一种合金钢及其精轧螺纹钢筋的生产方法以及精轧螺纹钢筋

摘要

本发明涉及一种合金钢及其精轧螺纹钢筋的生产方法以及精轧螺纹钢筋。所述的合金钢的成分按照重量百分比计为：C：0.21％～0.26％、Si：1.5％～2.0％、Mn：1.2～1.8％、Cr：1.2％～1.8％、Ni：0.1％～0.4％、Mo：0.15％～0.4％、B：0.0005％～0.003％、P50mm的PSB1080、PSB930、PSB830级别精轧螺纹钢筋。本发明通过建立新的合金体系和调质热处理工艺，保证了钢材整个截面微观组织的细化和均匀化，在保证精轧螺纹钢筋的强度的同时提高韧塑性，具有良好的力学综合性能。

说明书

技术领域

本发明属于精轧螺纹钢筋技术领域，具体是涉及一种合金钢及其高 强度(PSB830、PSB930、PSB1080级别)超大规格(直径>Φ50mm)精 轧螺纹钢筋的生产方法以及精轧螺纹钢筋。

背景技术

预应力混凝土用螺纹钢筋(也称精轧螺纹钢筋，以下均简称精轧螺 纹钢筋)是在整根钢筋上轧有外螺纹的大直径、高强度、高尺寸精度的 直条钢筋。该钢筋在任意截面处都拧上带有内螺纹的连接器进行连接或 拧上带螺纹的螺帽进行锚固。精轧螺纹钢筋广泛应用于大型水利工程、 工业和民用建筑中的连续梁和大型框架结构，公路、铁路大中跨桥梁、 核电站及地锚等工程。它具有连接、锚固简便，粘着力强，张拉锚固安 全可靠，施工方便等优点，而且节约钢筋，减少构件面积和重量。在GB/T 20065-2006《预应力混凝土用螺纹钢筋》中精轧螺纹钢筋的公称直径范围 为18mm～50mm，目前国内生产的精轧螺纹钢筋最大规格为75mm，其 次是63.5mm，不过这两种超大规格钢材因为生产难度大直接影响其性 能、产量和工程应用。因此为了满足我国建筑工程对超大直径精轧螺纹 钢筋的需求，迫切要求在现有的生产设备条件下，开发一种新的超大直 径精轧螺纹钢筋品种：同时保证强度和塑性。

目前在生产超大规格(>Φ50mm)高强度(屈服强度≥830MPa)精轧 螺纹钢筋上，还没有相对应的成分及生产工艺，因此该产品属于高附加 值的高端产品。在高强度精轧螺纹钢筋的生产方面，目前的技术路线主 要包括：

(1)在线余热处理工艺提高精轧螺纹钢筋的强度；

(2)在中碳钢中添加Cr、Mo等合金元素，通过回火处理得到变态 贝氏体组织提高强度；

(3)在低碳钢中通过添加B等元素空冷得到贝氏体组织。

(4)通过提高Mn含量配合回火热处理工艺，提高强度。

在提高精轧螺纹钢筋的性能方面，国内的专利技术如下:

CN101327491A中采用130mm2中碳钢连铸小方坯，材料成分 C:0.36-0.46％、Si:1.4-1.8％、Mn:0.7-1.0％、V:0.08-0.15％、P≤0.045％、 S≤0.045％、铌+钛<0.10％、余量Fe，工艺流程为转炉冶炼→钢包钒微合 金化→LF精炼→全保护浇铸→钢坯检查→加热炉加热→控制轧制→轧后 控制冷却，其特征在于：连铸过程采用130mm2连铸小方坯全保护浇铸， 浇铸周期40-60min/炉，中间包钢水目标过热度20-35℃，拉速按照 2.0-2.4m/min控制，中间包钢水液面高度600-800mm，二冷水量按 0.8-1.2L/kg钢控制，控制连铸坯缩孔级别≤1.5级；轧制过程开轧温度 950-1100℃，精轧入口温度800-950℃；轧后采用两段式或三段式分级控 制冷却方式，出一冷段温度控制在700-850℃之间，出二冷段或三冷段上 冷床回火温度PSB785控制在600-700℃之间，PSB830控制在570-670℃。 此方法的不足：工艺复杂，需要对材料进行强穿水，使得表面有一层厚 的淬硬层，通过自回火，边部组织为回火索氏体，中心为铁素体+珠光体。 该方法不易控制，若淬硬层太厚虽强度富余量高，但延伸率不能满足标 准要求，若太薄强度达不到要求，且只能针对小规格产品，最大规格到 Φ40mm。

CN1103673A公开了一种空冷变态贝氏体高强螺纹钢及处理工艺， 成分为C％0.28～0.36，Mn％0.80～1.20，Cr％0.70～1.10，Si％0.60～1.20， Mo％0.20～0.40，V％0.10～0.15，其余为Fe，限制S、P含量分别小于 0.03％；终轧温度控制在880～900℃，余热在200～300℃区间回火2～3 小时后空冷，组织为变态贝氏体。采用该成分工艺生产的材料虽然强度 较高，但不能生产大规格螺纹钢筋。

CN104018059A公开了屈服强度≥980MPa的贝氏体精轧螺纹钢筋， 其成分：C0.10～0.20％、Si0.20～0.50％、Mn1.80～2.3％、P≤0.035％、 S≤0.035％、B0.0010～0.0030％，金相组织主要为别实体；生产步骤：常 规冶炼并铸坯，对铸坯进行堆垛冷却并至室温；对铸坯加热、粗轧、精 轧、自然空冷至室温并代用。本工艺虽然利用组织相变来提高强度，无 需进行热处理，成本降低，但该方法只能生产Φ50mm以下规格精轧螺纹 钢筋产品。

CN104046907A公开了一种屈服强度≥960MPa精轧螺纹钢筋，成分 为0.235～0.33％、Si0.45～0.7％、Mn2.2～2.4％、P≤0.025％、S≤0.025％、 Cr0.1～0.3％、Ti0.015～0.03％、V0.04～0.06％，Als0.006～0.01％，自然 空冷，组织主要为贝氏体，屈服强度≥960MPa，但Mn含量高，容易出现 偏析，组织中容易出现粗大的马氏体，且生产产品规格≤50mm。

CN104212961A公开了Mn系高强精轧螺纹钢筋的回火热处理方法， 钢筋的化学成分为：C0.27～0.31、Si0.70～1.00％、Mn2.20～2.70％、 P≤0.035％、S≤0.035％、V0.040～0.080％、Cr0.03～1.00％、Ti0.01～0.03％， 其余为Fe和不可避免的不纯物，通过3～6小时升温到200～600℃，保 温3～6小时，炉冷，获得PSB830、PSB930、PSB1080级精轧螺纹钢筋， 不足之处：热处理时间太长，造成资源浪费，在钢中加入大量的Mn容 易造成组织偏析，仅通过回火处理无法完全改善，无法保证材料的韧塑 性，因此该方法只能生产小规格，大规格无法满足全截面的组织均匀性， 保证韧塑性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本方明的目的是提供一种适用于超大规格 (直径>Φ50mm)高强度(PSB830、PSB930、PSB1080级别)精轧螺纹 钢筋的合金钢及其精轧螺纹钢筋的生产方法以及精轧螺纹钢筋。

本发明的技术方案如下：

本发明一方面提供了一种合金钢，其特征在于，所述的合金钢的成 分如下：以重量百分比计，C：0.21％～0.26％、Si：1.5％～2.0％、Mn： 1.2～1.8％、Cr：1.2％～1.8％、Ni：0.1％～0.4％、Mo：0.15％～0.4％、B： 0.0005％～0.003％、P<0.035％、S<0.035％；在上述基本成分的基础上， 同时添加Nb：0.01％～0.055％、V：0.02％～0.10％、Ti：0.001％～0.05％ 中的一种或几种作为微合金元素；余量为Fe和不可避免的杂质元素。

在一个优选的技术方案中，所述的合金钢的成分如下：以重量百分 比计，C：0.24％～0.26％、Si：1.7％～1.9％、Mn：1.2～1.8％、Cr：1.2％～ 1.4％、Ni：0.3％～0.4％、Mo：0.3％～0.4％、B：0.0005％～0.003％、P<0.035％、 S<0.035％；在上述基本成分的基础上，同时添加Nb：0.01％～0.055％、 V：0.02％～0.10％、Ti：0.03％～0.05％中的一种或几种作为微合金元素； 余量为Fe和不可避免的杂质元素。

本发明另一方面还提供了使用上述合金钢的精轧螺纹钢筋的生产方 法，所述的精轧螺纹钢筋的直径>50mm；其特征在于，所述的精轧螺纹 钢筋的生产方法具体如下：

首先采用冶炼、连铸和轧制方法制得螺纹钢筋，然后热处理所述的 螺纹钢筋获得PSB1080、PSB930、PSB830级别精轧螺纹钢筋；具体热处 理工艺如下：

850～950℃淬火后，400～500℃回火处理，获得PSB1080；

850～950℃淬火后，501～600℃回火处理，获得PSB930；

850～950℃淬火后，601～700℃回火处理，获得PSB830。

在一个优选的技术方案中，所述的冶炼、连铸和轧制方法的具体步 骤为：

(1)常规冶炼，选用220mm×300m连铸矩形坯；

(2)对连铸矩形坯加热，控制加热温度：1200～1250℃；加热时间 120min～240min；

(3)正常轧制，自然空冷，制得螺纹钢筋。

本发明另一方面还提供了一种精轧螺纹钢筋，所述的精轧螺纹钢筋 的直径>50mm；其特征在于：所述的精轧螺纹钢筋采用上述精轧螺纹钢 筋的生产方法制得。

本发明的合金钢中，各个元素在合金钢中的作用如下：

C：碳元素是强间隙固溶强化元素，是提高材料强度较经济的元素， 但不能主要依靠其提高强度，且当含量低于0.24％时，无法保证材料强度， 通过添加大量合金元素，不经济，当含量高于0.26％时，既不利于贝氏体 的形核和长大，无法保证材料的韧塑性，本发明C应控制在0.24～0.26％。

Si：硅通常是作为固溶强化元素使用的。硅是钢中的常存元素，在钢 中主要以固溶态存在，固溶的硅将产生明显的固溶强化作用。Si是扩大 铁素体区的元素，但Si加入钢中，在动力学上可推迟奥氏体中碳化物的 析出，对稳定残余奥氏体，获得无碳化物贝氏体起促进作用。添加超过 1.9％的Si无法保证材料的韧塑性。因此，Si的上限为1.9％。

Mn：锰是重要的强韧化元素，主要起固溶强化作用，在一定含量范 围内，钢的强度随锰含量的增加而提高。Mn与B相结合，使高温转变的 孕育期明显长于中温转变，这样有利于在较宽的冷速范围内，获得完 全的贝氏体组织。锰还起降低相变温度的作用，可以防止相变后晶粒的 长大，有助于实现贝氏体有效晶粒的细化。但当Mn含量大于1.8％时， 容易出现严重偏析，造成组织不均匀，出现粗大马氏体，因此Mn的上 限为1.8％。

P：磷偏析于奥氏体晶界中，从而降低了晶界强度。因此，P含量要 尽可能地低，上限应为0.035％。

S：硫与锰结合形成夹杂物MnS。在因轧制而拉伸时，纵向的韧性因 MnS的影响而下降。因此，必须使S含量尽可能地低，其上限为0.035％。

Cr：虽然缩小奥氏体区元素，但它可以推迟先共析铁素体转变，降 低贝氏体形成温度，因此，为了在较宽了冷速范围内形成贝氏体，Cr的 下限控制在1.2％。

B：微量(0.001％)的硼就可以成倍地增加钢的淬透性，硼作为提高 淬透性、控制组织结构的微量元素，在贝氏体钢的发展中有很特殊的作 用，硼相当明显地偏聚于晶界上显著推迟铁素体加珠光体相变。硼在晶 界上的偏聚对抑制铁素体的析出起着很大的作用。加B小于0.0005％时， 对大直径材料无法满足淬透性要求，而加B超过0.0030％时此效果就饱 和了。因此加B量在0.0005-0.0030％的范围内。

Mo：钼可以降低Bs转变温度，Mo和B的共同作用能够使铁素体析 出线明显右移，强烈推迟铁素体转变，从而在较宽的冷却速度范围内都 能够得到完全的贝氏体组织。提高钢中的Mo含量，钢的强度明显提高， 但是，随着Mo含量的增加到0.4％以上时，钢的韧性显著恶化。因此， 上限Mo含量控制在0.4％。

Ni：镍是扩大奥氏体区元素，同时Ni可以降低贝氏体形成的上限温 度，减低贝氏体的形核率和长大速率，使转变推迟。

Ti：硼钢中必须加入钛，其可以有效地固定氮，钛与氮结合起保护B 的作用。Ti、N形成TiN，可有效阻止高温加热时奥氏体晶粒的粗化。

V：钒具有通过沉淀强化来提高强度的作用。但，加V超过0.10％使 韧塑性恶化。因此加V的范围是不大于0.10％。为获得充分的提高强度 的效果，最好加多于0.02％的V。

Nb：微量Nb可以抑制高温奥氏体的变形再结晶行为，提高再结晶 温度，扩大非再结晶区。由于Nb、B相互促进，使得复合加入比单独加 入Nb或B，更能发挥作用。产生大量弥散分布的难熔的碳氮化物Nb(C、 N)，在回火过程中钉扎位错，使得位错不容易恢复和消失，保证基体的 强度。Nb和B等的复合加入，降低贝氏体的转变温度，进一步细化组织， 提高基体中位错密度。

本发明通过建立新的合金体系和调质热处理工艺，保证了钢材整个 截面微观组织的细化和均匀化，在保证精轧螺纹钢筋的强度的同时，提 高韧塑性，即具有良好的力学综合性能。

本发明生产的精轧螺纹钢筋的产品规格为Φ63.5mm，Φ75mm，性能 指标如下：

PSB830：为屈服强度大于830MPa，抗拉强度大于1030MPa，均匀 延伸率大于6％；

PSB930：为屈服强度大于930MPa，抗拉强度大于1080MPa，均匀 延伸率大于6％；

PSB1080：为屈服强度大于1080MPa，抗拉强度大于1230MPa，均 匀延伸率大于6％。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的合金钢及其精轧螺纹钢筋的生产方 法以及精轧螺纹钢筋做详细的说明，各实施例的钢材成分见表。

表1各实施例的合金钢的成分(重量百分率，wt％)

编号 C Si Mn Cr Ni Mo B Nb V Ti 1 0.21 2.0 1.2 1.8 0.4 0.15 0.0005 - - 0.05 2 0.25 1.9 1.7 1.3 0.3 0.4 0.003 - - 0.04 3 0.26 1.5 1.8 1.2 0.1 0.15 0.02 - - 0.001 4 0.21 1.9 1.2 1.8 0.1 0.2 0.0008 - 0.05 - 5 0.24 1.8 1.7 1.3 0.2 0.4 0.003 - 0.1 - 6 0.26 1.5 1.8 1.7 0.3 0.3 0.001 - 0.08 - 7 0.21 1.5 1.8 1.2 0.4 0.15 0.002 0.03 - - 8 0.25 2.0 1.6 1.6 0.3 0.2 0.0005 0.055 - - 9 0.26 1.5 1.2 1.8 0.1 0.4 0.0012 0.01 - -

备注：余量为Fe和不可避免的杂质元素。

PSB1080级精轧螺纹钢筋采用如下热处理工艺：

实施例1：牌号PSB1080规格直径Φ63.5mm

本发明材料的热处理方法采用下述具体工艺：精轧螺纹钢950℃淬 火，500℃回火处理。抗拉强度Rm＝1345MPa，屈服强度Rel＝1095MPa， 断后伸长率15.5％，满足PSB1080性能要求。

实施例2：牌号PSB1080规格直径Φ75mm

本发明材料的热处理方法采用下述具体工艺：精轧螺纹钢950℃淬 火，500℃回火处理。所得高强精轧螺纹钢筋：抗拉强度Rm＝1291MPa， 屈服强度Rel＝1118MPa，断后伸长率10.5％，满足PSB1080性能要求。

实施例3：牌号PSB1080规格直径Φ75mm

本发明材料的热处理方法采用下述具体工艺：精轧螺纹钢870℃淬 火，400℃回火处理。所得高强精轧螺纹钢筋：抗拉强度Rm＝1412MPa， 屈服强度Rel＝1248MPa，断后伸长率18％，满足PSB1080性能要求。

实施例4：牌号PSB1080规格直径Φ63.5mm

本发明材料的热处理方法采用下述具体工艺：精轧螺纹钢850℃淬 火，400℃回火处理。所得高强精轧螺纹钢筋：抗拉强度Rm＝1548MPa， 屈服强度Rel＝1226MPa，断后伸长率9.5％，满足PSB1080性能要求。

PSB930级精轧螺纹钢筋采用如下热处理工艺：

实施例5：牌号PSB930规格直径Φ63.5mm

本发明材料的热处理方法采用下述具体工艺：精轧螺纹钢950℃淬 火，590℃回火处理。所得高强精轧螺纹钢筋：抗拉强度Rm＝1211MPa， 屈服强度Rel＝991MPa，断后伸长率12.5％，满足PSB930性能要求。

实施例6：牌号PSB930规格直径Φ75mm

本发明材料的热处理方法采用下述具体工艺：精轧螺纹钢950℃淬 火，600℃回火处理。所得高强精轧螺纹钢筋：抗拉强度Rm＝1080MPa， 屈服强度Rel＝963MPa，断后伸长率16％，满足PSB930性能要求。

实施例7：牌号PSB930规格直径Φ63.5mm

本发明材料的热处理方法采用下述具体工艺：精轧螺纹钢920℃淬 火，600℃回火处理。所得高强精轧螺纹钢筋：抗拉强度Rm＝1178MPa， 屈服强度Rel＝968MPa，断后伸长率15％，满足PSB930性能要求。

实施例8：牌号PSB930规格直径Φ75mm

本发明材料的热处理方法采用下述具体工艺：精轧螺纹钢920℃淬 火，550℃回火处理。所得高强精轧螺纹钢筋：抗拉强度Rm＝1230MPa， 屈服强度Rel＝986MPa，断后伸长率11.5％，满足PSB930性能要求。

实施例9：牌号PSB930规格直径Φ63.5mm

本发明材料的热处理方法采用下述具体工艺：精轧螺纹钢870℃淬 火，510℃回火处理。所得高强精轧螺纹钢筋：抗拉强度Rm＝1427MPa， 屈服强度Rel＝996MPa，断后伸长率10.5％，满足PSB930性能要求。

PSB830级精轧螺纹钢筋采用如下热处理工艺：

实施例10：牌号PSB830规格直径Φ63.5mm

本发明材料的热处理方法采用下述具体工艺：精轧螺纹钢920℃淬 火，680℃回火处理。所得高强精轧螺纹钢筋：抗拉强度Rm＝995MPa， 屈服强度Rel＝838MPa，断后伸长率22％，满足PSB830性能要求。

实施例11：牌号PSB830规格直径Φ75mm

本发明材料的热处理方法采用下述具体工艺：精轧螺纹钢950℃淬 火，700℃回火处理。所得高强精轧螺纹钢筋：抗拉强度Rm＝1006MPa， 屈服强度Rel＝843MPa，断后伸长率22％，满足PSB830性能要求。

实施例12：牌号PSB830规格直径Φ63.5mm

本发明材料的热处理方法采用下述具体工艺：精轧螺纹钢940℃淬 火，650℃回火处理。所得高强精轧螺纹钢筋：抗拉强度Rm＝1017MPa， 屈服强度Rel＝877MPa，断后伸长率18％，满足PSB830性能要求。

实施例13：牌号PSB830规格直径Φ75mm

本发明材料的热处理方法采用下述具体工艺：精轧螺纹钢930℃淬 火，650℃回火处理。所得高强精轧螺纹钢筋：抗拉强度Rm＝1009MPa， 屈服强度Rel＝859MPa，断后伸长率17％，满足PSB830性能要求。

实施例14：牌号PSB830规格直径Φ63.5mm

本发明材料的热处理方法采用下述具体工艺：精轧螺纹钢850℃淬 火，620℃回火处理。所得高强精轧螺纹钢筋：抗拉强度Rm＝1047MPa， 屈服强度Rel＝897MPa，断后伸长率12.5％，满足PSB830性能要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围 并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范 围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。