专利名称：超高强度钢筋及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种超高强度钢筋及其制造方法，更特别地，本发明涉及一种可满足高强度条件(包括SOOMPa级的屈服强度)的超高强度钢筋及其制造方法。
背景技术：
目前，有必要建造巨型结构(例如高层建筑、大跨度桥梁、巨型空间结构、巨型离岸结构、巨型地下结构等)以确保用于人类活动所需的空间以及与未来社会中的人口增加成比例的空间可用性。由于在土木工程和建筑领域的结构变得更高且更庞大，所述结构必不可少地要求使用轻质且高强度的材料。具有400至500MPa级的屈服强度的钢筋目前被商业用于高层结构的建造中，而且这种趋势预计在未来进一步加快。
发明内容
技术问题本发明的一个目的是经由合金设计和对热轧和冷却条件的控制而提供一种超高强度钢筋，以及制造所述超高强度钢筋的方法，所述超高强度钢筋可具有SOOMPa或更高
的屈服强度，900MPa或更高的拉伸强度，10%或更高的伸长率，且在180°弯曲测试中无开裂。技术方案为了实现如上目标，本发明提供了一种超高强度钢筋，其包含C :0. 05至O. 45wt%, Si 0. 10 至 O. 35wt%,Mn :0.1 至 O. 85wt%, Cr :0. 6 至1. 20wt%，和 Mo 0. 05 至O. 35wt%，剩余物为Fe和其他杂质，并包括表面层和中心层，其中作为硬化层的马氏体结构形成在所述表面层处，并且所述中心层包括铁素体结构。所述其他杂质可包括P 0. 035wt %或更少但超过零，N1:0. 2wt %或更少但超过零，Cu 0. 3wt%或更少但超过零，V 0. 001至O. 006wt %, S 0. 075wt %或更少但超过零，Al :0. 04wt%或更少但超过零，Sn :0. Olwt %或更少但超过零，以及N2 :150ppm或更少但超过零。所述钢筋可具有9. 5 10. 5mm的直径。所述铁素体结构可具有5 7 μ m的晶粒尺寸。所述硬化层可具有从表面向中心O. 8 2. 3mm的深度。此外，本发明提供了一种制造超高强度钢筋的方法，其包括使用于钢筋的钢坯经受热轧过程，在所述热轧过程中进行两次再热和粗铣，然后进行中间辊轧和精轧辊轧以制造钢筋；通过表面预先淬火过程使用水将所述钢筋冷却至400至600°C ；以及在冷却床上进行空气冷却，所述钢筋包含C :0. 05至O. 45wt %, Si 0. 10至O. 35wt %, Mn :0.1至O. 85wt%, Cr 0. 6 M1. 20wt%,^P Mo :0. 05 至 O. 35wt%，且剩余物为 Fe 和其他杂质。
所述其他杂质可包括P :0. 035wt%或更少但超过零，N1:0. 2wt %或更少但超过零，Cu 0. 3wt%或更少但超过零，V 0. 001至O. 006wt %, S 0. 075wt %或更少但超过零，Al :0. 04wt%或更少但超过零，Sn :0. Olwt %或更少但超过零，以及N2 :150ppm或更少但超过零。所述热轧过程可包括首次再热、首次热轧、二次再热和二次热轧，所述首次再热包括在1000 1250°C下加热I 3小时；所述首次热轧包括在900 1000°C下的粗铣，所述二次再热包括在1100 1200°C下加热I 3小时；所述二次热轧包括粗铣、中间辊轧和在800 900°C下的精轧辊轧。所述表面预先淬火过程可通过在水压为4 6巴以及喷雾速率为400 600m3/hr的条件下喷雾冷却水而进行，从而将所述钢筋冷却至400 600°C。所述用于钢筋的钢坯可通过如下方式制得进行电炉过程、钢包过程和真空精炼过程以制备钢水，将所述钢水 从中间包经由塞铸送入模具中以防止再氧化，并进行连续铸造。在所述热轧过程中，可控制轧制比使得所述钢筋具有9. 5 10. 5mm的直径。有益效果根据本发明，表面层和中心层的微结构可通过具有Cr和Mo的合金设计、经由热轧而对轧制比的控制、表面预先淬火过程等进行控制，由此生产满足SOOMPa或更高的屈服强度、900MPa或更高的拉伸强度、10%或更高的伸长率，和180°弯曲测试的超高强度钢筋。由于这种钢筋可满足包括屈服强度、拉伸强度、伸长率和弯曲测试的通常不令人满意的条件，所述钢筋可与高强度混凝土 [ σ ck (混凝土强度)=600 1200kg/cm2]和柱筋结合，并因此可有效地用于种筋或剪切增强筋中。特别地，本发明可介绍先进的韩国钢铁技术，并可对土木工程和建筑技术的未来做出极大贡献。
图1为示出了根据本发明的制造超高强度钢筋的方法的流程图；图2示出了在根据本发明的制造超高强度钢筋的方法中的热处理过程；图3示出了表2的不同直径的表面层和中心层的微结构的光学显微镜图像；图4示出了表3的DlO的中心层的微结构的扫描电子显微镜图像；图5示出了(a)表2的不同直径的表面层和中心层的硬度变化和(b)最终钢筋(DlO)的横截面宏观结构；图6示出了在弯曲性能测试之后被轧制为DlO的表2的实施例2的照片；图7为示出了在不同直径下测量屈服强度取决于轧制比而变化的结果的图；以及图8为示出了测量屈服强度取决于表面预先淬火温度而变化的结果的图。
具体实施例方式本发明将在以下给予详细说明。根据本发明，所述钢筋包括C :0.05至O. 45wt%，Si 0. 10至O. 35wt%，Μη :(λ I至O. 85wt%, Cr 0. 6 M1. 20wt%,^P Mo :0. 05 至 0. 35wt%，且剩余物为 Fe 和其他杂质。
所述其他杂质包括P 0. 035wt%或更少但超过零，N1:0. 2wt %或更少但超过零，Cu 0. 3wt%或更少但超过零，V 0. 001 O. 006wt %, S 0. 075wt %或更少但超过零，Al
O.04wt %或更少但超过零，Sn :0. Olwt %或更少但超过零，以及N2 150ppm或更少但超过零。用于钢筋的钢坯从如上合金组成制得，之后进行两次再热和粗铣，随后进行中间辊轧和精轧辊轧以制备钢筋，通过表面预先淬火过程用水冷却所述钢筋，并在冷却床上空气冷却所述钢筋，从而得到满足SOOMPa或更高的屈服强度，900MPa或更高的拉伸强度，10%或更高的伸长率，和180°弯曲测试的性质的超高强度钢筋。所述钢筋具有IOmm直径，其由DlO表示。然而，考虑到制造过程的误差容限，可将DlO设定至9. 5 10. 5mm的范围。同样，具有13mm的直径的钢筋由D13表不，具有16mm的直径的钢筋由D16表不，此外，考虑到制造过程的误差容限，可将D13设定至12. 5 13. 5mm的范围，并可将D16设定至15. 5 16. 5mm的范围。更具体地，为了提高可硬化性和抗回火脆性，加入Cr和Mo，且用于钢筋的钢坯再热和粗铣进行两次，由此降低初始奥氏体晶粒尺寸，此外，进行表面预先淬火过程和在冷却床上的空气冷却，从而获得具有细晶粒的最终结构。Cr、Mo的添加扩大了相图中的奥氏体区域，并降低了转变温度。同样在TTT曲线中，显示马氏体边界的面S完全向右移动，使得产生马氏体处的区域扩大，由此提高可硬化性。当进行两次再热和粗铣时，初始奥氏体晶粒尺寸可减小。DlO钢筋的生产能够使奥氏体晶粒更细，由此最终结构变细。表面预先淬火过程能够使表面层经由加速冷却而硬化，由此增加屈服强度和硬
度。 所制造的钢筋的最终结构构造为使得表面层具有细的致密的马氏体结构，且中心层具有细的铁素体结构。因此，铁素体具有5 7 μ m的晶粒尺寸，且硬化层的深度为O. 8 2.3mm。所述钢筋为DlO。本发明的合金元素的功能和量如下描述。[基本元素]C :0· 05 至 O. 45wt%添加C以确保强度。如果C的量低于O. 05wt%,则难以确保对应于800MPa或更高的屈服强度的所需强度。相反，如果C的量超过O. 45wt%，则在表面预先淬火过程中，硬化层可具有增加的硬度和高强度，但可变脆，从而不良地显著降低弯曲性能。S1:0. 10 至 O. 35wt%，添加Si以在制钢过程中从钢中去除氧，并可显示固溶体强化的效果。如果Si的量低于O. 10wt%,贝U固溶体强化作用可变得不足。相反，如果Si的量超过O. 35wt%,则碳当量可增加，从而不良地劣化焊接性和韧性。Mn 0.1 至 O. 85wt%添加Mn以增加强度和韧性，以及用于稳定奥氏体和提高淬火性。该组分也减少Ar3温度，并因此可扩大根据本发明的轧制过程的温度范围，从而经由轧制而显著降低晶粒尺寸，最终增加强度和韧性。如果Mn的量低于O. lwt%,则其对强度的提高没有贡献。相反,如果Mn的量超过
0.85wt%,则制造成本可增加，韧性可降低，并且碳当量可增加，从而不良地劣化焊接性。Cr 0. 6 至1. 20wt%添加Cr以扩大奥氏体区域，并使Cr与C结合，由此形成不会导致脆化的碳化物。在本发明中，添加Cr以提高可硬化性，从而实现SOOMPa级的屈服强度。如果Cr的量低于O. 6wt%，则强度提高效果不显著。相反，如果Cr的量超过
1.20wt%，则可硬化性可过度增加，从而在轧制和冷却时不良地降低铁素体的转化率，并劣化焊接时的品质。Mo 0. 05 至 O. 35wt%添加Mo以增加可硬化性。如果Mo的量低于0.05wt%，则强度提高效果不显著。相反，如果Mo的量超过O. 35wt%,则可硬化性可过度增加，从而在轧制和冷 却时不良地降低铁素体的转化率，并劣化焊接时的品质，如同Cr 一样。[其他杂质]在其他杂质中，由于 电炉过程的钢特性，添加P、N1、Cu，和S，并且可以任意地添加V。P :0. 035wt%或更少但超过零在P均匀分布于钢中的情况下，不出现另外的问题，并显示出固溶体强化效果。然而，当该组分以硫化物的状态或晶界偏析的状态存在时，该组分降低加工性。因此，P以尽可能少的量加入。然而，就电炉过程中的钢特性而言，P是一种不可避免的杂质，P的量被限制在O. 035wt%*更少。N1:0. 2wt%或更少但超过零Ni增加可硬化性和韧性。然而，如果Ni的量超过O. 2wt %，则连续铸造过程变得困难，且由于添加昂贵的合金元素而导致制造成本可能增加。Cu :0. 3wt%或更少但超过零由于固溶体强化效果而添加Cu以提高强度。然而，如果Cu的量超过O. 3wt%，则韧性可显著降低，且加工性和焊接性可劣化。V :0. 001 至 O. 006wt%可以添加O. 001至O. 006wt%的量的V，以经由固溶体强化和沉淀强化来确保强度。然而，可不添加该组分。S 0. 075wt%或更少但超过零使S与Mn结合以改进钢的机械加工性。然而，如果S的量超过O. 075wt%，则加工性可降低，从而导致在轧制时的开裂。Al :0. 04wt%或更少但超过零添加Al以从钢水中去除氧。然而，如果Al的量超过O. 04wt%，则形成作为非金属夹杂物的Al2O3,从而减小冲击韧性。Sn 0. Olwt%或更少但超过零Sn作为在使用铁废料的制钢过程中不可去除的杂质存在。Sn可显示出固溶体强化效果，但可不良地降低强度和伸长率。如果Sn的量超过O. Olwt %，则伸长率和成型值可大幅减少。N2 :150ppm或更少但超过零使N与C和V结合，由此形成碳化物。当N的量等于或高于IOppm时，晶粒的生长可在轧制时被抑制，从而制得细的晶粒，由此增加强度和韧性。然而，如果N的量等于或高于150ppm时，则在热轧时的伸长率和转化性质可不良地降低。在本发明中包含如上组分，并且剩余物为Fe，可取决于供给条件、材料、制造设备等而细微掺入作为所包含的元素的不可避免的杂质。使如上组分经受制钢过程，由此制备钢水，所述钢水随后经受连续铸造过程以制得用于钢筋的钢坯，随后进 行一系列的再热、热轧(粗铣)、再热、热轧(粗铣、中间辊轧、精轧辊轧)，和表面预先淬火的过程，由此制造钢筋。参考图1，制钢过程包括电炉过程、LF精炼过程，和真空精炼过程。在电炉过程中，调整氢(H)、氧(O)和氮(N)的量以降低非金属夹杂物，并在LF精炼过程(LF :钢包炉)之后的真空精炼过程中，进行脱气处理，由此去除导致线丝缺陷的H、0和N。LF精炼过程用于实现钢水的脱硫、脱氧，非金属夹杂物的形状的控制，组分和温度的控制等。在真空精炼过程后，进行塞铸，从而将钢水从中间包送入模具中。塞铸通过将浸喷嘴或粉碎机应用于中间包而进行，在将钢水从中间包送入模具中时，进行无氧过程，所述无氧过程防止钢水与空气之间的接触。当在将钢水从中间包送入模具中时防止钢水与空气之间的接触，在制造用于钢筋的钢坯时由于钢中的夹杂物所导致的钢水污染得以最小化，钢水的再氧化得以防止，由此提高最终产品的品质。粉碎机为一种管道，其设置于中间包和模具之间以防止钢水与空气接触。送入模具中的钢水被连续铸造，由此获得钢坯，所述钢坯为用于制造钢筋的半成
品O为了自经由连续铸造而获得的钢坯来制造钢筋，进行两次再热和粗铣。随后，进行中间辊轧和精轧辊轧以制得钢筋，所述钢筋随后经受表面预先淬火过程和冷却床过程，由此获得所需的机械性质。当如上所述进行两次再热和粗铣，并随后进行中间辊轧和精轧辊轧时，初始奥氏体晶粒尺寸被尽可能地减小到更小，从而制得细的铁素体晶粒。图2示出了在根据本发明的制造超高强度钢筋的过程中的热处理过程。参考图2，制造方法阐明如下。[加热炉]_首次再热将在铸造用于钢筋的钢坯时的分离组分溶解，由此形成均匀的奥氏体。这样，为了减小初始奥氏体晶粒尺寸，首次再热在1000 1250°C下进行I 3小时。如果首次再热温度低于1000°C，则分离组分不溶解。相反，如果首次再热温度高于1250°C，则难以减小初始奥氏体晶粒尺寸。再热时间优选为I 3小时以形成均匀的奥氏体。如果再热时间超过3小时，则奥氏体晶粒可变得粗糙。[热轧]_首次粗铣
首次粗轧在900 1000°C下进行，从而使均匀的奥氏体结构变细。当首次粗铣以此方式进行时，相比于首次再热时的奥氏体晶粒尺寸，奥氏体晶粒尺寸经由在重结晶的奥氏体中的轧制而大幅减小。因此，奥氏体晶粒边界可能增加，所述奥氏体晶粒边界为产生铁素体核的位置。首次粗铣在900°C或更高下进行以避免在两相区域中的轧制，考虑到首次再热温度，首次粗铣的上限设定至1000°c。在该实施方案中，首次粗铣通过槽辊进行。[再热]_二次再热为了增加可硬化性、强度和可轧制性，二次再热在1100 1200°C下进行I 3小时。二次再热在1100°C或更高下进行以增加可轧制性，并且其温度不超过120(TC，使得经由首次再热和首次粗铣而 获得的细的奥氏体晶粒可不变粗。二次再热时间优选设定至I 3小时以增加可轧制性。如果该过程的时间长于3小时，则奥氏体晶粒变粗，从而导致难以确保强度。[热轧]_二次粗铣，中间辊轧，精轧辊轧经受二次再热的钢坯经历包括二次粗铣、中间辊轧和精轧辊轧的热轧，由此制得钢筋。在二次粗铣时，经由首次粗铣获得的细的奥氏体晶粒被制得更小，从而使初始奥氏体晶粒变细，这些晶粒经由中间辊轧和精轧辊轧而被拉长，得到细得多的奥氏体。精轧辊轧温度(即二次热轧精轧温度)为800 900°C，以在热轧之后获得细的结构。如果热轧精轧温度低于800°C，则可出现轧制速率问题，生产率可降低，并在弯曲时引发开裂。相反，如果该温度超过900°C，则奥氏体晶粒尺寸生长，导致难以获得细的晶粒，并且强度提高效果可变得不显著。热轧在D16 DlO的范围内进行。S卩，轧制比从D16增加至D10。当轧制比增加时，变形率增加，因此奥氏体结构可变细，由此增加屈服强度。在本文中，D16 DlO表示钢筋厚度，即直径。[表面预先淬火过程]表面预先淬火过程在水压为4 6巴，喷雾速率为420 500mVhr的条件下，通过在高压下将冷却水喷雾至热轧钢筋的表面层而进行，以获得最终所需的钢筋结构，使得钢筋被冷却至400 600°C。在表面预先淬火过程中，硬化层在表面层处形成，所述硬化层为经由将冷却水直接喷雾至钢筋表面上而淬火的马氏体转变结构。如果冷却温度低于400°C，则脆性可增加。相反，如果该温度超过600°C，则难以确保作为马氏体转变结构的硬化层，且难以获得SOOMPa或更高的屈服强度。并且，如果水压和喷射速率落到上述范围之外，则难以确保硬化层，且难以获得屈服强度。这种表面预先淬火过程为热处理过程，在所述热处理过程中钢筋的表面层被转变为高强度结构，即马氏体，然后硬化结构通过钢筋内部的热而被退火。在表面预先淬火过程之后，中心层具有奥氏体结构，并经由冷却床过程而转变为细的铁素体结构。
在表面预先淬火过程中，优选的冷却温度为463°C。如图8所示，高屈服强度在463 °C下获得。[冷却床]在表面预先淬火过程之后，进行空气冷却以消除内部应力，由此稳定硬化层的结构。在表面预先淬火过程之后冷却的钢筋的最终结构构造为使得表面层具有马氏体转变结构，且中心层具有细的铁素体结构。铁素体结构可部分包括珠光体。中心层的铁素体晶粒尺寸为5 7μπι，屈服强度为800MPa或更高。表面层具有340 420Hv的硬度，和O. 8 2. 3mm的厚度(硬化层的深度)，中心层的硬度为250 350Hv。当表面层和中心层被轧制成DlO时，在两者之间存在约50Hv的硬度差。尽管优选的是铁素体晶粒尺寸尽可能地小，但难以确保具有小于5μπι的尺寸的铁素体晶粒。相反，如果铁素体晶粒的尺寸超过7 μ m，则中心层的硬度可减小，因此在表面层与中心层之间的硬度差可增加，强度提高效果可降低，导致难以满足SOOMPa或更高的屈服强度。如上所述，添加Cr和Mo，进行两次再热和粗铣，在进行两次再热和粗铣之后进行一系列的中间辊轧、精轧辊轧、表面预先淬火和冷却床的过程，从而制造满足SOOMPa或更高的屈服强度、900MPa或更高的拉伸强度、10%或更高的伸长率以及180°弯曲测试的性质的超高强度钢筋。通过以下的实施例对超高强度钢筋及其制造方法的描述如下。如下表I显示根据本发明的实施例的合金设计。[表I](剩余物Fe,单位Wt% )
权利要求
1.一种超高强度钢筋，其包含C 0. 05 至 O. 45wt%,S1:0. 10 至 O. 35wt%,Mn :0.1 至 O. 85wt%,Cr :0. 6 至1. 20wt%,和Mo :0. 05至O. 35wt%，剩余物为Fe和其他杂质，并包括表面层和中心层， 其中作为硬化层的马氏体结构在所述表面层处形成，并且所述中心层包括铁素体结构。
2.根据权利要求1所述的超高强度钢筋，其中所述其他杂质包括P:0. 035wt%或更少但超过零，N1:0. 2wt %或更少但超过零，Cu :0. 3wt %或更少但超过零，V :0. 001至O. 006wt%, S 0. 075wt%或更少但超过零,Al :0. 04wt%或更少但超过零,Sn :0. Olwt%或更少但超过零，以及N2 150ppm或更少但超过零。
3.根据权利要求1或2所述的超高强度钢筋，其中所述钢筋具有9.5 10. 5mm的直径。
4.根据权利要求1或2所述的超高强度钢筋，其中所述铁素体结构具有5 7μ m的晶粒尺寸。
5.根据权利要求1或2所述的超高强度钢筋，其中所述硬化层具有从表面向中心的O.8 2. 3臟的深度。
6.一种制造超高强度钢筋的方法，其包括 使用于钢筋的钢坯经受热轧过程，在所述热轧过程中进行两次再热和粗铣，然后进行中间辊轧和精轧辊轧以制造钢筋；通过表面预先淬火过程使用水将所述钢筋冷却至400至600°C ;以及在冷却床上进行空气冷却，所述钢筋包含C :0. 05至O. 45wt%, S1:0. 10至O. 35wt%,Mn 0.1 至 O. 85wt%,Cr :0. 6 至1. 20wt%，和 Mo 0. 05 至 O. 35wt%，且剩余物为Fe和其他杂质。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述其他杂质包括P:0. 035wt%或更少但超过零，Ni 0. 2wt%或更少但超过零，Cu 0. 3wt%或更少但超过零，V 0. 001至O. 006wt%, S O. 075wt%或更少但超过零，Al :0. 04wt%或更少但超过零，Sn :0. OIwt%或更少但超过零，以及N2 150ppm或更少但超过零。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中所述热轧过程包括 首次再热，所述首次再热包括在1000 1250°C下加热I 3小时； 首次热轧，所述首次热轧包括在900 1000°C下的粗铣； 二次再热，所述二次再热包括在1100 1200°C下加热I 3小时；和 二次热轧，所述二次热轧包括粗铣、中间辊轧和在800 900°C下的精轧辊轧。
9.根据权利要求6或7所述的方法，其中所述表面预先淬火过程通过在水压为4 6巴和喷雾速率为400 600m3/hr的条件下喷雾冷却水而进行，从而将所述钢筋冷却至400 600。。。
10.根据权利要求6或7所述的方法，其中所述用于钢筋的钢坯通过如下方式制得进行电炉过程、钢包过程和真空精炼过程以制备钢水，将所述钢水从中间包经由塞铸送入模具中以防止再氧化，并进行连续铸造。
11.根据权利要求6或7所述的方法，其中在所述热轧过程中，控制轧制比使得所述钢筋具有9. 5 10. 5mm的直径。
全文摘要
本发明涉及一种超高强度钢筋和制造所述钢筋的方法，其中所述钢筋包含C0.05至0.45wt％，Si0.10至0.35wt％，Mn0.1至0.85wt％，Cr0.6至1.20wt％，Mo0.05至0.35wt％，且剩余物为Fe和其他杂质。用于制造钢筋的方法包括将用于钢筋的钢坯再热和粗铣的过程进行两次以降低前奥氏体晶粒尺寸，所述钢筋包括上述合金组成，以及进行中间辊轧和精轧辊轧以制造钢筋，并通过表面预先淬火过程使用水将钢筋冷却至400至600℃的温度，从而在中心层形成细的铁素体结构。本发明的方法包括通过合金设计、热处理、轧制比控制、表面预先淬火过程等等在表面层处形成作为硬化层的马氏体结构，并使中心层具有细的铁素体结构，由此制得超高强度钢筋，所述超高强度钢筋具有800MPa或更高的屈服强度、900MPa或更高的拉伸强度和10％或更高的伸长率，并满足180°弯曲测试。本发明的钢筋能够与高强度混凝土结合，以在建筑结构中有效地用作种筋或剪切增强筋。
文档编号C22C38/18GK103038382SQ201180035845
公开日2013年4月10日 申请日期2011年4月18日 优先权日2010年6月28日
发明者李相润, 李炯哲, 权宁俊 申请人:现代制铁株式会社