[发明专利]一种高屈服强度、高韧塑性精轧螺纹钢筋及其生产方法

说明书

本发明公开一种高屈服强度、高韧塑性精轧螺纹钢筋及其生产方法。其化学成分组成及质量百分含量为：C：0.20‑0.35％、Si：0.25‑0.46％、Mn：1.7‑1.8％、P：≤0.03％、S：≤0.03％、Cr：0.45‑0.5％、W：0.4‑0.5％、Cu：0.3‑0.45％、Nb：0.02‑0.04％，其中Cr+W+Cu≤1.5％，Cu元素选择性添加，其余为Fe。其生产方法包括：熔炼、连铸、轧制、热处理工序。轧制后空冷获得贝氏体、马氏体及残余奥氏体复相细化组织。采用高温回火，分解并充分软化马氏体，回火前无需预处理，回火后产物中碳化物均无明显长大。其屈服强度≥800MPa，抗拉强度≥970MPa，延伸率≥16％，20℃时的冲击功KV2≥50J。该精轧螺纹钢筋综合性能优异，具备高屈服强度、高冲击韧性、高延伸特性，而且生产工艺简单，尤其适用于锚杆支护领域，可提升深部矿井支护安全等级，节约支护成本。

技术领域

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

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 35056-2018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。

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 0.08-0.20％，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0.20-0.35％，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450-550℃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。