的鋼筋產品可包括鋼棒和鋼絲，其直徑範圍可為0>5-0>16臟。原料鋼筋經拉拔或輥模拉拔形成螺旋槽、螺旋肋、刻痕等表面形狀後進行熱處理，或者也可以不經拉拔而使用帶肋或光圓的原料直接進行熱處理。本發明的冷卻的步驟可使用冷卻裝置執行，在該冷卻裝置中可設置多組環錐形水冷卻噴嘴。其中，在緩冷階段中，可採用該多組環形冷卻噴嘴進行風冷或者霧冷。多組環錐形水冷卻噴嘴的噴射角度為20-45°，即，噴射方向與鋼筋運行方向成20-45°角，噴水壓力為3-10kg/mm2的不同等級。另外，雖然本發明不包括回火的步驟，但本發明仍可在現有的具有回火爐的生產線上進行生產，在這種情況下，可使鋼筋不經過回火爐或者不開啟回火爐。因此，可在同一條生產線上生產多種不同性能的鋼筋。本發明的其它實施例還提供了一種預應力混凝土用鋼筋的製造方法，該方法可包括下述步驟對鋼筋進行感應加熱處理；使鋼筋緩冷至兩相區；對鋼筋進行快速冷卻處理。經過上述處理後，鋼筋的力學性能能夠滿足抗拉強度1200-1800MPa，延伸率10%以上，屈強比< 0. 9，並且鬆弛性能滿足下述條件，即，在初始應力為公稱抗拉強度的70%時的情況下，1000小時的應力鬆弛率< 2%。經過本發明的方法處理後的鋼筋的組織結構可為回火屈氏體+鐵素體、回火索氏體+鐵素體或者回火馬氏體+貝氏體+鐵素體。根據本發明的一個實施例，在加熱處理的步驟中，將鋼筋快速感應加熱到Ac3以上溫度進行奧氏體化，在使鋼筋緩冷至兩相區的步驟之後，使鋼筋冷卻至剩餘溫度為200°C至450°C，然後，將鋼筋保溫一定時間後，不經回火直接快速冷卻到200°C以下。其中，在加熱處理的步驟中，可將鋼筋加熱至820°C _950°C，保溫的時間可為5s-45s。根據本發明的另一實施例，在將鋼筋保溫的過程中，可向所述鋼筋施加負載，使其 彎曲應變不超過3 %，然後快速冷卻。本發明的方法可用於各種能夠在預應力混凝土中使用的鋼筋，優選地，根據本發明的一個實施例，鋼筋按重量計含有0. 15-0. 5%的C、小於或等於2%的Si、0. 5-2. 0%的Mn，餘量為Fe及不可避免雜質。根據本發明的其它實施例，鋼筋還可包含Ti、V、Nb等中的一種或幾種，以進一步改變鋼筋的性能。下面將通過本發明的示例性工藝過程來更詳細地描述本發明。圖I是根據本發明示例性實施例的預應力混凝土用高強耐延遲斷裂鋼筋的熱處理工藝曲線，圖2是根據現有技術的高強混凝土用鋼筋的熱處理工藝曲線。圖2中示出了現有技術中的熱處理工藝曲線。在圖2中，Tai:奧氏體化溫度，770-8700C ；TB1 :回火段溫度，400-580°C :奧氏體化後的冷速，100-1000°C /s J1 』 水冷。圖3示出的現有技術中的熱處理工藝均包括了回火工藝，需要更長的工藝處理時間、更高的能耗,因此其成本較高並且生產率低。圖I是根據本發明示例性實施例的預應力混凝土用高強耐延遲斷裂鋼筋的熱處理工藝曲線。參照圖1，根據本發明示例性實施例的預應力混凝土用高強耐延遲斷裂鋼筋的熱處理工藝在熱處理過程中，首先將鋼筋快速加熱到奧氏體化溫度Ta2 (約820°C至950°C )，然後使鋼筋緩冷至兩相區Ta2(約720-800°C)，其目的是可以產生針(片)狀的鐵素體組織。然後，使鋼筋緩冷至剩餘溫度Tb2 (大約200°C至大約450°C)，保溫一定時間(大約5s至45s)之後將鋼筋直接快速冷卻至200°C以下。根據本發明的示例性實施例，本發明的該工藝過程還可包括將鋼筋採用模具拉拔或輥模拉拔成形，或不經過拉拔直接進行熱處理，鋼筋在熱處理時均採用感應爐加熱，將鋼筋迅速加熱到奧氏體化溫度進行奧氏體化熱處理，然後按照本發明的冷卻方法進行冷卻。根據本發明的示例性工藝可採用0. 15-0. 5% C、彡2% Si、0. 5-2. 0% Mn成分的熱軋盤條為原料，可以生產出1200-1800MPa抗拉強度、延伸率10%以上，最大力下伸長率Agt不小於3. 5%，屈強比<0. 9，鬆弛性能滿足初始應力為公稱抗拉強度的70%下1000小時的應力鬆弛率< 2%的預應力鋼筋，具有良好的耐延遲斷裂性能。
此外，由於在鋼筋的冷卻裝置中可設置有多組環錐形水冷卻噴嘴，所以可以得到理想的冷卻效果。雖然參照熱處理工藝曲線描述了本發明，但是本領域技術人員應當理解，在實施本發明的過程中，由於工藝條件等的限制，溫度的上升、下降、保持等工藝過程均可能產生一定的溫度波動，這些波動也包括在本發明的範圍內。下面將參照具體實施例來描述本發明的示例性實施例，圖3是現有技術中的高強混凝土用鋼筋的金相組織照片(500倍)。圖4是根據本發明實施例的預應力混凝土用高強耐延遲斷裂鋼筋的金相組織照片(500倍)。對比例I :使用化學成分為C0. 32%、Si 0. 71%, Mn I. 00%，其餘為鐵和不可避免的雜質 的工業用熱軋盤條作為原料，將該盤條經拉拔變形後形成螺旋槽外形，然後，使用高中頻感應加熱爐在5s內將鋼筋由室溫加熱至780°C，經過2s的保溫後進行冷卻，冷卻速度不低於IOO0C /S，然後，在5s內經感應加熱至520°C，加壓使鋼筋產生0. 8%的彎曲應變，保溫5s後水冷。實施例I :使用化學成分為C0. 24%、Si 0. 57%,Mn I. 40%，其餘為鐵和不可避免的雜質的工業用熱軋盤條作為原料。將該盤條經過拉拔變形後形成螺旋槽外形，然後，使用高中頻感應加熱爐在5s內將鋼筋由室溫加熱至900°C，然後進行冷卻，先通過霧冷使鋼筋冷卻至兩相區，然後使鋼筋冷卻至剩餘溫度為大約450°C，然後，對鋼筋進行等溫處理，等溫處理過程中加壓使鋼筋產生0. 8%的彎曲應變，其中，等溫處理IOs後進行水冷，以使鋼筋冷卻至200°C以下。對比例I所得到的產品具有良好的強韌性，該鋼筋的屈服強度為1090MPa，抗拉強度為1195MPa，斷後伸長率A為16.0%，最大力下伸長率Agt為5. 0%，金相組織為回火索氏體+鐵素體或者回火屈氏體+鐵素體，如圖3所示。實施例I所得到的產品的抗拉強度為1760MPa，屈服強度1150MPa，斷後伸長率A為11. 0%，最大力下伸長率Agt為5.5%，具有良好的耐延遲斷裂性能，金相組織為回火馬氏體+貝氏體+鐵素體，如圖4所示。可見，根據本發明的鋼筋與現有技術中的鋼筋相比具有良好的耐延遲斷裂性能。另外，雖然使用了中低碳鋼，但使用本發明的方法仍然能生產出超高強度鋼筋。本發明的預應力混凝土用鋼筋具有高強高塑、低屈強比與低鬆弛的特點，在節約了鋼材的同時，提高了建築的安全儲備能力。此外，本發明的鋼筋的耐延遲斷裂性能得到改
盡
口 o雖然已經結合附圖描述了本發明的示例性實施例，但是本領域普通技術大員應當理解，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可以對這些實施例進行各種修改和改變，本發明的範圍由權利要求書及其等同物限定。
權利要求
1.一種高強熱處理鋼筋，其特徵在於所述鋼筋經過感應加熱處理，冷卻時使鋼筋先緩冷至兩相區，再進行快速冷卻處理，其中，所述鋼筋的力學性能滿足抗拉強度1200-1800MPa,延伸率10%以上，屈強比彡O. 9，並且鬆弛性能滿足初始應力為公稱抗拉強度的70%時1000小時的應力鬆弛率彡2%。
2.如權利要求I所述的高強熱處理鋼筋，其特徵在於將鋼筋快速感應加熱到Ac3以上溫度進行奧氏體化，緩冷至兩相區後使鋼筋冷卻至剩餘溫度為200°C至450°C，將鋼筋保溫5s-45s後，不經回火直接快速冷卻到200°C以下。
3.如權利要求2所述的高強熱處理鋼筋，其特徵在於在感應加熱的過程中將鋼筋加熱至 820°C -950°C。
4.如權利要求2所述的高強熱處理鋼筋，其特徵在於在將鋼筋緩冷至兩相區後的保溫過程中向所述鋼筋施加負載，使其彎曲應變不超過3 %，然後快速冷卻。
5.如權利要求2所述的高強熱處理鋼筋，其特徵在於在將鋼筋緩冷至兩相區的步驟中，使鋼筋冷卻至720°C -800°C。
6.如權利要求I所述的高強熱處理鋼筋，其特徵在於所述鋼筋的組織結構為回火屈氏體+鐵素體、回火索氏體+鐵素體或者回火馬氏體+貝氏體+鐵素體。
7.如權利要求I所述的高強熱處理鋼筋，其特徵在於所述鋼筋按重量計含有O.15-0. 5%的C、小於或等於2%的Si、O. 5-2. 0%的Mn，餘量為Fe及不可避免雜質。
8.如權利要求7所述的高強熱處理鋼筋，其特徵在於所述鋼筋還包含Ti、V、Nb元素中的一種或幾種。
9.一種高強熱處理鋼筋的製造方法，其特徵在於該方法包括下述步驟 對鋼筋進行感應加熱處理； 使鋼筋緩冷至兩相區； 對鋼筋進行快速冷卻處理， 其中，所述鋼筋的力學性能滿足抗拉強度1200-1800MPa，延伸率10%以上，屈強比(O. 9，並且鬆弛性能滿足初始應力為公稱抗拉強度的70%時1000小時的應力鬆弛率(2%。
10.如權利要求9所述的方法，其特徵在於在感應加熱處理的步驟中將鋼筋快速感應加熱到Ac3以上溫度進行奧氏體化，使鋼筋緩冷至兩相區的步驟後使鋼筋冷卻至剩餘溫度為200°C至450°C，然後，將鋼筋保溫5s-45s後，不經回火直接快速冷卻到200°C以下。
11.如權利要求10所述的方法，其特徵在於在感應加熱處理的步驟中將鋼筋加熱至8200C -950O。
12.如權利要求10所述的方法，在將鋼筋緩冷至兩相區後的保溫過程中向所述鋼筋施加負載，使其彎曲應變不超過3 %，然後快速冷卻。
13.如權利要求10所述的方法，其特徵在於在將鋼筋緩冷至兩相區的步驟中，使鋼筋冷卻至 720°C -800°C。
14.如權利要求9所述的方法，其特徵在於所述鋼筋的組織結構為回火屈氏體+鐵素體、回火索氏體+鐵素體或者回火馬氏體+貝氏體+鐵素體。
15.如權利要求9所述的方法，其特徵在於所述鋼筋按重量計含有O.15-0. 5%的C、小於或等於2%的Si、0. 5-2. 0%的Mn,餘量為Fe及不可避免雜質。
16.如權利要求14所述的方法，其特徵在於所述鋼筋還包含Ti、V、Nb元素中的一種或幾種。
17.如權利要求9所述的方法，其特徵在於將鋼筋經拉拔或輥模拉拔形成螺旋槽、螺旋肋或刻痕表面形狀後再進行熱處理，或直接以帶肋或光圓的原料直接進行熱處理。
全文摘要
本發明公開了一種高強熱處理鋼筋及其製造方法，所述鋼筋經過感應加熱處理，冷卻時使鋼筋先緩冷至兩相區，再進行快速冷卻處理，其中，所述鋼筋的力學性能滿足抗拉強度1200-1800MPa，延伸率10％以上，屈強比≤0.9，並且鬆弛性能滿足初始應力為公稱抗拉強度的70％下1000小時的應力鬆弛率≤2％。
文檔編號C21D1/42GK102851467SQ201210335750
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月11日 優先權日2012年9月11日
發明者張巖, 林雙平, 苗明明 申請人:中國鋼研科技集團有限公司, 新冶高科技集團有限公司