專(zhuān)利名稱(chēng)：抗震耐候高強(qiáng)度YS700MPa級(jí)熱軋鋼筋的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鋼鐵新材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種抗震耐候高強(qiáng)度YS700MPa級(jí)熱軋鋼筋。
背景技術(shù)：
目前世界上還沒(méi)有任何鋼鐵企業(yè)可以生產(chǎn)這種兼具抗震與耐候性能的高強(qiáng)度YS700MPa級(jí)熱軋帶肋鋼筋。美國(guó)MMFX公司是世界上唯一開(kāi)發(fā)出具有良好耐候性能的GlOO級(jí)(YSlOOksi級(jí)，即YS690MPa級(jí))熱軋鋼筋的廠家。該公司采用很高的接近鐵素體不銹鋼的Cr含量(8-10. 9%Cr)，使得GlOO級(jí)鋼筋不僅達(dá)到690MPa以上的高屈服強(qiáng)度，而且保證了GlOO級(jí)鋼筋具有非常良好的耐大氣腐蝕性能。這對(duì)于各種橋梁和公路設(shè)施(例如鋼筋混凝土橋面、公路路面、高速公路防撞墩和人行道)，海洋和海岸工程結(jié)構(gòu)(例如海洋平臺(tái)、防波堤、碼頭、浮橋、系泊處和海岸欄)，腐蝕環(huán)境中的高應(yīng)力結(jié)構(gòu)(例如冷卻塔、煙囪、儲(chǔ)煤倉(cāng)、隧道內(nèi)襯、儲(chǔ)水槽罐以及造紙廠、化工廠、水處理廠和污水處理廠的工程結(jié)構(gòu))，能夠延長(zhǎng)鋼筋混凝土構(gòu)件的使用壽命，降低工程結(jié)構(gòu)的維修和構(gòu)件更換成本，具有長(zhǎng)遠(yuǎn)和巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。但是，GlOO級(jí)鋼筋的總伸長(zhǎng)率僅達(dá)到7. 2-10%,而強(qiáng)屈比TS/YS只有I. 05-1. 18，達(dá)不到抗震建筑結(jié)構(gòu)對(duì)于鋼筋強(qiáng)屈比的技術(shù)指標(biāo)要求TS/YS彡I. 25。近年來(lái)由鋼筋腐蝕導(dǎo)致鋼筋混凝土橋面和其他工程構(gòu)件失效引起各國(guó)的重視。例如美國(guó)每年由于腐蝕造成的損失達(dá)到3000億美元，其中僅高速公路橋的腐蝕損失就高達(dá)800億美元，絕大多數(shù)是由于鋼筋腐蝕造成鋼筋混凝土構(gòu)件毀壞引起的。我國(guó)不僅面臨由鋼筋腐蝕導(dǎo)致的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損毀問(wèn)題，而且地處世界最強(qiáng)的環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，地震活動(dòng)頻繁，平均每年發(fā)生30次5級(jí)以上地震，6次6級(jí)以上強(qiáng)震，I次7級(jí)以上大震，占全球大陸地震的1/3左右，是世界大陸地震最多的國(guó)家。因此，對(duì)于我國(guó)的鋼筋混凝土工程結(jié)構(gòu)，不僅要求鋼筋提高強(qiáng)度和耐大氣腐蝕性能，而且要求鋼筋具有良好的抗震性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種抗震耐候高強(qiáng)度YS700MPa級(jí)熱軋鋼筋，滿足了我國(guó)建筑、交通、能源、海洋開(kāi)發(fā)、國(guó)防建設(shè)和各種工程結(jié)構(gòu)對(duì)抗震耐候高強(qiáng)度鋼筋的近期和長(zhǎng)遠(yuǎn)需求；該鋼筋在屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度滿足指標(biāo)要求(YS彡700MPa, TS彡900MPa)的條件下，不僅耐候性能優(yōu)于世界名牌耐候鋼Corten A，而且斷后總伸長(zhǎng)率達(dá)到12. 5 一18. 0%，均勻伸長(zhǎng)率達(dá)到5. 5-9. 5%，強(qiáng)屈比達(dá)到I. 27-1. 45，滿足了抗震性能的技術(shù)指標(biāo)要求，成為世界上第一個(gè)兼具抗震與耐候性能的YS700MPa級(jí)高強(qiáng)度熱軋鋼筋。根據(jù)抗震耐候和熱軋強(qiáng)度級(jí)別的特點(diǎn)，將該鋼命名為HRB700SW，其中HRB表示熱軋帶肋鋼筋Hot-Rolled Ribbed-Bar (或 Hot-Rolled Rebar), 700 表不屈服強(qiáng)度級(jí)別(MPa), S 表不抗震 Seism-resistant, W 表不耐候 Weathering-resistant。本發(fā)明是在申請(qǐng)人此前開(kāi)發(fā)的熱軋強(qiáng)度模型基礎(chǔ)上，分析了高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)塑化機(jī)理與途徑，以及高強(qiáng)度熱軋鋼筋的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工藝設(shè)備條件、加工與使用性能、合金成本等因素對(duì)各種強(qiáng)化途徑的限制，例如熱軋長(zhǎng)型材孔型對(duì)熱軋形變熱處理TMCP技術(shù)的限制，焊接性能對(duì)快速水冷和回火馬氏體組織的限制，抗震性能和屈強(qiáng)比對(duì)細(xì)化強(qiáng)化的限制，微合金化方法和高溫快軋對(duì)析出強(qiáng)化的限制，合金化成本對(duì)有效的相變強(qiáng)化元素(例如Ni、Cr等)的限制等技術(shù)難點(diǎn)后，提出了在保證良好耐大氣腐蝕性能所必要的低鎳鉻含量的基礎(chǔ)上，采用以貝氏體為基礎(chǔ)的復(fù)相組織與析出強(qiáng)化相結(jié)合的復(fù)合強(qiáng)化途徑。本發(fā)明的抗震耐候高強(qiáng)度YS700級(jí)熱軋鋼筋HRB700SW，采用低鎳鉻含量(Ni〈2. 0%, Cr<2. 0%)與釩氮微合金化相結(jié)合的成分設(shè)計(jì)，其中，C :0. 20 O. 25,Si :0. 40 O. 80、Mn 1. 20 I. 60、P 彡 O. 035、S 彡 O. 035、V 0. 06 O. 20、N 0. 010 O. 030、Ni
O.20 2. O、Cr :0. 20 2. O、Ti :0. 01 O. 03，余量為Fe ;均為質(zhì)量百分比數(shù)。本發(fā)明合金含量顯著低于美國(guó)MMFX公司開(kāi)發(fā)的GlOO級(jí)(YS690MPa級(jí))熱軋鋼筋，在獲得了以細(xì)化貝氏體為基體的復(fù)相組織和彌散析出的碳氮化物的顯微組織的同時(shí)，HRB700SW的總伸長(zhǎng)率為12. 5 一 18. 0%,顯著高于美國(guó)GlOO總伸長(zhǎng)率7. 2-10% ； HRB700SW 的均勻伸長(zhǎng)率(即最大力伸長(zhǎng)率Agt)為5. 5-9. 5%，強(qiáng)屈比TS/YS為I. 27-1. 45，在高屈服強(qiáng)度(YS ^ 700MPa)的條件下滿足了抗震性能的技術(shù)指標(biāo)要求。由于該鋼采用一定配比的低鎳鉻含量，結(jié)合熱軋形變熱處理TMCP工藝，使得該熱軋態(tài)鋼筋在耐候性能方面優(yōu)于CortenA，在鹽霧加速腐蝕條件下的平均腐蝕速率低于Corten A。可見(jiàn)，本發(fā)明研制的YS700級(jí)高強(qiáng)度鋼筋，在耐候性能優(yōu)于Corten A的情況下，具有良好的抗震性能，成為目前世界上唯一的抗震耐候YS700MPa級(jí)高強(qiáng)度熱軋態(tài)鋼筋。本發(fā)明的主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)如下I、在低鎳鉻含量范圍內(nèi)調(diào)整低碳SiMn鋼的鎳鉻含量配比(Ni〈2. 0%，Cr<2. 0%)，可以顯著提高鋼材表面氧化層內(nèi)氧化鉻的百分比，形成致密的含鉻氧化膜，阻止了鋼材表面的進(jìn)一步氧化和腐蝕，顯著提高了鋼材的耐候性能。在鹽霧箱加速腐蝕對(duì)比試驗(yàn)中，本發(fā)明HRB700SW的耐候性能(平均腐蝕速率)優(yōu)于NiCrCuP系的耐候鋼Corten A。2、在釩氮微合金化處理中，根據(jù)釩氮原子比為1:1所需的氮含量，提高鋼中氮含量，從而提高VCN析出相內(nèi)VN析出相的百分比，有效減小了 VCN析出相顆粒的尺寸，提高了析出強(qiáng)化效果。在透射電鏡TEM觀察下，可以看到在鋼基體上彌散分布的50nm左右以下的細(xì)小VC和VN顆粒，有利于同步提高屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。3、在保證耐候性能的基礎(chǔ)上，充分利用Ni元素?cái)U(kuò)大奧氏體區(qū)、降低轉(zhuǎn)變溫度、促進(jìn)貝氏體轉(zhuǎn)變的作用，采用適當(dāng)?shù)臒彳埿巫儫崽幚鞹MCP工藝，控制加熱溫度TA、軋制溫度TD和冷卻速度CR，獲得了以細(xì)化貝氏體為基體的復(fù)相組織和彌散析出的碳氮化物，同步提高了鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，在屈服強(qiáng)度達(dá)到700MPa以上的高強(qiáng)度水平上，獲得了較高的總伸長(zhǎng)率A=12. 5-18. 0%和均勻伸長(zhǎng)率(即最大力伸長(zhǎng)率)Agt=5. 5-9. 5%以及抗震性能所需的強(qiáng)屈比TS/YS彡I. 25 (實(shí)際產(chǎn)品TS/YS=1. 27-1. 45)。4、本發(fā)明HRB700SW鋼中的細(xì)化貝氏體組織，在透射電鏡TEM觀察下，可以看到鐵素體板條之間存在著條狀碳化物薄膜和顆粒，而不是三十年來(lái)備受爭(zhēng)議的貝氏體形態(tài)的針狀鐵素體或者無(wú)碳貝氏體，這種具有碳化物薄膜和顆粒的低碳貝氏體對(duì)于同步提高鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度、提高鋼材的應(yīng)變硬化能力、均勻伸長(zhǎng)率和強(qiáng)屈比，從而提高抗震性能
起著重要作用。
本發(fā)明采用低鎳鉻含量(Ni〈2. 0%，Cr<2. 0%)與釩氮微合金化相結(jié)合的成分設(shè)計(jì)，下面就成分設(shè)計(jì)機(jī)理與性能進(jìn)一步敘述I力學(xué)性能與抗震耐候性能指標(biāo)在力學(xué)性能達(dá)到熱軋態(tài)鋼筋目前世界最高屈服強(qiáng)度級(jí)別的條件下Rel (Rpa2)彡700MPa,抗拉強(qiáng)度Rm彡900MPa,總伸長(zhǎng)率A彡10%,使抗震性能指標(biāo)強(qiáng)屈比滿足TS/YS(Rm /Rel)彡I. 25，并具有一定均勻延伸能力Agt彡5%。同時(shí)，耐候性能達(dá)到Corten A的水平。
2化學(xué)成分設(shè)計(jì)在根據(jù)熱軋態(tài)鋼材的強(qiáng)度、耐候性能和抗震性能要求進(jìn)行化學(xué)成分設(shè)計(jì)時(shí)，首先全面分析了對(duì)于耐候性能有重要影響的鎳和鉻元素含量對(duì)各方面性能的影響，尤其是鎳鉻元素在較寬的含量范圍內(nèi)變化時(shí)對(duì)材料強(qiáng)塑性和其他性能的影響。根據(jù)已有的研究結(jié)果，分析是否一定需要較高的鎳或鉻含量(例如美國(guó)GlOO級(jí)熱軋鋼筋8 - 10. 9%的Cr含量)來(lái)保證所需的耐候性能與強(qiáng)塑性。(I)鎳含量對(duì)低碳鋼組織性能的影響在以往對(duì)含鎳鋼組織性能的試驗(yàn)研究中，對(duì)于低鎳含量鋼的試驗(yàn)研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于對(duì)高鎳含量鋼的研究。其中一個(gè)重要原因是，低鎳含量(I. 0-2. 0%Ni)雖然對(duì)降低奧氏體共析轉(zhuǎn)變溫度Art具有一定的影響，但是最顯著的影響是在鎳含量增加到8%以上時(shí)出現(xiàn)的。當(dāng)鎳含量增加到12%以上時(shí)，典型的O. 20%C低碳鋼在連續(xù)等速冷卻條件下的Ar1轉(zhuǎn)變溫度已經(jīng)陡降到200°C以下，見(jiàn)圖I。但是，鎳含量增加到8-12%區(qū)間使相變溫度發(fā)生突變的影響并沒(méi)有可逆地出現(xiàn)在鋼的加熱過(guò)程中。這種鎳對(duì)冷卻轉(zhuǎn)變的拖阻和延遲作用被用于開(kāi)發(fā)馬氏體時(shí)效鋼(maraging steel)和9%Ni低溫鋼(cryogenic steel)。在碳鋼中添加鎳，起著提高冷卻速度和降低轉(zhuǎn)變溫度的等效作用。因此，鎳含量達(dá)到5-8%Ni的鋼可以得到細(xì)小的屈氏體(Troostite)，鎳含量在10%Ni以上的碳鋼(10-24%Ni)可以利用奧氏體轉(zhuǎn)變溫度的大幅度降低得到馬氏體組織，而當(dāng)鎳含量提高到24%Ni以上時(shí)，鋼的臨界轉(zhuǎn)變溫度降低到室溫以下成為奧氏體鋼。對(duì)于這種O. 20C的常用低碳鋼，在較低的鎳含量條件下，例如O. 5%Ni的碳鋼，屈服強(qiáng)度會(huì)比不含鎳的普碳鋼略有提高，見(jiàn)圖2的曲線。這是由于鎳降低Ar1的細(xì)化強(qiáng)化和鎳原子的固溶強(qiáng)化作用。在不添加任何其他合金元素的條件下，當(dāng)這種低碳鋼的鎳含量增加到10-24%區(qū)間時(shí)，可以得到高強(qiáng)度的(TS>700-1000MPa)馬氏體鋼，但是塑韌性(延伸率和沖擊功)顯著降低，見(jiàn)圖2當(dāng)鎳含量增加到24%以上時(shí)，可以得到抗拉強(qiáng)度在TS=400MPa級(jí)別的高塑性高韌性的奧氏體鋼。在上述鎳含量-組織-性能變化的基礎(chǔ)上，提高碳含量可以強(qiáng)化鎳元素在降低奧氏體轉(zhuǎn)變溫度方面的作用。因此，對(duì)低碳(O. 10C)含鎳(2-5%Ni)鋼進(jìn)行滲碳處理，可以獲得很高的強(qiáng)度和硬度，而O. 25-0. 40C的含鎳鋼(2-5%Ni)可以用于機(jī)械和車(chē)輛的曲軸，輪軸和連桿等構(gòu)件。可見(jiàn)，以往的研究工作主要集中在較高鎳含量的鋼材品種開(kāi)發(fā)方面，而對(duì)于較低鎳含量的低碳低合金鋼的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用比較少。國(guó)內(nèi)則由于資源的限制，對(duì)于低鎳鋼的試驗(yàn)研究工作更少。其中，少量低鎳鋼的試驗(yàn)研究主要用于調(diào)質(zhì)鋼的開(kāi)發(fā)，因?yàn)榈玩囦摮霰姷男阅苁怯纱慊鸷突鼗?TT=550-650°C )處理帶來(lái)的。由于Ac3點(diǎn)的降低可以降低碳鋼的淬火處理溫度，同時(shí)，由于鎳在鋼中的擴(kuò)散速度很低，阻止了奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，低鎳含量的碳鋼可以在較寬的奧氏體化溫度區(qū)進(jìn)行淬火處理而不至于晶粒過(guò)分長(zhǎng)大。(2)鉻含量對(duì)低碳鋼組織性能的影響鉻可以溶于鐵素體和奧氏體，但是在鋼中有碳存在的情況下，鉻會(huì)與碳結(jié)合形成碳化物，主要有滲碳體(Fe，Cr)3C，其中Cr可以高達(dá)15%以上；碳化鉻(CrFe)3C2, (CrFe)7C3, (CrFe)4C，其中鉻可以被部分置換，少則百分之幾，多則55%或25%，在不銹鋼中則含有Cr4C。含鉻2%左右的珠光體鋼對(duì)淬火處理的加熱溫度和冷卻速度極為敏感。例如，該鋼在不同的加熱溫度下淬火具有不同的臨界冷卻速度，見(jiàn)表I。表I低鉻鋼(2%Cr)在不同加熱溫度下淬火的不同的臨界冷卻速度
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120013—0^含鉻鋼對(duì)淬火溫度和冷卻速度十分敏感的主要原因是鉻的碳化物不易溶解于奧氏體內(nèi)，其溶解量隨溫度提高而增加。在較低的冷卻速度下，溶解的鉻可以提高鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變溫度Ac和冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變溫度Ar。在較高的冷卻速度下，含鉻鋼的相變被抑制而Ar點(diǎn)降低，結(jié)果導(dǎo)致鋼的淬硬。鋼中的鉻導(dǎo)致等溫轉(zhuǎn)變曲線上部特征的變化。含鉻鋼珠光體內(nèi)的碳含量降低，因此，在適當(dāng)?shù)臒崽幚項(xiàng)l件下，可以使高碳鋼內(nèi)球狀的自由滲碳體比例增加，并使珠光體得到細(xì)化.這類(lèi)鋼可以用于滾珠軸承。在低碳鋼中當(dāng)鉻含量超過(guò)I. l%Cr時(shí)，可以在鋼基體的表面上形成一層惰性的氧化膜，這種膜能夠抵抗氧化劑的侵蝕，更高的鉻含量可以用于耐熱鋼。在相同的抗張強(qiáng)度水平上，含鉻鋼比含鎳鋼更容易進(jìn)行機(jī)械加工。對(duì)于鉻含量較高的鋼，如果在450-550°C區(qū)間進(jìn)行回火處理后緩慢冷卻，會(huì)表現(xiàn)出對(duì)回火脆性十分敏感。同時(shí)，這些鋼還容易形成表面"鉻線"斑紋。鉻鋼常用于高硬度的模具，滾珠軸承，軋輥和工具。高鉻含量鋼還可以用于永磁材料。(3)低鎳鉻鋼的組織性能特點(diǎn)鎳鋼的特點(diǎn)是強(qiáng)度與塑韌性的結(jié)合，而鉻鋼的特點(diǎn)是高硬度和耐磨。鎳與鉻的結(jié)合使鋼材獲得上述優(yōu)點(diǎn)，其中某些優(yōu)點(diǎn)變得更突出，而沒(méi)有單一合金化的缺點(diǎn)。例如，鎳鉻鋼的淬硬深度增加了，而對(duì)于0. 35C, 4. 5Ν 和I. 25Cr鋼，可以簡(jiǎn)單地在空冷條件下淬硬。因此，在鋼中復(fù)合添加鎳和鉻元素，可以發(fā)揮兩種合金元素優(yōu)點(diǎn)，并與熱處理工藝結(jié)合，開(kāi)發(fā)綜合性能水平更高的合金結(jié)構(gòu)鋼。低碳的低鎳鉻鋼大多用于滲碳處理構(gòu)件。在這類(lèi)鋼中，絕大多數(shù)品種的碳含量控制在0. 25-0. 35C范圍內(nèi)，并通過(guò)熱處理獲得所需的各種性能。相當(dāng)多的鎳和鉻用于高溫耐腐蝕鋼和高溫抗氧化鋼。從回火處理溫度對(duì)低鎳鉻鋼力學(xué)性能的影響可以看到，在250-450°C回火溫度區(qū)，低鎳鉻鋼的沖擊韌性降低到危險(xiǎn)的最低值，見(jiàn)圖3。對(duì)于這種回火脆性，磷和氮含量有重要影響。同時(shí)，其他雜質(zhì)元素砷、錫、碲(As，Sn, Sb)和較高的錳含量也有一定的不利影響。通?？梢杂萌笨跊_擊試樣的沿晶斷裂特征來(lái)描述和鑒定回火脆性。這種脆性是由600°C以上高溫回火后的緩慢冷卻引起的，或者是由于400-550°C中溫回火的保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)引起的?；鼗鸫嘈缘男纬蓹C(jī)理可以解釋為如下反應(yīng)過(guò)程在奧氏體化過(guò)程中Cr、Mn、Mo等合金元素在晶界發(fā)生富集，這使得P、As、Sn、Sb等“脆性”元素在600°C以下緩慢冷卻條件下在晶界發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此造成這幾種雜質(zhì)元素在晶界的偏析，并引起晶界脆化和沖擊載荷下的沿晶斷裂，見(jiàn)圖3。(注試驗(yàn)鋼成分為O. 26C,3. ONi, I. 2Cr ;規(guī)格Φ 29mm棒材。淬火溫度830°C。圖中Izod(2)曲線為O. 25Mo低鎳鉻鋼的沖擊功)。消除回火脆性并使鋼重新獲得韌性的方法是，將脆化的鋼加熱到600°C以上并快速冷卻處理以使脆性的晶界偏析重新分布并保持固溶狀態(tài)。鋼中的P、Sb、As、Sn、Mn等元素的存在增加了回火脆性傾向，而Mo降低這種回火脆性敏感性。在鋼中添加O. 25Mo就可以顯著降低回火脆性，見(jiàn)圖3中含鑰鋼的沖擊韌性曲線Izod(2)，它顯著高于不含鑰的低 鎳鉻鋼的沖擊韌性曲線Izod(I)。表2說(shuō)明了添加少量鑰(<0.45Mo)和回火冷卻速度對(duì)低鎳鉻鋼(0.26C，3.0Ni，1.2Cr)回火脆性的影響。表2添加少量鑰(彡O. 45Mo)和回火冷卻速度對(duì)回火脆性的影響
鋼種 f卻產(chǎn)式I抗張51度^mm艾棄沖擊
S-=:識(shí)廳)鼻—^f|o) I1i^d 功 izodffl
Ni-Cr 油念冷 m1860648
Ni-Cr _ ^ 8Ι§ 18 _ If 25 __tmnmct_____
爐冷^6159SO
Mo rumaace I
注低鎳鉻鋼成分0. 26C，3. ONi，1.2C r;回火溫度630°C。(4)低鎳鉻鋼成分一工藝一組織一性能關(guān)系的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的鎳鉻成分范圍內(nèi)(彡2. 0%Ni，彡2. 0%Cr上、中、下限的試驗(yàn))，可以看到屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度同時(shí)隨鉻含量增加而顯著提高的趨勢(shì)，見(jiàn)圖4和圖5。例如，當(dāng)鉻含量增加到成分的中限時(shí)，在不添加任何釩氮微合金元素的情況下，No. 4試驗(yàn)鋼各規(guī)格的屈服強(qiáng)度平均值已經(jīng)分別達(dá)到Y(jié)S=642MPa ( Φ 12mm)和YS=598MPa ( Φ 20_)，分別滿足YS600MPa級(jí)和YS550MPa級(jí)鋼材的強(qiáng)度要求。當(dāng)鉻含量增加到成分的上限時(shí)，No. 5試驗(yàn)鋼各規(guī)格的屈服強(qiáng)度平均值分別達(dá)到Y(jié)S=832MPa ( Φ 12mm)和YS=717MPa ( Φ 20mm)，分別滿足YS800MPa級(jí)和YS700MPa級(jí)鋼材的強(qiáng)度要求。這些低鎳鉻鋼在獲得良好強(qiáng)化效果的同時(shí)，保持較低的屈強(qiáng)比。例如，當(dāng)鉻含量從試驗(yàn)鋼成分的下限增加到上限時(shí)，Φ 12mm規(guī)格試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度從YS=478MPa提高到Y(jié)S=832MPa，而屈強(qiáng)比僅從YS/TS=0. 60提高到Y(jié)S/TS=0. 67，仍然低于O. 70。這顯著低于一般低合金SiMn鋼和微合金SiMnV鋼的屈強(qiáng)比YS/TS=0. 76 一 O. 81。大量試驗(yàn)研究結(jié)果表明，降低建筑用鋼的屈強(qiáng)比是提高建筑結(jié)構(gòu)抗震能力的重要途徑。因此，日本首先在90年代的建筑用鋼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中提出了對(duì)屈強(qiáng)比的性能指標(biāo)要求。低鎳鉻熱軋鋼筋的低屈強(qiáng)比，為它在抗震建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供了重要技術(shù)支撐。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)低鎳鉻鋼進(jìn)行的成分一工藝一組織一性能試驗(yàn)研究結(jié)果表明，對(duì)于不添加任何釩氮微合金元素的低鎳鉻熱軋鋼筋，能夠在屈服強(qiáng)度達(dá)到Y(jié)S700級(jí)指標(biāo)的情況下，仍然保持很低的屈強(qiáng)比YS/TS=0. 604 O. 665 (或很高的強(qiáng)屈比TS/YS=1. 504 I. 655)，顯著優(yōu)于抗震結(jié)構(gòu)用鋼對(duì)屈強(qiáng)比YS/TS ( O. 80的要求(或?qū)?qiáng)屈比TS/YS彡I. 25的要求)，見(jiàn)圖4和圖5。從各鋼種進(jìn)行鹽霧箱加速腐蝕試驗(yàn)的結(jié)果可以看到，這種低鎳鉻成分的熱軋鋼筋具有良好的耐候性能，其相對(duì)平均腐蝕率顯著低于普通20MnSi和20MnSiV熱軋鋼筋，見(jiàn)圖6。加速腐蝕試驗(yàn)結(jié)果證明了對(duì)含Cr鋼耐腐蝕性能的研究結(jié)果在低碳鋼中當(dāng)鉻含量超過(guò)
I.l%Cr時(shí)，可以在鋼基體的表面上形成一層惰性的氧化膜，這種膜能夠抵抗氧化劑的侵蝕。從掃描電鏡SEM的觀察分析可以看到，低鎳鉻鋼氧化膜厚度大多在2 — 3 μ m，基體表層和氧化膜內(nèi)的Cr含量高于鋼基體的平均含量。 該鋼的顯微組織與20MnSi的鐵素體一珠光體組織(見(jiàn)圖7)和20MnSiV的針狀鐵素體組織(見(jiàn)圖8)不同，是以貝氏體為基體的復(fù)相組織(見(jiàn)圖9)。(5)釩氮微合金化的影響微量釩在低碳鋼中通過(guò)細(xì)化晶粒和碳氮化物彌散析出兩種途徑提高鋼的強(qiáng)度。釩的細(xì)化晶粒作用與微量鈮在熱變形過(guò)程中阻止奧氏體靜態(tài)再結(jié)晶的細(xì)化機(jī)理不同，主要是通過(guò)熱變形后冷卻相變過(guò)程中VN析出相的晶內(nèi)鐵素體形核機(jī)制來(lái)細(xì)化晶粒，包括600 -650°C區(qū)間的多邊形鐵素體晶內(nèi)形核與450°C左右的針狀鐵素體形核。釩在奧氏體中的溶解度較高，對(duì)于一般低碳鋼和低合金鋼的化學(xué)成分，熱軋過(guò)程中V(C，N)不會(huì)在奧氏體內(nèi)析出。因此，在VCN完全溶解的溫度1150°C以上加熱鋼坯，而后適當(dāng)控制軋制溫度和軋后冷卻溫度，有利于含釩鋼在冷卻相變過(guò)程中的晶內(nèi)鐵素體形核與晶粒細(xì)化。尤其是在奧氏體內(nèi)析出的VN顆粒，作為鐵素體形核的有利位置，提高了晶內(nèi)鐵素體形核率，更有利于晶粒細(xì)化。這主要是由于VN析出相與鐵素體形成共格相界，顯著降低了鐵素體形核的界面能。因此在含釩鋼中提高氮含量和VN析出相比例，有利于細(xì)化晶粒。另一方面，鐵素體中的VN析出相顆粒尺寸比VC更為細(xì)小，并且穩(wěn)定，因此VN析出相對(duì)強(qiáng)度增量的貢獻(xiàn)比VC析出相更大。在相同的釩含量條件下，適度提高氮含量可以獲得更好的強(qiáng)化效果。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，對(duì)于在650°C等溫轉(zhuǎn)變后具有鐵素體一珠光體組織的含釩鋼，其強(qiáng)度隨著氮含量的提高而呈線性增長(zhǎng)，大約每O. OOP/oN可以提高強(qiáng)度6MPa。同時(shí)，每O. 01%C可以提高強(qiáng)度5. 5MPa，參見(jiàn)

圖10和圖11。在含釩鋼中增加氮含量可以促進(jìn)VN的析出，一方面在奧氏體內(nèi)析出的VN顆粒通過(guò)晶內(nèi)鐵素體形核可以細(xì)化晶粒提聞強(qiáng)度，另一方面冷卻相變后在鐵素體內(nèi)析出的細(xì)小VN顆?？梢灾苯油ㄟ^(guò)彌散析出提高強(qiáng)度，而且可以同時(shí)提高屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，有利于在高強(qiáng)度條件下保持較高的強(qiáng)屈比。因此，對(duì)于高強(qiáng)度熱軋鋼筋，特別是需要保持一定強(qiáng)屈比的高強(qiáng)度鋼筋，在進(jìn)行釩氮微合金化處理時(shí)適度提高氮含量，并盡量增加VN在VCN析出相中的比例，對(duì)于細(xì)化強(qiáng)化和析出強(qiáng)化這兩種重要的強(qiáng)化途徑均是十分有益的。
但是，由于鋼中的自由氮對(duì)于塑性是非常有害的，在鋼中提高氮含量必須嚴(yán)格控制氮含量與固定自由氮原子的微合金元素含量的原子比。一方面，為充分發(fā)揮VN的細(xì)化強(qiáng)化和析出強(qiáng)化作用，需要盡量提高氮含量和氮釩原子比使N:V— I以增加VN析出相在VCN復(fù)合析出相中的比例；另一方面，為控制鋼中不出現(xiàn)危害塑性的自由氮原子，必須控制氮釩原子比在N:V ( I的范圍內(nèi)。在理想的冶金物理化學(xué)條件下，假設(shè)每一個(gè)氮原子都被一個(gè)釩原子占有固定，也就是說(shuō)，氮釩原子比最大值為I。如果鋼中的釩含量為0.10%V，為保證每一個(gè)氮原子都獲得一個(gè)釩原子，而不存在任何自由氮原子，按照釩原子質(zhì)量Amv=50. 94 g. mo I ―1和氮原子質(zhì)量Am.n=14. 00 g. mol ―1計(jì)算，則鋼中最理想的釩氮含量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)之比等于釩氮的原子質(zhì)量之比[t%V] / [wt%N] = Am v/Am n=50. 94 g. mol -1/14· 00 g. mol _1=3. 64因此，在理想的條件下，當(dāng)鋼中O. IOV (wt%)釩含量的全部釩原子與氮原子結(jié)合并形成氮化釩VN析出相時(shí)，可以固定的氮原子數(shù)量所對(duì)應(yīng)的最大氮含量為O. 0275%N (wt%)0 即是說(shuō)，在釩含量為O. 10% V的條件下，為保證鋼中不出現(xiàn)自由氮原子，氮含量最多可以增加到275ppm，參見(jiàn)表3。表3在理想極限條件下，釩氮原子比為I :1時(shí)，不同微量釩與最大氮含量
微合金元素與氮IvTTn | 27ν | 37ν
金屬原子質(zhì)量(g. mor1)50. 94~ 50. 94~ 50. 94~
氮原子質(zhì)量(g.mor1)14. 00~14. 00~14. 00~
VN 理想原子配比 V: N= I: I3. 64 3. 64 3. 64
金屬元素含量(wt%)0. 060~ 0. 060~ 0. 060~
氮化物全部析出可固定的最大氮含量(wt%)0. 0165 0. 0275 0. 0494試驗(yàn)研究和理論計(jì)算的結(jié)果表明，在氮釩原子比小于I的范圍內(nèi)，隨著氮含量的增加與氮釩原子比的提高，低碳含釩鋼(0. 1C，0. 30Si, I. 40Μη，0· 10V，wt%)中VCN析出相中的V含量和N含量均呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)，參見(jiàn)圖12和圖13。尤其是在700°C以下鐵素體區(qū)析出的VCN中，氮的摩爾百分比，或在VCN中的VN百分比，隨著氮含量從0. 003%增加到0. 03%，VN析出相在VCN析出相中的百分比從10%提高到95%。就是說(shuō)，在同樣的0. 10%V含量條件下，將氮含量從30ppm提高到300ppm (略高于最佳氮f凡原子比N: V=I: I對(duì)應(yīng)的氮含量275ppm)時(shí)，鋼中VCN析出相的成分已經(jīng)從90%的VC轉(zhuǎn)變?yōu)?5%的VN。這種細(xì)小彌散的VN析出相對(duì)于提高屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、均勻伸長(zhǎng)率和強(qiáng)屈比十分有益。因此，對(duì)于屈服強(qiáng)度YS700MPa級(jí)的高強(qiáng)度熱軋鋼筋來(lái)說(shuō)，為了同時(shí)獲得良好的耐候性能和抗震性能，一方面采用低鎳鉻含量的成分設(shè)計(jì)，利于Cr含量較高的致密氧化膜有效阻止腐蝕過(guò)程的發(fā)展，獲得良好耐候性能；另一方面，發(fā)揮鎳鉻元素對(duì)相變的影響作用和潛力，結(jié)合熱軋形變熱處理TMCP技術(shù)的應(yīng)用，獲得所需的低碳貝氏體組織；同時(shí)，采用最佳釩氮原子比的微合金化成分設(shè)計(jì)，獲得較高百分比的細(xì)小VN析出相。從而使該鋼在低鎳鉻與釩氮微合金化相結(jié)合的比較簡(jiǎn)單的化學(xué)成分條件下，不僅獲得良好的耐候性能，而且獲得了所需的高屈強(qiáng)比和抗震性能。(6)化學(xué)成分設(shè)計(jì)目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有屈服強(qiáng)度YS700MPa級(jí)熱軋鋼筋的標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際上也只有美國(guó)MMFX公司開(kāi)發(fā)了與該級(jí)別相似的GlOO級(jí)(YS690MPa)熱軋鋼筋。實(shí)際上，YS700MPa級(jí)熱軋鋼筋的屈服強(qiáng)度已經(jīng)超過(guò)XlOO級(jí)管線鋼(685MPa級(jí))，而管線鋼從X70級(jí)(485MPa級(jí))開(kāi)始就使用Ni、Cr、Mo等貝氏體形成元素,至X80級(jí)(550MPa級(jí))已經(jīng)更多的使用Ni、Cr、Mo、Cu、B等合金元素與微合金元素Nb、V、Ti配合使用，以獲得所需的高強(qiáng)度高韌性。根據(jù)國(guó)內(nèi)外和總院以往的試驗(yàn)研究結(jié)果，對(duì)于700MPa級(jí)熱軋鋼筋，采用Ni、Cr等合金元素通過(guò)相變強(qiáng)化獲得以貝氏體為基體的復(fù)相鋼，同時(shí)采用接近最佳氮釩原子比N: V — I: I的微合金化以獲得細(xì)小彌散的VN和VCN析出相，使獲得高強(qiáng)度和高強(qiáng)屈比的重要強(qiáng)化與強(qiáng)塑化途徑。在隨后的半工業(yè)試制和工業(yè)試制過(guò)程中，采用以下化學(xué)成分設(shè)計(jì)，見(jiàn) 表4。表4抗震耐候高強(qiáng)度HRB700SW級(jí)熱軋鋼筋的化學(xué)成分
權(quán)利要求
1. 一種抗震耐候高強(qiáng)度YS700MPa級(jí)熱軋鋼筋，其特征在于，化學(xué)成分及含量為C :.0. 20 0. 25、Si :0. 40 0. 80,Mn :1. 20 I. 60, P ( 0. 035、S 彡 0. 035, V :0. 06 0. 20、N :0. 010 0. 030,Ni :0. 20 2. OXr :0. 20 2. 0、Ti :0. 01 0. 03，余量為 Fe ;均為質(zhì)量百分比數(shù)。
全文摘要
一種抗震耐候高強(qiáng)度YS700MPa級(jí)熱軋鋼筋，屬于鋼鐵新材料技術(shù)領(lǐng)域。采用低鎳鉻含量(Ni<2.0%，Cr<2.0%)與釩氮微合金化相結(jié)合的成分設(shè)計(jì)，其中，C0.20～0.25、Si0.40～0.80、Mn1.20～1.60、P≤0.035、S≤0.035、V0.06～0.20、N0.010～0.030、Ni0.20～2.0、Cr0.20～2.0、Ti0.01～0.03，余量為Fe；均為質(zhì)量百分比數(shù)。優(yōu)點(diǎn)在于，該鋼筋在熱軋狀態(tài)屈服強(qiáng)度達(dá)到Y(jié)S700MPa級(jí)的條件下，不僅斷后總伸長(zhǎng)率達(dá)到12.5－18.0%，均勻伸長(zhǎng)率達(dá)到5.5－9.5%，強(qiáng)屈比達(dá)到1.27－1.45，滿足了抗震性能的技術(shù)指標(biāo)要求，而且耐候性能優(yōu)于世界名牌耐候鋼Corten A。
文檔編號(hào)C22C38/58GK102796970SQ201210326669
公開(kāi)日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月5日
發(fā)明者李光瀛, 劉憲民, 張江玲, 張黎明, 王衛(wèi)衛(wèi), 楊俊虎 申請(qǐng)人:鋼鐵研究總院, 中天鋼鐵集團(tuán)有限公司