用于预应力混凝土的高强度钢绞绳及其制法的制作方法

专利名称：用于预应力混凝土的高强度钢绞绳及其制法的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于预应力混凝土的高强度钢绞绳(以下称为用于PC的钢绞绳)及其制备方法。
近年来，随着混凝土的更加强化，混凝土结构变得更大，更长和/或更轻量。由此导致强烈要求强化用于PC的钢绞绳，以便加强混凝土。
具有高强度和卓越韧性的钢丝及其制备方法曾经或正在被研究和开发。例如，日本特许公开说明书，特公平5-26851公布了一种具有高强度和高韧性钢丝的制备方法，按照该方法在拉丝后立即将钢丝用水冷却。还有，日本未经审查的专利说明书特开平3-271329公开了一种具有不包含先-共析渗碳体的细珠粒体结构的高强度钢丝的制备方法。还有，日本未经审查的专利说明书特开平2-197524公布了一种细高抗拉的钢丝的制备方法。在上述公开说明书中所公布的钢丝，其直径和抗拉强度间的关系示于

图1。图1的横坐标表示钢丝和钢绞绳的直径，而图1的纵坐标表示具有延伸率为3.5％或更大的纲丝的抗拉强度。
术语“延伸率”是用于表明材料的延性程度，就用于PC的钢绞绳来说，延伸率是用以下步骤测量的，将试验样品放在间距为600mm的夹头之间，然后拉伸其相对的两端直到发生断裂，测量在断裂时的延伸长度。
在纵坐标上，使用在“JISG3536用于预应力混凝土的钢丝和钢绞绳“所示延伸率3.5％作为延伸性标准。此外，在横坐标上具有对数标度．具有直径小于9mm的试样是非绞合的钢丝(或单钢丝)，而具有9mm或大于9mm者则是钢绞绳。如由图1可见，钢钢绞绳的抗拉强度约为220到230kgf/mm2，钢丝的抗拉强度通常是230kgf/mm2或者小于230kgf/mm2，有一些钢丝的抗拉强度为230～245kgf/mm2。然而，如果用这样钢丝制造钢绞绳，则在股线之间有剪切力作用在其接触点上，从而导致断裂。由于最大抗切强度是抗拉强度的约60％，因此，难以高度强化钢绞绳。相应地，钢绞绳的抗拉强度趋向于230 kgf/mm2或小于230kgf/mm2。
如在“预应力混凝土Vol.26，No.3，1984年5月”所述，从工业生产观点看，对于一般常用钢绞绳来说，230kgf/mm2可以说是基本上是其抗拉强度范围的上限，这种常用钢绞绳由7股钢丝制成，并且由于下述理由其直径为12.7mm。通常，在制造用于PC的钢绞绳过程中，在拉好的钢丝被绞合或编织后，要进行时效处理，在该处理中，钢绞绳被加热到温度300～450℃，以便除掉残余应力并改善弛豫特性。就上述抗拉强度大于230kgf/mm2的钢丝来说，由该钢丝所制成的钢绞绳在绞合处理后，在短时间的时效处理内不能充分地被加热，结果，由于应变时效而发生脆化，从而不能恢复韧性。为了恢复韧性，可以考虑用较长时间，例如几十分钟时间进行时效处理。然而，在这种情况下，抗拉强度被降低，生产率被降低，并且从工业生产观点看来也存在问题。也可考虑通过提高时效温度而减少加热时间，例如将时效温度提高到700℃或更高。在这种情况下，操作性变成低劣。因为，能对钢绞绳提供满意性能的加热时间范围又很窄，并且随加热时间的微小变化而导致产品性能的很大变化。结果，使钢绞绳难以强化，因为其中也含有低强度钢绞绳。
考虑到现有技术存在的问题，本发明目的是提供一种用于PC的高强度钢绞绳及其制备方法。按照该方法，可获得具有稳定性能的钢绞绳，并且通过工业生产适用的时效处理，使该钢绞绳所具有的抗拉强度为235kgf/mm2或更高以及延伸率为3.5％或更大。
相应地，本发明的一个方面是使用具有珠粒体结构并且含有0.80～1.30％的碳，0.60～2.50％的硅和0.30～1.50％的锰，其余量是铁和不可避免的杂质的钢丝材料所构成的用于PC的高强度钢绞绳。其中，珠粒体结构的渗碳体部分含有纤维性渗碳体和粒状渗碳体的混合结构；粒状渗碳体对全部渗碳体的容积比是10～40％；粒状渗碳体的颗粒直径是40～300以及钢绞绳的抗粒强度是235kgf/mm2或更高，其延伸率是3.5％或更大。
由于这种结构，用于PC的高强度钢绞绳可具有卓越的机械性能即高抗拉强度和高韧性。
本发明另一方面是使用具有珠粒体结构并含有0.80～1.30％的碳、0.60～2.50％的硅和0.30～1.50％的锰，其余量是铁和不可避免的杂质所构成的钢丝材料而制备用于PC的高强度钢绞绳的方法，其制备方法包括如下步骤将钢丝在铅中淬火的铅淬火步骤；将钢丝拉伸的拉丝步骤；将钢丝绞合的绞丝步骤；时效步骤，在该步骤中对钢丝施加0.4到3％的塑性延伸率，同时温度保持在200～600℃持续时间为2～1500秒。
按照本发明方法，通过在时效步骤中在特定范围内所择时效温度下，选择合适的使钢绞绳经受塑性变形所需持续时间就能稳定地制备具有抗拉强度为235kgf/mm2或更高以及延伸率为3.5％或更大的用于PC的高强度钢绞绳。
本发明另一方面是对钢绞绳所施加的塑性延伸率可以是0.8～3％。
使用本发明方法，通过在特定范围内所择时效温度下，选择合适的使钢绞绳经受塑性变形所需持续时间，就能稳定地制备具有抗拉强度235kgf/mm2或更高和延伸率5％或更大的用于PC的高强度钢绞绳。
本发明又一方面，按照图2可以确定，在时效步骤中，作为温度函数的、使钢绞绳经受塑性拉伸所需的最短时间。
参照图2，本发明可容易地测定，为达到特定机械性能诸如抗拉强度和表示钢丝韧性的延伸率而使钢绞绳经受塑性拉伸所需的最短时间。例如为获得抗拉强度为235kgf/mm2或更高和延伸率为3.5％或更大的钢绞绳或者抗拉强度为235kgf/mm2或更高和延伸率为5.0％或更大的钢绞绳的条件可作为时效温度和塑性变形(塑性拉伸)率的函数而进行确定。
本发明再一方面，在时效步骤中，为使钢绞绳经受塑形拉伸的时间范围按照图4可作为塑性变形(拉伸)率的函数而进行确定。
参照图4，为达到卓越机械性能诸如抗拉强度为235kgf/mm2或更高和延伸率为3.5％或更大，钢绞绳经受塑性拉伸的时间范围可作为塑性变形(塑性拉伸)率的函数而容易地进行确定。
本发明另一方面，在时效步骤中，使钢绞绳经受塑性拉伸的持续时间可按照图2和4作为温度的函数而进行确定。
尽管图2所提供的在时效处理中具有上述特定性能的钢绞绳经受塑性拉伸所需的最短持续时间不仅作为时效温度的函数、而且也作为塑性拉伸(塑性变形)率的函数，但这些数据并未提供在时效处理中使钢绞线经受塑性变形所需的最长持续时间，超过该持续时间钢丝不具有卓越性能。而且，在图2中并未提供钢绞绳所经受的在0.4％和0.8之间或0.8％和3.0％之间的某些塑性变形率的精确曲线。这就要求人们在图2上画出一条估算曲线，如施加于钢绞绳的塑性变形在上述两个范围即0.4～0.8％和0.8～3之间的情况，以便估计达到卓越性能的钢绞绳所需的最短持续时间。在这种情况下，图4将提供一个更好的准则，使得人们知道，在时效处理期间经受塑性变形的钢绞绳所需的最短时间是作为沿X-轴的塑性变形率的函数。此外，图4还提供钢绞绳在时效处理期间经受塑性变形的持续时间的上限。因此，人们能够参照着上述两个图而容易地估计钢绞绳经受塑性变形的适宜的持续时间，以达到卓越性能，较高抗拉强度和较大延伸率，同时，满足生产方面的需要。
当阅读过下列详细说明和附图，本发明的各种目的，特征和优点将更为清楚。
图1表明，当高强度钢丝和钢绞线具有延伸率为3.5％或更大时，其直径和抗拉强度之间的关系曲线；图2表明，钢绞绳特性与时效温度，在给定时效温度下的容许塑性变形率以及在钢绞线进行塑性变形的塑性变形最短持续时间之间的关系曲线。
图3表明，在有关抗拉强度和延伸率的加热后，粒状渗碳体的颗粒直径和粒状渗碳体对全部渗碳体的容积比的影响；图4表明，在由塑性延伸所致应变(塑性变形率)和塑性延伸持续时间之间的关系曲线；和图5表明，用于实施本发明方法的示范设备。
本发明上述组分的含量所以限于上述范围是由于下述理由碳碳是通过铅淬火处理而获得增加强度的有效而经济的元素。然而，如果碳含量小于0.8％，则得不到所要求的强度；如果碳含量大于1.3％，则网状渗碳体沉积在晶界上，结果，大大降低钢丝的韧性。因此，碳含量范围定于0.8％到1.3％之间。
硅硅是作为脱氧剂所必需的元件，并且它溶入铁素体中，从而显著强化固溶体。此外，硅在铁素体中的作用是防止由拉丝处理后的时效处理所导致的钢丝强度的下降。因此，硅是为制造高度钢绞绳所必要的元素。因此硅含量范围的下限定在0.6％；另一方面如果加硅过多，则过量的SiO2及其有关物质存在于钢线中，这会导致拉丝后的钢丝的韧性下降， 因此，硅含量范围的上限定在2.50％。
锰锰也是一个作为脱氧剂所必需的元素并且它通过对钢淬透性的改进，有效地使钢丝的结构在其横截面上均匀化。因此，将锰的含量范围下限定在0.30％。然而，加锰过多也不实用，因为它使得在铅淬火处理期间的奥氏体结构转变为珠粒体结构的时间延长，因此，锰含量范围的上限定在1.5％。
其余包括铁和不可避免的杂质。
在铅淬火处理中实施铅淬火，通常铅淬火温度为540～570℃，而无需添加任何特定条件。
在铅淬火后，拉丝和绞合，对由成分为0.94％的碳、1.45％的硅和0.52％锰(按重量计)的钢丝进行时效处理。图2列出了在所述时效温度下在给定的时效温度、持续时间、塑性拉伸(变形)率下而持续时间改变时的钢绞线的特性。图2表明在固定的时效温度下并在所述时效温度下在固定持续时间内所经受的确定塑性变形的钢绞绳的特性。曲线表示的塑性变形持续时间是最短持续时间，在该持续时间内，为了获得所要求的机械性能即较高抗拉强度和较高韧性，通过施加拉伸力使钢绞绳经受塑性变形，同时在特定的温度下加热并且使变形的钢丝保持在该温度。从工业生产观点看，时效温度低于200℃是无效的，因为当时效温度成为低于200℃时，以最低持续时间用于曲线呈现剧烈增加的时效处理时间要很长，此外，高于600℃的时效温度也不适用，因为钢绞绳的性能剧烈变化。因此，时效温度定于200℃到600℃之间。
图5表示，用于钢绞绳实施热处理的设备。将由钢绞绳供料滚筒1所提供的钢绞绳在预热炉3中预热，钢绞绳通过运转滑轮4供料通过加热炉5和运转滑轮6，在冷却浴7中冷却并由卷取滚筒8卷取。在预热炉3中将钢绞绳在约200℃下加热并且绕运转滑轮4三圈。此后，将钢绞绳送入加热炉5并且再绕运转滑轮8若干圈。通过使运转滑轮6的转速V1稍快于运转滑轮4的转速V0，就可满意地设定在时效温度下的钢绞绳的塑性拉伸。在此阶段，容许钢绞绳具有以下式所表示的塑性拉伸(ε)ε(％)＝(V1－V0)×100/V0当由所给塑性拉伸所导致的变形率超过3.0％时，钢绞绳就有可能在操作中断裂。因此，变形率(或塑性拉伸)的上限定为3.0％。
在图2中，如果时效处理进行2.4秒(A点)或更长、同时其应变(或塑性拉伸)率为3.0％，则在处理温度400℃，可获得具有卓越性能，即抗拉强度235kgf/mm2或更高、延伸率为5％或更高的钢绞绳。当应变(或塑性拉伸)率为0.8％(B点)、时效处理小于12秒进行时效处理时，则也可看到上述情况。如果应变(或塑性拉伸)率为0.4％(C点)或更小，时效处理650秒(10.8分钟)或更长。结果，钢绞绳不能强化，困为它们的抗拉强度不能达到230kgf/mm2，尽管钢绞绳的韧性可被恢复．钢绞绳的韧性可通过在其断裂时所测量的钢绞绳的伸长来表示。换言之，当在钢绞绳断裂时的延伸率越高则钢绞绳具有越高的韧性。
当其应变(塑性变形)率小于0.2％的时效处理中，韧性并不能被恢复，即使时效处理时进行24分钟(D点)甚至更长时其韧性也不能恢复，因为本发明材料中的硅含量高，从而导致相当大的应变时效和硬化。因此，钢绞绳在抗拉试验期间的弹性区就过早地破断了。换言之，钢绞绳的抗拉强度低并且有脆性。在没有应变(没有塑性拉伸)的通常时效处理中，通过29分钟(E点)或更长的时效处理，钢绞绳的抗拉强度仅为210到230kgf/mm2。因此，这样处理的钢绞绳不可能具有高强度。如果将时效处理延长到总共约35分钟(F点)，则钢绞绳突然软化。
将在时效温度范围为200℃到600℃下，在时效处理期间的塑性变形持续时间作为应变(也指塑性变形或塑性拉伸)的函数示于图4．低位置的曲线表示作为塑性拉伸函数的最低时效处理持续时间；而在高位置的曲线表示作为塑性拉伸函数的最高时效处理持续时间。由该图可知，当施加到钢绞绳上的塑性变形(或塑性拉伸)率为3.0％时，为达到所需权械性能诸如抗拉强度为235kgf/mm2和延伸率为3.5％所需的最低时间是2秒，而为达到相同性能的最长持续时间则为5分钟。如果在相同时效条件下施加到钢绞绳上的塑性拉伸时间大于5分钟，则该钢绞绳多半要变软。同样，当在时效处理期间施加到钢绞绳的塑性变形(塑性拉伸)率为0.4％，则为达到上述机械性能所需最短持续时间为200秒，最长持续时间为1500秒。如果应变(塑性拉伸)高，则在初期发生软化。从图4可得出结论，在时效处理期间所施加到钢绞绳的塑性拉伸越小，则为达到所要求的机械性能诸如抗拉强度和韧性所需的保持时间就越长。因此，当在时效处理期间所施加的塑性拉伸越大，则为获得所要求的性能所需的最长持续时间就越短。类似地，当在时效处理期间所实加的塑性拉伸越大，则为获得所要求性能所需最短持续时间就越短。因此，按图4所示时效处理时间可作为塑性变形(塑性拉伸)率的函数而适当设定。
图2表明200～600℃的处理温度是用于获得具有延伸率为3.5％和抗拉强度为235kgf/mm2的钢绞绳的条件。随施加于钢绞绳的塑性变形率而定时效处理最低持续时间是2～1200秒，在处理温度范围内，塑性变形率是0.4～3.0％(在图2中，0.4％曲线以下和3.0％曲线以上的区域)。从图2也可看到，所要求的变形率是0.8～3.0％(在图2中，0.8％曲线以下和3.0％曲线以上的区域)，以便实现其延伸率为5.0％，从而达到更高的韧性。
因此，参照图2和图4可适当地找到时效处理持续时间；图2提供了为达到合理机械性能所需最低持续时间是作为塑性变形率和时效温度函数；图4提供了为达到特定机械性能，抗拉强度为235kgf/mm2和延伸率为3.5％所需的包括最短持续时间和最长持续时间在内的持续时间范围。
获得具有高强度和高韧性的用于PC的钢绞绳的高强度钢的技术的重要性在于其特征的金属结构，换言之，在该产品中，渗碳体具有纤维状渗碳体和粒状渗碳体的混合结构。
图3表明在时效处理后钢绞绳的韧性和抗拉强度与粒状渗碳体对全部渗碳体的容积比以及粒状渗碳体的颗粒直径的关系。渗碳体是从产品通过用乙酰丙酮、甲醇和氯化四甲铵的混合物的电解萃取而得到的。粒状渗碳体对全部渗碳体的容积比是通过分析得自其扫描电子显微镜分析法的图而测定的。由图3清楚地看到，为了获得二种性能即抗拉强度为235kgf/mm2或更高和延伸率为3.5％或更高的钢绞线，在金属结构中其粒状渗碳体对全部渗碳体的容积比是10到40％以及其粒径是40到300。
认为没有人会知道通过进行时效处理的同时对钢绞绳施加特定的变形而可得到因其独特的金属结构而具有较高延伸率同时又保持高强度的钢绞绳。
实施例将直径为13mm和由含0.94％的碳，1.45％的硅和0.52％的锰材料所制的钢丝线材在560℃进行铅淬火后，用酸浸洗并以磷化物涂层。将如此得到线材通过连续拉丝设备的拉丝模11次(拉11次)，其拉丝速度为150米/分钟，得到直径为4.22mm的外钢丝和直径为4.4mm的芯钢丝。将7根这样的钢丝绞合，形成直径为12.7mm的钢绞绳，时效处理是在200到600℃处理2到6600秒，塑性变形率从0变到3.0％，同时钢绞绳就保持在该温度。结果示于表1到表3。
表1表示在200℃时效处理期间，改变温度持续时间，由塑性拉伸所致变形率，粒状渗碳体对全部渗碳体的容积比及粒状渗碳体的颗粒直径所进行的试验结果。按照这些试验结果，当温度持续时间为11到1200秒；塑性变形率0.4到3.0％；粒状渗碳体的容积比为10到35％以及粒状渗碳体的粒径为40～300时，可得到其抗拉强度为236kgf/mm2或更高和其延伸率为3.6％或更高的钢绞绳。
表2表示当时效处理是在400℃进行时与上述相似的结果。
按照这些试验结果，当温度持续时间为2.5到400秒；变形率0.5到3.0％；粒状渗碳体的容积比为10到30％；以及粒状渗碳体的粒径为50～300时，可得到其抗拉强度为237kgf/mm2或更高和其延伸率为4.0％或更大的钢绞绳。
表3表示类似试验的结果，其时效处理是在600℃进行的。按照这些试验结果，当温度持续时间为2到120秒；塑性变形率为0.4到3.0％；粒状渗碳体的体积比为15到40％；以及粒状渗碳体的颗粒直径为40～100时，可得到其抗拉强度为236kgf/mm2或更高和其延伸率为4.0％或更高的钢绞绳。
从上述结果可知，温度持续时间为2到1200秒(20分钟)、塑性变形率为0.4到3.0％、粒状渗碳体的容积比为10到40％以及粒状渗碳体的颗粒直径为40到300的条件下，在时效温度为200℃、400℃和600℃时，都可得到其抗拉强度为235kgf/mm2或更高和延伸率为3.5％或更大的钢绞绳。
如上所述，在具有珠粒体结构和含有特定量的碳、硅、锰的线材中，通过把粒状渗碳体对全部渗碳体的容积比和粒状渗碳体的颗粒直径规定在特定范围内，则本发明钢绞绳就可具有其抗拉强度为235kgf/mm2或更高和其延伸率为3.5％或更大。
按上述钢丝材料的制备方法，将钢丝材料铅淬火、控制和绞合。随后，将钢绞绳保持在200到600℃，2-1200秒。当钢绞绳在该温度保持时，使钢绞绳经受塑性拉伸0.4到3.0％，从而使时效处理在适当时间内完成。按照这方法，可以稳定地制造具有抗拉强度为235kgf/mm2或更高和延伸率为3.5％或更大的用于PC的高强度钢绞绳。从工业生产观点看，按照本发明方法的时效处理是适宜的。
按照本发明方法在时效处理期间所给定的塑性变形率最好规定在0.8到3.0％。通过将塑性变形率规定在上述范围内，就可以获得其抗拉强度为235kgf/mm2或更高和延伸率为5.0％或更高的用于PC的高强度钢绞绳。
按照表1-表3，为达到所需性能，使钢绞线经受塑性变形的时效处理期间的持续时间范围是2～1200秒，应该注意这些数字表示钢绞绳保持所需的最低持续时间。在图4中，有垂直点线的上线沿Y-轴的左交叉点表明1500秒，实际上这个值正好是在时效处理中，当塑性变形率为0.4％时钢绞绳经受在塑性变形的最大持续时间的标准。
尽管本发明通过实施例并参照附图作了充分的描述，应该了解对于本专业技术人员来说各种变化和修饰是显而易见的。除非这种变化和修饰脱离本发明范围，否则它们都应包含在本发明范围内。
表1
*表示在抗拉拭验中早期断裂(脆性断口)A时效温度(℃) B持续时间(秒)C由塑性拉伸所致变形率(％)D粒状渗碳体对全部渗碳体的容积比(％)E粒状渗碳体的粒径(A)F抗拉强度(kgf/mm2) G延伸率(％)
表2
*表示在抗拉拭验中早期断裂(脆性断口)A时效温度(℃)B持续时间(秒)C由塑性拉伸所致变形率(％)D粒状渗碳体对全部渗碳体的容积比(％)E粒状渗碳体的粒径(A)F抗拉强度(kgf/mm2) G延伸率(％)
表3
*表示在抗拉拭验中早期断裂(脆性断口)A时效温度(℃) B持续时间(秒)C由塑性拉伸所致变形率(％)D粒状渗碳体对全部渗碳体的容积比(％)E粒状渗碳体的粒径(A)F抗拉强度(kgf/mm2)G延伸率(％)
权利要求
1.一种用于预应力混凝土的高强度钢绞绳，其钢丝材料具有珠粒体结构并含有O.8到1.3％的碳、0.6到2.50％的硅和0.30到1.50％的锰以及余量铁和不可避免的杂质，其中，钢丝材料的渗碳体部分含有纤维状渗碳体和粒状渗碳体的混合结构，粒状渗碳体对全部渗碳体的容积比为10到40％，粒状渗碳体的颗粒直径为40到300以及钢绞绳的抗拉强度是235kgf/mm2或更高和延伸率为3.5％或更大。
2.一种用于预应力混凝土的高强度钢绞绳的制备方法，其钢丝材料具有珠粒体结构并含有0.8到1.3％的碳、0.6到2.5％的硅和0.30到1.50％的锰、余量铁和不可避免的杂质，它包括下列步骤铅淬火步骤，其中将钢丝进行铅淬火；拉丝步骤，其中将钢丝拉制；绞合步骤，其中将钢丝绞合；时效步骤，其中对钢丝施加塑性拉伸0.4到3％，同时保持在温度为200到600℃，其持续时间为2到1500秒。
3.根据权利要求2所述用于预应力混凝土的高强度钢绞绳的制备方法，其中，施加到钢丝的塑性拉伸是0.8到3％。
4.根据权利要求2所述用于预应力混凝土的高强度钢绞绳的制备方法，其中，在时效步骤中，钢丝经受塑性拉伸所需最短时间是作为时效温度的函数，它可按图2而进行确定。
5.根据权利要求2所述用于预应力混凝土的高强度钢绞绳的制备方法，其中，在时效步骤中，钢绞绳经受塑性拉伸时间范围可按照图4进行确定。
6.根据权利要求2所述用于预应力混凝土的高强度钢绞线的制备方法，其中，在时效步骤中，钢绞绳经受塑性拉伸的持续时间是作为温度函数和作为塑性拉伸的函数，它可按照图2和图4进行确定。
全文摘要
本发明涉及用于预应力混凝土的高强度钢绞线及其制备法，所述钢绞绳的钢丝材料具有珠粒体结构，并含有0.8到1.3％的碳、0.6到2.50％的硅和0.30到1.50％的锰、余量为铁和不可避免的杂质，其中，钢丝材料的渗碳体部分含有纤维状渗碳体和粒状渗碳体的混合结构。粒状渗碳体对全部渗碳体的容积比为10到40％，粒状渗碳体的粒径为40到300A以及所述钢绞绳的抗拉强度是235kgf/mm
文档编号C21D9/54GK1149081SQ9611149
公开日1997年5月7日 申请日期1996年8月23日 优先权日1995年8月24日
发明者山冈幸男, 山田雅夫, 儿玉胜, 诹访敏树, 茨木信彦, 鹿礒正人 申请人:神钢钢线工业株式会社