高强度增强钢及其制造方法与流程

本发明涉及高强度钢筋及其制造方法。

背景技术：

目前，结构钢广泛应用于摩天大楼、大跨度桥梁、大型海事结构、地下结构等。随着建筑和土木工程领域中的这些结构变得越来越高且越来越大，结构钢的轻质和高强度可能是必不可少的要求。因此，即使在应用于结构的钢筋的情况下，对提高钢筋的强度和抗震特性的需求也在增加。

现有技术文献包括韩国专利号10-1095486(2011年12月19日公布；标题为)。

技术实现要素：

技术问题

本发明的目的为提供一种通过合金组成控制和工艺控制有效地制造具有高强度特性的钢筋的方法。

本发明的另一个目的为提供一种通过上述方法制造的具有高强度特性的钢筋。

技术方案

根据本发明的一个方面的用于制造高强度钢筋的方法包括以下步骤：在范围1000℃至1100℃的温度下再加热钢板坯，所述钢板坯按重量％计包括：0.18％至0.45％的碳(c)；0.05％至0.30％的硅(si)；0.40％至3.00％的锰(mn)；大于0且不大于0.04％的磷(p)；大于0且不大于0.04％的硫(s)；大于0且不大于1.0％的铬(cr)；大于0且不大于0.50％的铜(cu)；大于0且不大于0.25％的镍(ni)；大于0且不大于0.50％的钼(mo)；大于0且不大于0.040％的铝(al)；大于0且不大于0.20％的钒(v)；大于0且不大于0.040％的氮(n)；大于0且不大于0.1％的锑(sb)；大于0且不大于0.1％的锡(sn)；以及余量的铁(fe)和其它不可避免的杂质；将经再加热的钢板坯在850℃至1000℃的温度下进行精热轧；通过表面预先淬火工艺将经热轧的钢冷却至马氏体转变开始温度(ms(℃))。

在一个实施方案中，通过表面预先淬火工艺将钢冷却至马氏体转变开始温度(ms(℃))的步骤可包括将经冷却的钢在500℃至700℃的温度下进行复原工艺的步骤。

在另一个实施方案中，钢板坯还可包括按重量％计，大于0且不大于0.50重量％的钨(w)和大于0且不大于0.005％的钙(ca)中的至少一者。

在又一个实施方案中，所制造的钢筋可具有包括等轴铁素体和珠光体的复合结构。

根据本发明另一方面的高强度钢筋按重量％计包括：0.18％至0.45％的碳(c)；0.05％至0.30％的硅(si)；0.40％至3.00％的锰(mn)；大于0且不大于0.04％的磷(p)；大于0且不大于0.04％的硫(s)；大于0且不大于1.0％的铬(cr)；大于0且不大于0.50％的铜(cu)；大于0且不大于0.25％的镍(ni)；大于0且不大于0.50％的钼(mo)；大于0且不大于0.040％的铝(al)；大于0且不大于0.20％的钒(v)；大于0且不大于0.040％的氮(n)；大于0且不大于0.1％的锑(sb)；大于0且不大于0.1％的锡(sn)；以及余量的铁(fe)和其它不可避免的杂质，并且具有包括等轴铁素体和珠光体的复合结构。

在一个实施方案中，高强度钢筋还可包括按重量％计，大于0且不大于0.50重量％的钨(w)和大于0且不大于0.005％的钙(ca)中的至少一者。

在另一个实施方案中，钢筋可具有至少500mpa的屈服强度和0.8或更低的屈服比。

有利效果

根据本发明，可以提供一种具有高强度和高抗震特性的钢筋，通过合金组成控制和工艺控制，所述钢筋具有至少500mpa的屈服强度和0.8或更低的屈服比。

附图说明

图1为示意性地示出根据本发明的一个实施方案的用于制造钢筋的方法的流程图。

图2至图5为显示根据对比实施例和本发明实施例的钢筋的微观结构的照片。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本发明，使得本领域技术人员可以容易地实施本发明。本发明可以以各种不同的形式实施，但不限于说明书中描述的实施方案。在整个说明书中，相同的附图标记用于表示相同或相似的元件。另外，当可能不必要地模糊本发明的主题时，本文将省略对公众已知功能和配置的详细描述。

下面将描述的本发明的实施方案提供了一种高强度钢筋，其通过适当的组分设计和工艺控制来制造。

高强度钢筋

根据本发明的实施方案的高强度钢筋按重量％计包括：0.18％至0.45％的碳(c)；0.05％至0.30％的硅(si)；0.40％至3.00％的锰(mn)；大于0且不大于0.04％的磷(p)；大于0且不大于0.04％的硫(s)；大于0且不大于1.0％的铬(cr)；大于0且不大于0.50％的铜(cu)；大于0且不大于0.25％的镍(ni)；大于0且不大于0.50％的钼(mo)；大于0且不大于0.040％的铝(al)；大于0且不大于0.20％的钒(v)；大于0且不大于0.040％的氮(n)；大于0且不大于0.1％的锑(sb)；大于0且不大于0.1％的锡(sn)；以及余量的铁(fe)和其它不可避免的杂质。此外，高强度钢筋还可包括按重量％计，大于0且不大于0.50重量％的钨(w)和大于0且不大于0.005％的钙(ca)中的至少一者。

高强度钢筋的中心部分可具有包括等轴铁素体和珠光体的复合结构，并且其表面部分可具有回火马氏体结构。

具体地，在通过在垂直于高强度钢筋长度方向的方向上切割高强度钢筋而获得的横截面中，高强度钢筋可包括面积分数为24％至30％的铁素体，面积分数为48％至59％的珠光体，和面积分数为17％至22％的回火马氏体。回火马氏体可以构成高强度钢筋的硬化层。即，高强度钢筋的硬化层可具有17％至22％的面积分数。

在一个特定的实施例中，铁素体的晶粒尺寸可以为8至20μm，珠光体的晶粒尺寸可以为25至48μm。高强度钢筋的中心部分可具有约244hv的硬度，而高强度钢筋的硬化层可具有326hv的硬度。

通过上述工艺制造的钢筋可具有至少500mpa的屈服强度(ys)和0.8或更低的屈服比(yr)。

在下文中，将更详细地描述根据本发明的高强度钢筋的基本合金组成中包括的各组分的功能和含量。

碳(c)

添加碳(c)以确保钢筋的强度。碳溶解在奥氏体中并在淬火工艺中形成诸如马氏体的结构，从而提高钢筋的强度。另外，碳可以与诸如铁、铬、钼和钒的元素结合以形成碳化物，从而提高钢筋的强度和硬度。

以钢筋的总重量计，碳(c)的添加量为0.18重量％至0.45重量％。如果碳(c)的含量小于0.18重量％，则可能难以确保钢筋的强度。另一方面，如果碳的含量大于0.45重量％，则钢筋的强度将增加，但是可能出现钢筋的帘线硬度和可焊性降低的问题。

硅(si)

硅(si)可以用作脱氧剂，用于在炼钢工艺中从钢中除去氧。此外，硅还可以起到增强固溶体的作用。

以钢筋的总重量计，硅的添加量为0.05重量％至0.30重量％。如果硅的含量小于0.05重量％，则难以充分确保上述效果。如果硅的含量大于0.30重量％，则可能在钢表面上形成氧化物，从而降低了钢的可焊性。

锰(mn)

锰(mn)是增加钢的强度和韧性并增加钢的淬透性的元素。以钢筋的总重量计，锰的添加量为0.40重量％至3.00重量％。如果锰的含量小于0.40重量％，则可能难以确保钢筋的强度。另一方面，如果锰的含量大于3.00重量％，则钢筋的强度将增加，但是mns非金属夹杂物的量可能增加，从而在焊接期间引起诸如裂缝的缺陷。

磷(p)

磷(p)可以抑制渗碳体的形成并且增加钢筋的强度。然而，如果磷的添加量大于0.04重量％，则可能降低钢筋的二次加工脆化。因此，以钢筋的总重量计，磷(p)的含量控制为大于0并且不大于0.04重量％。

硫(s)

硫(s)可以与锰、钼等结合，从而改善钢的机械加工性。然而，硫可能形成诸如mns、fes等的沉淀物，并且这种沉淀物的量的增加可能在热处理和冷处理期间引起裂缝。因此，以钢筋的总重量计，硫(s)的含量控制为大于0重量％并且不大于0.04重量％。

铬(cr)

铬(cr)可以增加钢的淬透性，从而改善淬火性能。

以钢筋的总重量计，铬的添加量为大于0并且不大于1.0重量％。如果铬的添加量大于1.0重量％，则可能不利地降低钢筋的可焊性或热影响区韧性。

铜(cu)

铜(cu)可以起到增加钢的淬透性和低温冲击韧性的作用。然而，如果铜的添加量大于0.50重量％，则可能导致热脆性。因此，以钢筋的总重量计，铜(cu)的含量控制为大于0并且不大于0.50重量％。

镍(ni)

镍(ni)可以增加材料的强度并确保低温冲击值。然而，以钢筋的总重量计，如果镍的含量大于0.25重量％，则可能过度增加钢筋的室温强度，从而降低钢筋的可焊性和韧性。因此，以钢筋的总重量计，镍(ni)的含量控制为大于0并且不大于0.25重量％。

钼(mo)

钼(mo)提高了强度和粗糙度并有助于确保在室温或高温下的稳定强度。然而，如果钼的添加量大于0.50重量％，则可能降低钢筋的可焊性。因此，以钢筋的总重量计，钼(mo)控制为大于0并且不大于0.50重量％。

铝(al)

铝(al)可以用作脱氧剂。然而，如果铝的添加量大于0.040重量％，则可能增加诸如氧化铝(al2o3)的非金属夹杂物的量。因此，以钢筋的总重量计，铝控制为大于0并且不大于0.040重量％。

钒(v)

钒(v)是在晶界处起钉扎作用以增加钢筋强度的元素。然而，如果钒(v)的含量大于0.20重量％，则会产生钢的生产成本增加的问题。因此，以钢筋的总重量计，钒的添加量优选为大于0并且不大于0.20重量％。

氮(n)

氮可以与诸如钛、钒、铌和铝的其他合金元素结合形成氮化物，从而起到细化晶粒的作用。然而，如果氮以超过0.040重量％的大量添加，则可能出现增加的氮量会降低钢筋的伸长率和可塑性的问题。因此，以钢筋的总重量计，氮的添加量优选为大于0并且不大于0.040重量％。

锑(sb)

尽管锑(sb)本身在高温下不形成氧化物层，但它在表面和晶界处富集，从而防止钢的元素扩散到表面上，从而表现出抑制氧化物形成的效果。另外，当锑(sb)特别地与mn和b一起添加时，其起到有效地防止表面氧化物层粗化的作用。然而，如果锑(sb)的含量大于0.1重量％，则不经济，因为它可以作为仅在不增加效果的情况下增加成本的因素。因此，以钢筋的总重量计，锑(sb)控制为大于0并且不大于0.1重量％。

锡(sn)

可以添加锡(sn)以确保耐腐蚀性。然而，如果锡的添加量大于0.1重量％，则可能快速降低钢筋的伸长率。因此，以钢筋的总重量计，锡(sn)控制为大于0并且不大于0.1重量％。

钨(w)

钨(w)是通过提高淬透性和强化固溶体而有效增加钢的室温拉伸强度和高温屈服强度的元素。然而，如果钨的添加量大于0.50重量％，则过量添加钨可能引起钢筋的焊接热影响区的再加热脆化。因此，以钢筋的总重量计，钨(w)控制为大于0并且不大于0.50重量％。

钙(ca)

为了通过形成cas夹杂物并防止mns夹杂物的形成来改善电阻可焊性，则可以添加钙(ca)。即，由于钙(ca)对硫的亲和力高于锰(mn)，因此钙的添加形成cas夹杂物并减少mns夹杂物的形成。该mns可以在热轧期间拉伸并在电阻焊接(erw)期间引起钩缺陷等，从而改善电阻可焊性。

然而，如果钙(ca)的添加量大于0.005重量％，则可能产生过量形成cao夹杂物的问题，从而降低连续铸造性和电阻可焊性。因此，以钢筋的总重量计，钙(ca)控制为大于0并且不大于0.005重量％。

除了上述合金组成的组分外，其余部分由铁(fe)和在炼钢过程中不可避免掺入的杂质等组成。

用于制造高强度钢筋的方法

在下文中，将描述根据本发明的一个实施方案的用于制造钢筋的方法。

图1为示意性地示出根据本发明的一个实施方案的用于制造钢筋的方法的流程图。参考图1，用于制造钢筋的方法包括钢板坯再加热步骤(s110)、热轧步骤(s120)、表面预先淬火冷却步骤(s130)和复原步骤(s140)。此时，可以进行再加热步骤(s110)以获得诸如沉淀再溶解的效果。此时，钢板坯可以在通过炼钢工艺获得具有预定组成的钢水之后通过连续铸造工艺获得。钢板坯包括，按重量计％：0.18％至0.45％的碳(c)；0.05％至0.30％的硅(si)；0.40％至3.00％的锰(mn)；大于0且不大于0.04％的磷(p)；大于0且不大于0.04％的硫(s)；大于0且不大于1.0％的铬(cr)；大于0且不大于0.50％的铜(cu)；大于0且不大于0.25％的镍(ni)；大于0且不大于0.50％的钼(mo)；大于0且不大于0.040％的铝(al)；大于0且不大于0.20％的钒(v)；大于0且不大于0.040％的氮(n)；大于0且不大于0.1％的锑(sb)；大于0且不大于0.1％的锡(sn)；以及余量的铁(fe)和其它不可避免的杂质。此外，钢板坯还可包括按重量％计，大于0且不大于0.50重量％的钨(w)和大于0且不大于0.005％的钙(ca)中的至少一者。

再加热步骤

在再加热钢板坯的步骤中，将具有上述组成的钢板坯在范围为1000℃至1100℃的温度下再加热。通过这种再加热，可以发生在铸造期间偏析的组分的再溶解和沉淀物的再溶解。此时，钢板坯可以为通过在再加热步骤(s110)之前进行的连续铸造工艺生产的初扎坯或坯料。

如果钢板坯的再加热温度低于1000℃，则加热温度不足，因此不能充分发生偏析组分和沉淀物的再溶解。另外，可能出现滚动负荷增加的问题。另一方面，如果再加热温度高于1100℃，则奥氏体晶粒可能粗化或可能发生脱碳，从而降低钢筋的强度。

热轧

在热轧步骤(s120)中，将经再加热的钢板坯在850℃至1000℃的温度下进行精热轧。如果精轧温度高于1000℃，则奥氏体晶粒将粗化，因此转变后的铁素体晶粒细化不会充分发生，因此难以确保钢筋的强度。另一方面，如果精轧温度低于850℃，则可能发生轧制负荷，从而降低生产率和热处理效果。

具体地，通过在上述温度下的热轧，可以形成细小的奥氏体结构和块状铁素体。此外，在热轧过程中，可以通过铁素体的连续动态再结晶在块状铁素体中形成亚晶粒，并且亚晶粒可以旋转以形成具有大角度晶界的细小的铁素体。细小的铁素体可以随后增加珠光体转变的驱动力。

表面预先淬火冷却

在表面预先淬火冷却步骤(s130)中，通过表面预先淬火工艺将经热轧的钢冷却至马氏体转变开始温度(ms温度)，以确保足够的强度。在表面预先淬火工艺期间冷却的钢可以在500℃至700℃的温度下进行复原工艺。

在一个实施方案中，表面预先淬火工艺中冷却水的压力可以为5至10巴，并且冷却水的流速可以为450至1100m³/hr。

通过上述方法，可以生产高强度钢筋，所述钢筋的中心部分具有包括等轴铁素体和珠光体的复合结构，并且所述钢筋的表面部分具有回火马氏体结构。

具体地，在通过在垂直于高强度钢筋长度方向的方向上切割高强度钢筋而获得的横截面中，高强度钢筋可包括面积分数为24％至30％的铁素体，面积分数为48％至59％的珠光体，和面积分数为17％至22％的回火马氏体。回火马氏体可以构成高强度钢筋的硬化层。即，高强度钢筋的硬化层可具有约17％至22％的面积分数。

在一个特定的实施例中，铁素体的晶粒尺寸可以为8至20μm，珠光体的晶粒尺寸可以为25至48μm。高强度钢筋的中心部分可具有约244hv的硬度，而高强度钢筋的硬化层可具有326hv的硬度。

通过上述工艺制造的钢筋可具有至少500mpa的屈服强度(ys)和0.8或更低的屈服比(yr)。

实施例在下文中，将参考本发明的优选实施例来更详细地描述本发明的构成和操作。然而，提供的这些实施例作为本发明的优选实施例，不应解释为以任何方式限制本发明的范围。

本领域技术人员可以充分理解本文未公开的内容，因此省略其描述。

1.样品的制备

制备钢板坯，每个钢板坯包括表1中所示的合金组成以及余量的铁(fe)和不可避免的杂质。在下表2所示的条件下对钢板坯进行热轧，从而在实施例1至实施例3和对比实施例的条件下制备多个样品。

[表1]

[表2]

2.物理性质的评估

下表3示出了评估根据对比实施例和实施例1至实施例5的条件制备的多个样品的机械性能的结果。为了评估物理性质，测量并示出每个样品的屈服强度(ys)、拉伸强度(ts)、伸长率(el)和屈服比(yr)。

[表3]

参考上表3，制备具有不同直径的样品。然而，对比实施例和实施例1至实施例3的条件通常包括直径为22mm(d22)的样品。在实施例5的条件下，制备直径为57mm(d57)的样品。

当比较屈服强度时，在对比实施例和实施例1至实施例5的条件下的样品均满足500mpa或更高。特别地，在实施例2至实施例5的条件下的样品(样品编号5至10)具有的屈服强度为600mpa或更高。同时，在对比实施例(样品编号1)的条件下的样品具有高于0.8的屈服比，而在实施例1至实施例5的条件下的样品均满足0.8或更低的屈服比。

图2至图5为显示根据对比实施例和本发明实施例的钢筋的微观结构的照片。下表4示出了在对比实施例和实施例1至实施例5的条件下制备的多个样品的微观结构的观察结果。通过观察钢筋的中心部分获得微结构，并且与中心部分比较的钢筋的表面部分可包括回火马氏体。

[表4]

图2为显示在对比实施例的条件下具有d22标准的样品(样品编号1)的结构的照片，图3为显示在实施例1的条件下具有d22标准的样品(样品编号3)的结构的照片。此外，图4为显示在实施例3的条件下具有d22标准的样品(样品编号7)的结构的照片，图5为显示在实施例5的条件下具有d57标准的样品(样品编号10)的结构的照片。

参考图2至图5，在对比实施例和实施例1至实施例3的条件下，在样品中观察到等轴铁素体和珠光体的混合相。然而，如上表4所示，观察晶粒尺寸的结果表明，对应于实施例1至实施例3条件的样品编号3、7和10的结构的晶粒尺寸小于对应于对比实施例条件的样品编号1的结构的晶粒尺寸。特别地，当比较样品1、3和7时，可以看出，当具有相同直径(22mm)的钢筋中的结构相的晶粒尺寸变小时，屈服强度增加并且屈服比降低。因此，认为微观结构的晶粒细化得到了根据本发明实施例的钢筋的高强度和高抗震特性。

如上所述，根据本发明的实施方案，高强度钢筋的中心部分可具有包括等轴铁素体和珠光体的复合结构，并且高强度钢筋的表面部分可具有回火马氏体结构。

具体地，在通过在垂直于高强度钢筋长度方向的方向上切割高强度钢筋而获得的横截面中，高强度钢筋可包括面积分数为24％至30％的铁素体，面积分数为48％至59％的珠光体，和面积分数为17％至22％的回火马氏体。回火马氏体可以构成高强度钢筋的硬化层。即，高强度钢筋的硬化层可具有约17％至22％的面积分数。

在一个特定的实施例中，铁素体的晶粒尺寸可以为8至20μm，珠光体的晶粒尺寸可以为25至48μm。高强度钢筋的中心部分可具有约244hv的硬度，而高强度钢筋的硬化层可具有326hv的硬度。

同时，根据本发明的一个实施方案制造的高强度钢筋可具有由如下所述的多个参数确定的屈服强度(ys)和拉伸强度(ts)。参数可以通过根据本发明实施方案的钢筋的合金组成、工艺条件、钢筋中相的面积分数、钢筋的直径等来确定。

屈服强度(ys)＝57+1800·[c]+350·[mn]+19·[hlvf]+8·[fvf]-[fdt]-[dia]

拉伸强度(ts)＝1764-19093·[c]-81·[mn]+1020·[v]+30.9·[hlvf]+0.424·[pcs]+4.81·[fdt]+58.3·[wap]

在上述等式中，屈服强度和拉伸强度以mpa为单位，[c]、[mn]和[v]分别表示碳、锰和钒的含量，并以重量％为单位。[hlvf]表示通过在垂直于高强度钢筋长度方向的方向上切割高强度钢筋而获得的横截面中的硬化表面层的面积分数(％)。具体地，硬化表面层是指由回火马氏体组成的表面部分的面积分数(％)。[fvf]表示高强度钢筋的横截面中的铁素体的面积分数(％)。[pcs]表示高强度钢筋的横截面中的珠光体的晶粒尺寸(μm)。[dia]表示钢筋的直径(mm)。

[fdt]表示用于制造高强度钢筋的方法中热轧步骤的精轧温度(℃)，[wap]表示表面预先淬火工艺中冷却水的流速(m³/hr)。

另外，用于计算屈服强度(ys)的等式的系数57、1800、350、19、8、-1和-1，分别以mpa、mpa/重量％、mpa/重量％、mpa/面积分数％、mpa/面积分数％、mpa/℃，和mpa/mm为单位。

同时，用于计算拉伸强度(ts)的等式的系数1764、-19093、-81、1020、30.9、0.424、4.81和58.3，分别以mpa、mpa/重量％、mpa/重量％、mpa/重量％、mpa/面积分数％、mpa/μm、mpa/℃，和mpa/巴为单位。

尽管以上结合实施方案描述了本发明，但本领域技术人员将理解各种修改或变化都是可能的。可以认为这些修改和变化落入本发明的范围内，只要它们不脱离本发明的范围即可。因此，本发明的范围应由所附权利要求来确定。