免涂装桥梁结构用耐工业大气腐蚀高强螺栓钢及制造方法与流程

本发明属于桥梁结构螺栓钢技术领域，特别是涉及一种10.9级免涂装桥梁结构用耐工业大气环境腐蚀高强螺栓钢及制造方法，适用于螺栓规格m16-30mm耐候高强螺栓的加工制造。

背景技术：

随着大型钢结构梁桥向高参数方向发展，对桥梁结构的安全可靠性要求越来越严格。这不仅对设计者提出了更高的要求，而且对钢材提出了更高的水准，即不仅具有高强度以满足结构轻量化要求，而且还应具有优良的低温韧性以及耐腐蚀性能，以满足钢结构的安全可靠、长寿等要求。

传统的高强度桥梁钢不仅耐低温性能、焊接性较差，而且不能耐大气、海水腐蚀。因此，国内外材料工作者提出了高性能钢的概念。高性能钢材主要是指材料的某项或几项性能较传统钢材得到改善的钢材，除了具备较高强度外，钢材低温韧性，尤其是耐腐蚀性能有较大幅度提高。桥梁连接方式之一是螺栓联接，起联接作用的高强螺栓同样面临着要求较高的低温性能和耐腐蚀性能。

桥梁结构在各种大气环境下使用，产生腐蚀是一种自然现象。为防止或减少结构物的腐蚀，延长其使用寿命，需采取一定的措施。目前，钢结构桥梁国内全部涂装方法防腐，连接使用的高强螺栓与桥梁整体涂装。但是表面喷涂等方法需要每3～5年防腐蚀涂装维护和每10～15年一次重新防腐涂装，并且涂装过程造成健康危害和环境污染、涂镀成本较高等问题。而开发免涂装钢材在制造和安装环节，可减少工厂涂装工序和现场涂装工序，显著提高建造效率以及减少初期费用、降低全寿命周期成本，最显著的优势是大幅度降低由内部氢脆发生的几率等显著优势。因此，开发免涂装高强螺栓使用的耐候钢迫在眉睫。

耐候钢的研制起源于欧美国家，美国的u.s.steel公司首先研制成功了耐腐蚀、高抗拉强度的含cu低合金钢corten钢，并在60年代不涂漆直接应用于建筑和桥梁。针对钢结构耐候螺栓，美国钢结构协会制定了螺栓联接规范《使用astma325或者a490螺栓结构联接规范》，提出了5种适合不同用户使用需求的耐候螺栓钢。1964年，美国新泽西建设第一座免涂装耐候桥(uws)，密歇根和爱荷华几乎同时建造类似钢桥，到1979年，建造第500座免涂装大桥。在1985年，建造第2000座免涂装大桥。日本在1965年建成第1座耐候桥(涂装)，而1967年建成第一座免涂装大桥，截止到2005年，耐候桥占总数的20％。加拿大在1968年，建成第一座耐候桥。到目前，新建桥梁90％采用了耐候钢。德国在1969年建造第一座耐候桥，英国在1970年建造第一座耐候桥，韩国在1992年建造第一座耐候桥，到目前为止已经有20座耐候桥。美、日等发达国家已建立了耐候钢桥管理、评估、检测与维护的完善体系，耐候钢在欧洲、日本和韩国得到广泛的应用。我国耐候钢的研制始于上世纪60年代，同时具有显著的成绩，国内应用耐候钢也建造多座大桥，但都是涂装使用，同时连接用的高强耐候螺栓用钢方面至今还没有任何标准或规范。随着耐候材料及技术的成熟，而在2016年，藏木雅鲁藏布江特大桥钢梁制造即将拉开序幕，将成为我国第一座免涂装耐候铁路钢桥，而张家口官厅水库特大桥建设采用耐候钢材料，将成为我国第一座免涂装耐候钢公路桥。因此，开发桥梁结构配套的免涂装的耐候高强螺栓钢迫在眉睫，且具有较为广阔的市场前景。

国内10.9级耐候螺栓用钢产品开发相对较少，本项目组已申请“免涂装钢结构用耐工业大气腐蚀高强螺栓钢及其制造方法”和“免涂装桥梁结构用耐海洋大气腐蚀高强螺栓钢及其制造方法”2项专利申请，其中专利“免涂装钢结构用耐工业大气腐蚀高强螺栓及其制造方法”中合金元素p(0.025-0.12％)、cr(0％)、si(0.01-2.0％)、al(0.02-0.10％)与本专利耐工业环境耐低温螺栓钢有较大的差别；专利“免涂装桥梁结构用耐海洋大气腐蚀高强螺栓钢及其制造方法”中元素cr(0.35-3.2％)、al(0.001-0.15％)等元素与本专利有较大差别，专利都在申报过程中。

本发明开发免涂装桥梁结构用耐工业大气耐低温性能要求的10.9级高强螺栓用钢属于新产品开发。在未来市场中的竞争能力具有长远的、重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种10.9级免涂装桥梁结构耐工业大气环境高强螺栓钢及制备方法，解决了普通10.9级高强螺栓不耐大气环境腐蚀，但是表面喷涂需要每3～5年防腐蚀涂装维护和每10～15年一次重新防腐涂装，并且涂装过程造成健康危害和环境污染、涂镀成本较高等问题。适合免涂装耐工业大气环境腐蚀的钢种化学成分及其制造过程。

本发明的10.9级免涂装桥梁结构耐工业大气环境高强螺栓钢组分的重量百分数为：c0.16-0.45％，si0.01-2.2％，mn0.3-2.2％，p0.001-0.024％，s0.002-0.025％，b0.0005-0.0100％，ti0.04-0.50％，v0.01-0.20％，al0.001-0.10％，cr0.001-0.34％，cu0.2-0.5％，ni0.2-1.5％，余量为fe和微量杂质；

高强耐候螺栓钢根据化学成分预测公式计算的耐腐蚀指数i≥6.3；其中：

i＝26.01(％cu)+3.88(％ni)+1.20(％cr)+1.49(％si)+17.28(％p)-7.29(％cu)(％ni)-9.10(％ni)(％p)-33.39(％cu)²；

本发明适用于生产规格m16-30mm高强螺栓。

本发明制备方法的工艺步骤及在工艺中控制的技术参数如下：

(1)采用高线直接轧制盘条或棒材轧制直条生产；

(2)螺栓加工厂打制成螺栓后，调质热处理工艺制度：840-920℃油淬火+380-625℃回火热处理工艺范围内调质处理，获得最佳的强度韧性匹配。

本发明的优点在于，用于免涂装桥梁结构板材、型材配套连接使用，具有优异的耐工业大气腐蚀和耐低温性能。

附图说明

图1为耐候螺栓钢(成分a)经0.01mol/lnahso4溶液周浸24-96h后宏观形貌图。

图2为耐候螺栓钢成分a和k和普通螺栓钢对比钢2经0.01mol/lnahso4溶液周浸24-96h后的腐蚀失重曲线图。

图3为耐候螺栓钢成分k和普通螺栓钢对比钢2耐大气腐蚀环境腐蚀极化曲线图。表明研发的10.9级耐工业大气螺栓用钢的腐蚀电位较普通螺栓钢高，具有优良的耐工业大气腐蚀性能。

具体实施方式

本发明采用200mm²连铸坯轧制生产φ16、24和30mm盘条或直条中得到应用，经下游螺栓加工厂打制螺栓后调质处理获得优异的性能。

1、具体实施例中设计钢种化学成分和耐蚀指数i见表1；

2、采用高线或棒材轧制高强螺栓用热轧材，轧制规格为24和30mm；

3、螺栓加工厂打制成螺栓后，调质热处理工艺制度：840-920℃油淬火+380-625℃回火。轧材热处理制度优化控制后获得的力学性能和腐蚀率见表2，经用户螺栓厂加工成m16、24和30mm规格螺栓后，调质处理后性能见表3。

表1具体实施例中钢种化学成分及耐蚀指数i

a耐蚀指数：

i＝26.01(％cu)+3.88(％ni)+1.20(％cr)+1.49(％si)+17.28(％p)-7.29(％cu)(％ni)-9.10(％ni)(％p)-33.3

9(％cu)²；

表2耐工业大气高强螺栓用钢调质处理后力学性能及腐蚀率

表310.9级耐工业大气m16-30mm规格高强螺栓力学性能