本发明公开了一种高强热处理钢筋及其制造方法,所述钢筋经过感应加热处理,冷却时使钢筋先缓冷至两相区,再进行快速冷却处理,其中,所述钢筋的力学性能满足抗拉强度1200-1800MPa,延伸率10%以上,屈强比≤0.9,并且松弛性能满足初始应力为公称抗拉强度的70%下1000小时的应力松弛率≤2%。
1.一种高强热处理钢筋,其特征在于所述钢筋经过感应加热处理,冷却时使钢筋先缓冷至两相区,再进行快速冷却处理,其中,所述钢筋的力学性能满足抗拉强度1200-1800MPa,延伸率10%以上,屈强比≦0.9,并且松弛性能满足初始应力为公称抗拉强度的70%时1000小时的应力松弛率≤2%,其中,将钢筋快速感应加热到Ac3以上温度进行奥氏体化,缓冷至两相区后使钢筋冷却至剩余温度为200°C至450°C,将钢筋保温5s-45s后,不经回火直接快速冷却到200°C以下。
2.如权利要求1所述的高强热处理钢筋,其特征在于在感应加热的过程中将钢筋加热至820°C-950°C。
3.如权利要求1所述的高强热处理钢筋,其特征在于在将钢筋缓冷至两相区后的保温过程中向所述钢筋施加负载,使其弯曲应变不超过3%,然后快速冷却。
4.如权利要求1所述的高强热处理钢筋,其特征在于在将钢筋缓冷至两相区的步骤中,使钢筋冷却至720°C-800°C。
5.如权利要求1所述的高强热处理钢筋,其特征在于所述钢筋的组织结构为回火屈氏体+铁素体、回火索氏体+铁素体或者回火马氏体+贝氏体+铁素体。
6.如权利要求1所述的高强热处理钢筋,其特征在于所述钢筋按重量计含有0.15-0.5%的C、小于或等于2%的Si、0.5-2.0%的Mn,余量为Fe及不可避免杂质。
7.如权利要求6所述的高强热处理钢筋,其特征在于所述钢筋还包含Ti、V、Nb元素中的一种或几种。
8.一种高强热处理钢筋的制造方法,其特征在于该方法包括下述步骤:对钢筋进行感应加热处理;使钢筋缓冷至两相区;对钢筋进行快速冷却处理,其中,所述钢筋的力学性能满足抗拉强度1200-1800MPa,延伸率10%以上,屈强比≦0.9,并且松弛性能满足初始应力为公称抗拉强度的70%时1000小时的应力松弛率≤2%,其中,在感应加热处理的步骤中将钢筋快速感应加热到Ac3以上温度进行奥氏体化,使钢筋缓冷至两相区的步骤后使钢筋冷却至剩余温度为200°C至450°C,然后,将钢筋保温5s-45s后,不经回火直接快速冷却到200°C以下。
9.如权利要求8所述的方法,其特征在于在感应加热处理的步骤中将钢筋加热至820°C-950°C。
10.如权利要求8所述的方法,在将钢筋缓冷至两相区后的保温过程中向所述钢筋施加负载,使其弯曲应变不超过3%,然后快速冷却。
11.如权利要求8所述的方法,其特征在于在将钢筋缓冷至两相区的步骤中,使钢筋冷却至720°C-800°C。
12.如权利要求8所述的方法,其特征在于所述钢筋的组织结构为回火屈氏体+铁素体、回火索氏体+铁素体或者回火马氏体+贝氏体+铁素体。
13.如权利要求8所述的方法,其特征在于所述钢筋按重量计含有
0.15-0.5%的C、小于或等于2%的Si、0.5-2.0%的Mn,余量为Fe及不可避免杂质。
14.如权利要求12所述的方法,其特征在于所述钢筋还包含Ti、V、Nb元素中的一种或几种。
15.如权利要求8所述的方法,其特征在于将钢筋经拉拔形成螺旋肋或刻痕表面形状后再进行热处理,或直接以带肋或光圆的原料直接进行热处理。技术领域
本发明涉及一种高强热处理钢筋及其制造方法,更具体地说,本发明涉及一种抗拉强度高并且耐延迟断裂的高强热处理钢筋及其制造方法。
背景技术
在混凝土用钢筋用作预应力筋时,一般都要求具有较高的抗拉强度及低的松弛性能,同一强度级别的普通松弛钢筋和低松弛钢筋,在初始载荷均为1425MPa而其它使用条件相同情况下,50年后,低松弛钢筋的最终应力为1131.5MPa,而普通松弛钢筋的最终应力为991MPa,低松弛钢筋较普通松弛钢筋的最终应力值提高了14.2%。与普通松弛级钢筋相比,低松弛预应力钢筋具有高的弹性变形极限、高的抗屈服能力以及较低的松弛损失,它将最终取代普通松弛级钢筋,得到全面应用。目前,绝大部分预应力混凝土工程施工均采用低松弛预应力钢材,而普通松弛预应力钢材已趋淘汰。预应力混凝土用钢筋在追求高强度、高韧性的同时,也将屈强比作为一项重要指标,因为钢的屈强比越低,则意味着高加工硬化指数和高均匀延伸率。若将低屈强比钢棒应用在建筑上,就可以提高建筑物的抗震性能。而传统的淬回火热处理工艺所得到的钢棒的屈强比偏高,可以达到97%,致使抗拉强度与屈服强度的差值较小,安全储备不足,是建材的危险因素,因而建筑钢材的屈强比问题,已经成为满足预应力混凝土结构安全储备的重要课题。然而,当钢筋用作预应力钢筋时,现有的钢筋并不能做到兼顾高强高塑、低松弛与低屈强比。随着汽车、机械、建筑等行业的发展,在工程机械、土木建筑、汽车、建设机械领域都不断提出了钢材高强化的要求,但是,随着强度的提高,特别是当抗拉强度超过1200MPa时,抗延迟断裂性能显著降低,这是低合金马氏体钢高强化遇到的一个最主要的问题。在高强度钢实际开发和应用过程中,经常遇到一系列的延迟断裂问题。例如:美国通用汽车公司由于安装在轿车底部控制架上的钢材发生延迟断裂造成交通事故,最终在640万辆轿车上更换了材料;1995年阪神大地震后损坏构件的钢筋断口发现了延迟断裂;钢材生产企业在钢丝收线机上或验收打卷之后的静置过程中突然发生脆断现象;管桩企业的钢筋盘卷在静置库存、纵向张拉、管桩离心成型、管桩蒸汽养护和蒸压养护时,甚至已放在成品堆场中的成品管桩内都会发生脆性断裂现象等。
发明内容
本发明提供了一种能够解决现有技术中的一种或多种问题的高强热处理钢筋及其制造方法,以应对现代化建筑的发展要求,本发明的高强耐延迟断裂钢筋可以同时适应不同用途的钢筋的要求。本发明的一方面提供了一种高强热处理钢筋,所述钢筋经过感应加热处理,冷却时使钢筋先缓冷至两相区,再进行快速冷却处理,其中,所述钢筋的力学性能满足抗拉强度1200-1800MPa,延伸率10%以上,屈强比≤0.9,并且松弛性能满足初始应力为公称抗拉强度的70%时1000小时的应力松弛率≤2%。根据本发明的一方面,可将钢筋快速感应加热到Ac3以上温度进行奥氏体化,缓冷至两相区后使钢筋冷却至剩余温度为200°C至450°C,将钢筋保温5s-45s后,不经回火直接快速冷却到200°C以下。根据本发明的一方面,在感应加热的过程中可将钢筋加热至820°C-950°C。根据本发明的一方面,在将钢筋缓冷至两相区后的保温过程中可向所述钢筋施加负载,使其弯曲应变不超过3%,然后快速冷却。根据本发明的一方面,在将钢筋缓冷至两相区的步骤中,可使钢筋冷却至720°C-800°C。根据本发明的一方面,所述钢筋的组织结构可为回火屈氏体+铁素体、回火索氏体+铁素体或者回火马氏体+贝氏体+铁素体。根据本发明的一方面,所述钢筋按重量计可含有0.15-0.5%的C、小于或等于2%的Si、0.5-2.0%的Mn,余量为Fe及不可避免杂质。根据本发明的一方面,所述钢筋还可包含Ti、V、Nb元素中的一种或几种。本发明的另一方面提供了一种高强热处理钢筋的制造方法,该方法包括下述步骤:对钢筋进行感应加热处理;使钢筋缓冷至两相区;对钢筋进行快速冷却处理,其中,所述钢筋的力学性能满足抗拉强度1200-1800MPa,延伸率10%以上,屈强比≤0.9,并且松弛性能满足初始应力为公称抗拉强度的70%时1000小时的应力松弛率≤2%。根据本发明的一方面,在感应加热处理的步骤中可将钢筋快速感应加热到Ac3以上温度进行奥氏体化,使钢筋缓冷至两相区的步骤后使钢筋冷却至剩余温度为200°C至450°C,然后,将钢筋保温5s-45s后,不经回火直接快速冷却到200°C以下。根据本发明的一方面,在加热处理的步骤中可将钢筋加热至820°C-950°C。根据本发明的一方面,可在将钢筋缓冷至两相区后的保温过程中向所述钢筋施加负载,使其弯曲应变不超过3%,然后快速冷却。根据本发明的一方面,在将钢筋缓冷至两相区的步骤中,可使钢筋稍冷却至720°C-800°C。根据本发明的一方面,所述钢筋的组织结构可为回火屈氏体+铁素体、回火索氏体+铁素体或者回火马氏体+贝氏体+铁素体。根据本发明的一方面,所述钢筋按重量计可含有0.15-0.5%的C、小于或等于2%的Si、0.5-2.0%的Mn,余量为Fe及不可避免杂质。根据本发明的一方面,所述钢筋还可包含Ti、V、Nb元素中的一种或几种。根据本发明的一方面,可将钢筋经拉拔或辊模拉拔形成螺旋槽、螺旋肋或刻痕表面形状后再进行热处理,或可以直接以带肋或光圆的原料直接进行热处理。本发明的高强热处理钢筋具有高强高塑、低屈强比与低松弛的特点,在节约了钢材的同时,提高了建筑的安全储备能力。此外,本发明的钢筋的耐延迟断裂性能得到改善。
附图说明
通过下面结合附图进行的对实施例的描述,本发明的上述和/或其他目的和优点将会变得更加清楚,其中:图1是根据本发明示例性实施例的高强热处理钢筋的热处理工艺曲线;图2是根据现有技术的高强混凝土用钢筋的热处理工艺曲线;图3是现有技术中的高强混凝土用钢筋的金相组织照片(500倍);图4是根据本发明实施例的高强热处理钢筋的金相组织照片(500倍)。
具体实施方式
下面将结合附图详细地描述本发明,在附图中示出了本发明的示例性实施例,然而,提供这些实施例仅仅是出于充分公开的目的,从而将本发明的原理充分地传达给本领域技术人员,不应将提供的示例性实施例解释为用于限制本发明的范围。本发明的范围由权利要求书及其等同物限定。本发明的一个实施例提供了一种高强热处理钢筋,所述钢筋可经过感应加热处理。在加热处理之后的冷却过程中,先将钢筋缓冷至两相区,然后再进行快速冷却处理。经过上述处理后,钢筋的力学性能能够满足抗拉强度1200-1800MPa,延伸率10%以上,屈强比≤0.9,并且松弛性能满足下述条件,即,在初始应力为公称抗拉强度的70%时的情况下,1000小时的应力松弛率≤2%。根据本发明的一个实施例,在加热处理的过程中,将钢筋快速感应加热到Ac3以上温度进行奥氏体化,例如,可将钢筋加热至820°C-950°C。在冷却过程中,缓冷至两相区后,使钢筋冷却至剩余温度为200°C至450°C,然后,将钢筋保温一定时间后,不经回火直接快速冷却到200°C以下。根据本发明的一个实施例,保温的时间可为5s-45s。根据本发明的一个实施例,缓冷后的冷却速度可为100-1000°C/s,然而本发明不限于此,可使用本领域技术人员所常用的各种冷却方法(例如,水冷等)来对钢筋进行冷却处理。根据本发明的另一实施例,还可在保温的过程中,向钢筋施加一定的负载,从而使钢筋的弯曲应变不超过3%,然后再进行快速冷却。经过上述处理之后,钢筋的组织结构可以是回火屈氏体+铁素体、回火索氏体+铁素体或者回火马氏体+贝氏体+铁素体。根据本发明的一个实施例,还可在将钢筋缓冷至两相区的步骤中,可使钢筋冷却至约720-800°C的温度,其目的是可以产生针(片)状的铁素体组织。本发明所使用的高强热处理钢筋可以是各种能够用于预应力混凝土的钢筋,根据本发明的一个实施例,该钢筋按重量计含有0.15-0.5%的C、小于或等于2%的Si、0.5-2.0%的Mn、余量为Fe及不可避免杂质。根据本发明的其它实施例,钢筋还可包含Ti、V、Nb等中的一种或几种,以进一步改变其性能。根据本发明的钢筋产品可包括钢棒和钢丝,其直径范围可为Ф5-Ф16mm。原料钢筋经拉拔或辊模拉拔形成螺旋槽、螺旋肋、刻痕等表面形状后进行热处理,或者也可以不经拉拔而使用带肋或光圆的原料直接进行热处理。本发明的冷却的步骤可使用冷却装置执行,在该冷却装置中可设置多组环锥形水冷却喷嘴。其中,在缓冷阶段中,可采用该多组环形冷却喷嘴进行风冷或者雾冷。多组环锥形水冷却喷嘴的喷射角度为20-45°,即,喷射方向与钢筋运行方向成20-45°角,喷水压力为3-10kg/mm²的不同等级。另外,虽然本发明不包括回火的步骤,但本发明仍可在现有的具有回火炉的生产线上进行生产,在这种情况下,可使钢筋不经过回火炉或者不开启回火炉。因此,可在同一条生产线上生产多种不同性能的钢筋。本发明的其它实施例还提供了一种预应力混凝土用钢筋的制造方法,该方法可包括下述步骤:对钢筋进行感应加热处理;使钢筋缓冷至两相区;对钢筋进行快速冷却处理。经过上述处理后,钢筋的力学性能能够满足抗拉强度1200-1800MPa,延伸率10%以上,屈强比≤0.9,并且松弛性能满足下述条件,即,在初始应力为公称抗拉强度的70%时的情况下,1000小时的应力松弛率≤2%。经过本发明的方法处理后的钢筋的组织结构可为回火屈氏体+铁素体、回火索氏体+铁素体或者回火马氏体+贝氏体+铁素体。根据本发明的一个实施例,在加热处理的步骤中,将钢筋快速感应加热到Ac3以上温度进行奥氏体化,在使钢筋缓冷至两相区的步骤之后,使钢筋冷却至剩余温度为200°C至450°C,然后,将钢筋保温一定时间后,不经回火直接快速冷却到200°C以下。其中,在加热处理的步骤中,可将钢筋加热至820°C-950°C,保温的时间可为5s-45s。根据本发明的另一实施例,在将钢筋保温的过程中,可向所述钢筋施加负载,使其弯曲应变不超过3%,然后快速冷却。本发明的方法可用于各种能够在预应力混凝土中使用的钢筋,优选地,根据本发明的一个实施例,钢筋按重量计含有0.15-0.5%的C、小于或等于2%的Si、0.5-2.0%的Mn,余量为Fe及不可避免杂质。根据本发明的其它实施例,钢筋还可包含Ti、V、Nb等中的一种或几种,以进一步改变钢筋的性能。下面将通过本发明的示例性工艺过程来更详细地描述本发明。图1是根据本发明示例性实施例的预应力混凝土用高强耐延迟断裂钢筋的热处理工艺曲线,图2是根据现有技术的高强混凝土用钢筋的热处理工艺曲线。图2中示出了现有技术中的热处理工艺曲线。在图2中,T_A1:奥氏体化温度,770-870°C;T_B1:回火段温度,400-580°C;V₁:奥氏体化后的冷速,100-1000°C/s;V₁’:水冷。图3示出的现有技术中的热处理工艺均包括了回火工艺,需要更长的工艺处理时间、更高的能耗,因此其成本较高并且生产率低。图1是根据本发明示例性实施例的预应力混凝土用高强耐延迟断裂钢筋的热处理工艺曲线。参照图1,根据本发明示例性实施例的预应力混凝土用高强耐延迟断裂钢筋的热处理工艺在热处理过程中,首先将钢筋快速加热到奥氏体化温度T_A2(约820°C至950°C),然后使钢筋缓冷至两相区T_A2(约720-800°C),其目的是可以产生针(片)状的铁素体组织。然后,使钢筋缓冷至剩余温度T_B2(大约200°C至大约450°C),保温一定时间(大约5s至45s)之后将钢筋直接快速冷却至200°C以下。根据本发明的示例性实施例,本发明的该工艺过程还可包括:将钢筋采用模具拉拔或辊模拉拔成形,或不经过拉拔直接进行热处理,钢筋在热处理时均采用感应炉加热,将钢筋迅速加热到奥氏体化温度进行奥氏体化热处理,然后按照本发明的冷却方法进行冷却。根据本发明的示例性工艺可采用0.15-0.5%C、≤2%Si、0.5-2.0%Mn成分的热轧盘条为原料,可以生产出1200-1800MPa抗拉强度、延伸率10%以上,最大力下伸长率Agt不小于3.5%,屈强比≤0.9,松弛性能满足初始应力为公称抗拉强度的70%下1000小时的应力松弛率≤2%的预应力钢筋,具有良好的耐延迟断裂性能。此外,由于在钢筋的冷却装置中可设置有多组环锥形水冷却喷嘴,所以可以得到理想的冷却效果。虽然参照热处理工艺曲线描述了本发明,但是本领域技术人员应当理解,在实施本发明的过程中,由于工艺条件等的限制,温度的上升、下降、保持等工艺过程均可能产生一定的温度波动,这些波动也包括在本发明的范围内。下面将参照具体实施例来描述本发明的示例性实施例,图3是现有技术中的高强混凝土用钢筋的金相组织照片(500倍)。图4是根据本发明实施例的预应力混凝土用高强耐延迟断裂钢筋的金相组织照片(500倍)。对比例1:使用化学成分为:C0.32%、Sixa00.71%、Mnxa01.00%,其余为铁和不可避免的杂质的工业用热轧盘条作为原料,将该盘条经拉拔变形后形成螺旋槽外形,然后,使用高中频感应加热炉在5s内将钢筋由室温加热至780°C,经过2s的保温后进行冷却,冷却速度不低于100°C/s,然后,在5s内经感应加热至520°C,加压使钢筋产生0.8%的弯曲应变,保温5s后水冷。实施例1:使用化学成分为:C0.24%、Sixa00.57%、Mnxa01.40%,其余为铁和不可避免的杂质的工业用热轧盘条作为原料。将该盘条经过拉拔变形后形成螺旋槽外形,然后,使用高中频感应加热炉在5s内将钢筋由室温加热至900°C,然后进行冷却,先通过雾冷使钢筋冷却至两相区,然后使钢筋冷却至剩余温度为大约450°C,然后,对钢筋进行等温处理,等温处理过程中加压使钢筋产生0.8%的弯曲应变,其中,等温处理10s后进行水冷,以使钢筋冷却至200°C以下。对比例1所得到的产品具有良好的强韧性,该钢筋的屈服强度为1090MPa,抗拉强度为1195MPa,断后伸长率A为16.0%,最大力下伸长率Agt为5.0%,金相组织为回火索氏体+铁素体或者回火屈氏体+铁素体,如图3所示。实施例1所得到的产品的抗拉强度为1760MPa,屈服强度1150MPa,断后伸长率A为11.0%,最大力下伸长率Agt为5.5%,具有良好的耐延迟断裂性能,金相组织为回火马氏体+贝氏体+铁素体,如图4所示。可见,根据本发明的钢筋与现有技术中的钢筋相比具有良好的耐延迟断裂性能。另外,虽然使用了中低碳钢,但使用本发明的方法仍然能生产出超高强度钢筋。本发明的预应力混凝土用钢筋具有高强高塑、低屈强比与低松弛的特点,在节约了钢材的同时,提高了建筑的安全储备能力。此外,本发明的钢筋的耐延迟断裂性能得到改善。虽然已经结合附图描述了本发明的示例性实施例,但是本领域普通技术大员应当理解,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,可以对这些实施例进行各种修改和改变,本发明的范围由权利要求书及其等同物限定。