專利名稱：預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管鋼絲的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種用于預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)的鋼絲，更具體而言，涉及這樣一種PCCP鋼絲，其中通過向普通鋼絲成分中添加B、Ti元素而形成氮化物和碳化物，用于抑制氫元素擴散，從而與現(xiàn)有鋼絲相比，其抗應(yīng)力腐蝕裂紋和氫脆性能明顯增加。
背景技術(shù)：
從根本上來講，混凝土主要用于建筑施工領(lǐng)域，其大體可分為鋼筋混凝土(RC)和預(yù)應(yīng)力混凝土(PC)兩種。近年來，PC在建筑工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。RC和PC的性能會在下文中給予說明。
在生產(chǎn)RC時，需要將鋼筋進行排列，并用鐵絲將其連接，然后將混凝土倒在彼此連接的鋼筋上，使混凝土凝固；而在生產(chǎn)PC時，則是將一種水泥混合物倒在受到拉應(yīng)力作用的鐵絲或鐵絲網(wǎng)上，使水泥混合物凝固。就提高低沖擊抗性的混凝土的韌性這點而言，鋼筋和鐵絲所起的作用相同，但在以下方面兩者所起的作用則不同。
更確切的說，由于RC是將混凝土倒在作為建筑物框架結(jié)構(gòu)的鋼筋上，因此其只能直接用于施工工地。也就是說，鋼筋只是對混凝土起混凝土支架的作用，以防止在混凝土產(chǎn)生裂紋時，混凝土建筑立刻發(fā)生倒塌。
但是與RC不同，PC是在加工廠將混凝土倒在受到拉應(yīng)力的鋼絲上，以形成所需要的形狀，然后在施工工地對其進行組合和施工。
而且，為了解決混凝土抗壓不抗拉的問題，在生產(chǎn)PC時，通過對其鋼絲或鋼絲網(wǎng)施加以拉力，使其產(chǎn)生壓應(yīng)力，用以抵消其所受的外部拉應(yīng)力。這樣，PC便可有效地運用于受外部拉應(yīng)力作用的建筑物上。
與RC相比，由于PC具有更高的外部拉應(yīng)力抗性，從而PCCP可通過將PC應(yīng)用于混凝土管而制得。在生產(chǎn)PCCP時，將受到拉伸作用的鋼絲環(huán)繞在混凝土芯管或混凝土鋼管的外表面，以使壓應(yīng)力作用在芯管或鋼管的外圓周面上，然后在被鋼絲環(huán)繞的芯管或鋼管周圍澆入更多的混凝土，然后使芯管或鋼管周圍的混凝土凝固。
由于施加在PCCP上的內(nèi)外壓力所造成的拉應(yīng)力被鋼絲所產(chǎn)生的壓應(yīng)力所抵消，因此PCCP可以有效地經(jīng)受相當(dāng)大的壓力。當(dāng)然，所用鋼絲應(yīng)能提供維持PCCP耐久性所需的壓應(yīng)力。
但是，構(gòu)成PCCP混凝土所使用的水泥中含有一種作為混合物的AE減水劑，因此水泥中存在1000-3000ppm含量的硫氰酸離子(SCN-1)，這種硫氰酸離子使鋼絲在受到應(yīng)力作用時，會產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象和應(yīng)力腐蝕裂紋，進而造成鋼絲的早期斷裂。因而，縮短了PCCP的使用壽命。
而且，如果在一些諸如沙漠這樣的特殊環(huán)境中使用PCCP，沙土中的氯離子也會造成鋼絲出現(xiàn)氫脆和應(yīng)力腐蝕裂紋現(xiàn)象。
近年來，高壓水傳輸用管線所使用的PCCP還要求具有較高的抗壓性、較輕的重量及較長的壽命。相應(yīng)的，如何提高PCCP鋼絲的抗氫脆性和抗應(yīng)力腐蝕裂紋性成為一項非常重要的課題。
如果PCCP鋼絲中出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象，就會使材料在靜載過時的情況下突然斷裂。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)與許多因素有關(guān)，例如材料、環(huán)境、應(yīng)力等等。此外，應(yīng)力腐蝕裂紋的出現(xiàn)是拉應(yīng)力和所處環(huán)境的腐蝕共同作用的結(jié)果。一旦出現(xiàn)這種裂紋，腐蝕會對應(yīng)力產(chǎn)生促進作用，這又會愈加促進腐蝕，從而形成惡性循環(huán)。
也就是說，應(yīng)力腐蝕裂紋通過鋼絲表面某些氧化層破裂的地方進入鋼絲內(nèi)部，應(yīng)力腐蝕裂紋使得裂紋部分形成造成鋼絲脆化的氫化物，其中在裂紋部分用作擴散態(tài)氫的質(zhì)子氫向晶界處聚集、擴散。這樣，鋼絲便會由于裂紋的快速傳播而斷裂。
為了提高PCCP鋼絲在出現(xiàn)氫脆和應(yīng)力腐蝕裂紋情況下的耐久度，首先就要研究鋼絲對這些情況的抗性如何。FIP(國際預(yù)應(yīng)力協(xié)會)測定法是目前使用較廣的、用于評定鋼絲在PCCP期望壽命內(nèi)對氫脆和應(yīng)力腐蝕裂紋抗性的一種方法。
在FIP測定中，一根保持50±1℃的PCCP鋼絲浸入20wt％的硫氰酸(NH4SCN)溶液中，對該鋼絲施加相當(dāng)于作為臨界抗拉強度(UTS)的斷裂載荷的70％的拉伸載荷，測定鋼絲在此情況下斷裂所需時間，以此來評定其對氫脆和應(yīng)力腐蝕裂紋的抗性。
根據(jù)FIP試驗，現(xiàn)有PCCP鋼絲的斷裂時間一般在80-130小時之間，這比PCCP生產(chǎn)商所要求的標(biāo)準(zhǔn)時間75小時略高。但是，由于要求PCCP鋼絲具有較高強度，這樣往往會造成其抗氫脆性降低。基于FIP試驗，人們一般認(rèn)為具有高強度的鋼絲是劣等的。

發(fā)明內(nèi)容
為了完成本發(fā)明，發(fā)明人對PCCP鋼絲進行了廣泛而深入的研究，力圖解決現(xiàn)有技術(shù)中遇到的諸如現(xiàn)有PCCP鋼絲壽命較短的問題，從而通過向用于制造鋼絲的鋼中添加某種元素開發(fā)出一種PCCP鋼絲，添加的元素可以有效的防止鋼絲出現(xiàn)氫脆和應(yīng)力腐蝕裂紋，進而改善了PCCP鋼絲的電化性能和物理性能。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種用于制造PCCP鋼絲，與現(xiàn)有鋼絲相比，其具有極長的使用壽命，且可在壓力較高的環(huán)境下使用。
上述目的可通過向鋼絲的化學(xué)成分中添加B和Ti而得以實現(xiàn)。
本發(fā)明特征在于，通過向PCCP鋼絲中添加適量的B和Ti這兩種元素，從而抑止氫元素的擴散，進而緩解氫脆。
具體實施例方式
本發(fā)明的PCCP鋼絲包括0.70-0.95wt％的C，0.10-1.0wt％的Si，小于等于0.03wt％的P，小于等于0.03wt％的S，0.1-1.0wt％的Mn，0.001-0.01wt％的B和0.01-0.1wt％的Ti兩者中的至少一種，同時還有平衡量的Fe和無法避免出現(xiàn)的雜質(zhì)物。
另外，如果需要，還可以含有Cr、V和Nb中的至少一種。此時，Cr元素的含量應(yīng)小于等于1.0wt％，V和Nb元素的含量應(yīng)分別小于等于0.3wt％。在生產(chǎn)具有上述成分的PCCP鋼絲時，需對具有這種成分的線材進行酸洗，并用磷酸鹽處理其表面，然后進行拉伸以獲得65-85％的變形(reduction)。
對本發(fā)明中鋼絲所含化學(xué)成分的含量進行上述限定的原因如下。
C，這是鋼的一種基本成分，直接影響鋼材的強度。如果C含量小于0.7wt％，抗拉強度就會不利地降低。同時，如果C含量超過0.95wt％，鋼材就會由于珠光體結(jié)構(gòu)中大量的滲碳體而被大量拉拔(drawn)，進而就會象剝樹皮一樣出現(xiàn)分層剝離現(xiàn)象。
Si，用于清除鋼中的氧氣，并增強鐵素體結(jié)構(gòu)。如果Si元素含量低于0.1wt％，鋼材生產(chǎn)過程中便會出現(xiàn)脫酸不足現(xiàn)象，從而降低鋼材性能。另一方面，如果Si元素含量高于1.0wt％，熱軋鋼材時其表面會形成鉭層。將其從鋼材表面移除氧化皮將非常困難。
P，是鋼中一種難以避免出現(xiàn)的雜質(zhì)。如果P元素含量超過0.03wt％，會造成鋼材低溫韌性降低，并會降低對晶間腐蝕傳播引起的應(yīng)力腐蝕裂紋的抗性。
S，是鋼中一種難以避免出現(xiàn)的雜質(zhì)。如果S元素含量超過0.03wt％，將會降低鋼材的延展性和韌性，并造成熱脆性。
Mn，在鋼材生產(chǎn)過程中起到展示脫酸的作用，并與鋼中的Si結(jié)合在一起，以防止由于S而造成熱脆性。同時，該種元素可以提高鋼材的強度，并有效地減小珠光體層的間距。如果Mn含量小于0.10wt％，上述作用并不能得到良好體現(xiàn)。另一方面，如果Mn元素含量超過1.0wt％，就會增加出現(xiàn)偏析的可能性。此外，還會降低生成馬氏體的臨界冷卻速度，導(dǎo)致難以形成馬氏體結(jié)構(gòu)，從而降低了鋼材的拉延比。
B，會在奧氏體晶界處形成偏析，延緩氫通過晶界而發(fā)生擴散，從而防止出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象。而且，這種元素可以增大鋼材的斷裂韌度，進而增強材料對點狀腐蝕的抗性，同時還可以提高鋼材的硬化性能，從而抑止鐵素體的生成同時促進珠光體中滲碳體的生長。這樣在拉拔過程中，可以減少珠光體和鐵素體晶界處微小缺陷的數(shù)量。如果B的含量少于0.001wt％，則不會起到上述作用。另一方面，如果B含量大于0.01wt％，則線材在熱軋過程中可能發(fā)生斷裂，同時在拉拔工藝過程中還可能會造成內(nèi)裂紋。
Ti會與碳和氮化合，形成碳化物和氮化物，其作用是固定氫，防止其發(fā)生擴散，從而防止出現(xiàn)氫脆。如果Ti含量小于0.01wt％，則上述作用效果不是很明顯。另一方面，如果Ti含量超過0.1wt％，則碳化物和氮化物則會過度沉淀，造成鐵素體延展性降低，從而會在拉拔過程中出現(xiàn)內(nèi)裂紋。而且鋼材容易疲勞。
Cr的作用是提高鋼材的硬化性能，以獲得精細(xì)珠光體，從而提高鋼材的強度和延展性。如果Cr含量超過1.0wt％，則在鋼材冷卻過程中會形成一種硬度很高的馬氏體組織，從而降低鋼材的韌性。
V和Nb與碳和氮發(fā)生化合，形成碳化物和氮化物，以使B發(fā)揮最大的作用。然而，如果這兩種元素含量超過0.3wt％，則碳化物和氮化物則會過度沉淀，因此降低鐵素體的延展性。從而在回火過程中出現(xiàn)內(nèi)裂紋，降低鋼材的疲勞抗性。
下方表1所示為鋼材中各種化學(xué)成分的含量，為了保證具有該含量化學(xué)成分的PCCP鋼絲的性能，生產(chǎn)出的每種鋼材的直徑為13mm。冷拔后，鋼絲直徑為6.35mm。
表1(單位wt％)

對含有表1所述化學(xué)成分的PCCP鋼絲進行抗拉強度測試，并測量其斷面收縮率。另外還需對其進行FIP測試。此時，為了減小鋼絲表面粗糙度的影響，每個測試件的表面均在20℃下進行拋光，使其表面粗糙度范圍均在1至1.5μmRa。
在進行FIP測試時，測試件浸在20wt％的硫氰酸鹽溶液中，施加以其斷裂載荷(UTS)70％的拉力載荷，測量測試件的斷裂時間。即使測試件的化學(xué)成分完全相同，F(xiàn)IP試驗的數(shù)據(jù)分散度卻要大于拉伸試驗數(shù)據(jù)的分散度。因此抗拉強度和端面收縮率以平均值給出，并給出所有FIP試驗數(shù)據(jù)。下表2所示為所測試驗數(shù)據(jù)。
表2

從表2可以明顯看出，本發(fā)明材料A、B、C、D、E、F、G和H與參照材料L、M、N和O具有相似的抗拉強度，但在FIP試驗中，與平均值最高的參照材料O相比，本發(fā)明材料對氫脆和應(yīng)力腐蝕裂紋的抗性要高56％(本發(fā)明材料B)到92％(本發(fā)明材料G)。另外，對于所有本發(fā)明材料A至K而言，與平均值最高的參照材料O相比，本發(fā)明材料的FIP測試值要高15％(本發(fā)明材料K)到92％(本發(fā)明材料G)。
另外，為了找出本發(fā)明材料優(yōu)于參照材料的原因，對進行FIP測試后斷裂試件的組織進行了觀察。觀察發(fā)現(xiàn)，在那些由于應(yīng)力腐蝕而出現(xiàn)晶間裂紋的部位，尤其是出現(xiàn)裂紋較為細(xì)小的部位，發(fā)現(xiàn)了Ti、B的細(xì)小碳化物和氮化物。
因此可以認(rèn)為，Ti、B的細(xì)小碳化物和氮化物可以阻止氫元素在鋼材中的擴散，從而防止細(xì)小裂紋的出現(xiàn)。
本發(fā)明材料C中含有Ti和B，但不含Cr、V及Nb，與其相比，在其他本發(fā)明材料D、E、F、G、H、I、J、K中則含有Cr、V和Nb這些元素中的至少一種，其中，材料D、E、F、G、H具有較大的FIP測試值或相似的測試值，而其他材料I、J、K的測試值較低。這說明，我們可以根據(jù)鋼材性能的需要，有選擇的添加Cr、V或Nb這些元素。
盡管與其它幾種發(fā)明材料相比，本發(fā)明材料I、J、K的FIP測試值較低，但仍比用作參照材料的現(xiàn)有鋼絲的測試值高15％，增加了10kgf/mm2。從而可以看出，本發(fā)明材料的抗壓性能得到了極大的提高。
如前文所述，本發(fā)明提供了一種PCCP鋼絲，其進步性在于，與現(xiàn)有鋼絲相比，其具有更較高的抗氫脆和應(yīng)力腐蝕裂紋性能。因此，本發(fā)明鋼絲有望提高PCCP的使用壽命。
盡管出于說明的目的而對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了詳細(xì)說明，但應(yīng)當(dāng)理解，在不偏離本發(fā)明在權(quán)利要求中所限定的范圍和要旨的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對該發(fā)明進行各種修正、添補及替換。
權(quán)利要求
1.一種預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土管鋼絲，包括0.70-0.95wt％C，0.10-1.0wt％Si，0.03wt％或更少量的P，0.03wt％或更少量的S，0.1-1.0wt％Mn，以及0.001-0.01wt％B和0.01-0.1wt％Ti兩者中的至少一種，同時含有平衡量的Fe及無法避免出現(xiàn)的雜質(zhì)。
2.一種預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土管鋼絲，包括0.70-0.95wt％C，0.10-1.0wt％Si，0.03wt％或更少量的P，0.03wt％或更少量的S，0.1-1.0wt％Mn，0.001-0.01wt％B和0.01-0.1wt％Ti兩者中的至少一種，以及1.0wt％或更少量的Cr、0.3wt％或更少量的V、0.3wt％或更少量的Nb三者中的至少一種，同時含有平衡量的Fe及無法避免出現(xiàn)的雜質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土管鋼絲，其具有良好的抗應(yīng)力腐蝕裂紋和氫脆性能，其包括0.70－0.95wt％C，0.10－1.0wt％含量的Si，0.03wt％或更少量的P，0.03wt％或更少量的S，0.1－1.0wt％量的Mn，以及0.001－0.01wt％量的B和0.01－0.1wt％量的Ti中的至少一種，同時還含有平衡量的Fe和無法避免出現(xiàn)的雜質(zhì)。另外，還應(yīng)添加Cr、V及V元素中的至少一種。特別的，本發(fā)明的技術(shù)特征在于，與現(xiàn)有鋼絲相比，本發(fā)明鋼絲含有B和Ti元素。B和Ti用于形成碳化物和氮化物，它們可以阻止氫元素的擴散，從而與現(xiàn)有鋼絲相比，對氫脆和應(yīng)力腐蝕裂紋的抗性明顯提高。這樣便顯著延長了預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土管的使用壽命。
文檔編號C22C38/14GK1847436SQ200510064988
公開日2006年10月18日 申請日期2005年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月13日
發(fā)明者潘德榮, 曹明鉉 申請人:高麗制鋼株式會社