專(zhuān)利名稱：用于預(yù)應(yīng)力混凝土的高強(qiáng)、高焊接性的鋼筋和鋼絲的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于預(yù)應(yīng)力混凝土的鋼筋和鋼絲，它們具有改進(jìn)的力學(xué)性能，強(qiáng)度、焊接性提高，高溫松馳減小。
一般都要求用于預(yù)應(yīng)力混凝土的鋼筋和鋼絲(下文中簡(jiǎn)稱PC鋼筋)具有高的抗拉強(qiáng)度以保證有效預(yù)應(yīng)力。根據(jù)JIS的要求，高品質(zhì)的PC鋼筋應(yīng)具有高達(dá)1420N/mm2的抗拉強(qiáng)度。通常，為了高效地制造混凝土樁和混凝土柱，將埋有PC鋼筋的原料混凝土通過(guò)蒸汽高壓養(yǎng)護(hù)工藝加熱至高于100℃，以提高其力學(xué)強(qiáng)度。但是，加熱溫度越高，降低PC鋼筋對(duì)混凝土的預(yù)應(yīng)力作用的松馳越加速。因此，要求PC鋼筋在高溫條件下的應(yīng)力松馳盡量小。此外，要求PC鋼筋具有高的均勻的延伸率，這是對(duì)于給定韌性的一個(gè)基本因素。
在某些應(yīng)用中，焊接性對(duì)PC鋼筋也是必須的。例如，將許多平行放置的PC鋼筋捆綁一起，并點(diǎn)焊到螺旋鋼絲上形成鋼架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)用于混凝土樁或混凝土柱的增強(qiáng)。這種焊接性應(yīng)該足夠高，以使得可用常規(guī)的點(diǎn)焊技術(shù)將鋼筋焊在螺旋鋼絲上。
眾所周知，PC鋼筋是通過(guò)合適的熱處理(包括淬火和回火)而制成的，以賦予它需要的性能或更具體地說(shuō)，具有硬度和韌性的良好的統(tǒng)一。在熱處理時(shí)，熱軋過(guò)的原料鋼筋或鋼絲被冷撥至一定長(zhǎng)度，表面壓紋使其易于與混凝土結(jié)合，再經(jīng)淬火和回火處理。通常，在鋼筋或鋼絲連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們按照要求被反復(fù)加熱和冷卻。
為了減小在高于100℃溫度下的松馳，將常規(guī)PC鋼筋的硅含量由0.2～0.3％(重量，以下均為重量比)提高到0.5～2.0％，或最高可達(dá)2.3％，這在日本專(zhuān)利公報(bào)62—49334(1987)中有公開(kāi)。此外，這項(xiàng)公開(kāi)試圖在快速冷卻之前，通過(guò)將PC鋼筋加熱到一個(gè)回火溫度并同時(shí)施加最小應(yīng)變來(lái)達(dá)到降低高溫松馳并不損失均勻延伸率的效果。
但是，這種高硅PC鋼筋的電阻變大，導(dǎo)致點(diǎn)焊的焊接強(qiáng)度降低(除非焊接電壓增大50％)。因?yàn)樵诂F(xiàn)場(chǎng)使用具有不同硅含量的各種PC鋼筋來(lái)制造鋼架，需要頻繁地調(diào)節(jié)電壓，因此焊接過(guò)程花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間。為此，本發(fā)明的申請(qǐng)人通過(guò)使用鉬已經(jīng)開(kāi)發(fā)并引入了改進(jìn)的焊接性能，這在日本專(zhuān)利公報(bào)3—151445和3—285045(1991)中有敘述。應(yīng)該了解，鉬在市場(chǎng)上只有以高的價(jià)格才能獲得。因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種鉬含量較少的高強(qiáng)PC鋼筋，這種鋼筋焊接性增強(qiáng)，力學(xué)性能得以改進(jìn)。
本發(fā)明的目的是提供一種高強(qiáng)PC鋼筋，其抗拉強(qiáng)度高達(dá)1420N/mm2，高溫松馳作用減小，韌性提高，而不損失焊接性能。更具體地說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明的用于預(yù)應(yīng)力混凝土的高強(qiáng)、高焊接性的鋼筋的特征在于，它含有0.15％～0.40％的碳、0.3～2.0％的硅、0.4％～1.6％的錳和0.08～0.35％的鉬(均以重量計(jì))，以Si＋4Mo結(jié)合的硅和鉬不少于1.0％(重量)，余量為鐵及固有雜質(zhì)，這種鋼筋具有奧氏體晶粒度數(shù)大于或等于9.0的細(xì)的顯微結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，這種PC鋼筋還含有0.01～0.05％的鈦和0.0005％～0.005％的硼，均以重量計(jì)。
一種生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的上述PC鋼筋的方法，包括將原料鋼筋在20秒內(nèi)加熱到850℃～1050℃，該原料鋼筋含有0.15％～0.40％的碳、0.3～2.0％的硅、0.4％～1.6％的錳和0.08～0.35％的鉬(均以重量計(jì))，以Si＋4Mo結(jié)合的硅和鉬不少于1.0％(重量)，余量為鐵及固有雜質(zhì)，將其快速淬火；在25秒內(nèi)將其加熱到一回火溫度，并快速冷卻，以便形成奧氏體晶粒度數(shù)大于或等于9.0的細(xì)的顯微結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，在加熱至回火溫度后，可向PC鋼筋施加不超過(guò)3％的彎曲應(yīng)變的負(fù)載，然后快速地冷卻。


圖1是表示硅和鉬的含量與高溫松弛的關(guān)系曲線圖。
圖2是表示硅和鉬的含量與焊接電流和焊接強(qiáng)度的關(guān)系曲線圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的PC鋼筋的先有奧氏體顯微結(jié)構(gòu)照片。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種含適量鉬以降低硅含量對(duì)焊接性的不利影響的PC鋼筋，而硅含量是降低高溫松弛所必須的，使得這些鋼筋在不提高焊接電壓前提下可可靠地焊接。為獲得最佳效果，應(yīng)仔細(xì)確定含量中的鉬/硅比，由于鉬的作用(它導(dǎo)致碳化物析出)形成奧氏體晶粒度數(shù)9.0或更高的細(xì)的顯微結(jié)構(gòu)。結(jié)果，本發(fā)明的PC鋼筋盡管含有最少量的昂貴的鉬，卻在強(qiáng)度和韌性上都有增加。
本發(fā)明的發(fā)明人通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行并檢驗(yàn)了向用常規(guī)的冷撥、淬火和回火工序制得的PC鋼筋中添加主要元素。圖1表示了一些具有不同硅含量和鉬含量的PC鋼筋(它們含有或不含鈦和硼)在180℃下的高溫松弛的結(jié)果，其中A、B、C和D分別代表鉬含量為0、0.1％、0.2％和0.3％的PC鋼筋，空白和實(shí)心的符號(hào)分別表示含有或不含鈦和硼的情形。顯然可以看出，盡管硅的存在有利于降低高溫松弛，但超過(guò)1.5％時(shí)其效果趨于飽和。還可以看出鉬對(duì)降低高溫松弛是有利的。但是，鈦和硼的存在對(duì)控制高溫松弛幾乎沒(méi)有效果。
本發(fā)明的發(fā)明人進(jìn)行了一個(gè)檢驗(yàn)PC鋼筋和螺旋鋼絲的點(diǎn)焊處的焊接強(qiáng)度的試驗(yàn)。更具體地說(shuō)，用常規(guī)電點(diǎn)焊工藝在1.45V焊接電壓下將每一直徑9.2mm的試驗(yàn)PC鋼筋焊在直徑3.2mm的螺旋鋼絲上，鋼筋和鋼絲之間的電導(dǎo)率通過(guò)電流來(lái)測(cè)量。然后，利用符合JISG3551的“Welded steel net”要求的剪切強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行焊點(diǎn)的力學(xué)強(qiáng)度檢測(cè)。
結(jié)果列于圖2，當(dāng)PC鋼筋不含鉬且硅含量小于1％時(shí)，其焊點(diǎn)的電導(dǎo)率降低，因此物理強(qiáng)度降低。當(dāng)硅含量高于1.5％時(shí)，含鉬PC鋼筋的電導(dǎo)率和強(qiáng)度將不改變或降低較少。此外，在這種情況下，鈦和硼的存在具有某些效果。
從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，本發(fā)明是為直接獲得需要的PC鋼筋。下面將介紹PC鋼筋的化學(xué)組成。
優(yōu)選地，PC鋼筋含0.15—0.40％的碳，因?yàn)槿籼己康陀?.15％，則其強(qiáng)度將低至不利的水平。若碳含量高于0.40％，其韌性和焊接性能都將下降。
硅含量為0.3—2.0％。如果低于0.3％，即使加有鉬，也難以降低其高溫松弛。如果硅含量高于2.0％，高溫松弛將飽和，但韌性和焊接性能降低。
該P(yáng)C鋼筋含0.4—1.6％的錳。錳的存在使硬化工藝容易進(jìn)行，并對(duì)均勻延伸率和韌性的提高有作用。如果其含量低于0.4％，這種優(yōu)點(diǎn)將失去。如果其含量高于1.6％，在淬火后仍將存在不可忽略的奧氏體，因此會(huì)降低其力學(xué)強(qiáng)度。由此，0.4～1.6％的范圍是最佳的。
鉬含量為0.08～0.35％，鉬與硅結(jié)合一起可抑制PC鋼筋的高溫松弛，即使硅含量增加，它也可保持焊接性能。此外，它還提高了硬化效果，并且有助于細(xì)晶粒顯微結(jié)構(gòu)的形成，因此增加了力學(xué)強(qiáng)度和韌性。若鉬含量低于0.08％，上述優(yōu)點(diǎn)將減小，若高于0.35％，則有利的效果將飽和，而費(fèi)用則會(huì)上升。
詳細(xì)地說(shuō)，需保持以Si＋4Mo形式結(jié)合的硅和鉬不低于1.0％。為將高溫松弛限制在一個(gè)給定值，Si＋4Mo最好不小于1.0％，更好為1.4％或更高。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)上述硅和鉬的結(jié)合得到滿足并分別保持其預(yù)定數(shù)值時(shí)，可獲得性能優(yōu)越的PC鋼筋。
此外，為增強(qiáng)焊接性能，可以加入鈦和硼。鈦含量低于0.01％時(shí)不太有效，當(dāng)它超過(guò)0.05％時(shí)將有損于改善。當(dāng)硼含量低于0.0005％時(shí)不太有效，而超過(guò)0.005％時(shí)其效果基本不變。過(guò)多的硼會(huì)使鋼筋在熱軋時(shí)產(chǎn)生裂縫或斷裂。
本發(fā)明的PC鋼筋具有晶粒度數(shù)為9.0或更大的細(xì)的奧氏體晶粒。晶粒度數(shù)在JISG0551中有定義，每平方毫米中的晶粒數(shù)n用n＝2N＋3表示，而晶粒度數(shù)為N。圖3是表明本發(fā)明的PC鋼筋的奧氏體相的顯微照片，它具有晶粒度數(shù)為10.6的細(xì)的顯微結(jié)構(gòu)。通過(guò)本發(fā)明的淬火前熱處理可得到圖3的奧氏體結(jié)構(gòu)。通過(guò)淬火，奧氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)榫Я８?xì)的馬氏體相，因此PC鋼筋的強(qiáng)度和韌性比晶粒度數(shù)小于9.0的常規(guī)鋼筋要高。
本發(fā)明的PC鋼筋是這樣來(lái)生產(chǎn)的將原料鋼冷撥至期望的直徑，如果需要可在其表面壓紋，使其易于與混凝土結(jié)合，淬火并回火。淬火時(shí)，在20秒內(nèi)將PC鋼筋升溫至850—1050℃。這個(gè)快速加熱過(guò)程保留了許多由冷撥產(chǎn)生的奧氏體晶粒的晶核，因而形成了晶粒度數(shù)為9.0或更大的細(xì)的奧氏體顯微結(jié)構(gòu)?？梢酝ㄟ^(guò)高頻感應(yīng)加熱或直接電阻加熱來(lái)進(jìn)行快速升溫。如果加熱至奧氏體化溫度所用時(shí)間超過(guò)20秒，產(chǎn)生的少量晶核在升溫時(shí)會(huì)長(zhǎng)成大晶粒，因此不能獲得期望的細(xì)的顯微結(jié)構(gòu)。
在淬火溫度時(shí)的保溫時(shí)間應(yīng)盡可能地短，但要能夠形成均勻的奧氏體結(jié)構(gòu)。盡管本發(fā)明的原料含有Mo的碳化物析出物，可以抑制奧氏體晶粒的生長(zhǎng)，但保溫時(shí)間最好在20秒以內(nèi)。保溫后的淬火速度應(yīng)不低于100℃/秒，以形成完整的馬氏體結(jié)構(gòu)。
然后進(jìn)行回火，盡可能在25秒內(nèi)升溫至回火溫度以形成均勻回火的馬氏體結(jié)構(gòu)。通常在400—500℃范圍內(nèi)確定回火溫度以達(dá)到預(yù)定的抗拉強(qiáng)度，例如1420N/mm2。在升溫至回火溫度后，在該溫度下保溫一段時(shí)間，例如10秒，再較快地將鋼筋冷卻，以防止由于結(jié)構(gòu)變粗引起強(qiáng)度下降。
作為本發(fā)明的一個(gè)更加優(yōu)選的方法，在加熱至回火溫度過(guò)程中向鋼筋施加小于3％的彎曲應(yīng)變，這將進(jìn)一步地降低高溫松弛。彎曲應(yīng)變的施加可以通過(guò)一排重復(fù)的彎曲輥來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些彎曲輥與矯直機(jī)的輥相似，并布置在用來(lái)加熱連續(xù)供來(lái)的鋼筋的加熱裝置(例如感應(yīng)加熱器)之后。由于彎曲應(yīng)變材料中形成的位錯(cuò)相互纏結(jié)，并且在纏結(jié)析出物如碳化物和氮化物等的作用下位錯(cuò)被限制了運(yùn)動(dòng)，這降低了高溫松弛。
彎曲應(yīng)變小于或等于3％，更優(yōu)選地，小于或等于2％。如果應(yīng)變過(guò)高，將降低韌性和均勻延伸率。如果在施加彎曲應(yīng)變之后，鋼筋在回火溫度保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，產(chǎn)生的位錯(cuò)將消失，因此失去其優(yōu)越的性能。因此，不久以后，例如10秒內(nèi)就應(yīng)實(shí)施強(qiáng)制冷卻。實(shí)施例將有表1所示不同化學(xué)組成的熱軋鋼冷撥至直徑9.2mm的鋼筋。用感應(yīng)加熱在7秒內(nèi)將鋼筋加熱至950℃，在用水淬火之前在該溫度下保溫6秒鐘。將一組鋼筋在5秒鐘內(nèi)加熱至回火溫度，在該溫度下保溫10秒，再用水冷卻。另一組鋼筋被加熱至同樣的回火溫度，加壓使其產(chǎn)生0.9％的彎曲應(yīng)變，加壓后在該溫度下保持5秒，再用水冷卻。另一組鋼筋在25秒鐘中被加熱至與前面各組相同的溫度950℃。根據(jù)組成來(lái)改變回火溫度，使得得到的PC鋼筋抗拉強(qiáng)度大于1420N/mm2。
表1
進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)奧氏體晶粒尺寸，力學(xué)性能，應(yīng)力松弛和焊接強(qiáng)度，結(jié)果列于表2和表3。顯然，本發(fā)明的PC鋼筋的力學(xué)性能與常規(guī)PC鋼筋的相當(dāng)，甚至更高。尤其是，晶粒度數(shù)大于或等于9.0的本發(fā)明PC鋼筋的均勻延伸率高，其它性能也很優(yōu)越。
松馳試驗(yàn)在兩個(gè)不同溫度下進(jìn)行，即在室溫和180℃下進(jìn)行，以檢測(cè)施加1020N/mm2的起始應(yīng)力(預(yù)定屈服應(yīng)力1275N/mm2的80％)時(shí)，在恒定夾距時(shí)應(yīng)力的降低。為了檢測(cè)高溫松弛，將測(cè)試條在4小時(shí)內(nèi)加熱至180℃，再于該溫度下保溫3小時(shí)，然后逐漸冷卻。在施加起始應(yīng)力23小時(shí)以后進(jìn)行測(cè)量。可以看出，在以Si＋4Mo結(jié)合的硅和鉬含量大于1.0％的PC鋼筋上獲得了最好的結(jié)果。還可以看出，在相同含量的材料中，在回火時(shí)施加小的彎曲應(yīng)變可以降低高溫松弛。
表2
*Y是N否表3<
<p>以前面所述相同方式進(jìn)行焊接強(qiáng)度測(cè)試。顯然，含硅量較高的PC鋼筋，鉬在增強(qiáng)抗拉強(qiáng)度方面更具優(yōu)越性。還可清楚地看出，鈦和硼的存在降低了強(qiáng)度的不一致性，因此提高了力學(xué)性能。
如上所述，本發(fā)明的PC鋼筋在降低高溫松弛上是有效的。而高溫松弛在批量生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力混凝土所用的蒸汽高壓養(yǎng)護(hù)中明顯會(huì)加劇。它們?cè)诓皇褂锰厥獾暮附訔l件下，對(duì)通過(guò)點(diǎn)焊形成焊接強(qiáng)度足夠高的增強(qiáng)鋼架是有利的。此外，PC鋼筋在強(qiáng)度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的最高要求前提下，其韌性也很高，因而提供了較好的力學(xué)性能。
權(quán)利要求
1.一種用于預(yù)應(yīng)力混凝土的高強(qiáng)、高焊接性的鋼筋或鋼絲，它含有0.15％～0.40％的碳、0.3～2.0％的硅、0.4％～1.6％的錳和0.08～0.35％的鉬(均以重量計(jì))，其中以Si＋4Mo結(jié)合的硅和鉬不少于1.0％(重量)，余量為鐵及固有雜質(zhì)，這種鋼筋具有奧氏體晶粒度數(shù)大于或等于9.0的細(xì)的顯微結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的用于預(yù)應(yīng)力混凝土的高強(qiáng)、高焊接性能的鋼絲或鋼筋，還含有0.01％～0.05％的鈦和0.0005％～0.005％的硼(均以重量計(jì))。
3.一種生產(chǎn)用于預(yù)應(yīng)力混凝土的高強(qiáng)、高焊接性的鋼筋或鋼絲的方法，包括以下步驟將原料鋼筋在20秒內(nèi)加熱到850℃～1050℃，該原料鋼筋含有0.15％～0.40％的碳、0.3～2.0％的硅、0.4％～1.6％的錳和0.08～0.35％的鉬(均以重量計(jì))，其中以Si＋4Mo結(jié)合的硅和鉬不少于1.0％(重量)，余量為鐵及固有雜質(zhì)，將其快速淬火；在25秒內(nèi)將其加熱到一回火溫度，并快速冷卻，以便形成奧氏體晶粒度數(shù)大于或等于9.0的細(xì)的顯微結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的制備用于預(yù)應(yīng)力混凝土的高強(qiáng)、高焊接性的鋼筋或鋼絲的方法，其中鋼筋或鋼絲還含有0.01％～0.05％的鈦和0.0005％～0.005％的硼(均以重量計(jì))。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4的方法，其中在加熱至回火溫度后，向鋼絲或鋼筋施加負(fù)載，使其彎曲應(yīng)變不超過(guò)3％，然后快速冷卻。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有較好焊接性能的高強(qiáng)鋼絲或鋼筋，其高溫松弛有改善，因而韌性提高。它含有0.3％～2.0％的硅、0.08％～0.35％的鉬，和預(yù)定數(shù)量的碳和錳。如果需要，還可含有鈦和硼。尤其是，以Si+4Mo結(jié)合的硅和鉬不低于1％。在熱處理時(shí)，鋼筋或鋼絲在20秒內(nèi)被加熱，以形成晶粒度數(shù)為9.0或更大的細(xì)的奧氏體顯微結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，當(dāng)鋼筋或鋼絲被加熱至回火溫度時(shí)，向它施加負(fù)載使其彎曲應(yīng)變不超過(guò)3％，然后快速冷卻。
文檔編號(hào)C21D9/52GK1121535SQ9510708
公開(kāi)日1996年5月1日 申請(qǐng)日期1995年6月26日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月27日
發(fā)明者山下英治, 新田一, 溝口茂 申請(qǐng)人:高周波熱煉株式會(huì)社