抗拉強(qiáng)度2000Mpa及以上的PC鋼棒及熱處理方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種抗拉強(qiáng)度2000Mpa及以上的PC鋼棒及熱處理方法，所述鋼棒包含的成分含量為：0.38-0.50%C，1.50-2.0%Si，0.30-0.50%Mn，0.30-0.60%Cr，以及0.05-0.15%Mo、0.05-0.3%V、0.01-0.03%Nb、0.0005%-0.01%B中的一種或幾種，雜質(zhì)P、S含量不大于0.02%，Cu小于0.15%，余量為鐵和不可避免的其他微量雜質(zhì)。將鋼棒采用感應(yīng)加熱至奧氏體化后水淬冷卻，然后立即進(jìn)行低溫回火，最終獲得的顯微組織為回火馬氏體。該方法可使得鋼棒的力學(xué)性能達(dá)到屈服強(qiáng)度大于1820MPa，抗拉強(qiáng)度大于2000MPa，最大力總伸長(zhǎng)率大于3.5%，心部到表面的硬度均在55HRC以上，并具有焊接性好、熱處理工藝簡(jiǎn)單、易于大批量生產(chǎn)的特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】抗拉強(qiáng)度2000Mpa及以上的PC鋼棒及熱處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種中碳低合金鋼及其生產(chǎn)工藝，具體地，涉及一種抗拉強(qiáng)度達(dá)到或超過(guò)2000MPa的超高強(qiáng)度中碳低合金鋼棒及其熱處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002]預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼棒(SteelBar for Prestressed Concrete,簡(jiǎn)稱 PC 鋼棒)具有高強(qiáng)度韌性、低松弛性以及良好的可焊接性、墩鍛性等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土離心管樁、電桿、高架橋墩、鐵路軌枕等預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中，在國(guó)內(nèi)外具有十分廣闊的應(yīng)用前景。PC鋼棒的生產(chǎn)是采用熱軋盤條為原料，通過(guò)陰螺紋拉拔、感應(yīng)加熱、淬火、回火等工序制成，當(dāng)前國(guó)內(nèi)PC棒的材料牌號(hào)主要有30MnSi (低端)和45Si2Cr (高端)系列。GB/T24587-2009《預(yù)應(yīng)力混凝土鋼棒用熱軋盤條》中規(guī)定了 30MnSi的化學(xué)成分為
0.28-0.33%C, 0.70-1.10%Si，0.90-1.30%Mn, ( 0.25% 的 Cr，( 0.025% 的 P、S，( 0.25%的Ni以及< 0.20%的Cu，其碳當(dāng)量在0.510-0.627之間(碳當(dāng)量計(jì)算公式為:碳當(dāng)量=C+Mn/6+ (Ni+Cu) /15+ (Cr+Mo+V) /5)。45Si2Cr 的化學(xué)成分為 0.43-0.48%C, 1.55-1.95%Si,
0.40-0.70%Μη，0.30-0.60%Cr, ( 0.025% 的 P、S, ( 0.25% 的 Ni,以及≤ 0.20% 的 Cu,其碳當(dāng)量在0.587-0.747之間。
[0003]根據(jù)公開(kāi)資料，把上述兩種熱軋盤條用于生產(chǎn)PC棒時(shí)，30MnSi鋼棒能得到的力學(xué)性能:抗拉強(qiáng)度為1420-1650MPa，屈服強(qiáng)度為1270_1575MPa，最大力總伸長(zhǎng)率為3-4%，HRC為30-48 ；45Si2Cr能得到的力學(xué)性能:抗拉強(qiáng)度為1500_1790MPa,屈服強(qiáng)度為1350-1660MPa，最大力總伸長(zhǎng)率為3_5%，以及42-52范圍內(nèi)的HRC。根據(jù)現(xiàn)有國(guó)標(biāo)GB/T5223.3-2005，對(duì)PC棒的材料成份未作明確規(guī)定，只列出當(dāng)前能達(dá)到的力學(xué)性能，包括最大抗拉強(qiáng)度為1570MPa，屈服強(qiáng)度最大為1420MPa，最大力總伸長(zhǎng)率大于3.5%，斷后伸長(zhǎng)率大于7.0%以及1000h下最低松弛值為2.0 (初始應(yīng)力為抗拉強(qiáng)度的70%時(shí))。由此可知，優(yōu)化成份和改進(jìn)工藝還能使PC棒的力學(xué)性能再上一個(gè)臺(tái)階。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種抗拉強(qiáng)度2000MPa及以上的PC鋼棒及其熱處理方法，通過(guò)調(diào)整化學(xué)成分，改進(jìn)熱處理工藝參數(shù)使得生產(chǎn)的PC鋼棒力學(xué)性能顯著超過(guò)GB/T5223.3-2005《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼棒》中的要求，獲得了更高強(qiáng)度的PC鋼棒。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種抗拉強(qiáng)度2000MPa及以上的PC鋼棒，所述鋼棒包含的成分及其重量百分含量為:0.38-0.50%C, 1.50-2.0%Si，0.30-0.50%Mn,
0.30-0.60%Cr,以及 0.05-0.15%Μο，0.05-0.3%V,0.01-0.03%Nb 和 0.0005%-0.01%B 中的一種或幾種，主要雜質(zhì)P、S含量不大于0.02%, Cu小于0.15%，余量為鐵和熔煉過(guò)程中不可避免的其他微量雜質(zhì)(萬(wàn)分之幾左右的微量雜質(zhì)，如Pb、As、Sb、B1、Cu、Sn等)。其碳當(dāng)量在
0.52-0.803范圍內(nèi)，與現(xiàn)用45Si2Cr的碳當(dāng)量相差不大。[0006]本發(fā)明選擇的PC鋼棒組分及數(shù)量在鋼中的作用:
[0007]C0.38-0.50%
[0008]C碳是強(qiáng)化鋼材最合適的元素，也是強(qiáng)化馬氏體的重要元素，當(dāng)含量低于0.38%時(shí)，很難確保達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度；C含量過(guò)高，鋼的塑性和韌性急劇下降，加工性和焊接性也隨之惡化，特別是當(dāng)碳含量高于0.5%時(shí)易引起回火脆性。
[0009]Sil.5-2.0%
[0010] Si硅是bcc結(jié)構(gòu)，是僅次于碳的強(qiáng)化元素，對(duì)鋼的強(qiáng)度起重要作用，鋼中添加一定量的Si，既能強(qiáng)化馬氏體，又可以保證較高的淬透性；同時(shí)，Si在奧氏體冷卻過(guò)程中能抑制Fe3C滲碳體的形核與長(zhǎng)大，并遲滯發(fā)生回火脆性。
[0011]Mn0.30-0.50%
[0012]Mn對(duì)增加淬透性的作用最強(qiáng)，然而Mn容易偏析，形成MnS等夾雜，惡化鋼的塑性和韌性，并使鋼的焊接性能下降，因此，綜合考慮選取的Mn含量在0.30-0.50%之間。
[0013]Cr0.30-0.60%
[0014]Cr能有效提高鋼的淬透性，在確保硬化深度方面起重要作用；并且Cr對(duì)奧氏體晶粒有細(xì)化作用，鋼中加入一定量的Cr還可提高合金鋼的耐大氣腐蝕性。
[0015]此外，對(duì)可選的微合金元素:
[0016]B為0.0005%-0.01%，成本較低的B元素可以增加鋼的淬透性，有助于提高晶界強(qiáng)度，提高鋼棒的耐延遲斷裂特性。
[0017]Mo為0.05-0.15%，Mo與C結(jié)合形成彌散析出碳化物，細(xì)化晶粒，提高鋼的淬透性和強(qiáng)度。
[0018]Nb為0.01-0.03%, Nb能顯著細(xì)化奧氏體晶粒，從而細(xì)化淬火后的馬氏體，有效的提高鋼的塑性和韌性，同時(shí)Nb具有析出強(qiáng)化作用，且降低鋼棒的韌-脆轉(zhuǎn)折溫度。
[0019]V為0.05-0.3%，V在鋼中析出碳化物起析出強(qiáng)化作用，而且由于主要析出于馬氏體內(nèi)，能提高鋼棒的抗回火軟化性能，有助于在改善塑性和韌性的前提下維持高的強(qiáng)度。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種上述PC鋼棒的熱處理方法，具體為:將鋼棒經(jīng)感應(yīng)加熱使得鋼棒完全奧氏體化后，立即水淬冷卻以獲得全馬氏體組織，鋼棒水淬完成后立即進(jìn)行低溫回火處理，最終獲得顯微組織為回火馬氏體的產(chǎn)物。該發(fā)明可使鋼棒的力學(xué)性能達(dá)到屈服強(qiáng)度大于1820MPa，抗拉強(qiáng)度大于2000MPa，最大力總伸長(zhǎng)率大于3.5%，并具有焊接性好、成本與45Si2Cr、30MnSi等現(xiàn)有產(chǎn)品相差不大、易于大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。
[0021]優(yōu)選的，所述感應(yīng)加熱的溫度范圍為850-1050°C。
[0022]優(yōu)選的，所述低溫回火的溫度范圍為180_250°C。
[0023]優(yōu)選的，所述鋼棒熱處理之后的顯微組織由回火馬氏體組成。
[0024]優(yōu)選的，所述鋼棒的最終顯微組織為體積分?jǐn)?shù)大于95%的回火馬氏體組織。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0026]本發(fā)明可使得鋼棒的力學(xué)性能達(dá)到屈服強(qiáng)度大于1820MPa，抗拉強(qiáng)度大于2000MPa，最大力總伸長(zhǎng)率大于3.5%，心部到表面的硬度均在55HRC以上，并具有焊接性好、熱處理工藝簡(jiǎn)單、易于大批量生產(chǎn)的特點(diǎn)。這種經(jīng)熱處理后的高強(qiáng)度高韌性鋼棒可取代現(xiàn)國(guó)標(biāo)《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼棒》(GB/T5223.3-2005)所列的最高1570MPa級(jí)別的鋼棒，用于高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土離心管樁、電桿、高架橋墩、鐵路軌枕等預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中。【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0028]本發(fā)明鋼棒采用感應(yīng)加熱方式進(jìn)行奧氏體化，選擇的淬火溫度在850_1050°C范圍內(nèi)，并且使得鋼棒完全奧氏體化。鋼棒奧氏體化后立即進(jìn)行水淬處理，以獲得全馬氏體組織。鋼棒水淬完成后立即進(jìn)行低溫回火，回火溫度范圍為180-250°C。鋼棒經(jīng)淬火-回火后，顯微組織由回火馬氏體組成。鋼的最終顯微組織為體積分?jǐn)?shù)大于95%的回火馬氏體組織。
[0029]熔煉表1所列成分(以重量％表示)的鋼，根據(jù)鋼棒組分，調(diào)整熱處理工藝參數(shù)以獲得所需要的力學(xué)性能。
[0030]表1為以wt%表示的成份，其中M1、M2和M3、M4為本發(fā)明實(shí)施例用鋼。
[0031]
【權(quán)利要求】
1.一種抗拉強(qiáng)度2000MPa及以上的PC鋼棒，其特征在于所述鋼棒包含的成分及其重量百分含量為:0.38-0.50%C, 1.50-2.0%Si,0.30-0.50%Μη，0.30-0.60%Cr,以及0.05-0.15%Μο、0.05-0.3%V、0.01-0.03%Nb、0.0005%-0.01%B 中的一種或幾種，主要雜質(zhì) P、S含量不大于0.02%, Cu小于0.15%，余量為鐵和熔煉過(guò)程中不可避免的其他微量雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PC鋼棒，其特征在于所述鋼棒的顯微組織由回火馬氏體組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的PC鋼棒，其特征在于所述鋼棒的最終顯微組織為體積分?jǐn)?shù)大于95%的回火馬氏體組織。
4.一種權(quán)利要求1所述PC鋼棒的熱處理方法，其特征在于:將鋼棒經(jīng)感應(yīng)加熱使得鋼棒完全奧氏體化后，立即水淬冷卻以獲得全馬氏體組織，鋼棒水淬完成后立即進(jìn)行低溫回火處理，最終獲得顯微組織為回火馬氏體的產(chǎn)物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的PC鋼棒的熱處理方法，其特征在于所述感應(yīng)加熱的溫度范圍為850-1050°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的PC鋼棒的熱處理方法，其特征在于所述低溫回火的溫度范圍為180-250°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求4-6任一項(xiàng)的方法，其特征在于所述鋼棒經(jīng)熱處理之后，其力學(xué)性能滿足抗拉強(qiáng)度大于2000MPa，屈服強(qiáng)度大于1820MPa，最大力總伸長(zhǎng)率大于3.5%，屈強(qiáng)比為0.8-0.9之間，初始應(yīng)力為70%公稱抗拉強(qiáng)度時(shí)1000h時(shí)的低松弛小于2.0。
【文檔編號(hào)】E04C5/08GK103643135SQ201310589893
【公開(kāi)日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月20日
【發(fā)明者】郭正洪, 楊繼蘭, 戎詠華, 左訓(xùn)偉, 陳乃錄 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)