一种高屈服强度、高韧塑性精轧螺纹钢筋及其生产方法与流程

1.本发明涉及低合金高强钢领域和锚杆支护领域，具体涉及一种高屈服强度、高韧塑性精轧螺纹钢筋及其生产方法。


背景技术：

2.锚杆支护是我国煤矿巷道最主要的支护方式，已占煤矿巷道支护总量的70％以上，在安全、高效矿井建设与生产中起到了重要作用。目前，按照gb/t 35056
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2018煤矿巷道锚杆支护技术规范，我国锚杆杆体材料主要采用mg335、mg400、mg500和mg600系列螺纹钢筋，其牌号对应屈服强度等级，其化学成分主要为20mnsi、25mnsi，其金相组织主要是铁素体和珠光体或回火马氏体组织，其屈服强度等级仍然相对较低。但是，随着矿井开采深度、强度与范围的增加，巷道开采环境变得十分复杂，巷道围岩应力高、采动影响强烈，围岩大伸长、持续流变，冲击地压、煤与瓦斯突出等动力现象频发，且松软破碎岩层矿区分布很广，有些矿区岩层强度低、稳定性差，巷道支护难度显著增加。这给煤矿企业安全高效开采带来重大挑战，对锚杆支护技术和材料提出了更高的要求。煤巷锚杆材料的延伸率应在15％及以上，并在此前提下，要求有更高的屈服强度或更大的承载能力，以及抗冲击载荷能力。
3.贝氏体钢是第三代高强度钢研究的热点之一，受到材料工作者的广泛关注。该钢组织为大量贝氏体、适量回火马氏体或马奥岛和一定量残余奥氏体，残余奥氏体在受到外力作用时产生相变诱发塑性效应，能够提高材料的强度和塑韧性，具有优良的综合力学性能，可广泛应用于汽车工业、铁路运输、煤炭矿山、超高层建筑等。该钢主要通过以下两种方法获得：一是先将钢奥氏体化，然后采用盐浴的方法在贝氏体转变温区进行等温淬火。该方法对微合金成分要求不高，且可以获得优异的综合性能。但是，浴液对环境有污染，工件带出废盐造成浪费，且腐蚀工件，浴面辐射热损失严重，不便于机械化和连续化生产。二是通过合金化方法改变材料动力学特性，使材料在空冷状态下获得贝氏体组织，然后进行回火处理。该类方法工艺简单，产品均一性良好，便于批量化生产。然而，在现有空冷贝氏体钢中，对于低碳含量空冷贝氏体钢c在 0.08
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0.20％，低碳含量马氏体回火后具有较高的韧塑性，低碳含量残余奥氏体稳定性较低，相变诱导塑性效应较强，这有利于获得较高的韧塑性，但是不利于获得较高强度，为了提高屈服强度，还需显著增大mn、 si、cr、mo、ni等合金元素含量；而且，熔炼过程需选用低碳含量原料，或配备具有良好脱碳功能的精炼炉，这增加了生产成本。对于高碳含量空冷贝氏体钢c≥0.35％，材料淬透性增大，空冷后马氏体组织所占比例较大，屈服强度显著增大，但是高碳含量马氏体韧塑性较差，高碳含量残余奥氏体稳定增大，相变诱导塑性效应减弱，不利于材料获得较高的韧塑性。对于适中碳含量空冷贝氏体钢c在0.20
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0.35％，其合金成分si、mn含量一般较高，一般3％≤si mn≤5％，常见mn≥2％，利于获得高性能无碳化物贝氏体组织，但是si含量过高会降低钢的塑性和焊接性，mn含量过高易产生晶内偏析，不利于材料获得优异的综合性能，该类钢回火后的韧塑性仍有待提高。此外，现有空冷贝氏体钢的回火工艺一般为中低温回火，回火温度一般低于bs或ms点。这是因为高温回火时容易产生较粗大的碳化物，而且钢在450
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550℃回火，易产生第
二类回火脆性，两者均会降低贝氏体钢的韧塑性。中低温回火意在释放残余应力，软化马氏体，并保留大部分残余奥氏体组织，使可以产生相变诱导塑性效应，以提高材料的强度和塑韧性。然而，对于稍高碳含量高强空冷贝氏体钢，高碳含量残余奥氏体相变诱导塑性效应减弱，马氏体相对材料的韧塑性起主导作用，中低温回火工艺对高碳硬脆相马氏体的软化程度仍然不够，拉伸过程中易沿着马氏体相或马氏体板条界面首先产生裂纹，并导致材料的断裂失效，成为限制高强贝氏体钢塑韧性进一步提高的技术短板。而且，现有高温回火工艺，在回火之前多进行预处理，如深冷处理或贝氏体区间等温，以消除残余奥氏体，这降低了生产效率，增加了生产成本。
4.综上，建立空冷贝氏体钢理想成分区间，改变传统回火思路与工艺，优化材料微观组织，发展高屈服强度、高冲击韧性、高延伸特性的螺纹钢筋，已成为提高煤矿巷道锚杆支护等级的迫切需要。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种高屈服强度、高韧塑性精轧螺纹钢筋及其生产方法。所得钢筋综合性能优异，具备高屈服强度、高冲击韧性、高延伸特性，同时该钢筋生产工艺简单，力学性能稳定，满足批量化生产需求。
6.本发明提供一种高屈服强度、高韧塑性精轧钢筋，其化学成分组成及质量百分含量为c：0.20
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0.35％、 si：0.25
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0.46％、mn：1.7
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1.8％、p：≤0.03％、s：≤0.03％、cr：0.45
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0.5％、w：0.4
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0.5％、cu：0.3
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0.45％、 nb：0.02
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0.04％，其中cr w cu≤1.5％，cu元素选择性添加，其余为fe和不可避免的杂质。
7.提供一种高屈服强度、高韧塑性精轧钢筋的生产方法，包括炼钢、连铸、轧制、热处理工序。所述轧制工序，铸坯加热温度为1150～1200℃，保温时间为0.5～2小时，开轧温度控制在1000～1050℃时，终轧温度控制在900～950℃，轧后空冷得到钢筋；所述热处理工序，回火温度为bs 40～100℃，回火时间为2
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5h。
8.本发明的合金钢中，各个元素在合金钢中的作用如下：
9.c：碳元素具有固溶强化和析出强化作用，同时能显著影响残余奥氏体形态、含量和稳定性。一般c含量升高，钢的强度升高，bs点降低，残余奥氏体含量升高，残余奥氏体稳定性升高；但含c量太高会降低钢的塑性和韧性，恶化焊接性能；含c量太低则无法保证钢的强度，残余奥氏体含量和稳定性也大大降低，以致没有相变诱导塑性效应显现。
10.si：硅元素能起到固溶强化作用，提高钢的强度，增加弹性极限；同时si是一种脱氧剂，可减少氧化类夹杂物；si还是非碳化物形成元素，可促进c向奥氏体富集，抑制粗大碳化物形成，回火过程中，延迟渗碳体的析出，推迟第一类回火脆性的出现温度，使得材料能在更高温度下回火，进一步提高材料韧性；si 还能增强c和mn元素在相界和晶界上偏聚，延迟贝氏体转变，细化贝氏体组织。但是si含量过高会降低钢的塑性和焊接性。
11.mn：锰元素能够在相界面处富集，延缓铁素体转变，实现高温转变与中温转变分离，显著提高钢的淬透性，使空冷状态下可获得贝、马氏体组织；mn能够显著降低bs点，细化贝氏体组织，有利于提高钢的强韧性。但是，在钢液冷却过程中，mn元素容易产生晶内偏析，因此钢中mn含量不宜过高。
12.p和s：磷和硫元素是两种常见的有害元素。p能增加钢的冷脆性，降低钢的塑性和
韧性，使冷弯性能变坏，对焊接性能不利。s能使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹，对焊接性能也不利，s含量的提高还将提高mns夹杂物的数量，使钢的综合性能变差。但是，过低的p、s含量会大量增加成本。
13.cr：铬元素使先共析铁素体转变曲线右移，转变区变窄，提高亚稳态奥氏体的淬透性和稳定性；降低bs 点，细化贝氏体组织，增加贝氏体铁素体基体的强韧性。但cr含量过高，贝氏体比例过高且尺寸粗大，会降低塑性。
14.nb:可以显著提高钢的屈服和拉伸强度，同时可以提高退火温度不改变钢的强度从而提高钢的其他性能。 w：生成特殊的碳化物可以阻止钢晶粒的长大，细化钢的组织增强钢的耐腐蚀性。
15.本发明选用适中的c含量c：0.20
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0.35％，确保材料具有一定的强度和塑韧性，并通过c元素调控空冷状态下贝氏体钢的组织种类、形态、大小、分布、含量和稳定性，并一定程度上决定了回火后组织及其碳化物的分布情况；选用适中的si、mn含量2.1％≤si mn≤3.0％，通过适量si元素在一定程度上抑制碳化物的析出长大，使得材料能在更高温度下回火，通过降低mn元素含量使材料不会产生显著晶内偏析，回火过程中不会产生粗大碳化物；使钢筋在轧后空冷状态下获得一定比例贝氏体、马氏体、残余奥氏体的复相细化组织，可以避免盐浴工艺的污染等问题，还可以避免水淬过程产生的淬裂现象；加入微量的nb 元素，使其碳化物弥散析出；通过多种合金元素固溶强化、析出强化确保钢的强度加入w元素是进一步增强钢的耐腐蚀性；通过在bs点以上40
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100℃区间回火处理，分解并充分软化马氏体，马氏体相不再是限制材料塑韧性的短板；确保回火前无需分解残余奥氏体，回火后产品中碳化物均无明显长大，大多呈球状细小弥散分布；本发明的有益效果为：钢筋综合性能优异，在获得高屈服强度同时，还具有高冲击韧性和高延伸特性，且该生产工艺简单，回火前无需预处理，力学性能稳定，可批量化生产。
附图说明
16.附图1为本发明实施例2所得钢筋空冷状态下的金相组织图；
17.附图2为本发明实施例2所得钢筋620℃回火2小时后的金相组织图；
实施例
18.1)经转炉冶炼和lf炉精炼后，进行方坯连铸，铸坯尺寸为150
×
150
×
12000mm；
19.2)铸坯堆垛冷却至室温，铸坯化学成分组成及质量百分含量见表1，如下：
20.表1铸坯化学成分组成及质量百分含量(wt.％)
21.实施例csimnpscrwcunb10.2130.2511.7830.0260.0060.460.4120.3110.02120.2660.3121.7540.0250.0070.530.4550.4280.03830.3260.2051.7720.0230.010.490.49900.027
22.根据经验公式：bs＝830
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270c
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90mn
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70cr，实施例1、2、3的bs点分别为579.82、563.22、548.2℃；
23.3)铸坯加热，均热段温度为1150℃，均热时间为2h；
24.4)铸坯轧制，开轧温度为1050℃，终轧温度为900℃，轧后空冷得到钢筋，其直径为
30mm；
25.5)钢筋热处理，回火温度为620℃，回火时间为2小时，然后空冷；
26.6)实施例所得精轧钢筋的力学性能见表2，经高温回火后，钢筋的屈服强度(rel)≥800mpa，抗拉强度 (rm)≥970mpa,延伸率(a)≥16％，20℃时的冲击功(kv2)≥50j。
27.表2实施例所得精轧钢筋的力学性能
28.实施例rel(mpa)rm(mpa)a(％)kv2(j)184098418.467.02873102317.063.5381597316.054.0