新型锰系空冷超高强精轧螺纹钢筋的研制

1、? 第 46卷? 第 5期 ? 2 0 1 1 年 5 月 钢铁 Iron and Steel ? Vol. 46, No. 5 May? 2011 新型锰系空冷超高强精轧螺纹钢筋的研制 李文韬, ? 李正操, ? 张? 寒, ? 白秉哲 ( 清华大学材料与科学工程系, 北京 100084) 摘? 要: 对新型锰系空冷超高强精轧螺纹钢筋进行了实验室研究和工业生产试制。在提高性能同时降低合金成本 和简化工艺的原则下, 在新型锰系空冷贝氏体钢的基础上采用钒微合金化, 开发了超高强精轧螺纹钢筋( PBR)。 此外, 利用 T EM 研究了 PBR 钢筋中钒的析出物的形貌、 尺寸及分布。开发的 PBR

2、 超高强钢筋, 不含昂贵合金元 素, 淬透性好, 强度高, 屈强比低, 全面满足 PSB 1080 级别要求, ?20mm 钢筋抗拉强度达到1600 1610MPa, 屈服 强度1400 1420MPa, 伸长率 8. 5% , 均匀伸长率 5. 0% ; ?32mm 钢筋抗拉强度达到1450 1500MPa, 屈服强度 1140 1200M Pa, 伸长率 9. 0% , 均匀伸长率 5. 0% 。 关键词: 锰系贝氏体钢; 超高强精轧螺纹钢筋; 钒微合金化; (T i, V) C 文献标志码: A ? ? 文章编号: 0449 ?749X(2011) 05?0076?05 Developm

3、ent of Air?Cooled Super Strength Finish Rolled Rebar LI Wen?tao, ? LI Zheng?cao, ? ZHANG H an, ? BAI Bing?zhe ( Department of Material Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China) Abstract: Super strength finish rolled rebar based on air ?cooled was studied in laboratory and

4、industrial production was carried out. Vanadium microalloyed was developed on the base of manganese series bainitic steels in order to im? prove performance, reduce costs and simplify technology. Besides, morphology, size and distribution of vanadium precipitates were studied by use of T EM. The air

5、 ?cooled bainite steel developed without expensive alloy elements shows high strength and low yield ratio, which fully meets the standard of PSB 1080. ?20mm rebar has mechanical properties as follows: Rm1600?1610MPa; ReL1400?1420MPa; A 8. 5% ; Agt5. 0% . ?32mm rebar: Rm1450? 1500MPa; ReL1140 ?1200MP

6、a; A 9. 0% ; Agt5. 0% . Key words: manganese series bainitic steel; super strength finish rolled rebar; vanadium microalloying; ( Ti, V) C 基金项目: 国家重点基础研究发展计划项目( 2004CB619105, 2010CB731600) 作者简介: 李文韬( 1985? ) , 男, 硕士生; ? ? E ?mail: liwt04 mails. tsinghua. edu. cn; ? ? 收稿日期: 2010 ?06?11 ? ? 精轧螺纹钢筋是 20

7、 世纪 70 年代原联邦德国开 发并获专利权的产品, 具有连接、 锚固简便安全, 施 工方便、 节约等优点, 较好地解决了钢筋焊接问题。 随着建筑物向大跨度化、 高层化、 多样化方向发展, 建筑工程的质量和安全要求更高, 强度级别大于 1000MPa 的超高强精轧螺纹钢筋需求量猛增。传 统的 高 强 钢 筋 材 料 40Si2MnV、 40Si2MnMoV、 45Si2CrB 等存在工艺复杂、 合金化成本高、 屈强比 高导致抗震性能差等问题。因此, 研制高性能低成 本超高强钢筋并尽快应用于国民经济有着十分重要 的意义。 清华大学贝氏体钢研究及推广中心方鸿生等人 发明的锰系空冷贝氏体钢热加工后空

8、冷自硬, 强韧 性能优良, 成本低廉, 在众多领域得到了越来越广泛 的应用 1?3 。结合超高强精轧螺纹钢筋的生产实际, 根据空冷贝氏体钢的成分设计思路, 进一步开发了 新型锰系空冷超高强精轧螺纹钢筋。 1 ? 成分设计 空冷超高强精轧螺纹钢筋成分设计仍沿袭空冷 贝氏体钢的思路, 不添加钼、 镍、 铜等贵重合金元素。 各合金元素的作用如下。 锰具有最高的淬透性硬化因子 3, 是保证空冷 条件下获得贝氏体组织的关键元素。锰在过冷奥氏 体中重新分配, 于 ?/ 界面富集, 产生溶质拖曳效 应, 阻碍了晶界的移动, 同时富集在界面的锰减缓了 碳在奥氏体中的扩散速率, 延缓了铁素体的转变, 使 钢在

9、600 左右的孕育期加长, 高温转变与中温转 变分离, 使过冷奥氏体等温转变曲线上存在明显的 河湾。随着锰含量的增加, 钢的淬透性增加, 但由于 在钢液的铸造和冷却过程中锰容易产生偏析, 因此 锰含量不宜过高。 第 5 期李文韬等: 新型锰系空冷超高强精轧螺纹钢筋的研制 硅具有一定的固溶强化作用, 同时与锰的交 互效应可加强偏聚效果, 而导致碳在奥氏体中的 扩散速度降低。本研究中硅的质量分数为 0. 9% 左右。 钒在钢中形成稳定的碳化物或氮化物弥散质 点, 起到细化奥氏体晶粒或在冷却过程中第二相强 化的作用。钒在奥氏体中的固溶度最高, 但在铁素 体中的溶解度很低, 是一种理想的铁素体析出强化

10、 元素。考虑到成本因素, 本研究控制钒的质量分数 在 0. 02%左右。 同时, 加入少量合金元素铬( 质量分数 0. 10% 左右) , 主要辅助提高贝氏体淬透性及固溶强化作 用。 根据超强钢筋性能国家标准 GB/ T20065 ? 2006 的要求, 在高性能、 低成本、 合理屈强比的前提 下, 设计了空冷超高强精轧螺纹钢筋( PBR) 。 2 ? 成分、 组织和力学性能 2. 1? 成分及性能 PBR 与传统高强螺纹钢筋材料成分 4?5如表 1 所示。由表 1 可知, PBR 与其他几种国内外典型的 高强钢相比具有更简单的合金元素和更低的合金成 本。采用 PRB 的成分设计, 进行了直径

11、为 20 32mm 精轧螺纹钢筋的工业试制。试制生产工艺 为: 电弧炉冶炼 !真空炉精炼 !浇注 !精轧!空冷。 将空冷后的钢筋切取样品, 进行直径方向的硬度测试, 观察组织。并在 300 进行回火处理, 将长度为 50cm 的样品在60t 拉伸试验机上进行力学性能测试。 表 1? 高强精轧螺纹钢筋化学成分( 质量分数) Table 1? Chemical composition of super strength finish rolled rebar% 钢种CSiMnCrBPST iMoVNi 40Si2M nMoV( 美国)0. 4701. 770. 920?0. 0260. 024?0

12、. 1800.200? 40Si2MnV( 天津二轧)0. 4601. 740. 896?0. 0260. 018?0.125? 45Si2CrB( 日本)0. 4681. 730. 6750. 460. 0020. 0170. 0140. 00370. 0570.0020. 021 AJL 1080( 美国)0. 4801. 700. 9500. 40?0. 0120. 005?0. 1900.170? 70SiMnCr( 德国)0. 7200. 491. 2700. 13?0. 0150. 015? PBR0. 3100. 94适量0. 10?0. 0290. 0060. 0290?0.0

13、29? ?PBR 与 40Si2MnMoV、 40Si2MnV、 45Si2CrB 精轧螺纹钢筋表面至心部的硬度分布如图 1 所示。 由图 1 可知, PBR 硬度值最大且从表面到心部具有 更小的硬度起伏。PBR 的维氏硬度比 45Si2CrB 在 心部约高 60 左右, 表面约高 100, 强度提高超过 200MPa。不同直径的 PBR 螺纹钢筋经 300 回火 后, 力学性能如表 2 4?5 所示。 图 1? PBR与其他 4 种典型钢筋径向硬度分布 Fig. 1? Hardness( HV) distribution of finish rolled rebar using PRB1 a

14、nd other four classical materials 由图 1、 表 2 可知, 新开发的螺纹钢筋 PBR 全 面满足直径 32mm 以下超高强精轧螺纹钢筋的要 求, 并具有 较好的塑性和较 低的屈强比。直径 20mm 时屈服强度达到近1400MPa, 抗拉强度达到 1600MPa。由表 2 中的性能对比可知, 与性能最优 异的 AJL1080相比, PBR 具有更高的强度和更低的 屈强比, 且工艺简单, 只需轧制完后空冷、 低温回火 即可。40Si2MnV( 天津二轧) 采用余热处理的方法 生产 5, 类似于 Temper Core( 芯热回火) 钢筋, 即钢 筋从终轧机出口通

15、过一套特殊的水冷系统, 使钢筋 部分截面淬火成马氏体, 心部仍为过冷奥氏体. 在随 后冷却过程中, 心部热量传递至钢筋表面, 使表层淬 火组织发生分解。通过这种热处理使钢筋产生相变 强化, 其强化增量可达 100 300MPa。采用这种工 艺尚可生产 ReL 850MPa, 特别是 ReL 930MPa, Z 8%的高性能级 别的钢筋则无法实现高强度、 高塑性的匹配问题。 而 AJL 1080要求连续快速加热、 淬水、 快速回火, 虽 然相比余热处理可提高钢筋强度, 但工艺仍比较复杂 且条件苛刻。 由表1知, PBR合金设计较AJL 1080 77 钢? 铁第 46 卷 表 2? PBR 30

16、0 回火后力学性能与国内外典型高强钢筋性能对比 Table 2? Mechanical properties of finish rolled rebar using PBR tempered at 300 钢筋类别直径/ mm抗拉强度 Rm/ MPa屈服强度 ReL/ MPa伸长率 A / %最大力总伸长率 Agt/ %屈强比 201600 16101400 14208. 55. 00. 87 0. 88 PBR251510 15201223 12308. 54. 00. 80 0. 81 321450 15001140 12009. 05. 00. 76 0. 83 40Si2MnMoV(

17、 美国)321100900140. 82 45Si2CrB( 日本)25 321155 11601040 105012. 3 13. 50. 90 0. 91 40Si2MnV( 天津二轧)32995 1080760 8258 12# 0. 76 70SiMnCr( 德国)-1270113010. 00. 89 AJL1080( 美国1) 321280119011. 60. 93 ? ? 1) AJL 1080 是在 45Si2MnMoV 基础上进行微合金化调整和控轧控冷工艺得到。 相比, 节省了稀有合金元素钼、 钒等, 在提高性能的 基础上较大降低了成本。 相对于传统材料 40Si2MnMo

18、V、 40Si2MnV、 45Si2CrB, PBR 强度大幅上升, 从而可节省材料; 同 时已 远远 超 出 现 有 国标 最 高 强 度级 别 1080/ 1230MPa 性能指标, 可作为新一代超高强精轧螺纹 钢筋的升级换代产品。 2. 2? 微观组织 图2 所示为 ?32mm PBR钢筋的心部与表层组织。 其组织相对比较均匀, 这是整体性能均匀的保证。 ( a) 心部; ? ( b) 边缘。 图 2? ?32mm 钢筋心部与边缘组织 Fig. 2? Microstructure of the core and surface of ?32mm rebar ? ? 轧后空冷条件下直径 2

19、0mm、 32mm PBR 钢筋 心部组织如图 3 所示。图 4 是典型的透射电镜照 片。由图 3、 4 知, PBR 钢筋空冷工艺下, 主要为粒 状贝氏体/ 马氏体复相组织, 同时含有少量的先共析 铁素体。B/ M+IF( 少量) 复相组织保证了钢筋的 强度和塑性。 ( a) ?20mm; ? ( b) ?32mm。 图 3? 不同直径钢筋心部组织 Fig. 3? Microstructure of the core of rebar with different diameters 78 第 5 期李文韬等: 新型锰系空冷超高强精轧螺纹钢筋的研制 ( a) M/ A 岛明场像; ? ( b

20、) M / A 岛暗场像; ? ( c) 衍射斑; ? ( d) PBR 透射照片。 图 4? PBR 中 M/ A岛、 马氏体及先共析铁素体 Fig. 4? M/ A island, martensite and proeutectoid ferrite in PBR 2. 3? (Ti, V)C析出物 钢中钒的析出主要分为 3 个过程 6: 1) 浇注过 程中形成的含钒夹杂物, 比较稳定且尺寸较大; 2) 锻 造轧制过程在奥氏体中析出, 平均尺寸约 22nm; 3) 奥氏体?铁素体转变过程中或转变后, 在 / ?相界或 铁素体内形核析出细小颗粒( 15nm) 。由钒在奥 氏体中典型的平衡方

21、程 lg w ( V ) w ( C ) = 6 ?72- 9500/ T 可知, 对于 PBR, 当加热温度 为 812 时钒便能完全固溶进基体中。文献 7 指出: 对于 V?Ti 微合金钢, 原始态试样中存在 2 种析出 颗粒, 均为( Ti, V) ( C, N) 析出颗粒。由于钒、 钛间 的交互作用, 对于较大的析出颗粒, 在1100 保温 也未完全回溶。PBR 钢筋的轧制温度高于1050 , 因此较小颗粒的( T i, V) ( C, N) 能充分溶解于奥氏 体中, 较大尺寸的仍以颗粒形式存在。在轧后空冷 过程中, VC 形核析出, 主要机制有 2 种 6 : 另一种 是以未溶解的(

22、 T i, V) ( C, N) 为核心形核析出, 形成 一种包覆结构, 此类颗粒尺寸较大; 另一种是自身形 核长大, 形成细小弥散颗粒。图 5 为利用碳复型样 品在 TEM 下观测到的析出物的典型形貌。可以看 到: 较大尺寸的颗粒形貌较为复杂, 存在椭球、 正方 体、 长方体以及不规则形貌, 而尺寸较小的颗粒基本 为球形。由图 6可以看出, PBR 钢筋中存在大量的 弥散析出物, 主要以尺寸小于 30nm 的析出物为主。 EDS 结果表明: 此类析出物均为( T i, V) C; 同时可 以看出, 存在尺寸小于8nm 的细小析出物。图 6( d) 是析出物粒子的粒径分布, 晶粒在 18nm

23、左右和 40nm 存在 2 个% 峰 ? ( b) 细小析出物; ? ( c) EDS; ? ( d) 析出物尺寸分布。 图 6? ( Ti, V) C析出物尺寸及分布 Fig. 6? Size and distribution of ( Ti, V) C 3 ? 结论 1) 采用简单而廉价的成分设计, 开发了空冷超 高强精轧螺纹钢筋 ( PBR) , 使其抗拉强度 达到 1450 1500MPa, 屈服强度1140 1200MPa, 伸长 率 9 ?0% , 均 匀 伸 长 率 5. 0% 。与 传 统 材 料 40Si2MnV、 40Si2MnMoV、 45Si2CrB 相比, PBR 钢 筋淬透性高, 强度高, 屈强比低, 同时屈服强度达到 1200MPa 级别, 可作为新一代超高强精轧螺纹钢筋 的升级换代产品。 2) PBR 钢筋中析出物主要是( T i, V) C, 可大致 分为两类, 一类是较大尺寸( 40nm) 的颗粒, 存在 椭球、 正方体、 长方体以及不规则形貌; 一类是尺寸 较小 的 球 形 颗 粒。析 出 物 平