褚文龍，陳文勇，徐 斌，祁文娟，李智明

（1.河鋼集團(tuán)承鋼公司棒材事業(yè)部，河北 承德 067102；2.河鋼集團(tuán)承鋼公司檢驗(yàn)檢測(cè)中心，河北 承德 067102）

建筑用鋼筋是我國產(chǎn)銷量最大的鋼材品種，鋼筋的質(zhì)量水平已經(jīng)接近國際先進(jìn)水平，但其使用強(qiáng)度與發(fā)達(dá)國家相比還有一定的差距。我國熱軋帶肋鋼筋[1]按強(qiáng)度等級(jí)分為400 MPa、500 MPa 及600 MPa三種強(qiáng)度級(jí)別。經(jīng)過多年的推廣應(yīng)用，在核電、地標(biāo)建筑等重點(diǎn)工程項(xiàng)目中已普遍應(yīng)用HRB500（E），目前，國內(nèi)建筑主要使用帶“E”抗震鋼筋，例如HRB400E、HRB500E，目前600 MPa 級(jí)鋼筋國標(biāo)[1]只有HRB600 為非抗震鋼筋，而部分客戶對(duì)600 MPa級(jí)抗震鋼筋提出需求，并且其具有良好的市場前景，因此，十分有必要對(duì)600 MPa 級(jí)抗震鋼筋進(jìn)行研發(fā)。

1 成分及力學(xué)指標(biāo)要求

HRB600E 熱軋高強(qiáng)抗震鋼筋熔煉成分指標(biāo)如表1 所示，力學(xué)指標(biāo)如表2 所示。

表1 HRB600E 鋼筋化學(xué)成分指標(biāo) %

表2 HRB600E 鋼筋力學(xué)性能指標(biāo)

2 成分設(shè)計(jì)

HRB600E 熱軋高強(qiáng)抗震鋼筋研發(fā)的難度在于在確保強(qiáng)度的情況下，必須滿足強(qiáng)屈比的要求，強(qiáng)度主要取決于熔煉成分的種類和數(shù)量，具體來說主要取決于加入多少種類的合金。為保證良好的焊接性，必須限定Ceq（碳當(dāng)量），這就使得起到強(qiáng)化作用的C、Mn 元素添加量得到了限制，在鋼鐵材料的微合金強(qiáng)化方面，一般采用Nb、V、Ti 三類合金，Nb、Ti 元素的碳氮化合物回融溫度很高，析出數(shù)量較少，不能用于600 MPa 級(jí)別的熱軋鋼筋的主要強(qiáng)化元素，V 元素的碳氮化合物回融溫度較低，在冷卻過程中能夠形成大量納米級(jí)析出物，可提高鋼筋強(qiáng)度，尤其是VN 提高強(qiáng)度效果最為明顯，并且能夠細(xì)化晶粒，增加產(chǎn)品強(qiáng)度及塑性[2-3]，但是其缺點(diǎn)是會(huì)降低強(qiáng)屈比。因此，我們?cè)诔煞衷O(shè)計(jì)上以VN 強(qiáng)化為主，同時(shí)添加少量Cr、Mo、Nb 元素進(jìn)行復(fù)合強(qiáng)化，在滿足強(qiáng)度指標(biāo)的同時(shí)，使強(qiáng)屈比達(dá)到1.25。

2.1 含釩鋼筋中w（N）對(duì)鋼筋強(qiáng)度的影響研究

對(duì)鋼筋中w（N）進(jìn)行檢驗(yàn)分析，并對(duì)鋼筋中化學(xué)成分和w（N）對(duì)鋼筋屈服強(qiáng)度的影響進(jìn)行回歸分析，得到釩氮微合金化鋼筋中各化學(xué)元素成分與鋼筋屈服強(qiáng)度關(guān)系式為：

由以上關(guān)系式可知，在保證其他元素含量不變情況下，鋼中每增加0.001%的w（N）可使鋼屈服強(qiáng)度增加7～8 MPa。

對(duì)不同w（V）和w（N）下鋼的強(qiáng)化效果進(jìn)行試驗(yàn)分析，得出不同w（V）和w（N）對(duì)鋼強(qiáng)度增量的影響如下頁圖1 所示。由圖1 可知，隨著鋼中w（V）的增加，鋼的強(qiáng)度增量提高，但當(dāng)鋼中w（V）達(dá)到一定量（如圖中曲線拐點(diǎn)處）時(shí)，鋼強(qiáng)度增加量減少。例如，當(dāng)鋼中w（V）在0.02%以下時(shí)，w（V）增加0.01%，鋼強(qiáng)度增量為25 MPa；但當(dāng)w（V）＞0.02%時(shí)，w（V）增加0.01%，鋼強(qiáng)度增量降低為10 MPa。此時(shí)，當(dāng)w（V）對(duì)鋼強(qiáng)度增量減少時(shí)，適當(dāng)增加鋼中w（V），可進(jìn)一步提高鋼強(qiáng)度增量，即此時(shí)增加鋼中w（N）可增加鋼強(qiáng)度。因此，若想提高鋼筋的強(qiáng)度，在添加一定V 元素的同時(shí)，必須增加w（N）。

圖1 不同w（V）/w（N）對(duì)鋼筋強(qiáng)度增量的影響

2.2 其他合金元素對(duì)鋼筋強(qiáng)度的影響

C 元素能起到固溶強(qiáng)化作用，有利于提高鋼材強(qiáng)度的同時(shí)，還能夠提高強(qiáng)屈比，而且C 是經(jīng)濟(jì)性元素，能降低成本，因此C 元素含量不能過低。Si 同樣能起到固溶強(qiáng)化作用，提高鋼材強(qiáng)度，同時(shí)還能起到較強(qiáng)的脫氧作用，凈化鋼水，且Si 含量不會(huì)影響碳當(dāng)量，應(yīng)在要求指標(biāo)的上限予以控制。Mn 同樣能起到固溶強(qiáng)化作用，可顯著提高鋼材強(qiáng)度及強(qiáng)屈比，在整體碳當(dāng)量允許范圍內(nèi)的中上限進(jìn)行控制。Cr、Mo、Nb元素均能使產(chǎn)品珠光體含量增加，提高強(qiáng)屈比[3-4]，但因鋼筋中w（Mn）較高，而這些元素含量過高會(huì)形成貝氏體，嚴(yán)重降低產(chǎn)品塑性，因此少量即可。

2.3 成分熔煉表

通過對(duì)釩特性的研究及其他合金元素對(duì)強(qiáng)度的影響研究，確定了HRB600E 含釩螺紋鋼筋的化學(xué)成分種類，并量化熔煉成分，具體如表3 所示。

表3 HRB600E 鋼筋熔煉成分

3 實(shí)施效果

3.1 析出物分析

采用掃描電鏡對(duì)樣品組織及析出物進(jìn)行分析觀察，發(fā)現(xiàn)珠光體片層較為致密，析出物尺寸較小。碳氮化物的析出有兩種狀態(tài)，一種是隨A 向F 轉(zhuǎn)變，沿相變界面產(chǎn)生的相間析出，一種是鐵素體內(nèi)隨機(jī)析出，這種析出占有極大比例，珠光體內(nèi)沒有析出，細(xì)小的析出相為高強(qiáng)鋼筋主要的強(qiáng)化手段。珠光體形貌如圖2 所示，晶界和鐵素體內(nèi)析出物分布情況如圖3 所示。

圖2 珠光體形貌

圖3 晶界和鐵素體內(nèi)析出物分布情況

3.2 產(chǎn)品組織

各規(guī)格HRB600E 高強(qiáng)抗震鋼筋內(nèi)部組織均勻，均為鐵素體加珠光體（無回火馬氏體等有害組織），珠光體約占45%～50%，珠光體提高10%～15%，有效提高強(qiáng)屈比，并且晶粒度達(dá)到10～11.5 級(jí)，提高了產(chǎn)品塑性指標(biāo)。20 螺及32 螺的HRB600E 高強(qiáng)抗震鋼筋金相組織如圖4 所示。

圖4 HRB600E 高強(qiáng)抗震鋼筋金相組織

3.3 力學(xué)性能

各規(guī)格HRB600E 高強(qiáng)抗震鋼筋力學(xué)性能全部合格，具體指標(biāo)如表4 所示。

表4 產(chǎn)品力學(xué)性能

3.4 疲勞性能

選擇2 支規(guī)格為Φ25 mm 樣品進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，應(yīng)力比為0.2，循環(huán)200 萬次未斷，說明產(chǎn)品具有良好的抗疲勞性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

表5 疲勞檢驗(yàn)

3.5 焊接性能

選取Φ12～Φ25mm規(guī)格進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊接性能全部合格。焊接工藝所涉及的參數(shù)：焊機(jī)型號(hào)為ZX7-400；焊條牌號(hào)及規(guī)格為THJ857、Φ4.0mm；焊接電流為140～180 A；電流極性為直流。焊接實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。

表6 焊接試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

1）通過回歸分析，明確了w（N）對(duì)鋼筋強(qiáng)度的貢獻(xiàn)值，具體為含釩鋼筋中增加了約10×10-6的w（N），使鋼筋的強(qiáng)度增加約7～8 MPa，使鋼筋強(qiáng)度滿足要求。

2）采用“釩鈮鉻鉬復(fù)合強(qiáng)化”工藝，可提高珠光體含量10%～15%，解決了鋼筋強(qiáng)屈比不合難點(diǎn)。

3）通過產(chǎn)品檢驗(yàn)，產(chǎn)品力學(xué)性能、疲勞性能及焊接性能完全滿足要求。