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CN114364819A - 超高强度加强筋及其制造方法 - Google Patents

超高强度加强筋及其制造方法 Download PDF

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CN114364819A
CN114364819A CN202080035735.1A CN202080035735A CN114364819A CN 114364819 A CN114364819 A CN 114364819A CN 202080035735 A CN202080035735 A CN 202080035735A CN 114364819 A CN114364819 A CN 114364819A
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Abstract

提供了一种超高强度加强筋及其制造方法。在示例性实施方案中，超高强度加强筋包含0.10重量％至0.45重量％的碳(C)、0.5重量％至1.0重量％的硅(Si)、0.40重量％至1.80重量％的锰(Mn)、0.10重量％至1.0重量％的铬(Cr)、大于0且小于或等于0.2重量％的钒(V)、大于0且小于或等于0.4重量％的铜(Cu)、大于0且小于或等于0.5重量％的钼(Mo)、0.015重量％至0.070重量％的铝(Al)、大于0且小于或等于0.25重量％的镍(Ni)、大于0且小于或等于0.1重量％的锡(Sn)、大于0且小于或等于0.05重量％的磷(P)、大于0且小于或等于0.03重量％的硫(S)、0.005重量％至0.02重量％的氮(N)、余量为铁(Fe)和其它不可避免的杂质。

Description

超高强度加强筋及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种超高强度加强筋及其制造方法。更具体地，本发明涉及一种具有优异抗震性能的用于建筑结构的超高强度加强筋及其制造方法。
背景技术
近来，为增加空间利用率而安装的结构变得更大。因此，需要具有更大强度的加强筋。过去需要屈服强度为500MPa的加强筋，但近来需要屈服强度为600MPa至700MPa的加强筋，预计将来需要屈服强度为1.0GPa或更大的加强筋。
同时，对于近来在韩国和其他国家发生的地震、火灾、强风、暴雪、地面沉降和天坑等自然灾害或人为灾害，确保建筑结构的稳定性对于确保公共基础设施安全来说至关重要。为此，结构的安全设计至关重要，因此迫切需要开发抗震钢。为了赋予抗震性能，需要通过添加碳(C)、锰(Mn)、钒(V)和铌(Nb)等各种合金元素来提高塑性变形能力，但添加过量的铁合金存在导致生产成本增加的问题。
与本发明相关的背景技术公开于韩国专利No.10-1095486(2011年12月19日公开；名称为“用于制造抗震加强筋的方法和由其制造的抗震加强筋”)。
发明内容
技术问题
本发明的一个实施方案旨在提供一种具有高强度和优异抗震性能的超高强度加强筋及其制造方法。
本发明的另一实施方案旨在提供一种超高强度加强筋及其制造方法，其由于减少了合金元素的添加量并简化了工艺，因此具有优异的生产力和优异的成本降低效果。
技术方案
本发明的一个方面涉及一种超高强度加强筋。在示例性实施方案中，超高强度加强筋包含0.10重量％至0.45重量％的碳(C)、0.5重量％至1.0重量％的硅(Si)、0.40重量％至1.80重量％的锰(Mn)、0.10重量％至1.0重量％的铬(Cr)、大于0且小于或等于0.2重量％的钒(V)、大于0且小于或等于0.4重量％的铜(Cu)、大于0且小于或等于0.5重量％的钼(Mo)、0.015重量％至0.070重量％的铝(Al)、大于0且小于或等于0.25重量％的镍(Ni)、大于0且小于或等于0.1重量％的锡(Sn)、大于0且小于或等于0.05重量％的磷(P)、大于0且小于或等于0.03重量％的硫(S)、0.005重量％至0.02重量％的氮(N)、余量为铁(Fe)和其它不可避免的杂质，并且根据下式1计算的碳当量(Ceq)为0.7或更大。超高强度加强筋包括：中心部分和在中心部分的外圆周形成的表层部分，其中表层部分包含回火马氏体，并且中心部分的微观组织包括铁素体、珠光体和贝氏体，其中铁素体包括多边形铁素体和针状铁素体中的任何一种或多种，并且超高强度加强筋的屈服强度(YS)为700MPa或更大，抗拉强度/屈服强度(TS/YS)之比为1.25或更大：
[式1]
Ceq＝[C]+[Mn]/6+([Cr]+[V]+[Mo])/5+([Cu]+[Ni])/15
其中[C]、[Mn]、[Cr]、[V]、[Mo]、[Cu]和[Ni]分别为加强筋中碳(C)、锰(Mn)、铬(Cr)、钒(V)、钼(Mo)、铜(Cu)和镍(Ni)的含量(重量％)。
在示例性实施方案中，超高强度加强筋可以具有700MPa至850MPa的屈服强度(YS)、1.25至1.35的抗拉强度/屈服强度(TS/YS)之比和10％或更大的伸长率(El)。
在示例性实施方案中，中心部分的微观组织可以包括30体积％至45体积％的铁素体、30体积％至45体积％的珠光体和15体积％至25体积％的贝氏体。
在示例性实施方案中，基于横截面，加强筋可以包括5面积％至15面积％的表层部分和85面积％至95面积％的中心部分。
在示例性实施方案中，中心部分可以包括硬度为350Hv或更大的硬化芯层。
在示例性实施方案中，硬化芯层的微观组织可以包括下贝氏体和平均尺寸为5μm至10μm的细铁素体。
在示例性实施方案中，硬化芯层可以具有350Hv至400Hv的硬度，除硬化芯层之外的中心部分可以具有240Hv至280Hv的硬度，并且表层部分可以具有330Hv至360Hv的硬度。
在示例性实施方案中，基于横截面，加强筋可以包括15面积％至30面积％的硬化芯层。
本发明的另一个方面涉及一种用于制造超高强度加强筋的方法。在示例性实施方案中，用于制造超高强度加强筋的方法包括以下步骤：再加热包含以下的半成品：0.10重量％至0.45重量％的碳(C)、0.5重量％至1.0重量％的硅(Si)、0.40重量％至1.80重量％的锰(Mn)、0.10重量％至1.0重量％的铬(Cr)、大于0且小于或等于0.2重量％的钒(V)、大于0且小于或等于0.4重量％的铜(Cu)、大于0且小于或等于0.5重量％的钼(Mo)、0.015重量％至0.070重量％的铝(Al)、大于0且小于或等于0.25重量％的镍(Ni)、大于0且小于或等于0.1重量％的锡(Sn)、大于0且小于或等于0.05重量％的磷(P)、大于0且小于或等于0.03重量％的硫(S)、0.005重量％至0.02重量％的氮(N)，余量为铁(Fe)和其它不可避免的杂质，所述半成品的根据下式1计算的碳当量(Ceq)为0.7或更大；通过在850℃至1000℃的最终出料温度下对经再加热的半成品进行热轧来制造轧制材料；然后将轧制材料冷却至Ms温度或更低温度，冷却包括对轧制材料进行回热以达到500℃至700℃的温度的步骤，其中超高强度加强筋包括：中心部分和在中心部分的外圆周形成的表层部分，其中表层部分包含回火马氏体，并且中心部分的微观组织包括铁素体、珠光体和贝氏体，其中铁素体包括多边形铁素体和针状铁素体中的任何一种或多种，并且超高强度加强筋的屈服强度(YS)为700MPa或更大，抗拉强度/屈服强度(TS/YS)之比为1.25或更大：
[式1]
Ceq＝[C]+[Mn]/6+([Cr]+[V]+[Mo])/5+([Cu]+[Ni])/15
其中[C]、[Mn]、[Cr]、[V]、[Mo]、[Cu]和[Ni]分别为半成品中碳(C)、锰(Mn)、铬(Cr)、钒(V)、钼(Mo)、铜(Cu)和镍(Ni)的含量(重量％)。
在示例性实施方案中，可以在6.7m/s至7.2m/s的轧制材料线速度和3.7l/kg至3.9l/kg的比水量的条件下进行冷却。
在示例性实施方案中，可以在1050℃至1250℃的温度下进行再加热。
在示例性实施方案中，中心部分可以包括硬度为350Hv或更大的硬化芯层。
有利效果
本发明的超高强度加强筋具有高强度和优异的抗震性能，由于减少了合金元素的添加量并简化了工艺而具有优异的生产力和优异的成本降低效果。当本发明的超高强度加强筋应用于建筑结构时，在发生地震时，与传统加强筋相比，可以延迟倒塌时间，并且可以具有缩短工期和降低建设成本的优异效果。
附图说明
图1示出了根据本发明的示例性实施方案的用于制造超高强度加强筋的方法。
图2是根据本发明的示例性实施方案的超高强度加强筋的横截面图。
图3是对比例1的加强筋的横截面图。
图4(a)是示出实施例的加强筋的表层部分的微观组织的照片，图4(b)是示出实施例的加强筋的中心部分的微观组织的照片，并且图4(c)是示出实施例的加强筋的中心部分的硬化芯层的微观组织的照片。
图5(a)是示出对比例1的加强筋的表层部分的微观组织的照片，图5(b)是示出对比例1的加强筋的中心部分的微观组织的照片，并且图5(c)是示出对比例1的加强筋的中心部分的微观组织的照片。
具体实施方式
下文将详细描述本发明。在以下描述中，当相关公知技术或配置可能不必要地混淆本发明的主题时，将省略对其详细描述。
另外，以下描述中使用的术语是考虑到其在本发明中的功能而定义的术语，并且可以根据用户或操作者的选择或通常的实践而改变。因此，术语的定义应基于整个说明书中的内容。
超高强度加强筋
本发明的一个方面涉及一种超高强度加强筋。在示例性实施方案中，超高强度加强筋包含0.10重量％至0.45重量％的碳(C)、0.5重量％至1.0重量％的硅(Si)、0.40重量％至1.80重量％的锰(Mn)、0.10重量％至1.0重量％的铬(Cr)、大于0且小于或等于0.2重量％的钒(V)、大于0且小于或等于0.4重量％的铜(Cu)、大于0且小于或等于0.5重量％的钼(Mo)、0.015重量％至0.070重量％的铝(Al)、大于0且小于或等于0.25重量％的镍(Ni)、大于0且小于或等于0.1重量％的锡(Sn)、大于0且小于或等于0.05重量％的磷(P)、大于0且小于或等于0.03重量％的硫(S)、0.005重量％至0.02重量％的氮(N)、余量为铁(Fe)和其它不可避免的杂质。
下文将对超高强度加强筋的组成成分进行详细说明。
碳(C)
碳(C)是对提高钢的强度最有效的元素，特别是对提高钢的抗拉强度很重要。碳溶解在奥氏体中并且在回火过程中形成马氏体结构。随着碳含量的增加，回火硬度提高，但是回火过程中变形的可能性变大。碳与铁(Fe)、铬(Cr)、钒(V)和钛(Ti)等元素结合形成碳化物，从而提高强度和硬度。
在示例性实施方案中，基于超高强度加强筋的总重量，包含的碳的量为0.10重量％至0.45重量％。如果包含的碳的量小于0.10重量％，则可能难以确保强度和硬度，如果包含的碳的量大于0.45重量％，则回火过程中变形的可能性可能增加，并且可能难以确保伸长率和低温韧性。优选地，包含的碳的量可以为0.35重量％至0.40重量％。
硅(Si)
硅(Si)是提高淬透性的元素，例如钼和铬，并且用作脱氧剂。硅是强脱氧剂，当其添加量为2重量％或更多时，会降低韧性并损害塑性加工性，因此硅的添加量受到限制。此外，硅具有提高回火过程中的抗软化性的作用。此外，硅是淬透性元素，可以在一定的受控冷却温度范围内形成硬化相。
在示例性实施方案中，基于超高强度加强筋的总重量，包含的硅的量为0.5重量％至1.0重量％。当包含上述量的硅时，其可以防止由于从奥氏体(γ)到铁素体(α)相变温度的变化以及碳在铁素体中的溶解度的变化而导致的晶界运动和晶粒粗化，并且可以在形成复合铁素体(多边形和针状)和贝氏体的温度范围内通过诱导残留钒(V)和碳和氮(C、N)的缺陷而在铁素体中形成VCN析出物，从而使钢可以具有优异的材料性质和机械性质。如果包含的硅的量小于0.5重量％，其添加的效果可能不明显，如果包含的硅的量大于1.0重量％，其可能在钢表面形成氧化物，从而降低钢的延展性和可加工性。优选地，包含的硅的量可以为0.50重量％至0.65重量％。
锰(Mn)
锰(Mn)是钢中的奥氏体稳定元素并且对提高淬透性有效。一部分锰溶解在钢中，一部分与钢中所含的硫结合形成非金属夹杂物MnS。MnS具有延展性，因此在塑性加工过程中在加工方向上被拉长。然而，由于MnS的形成，晶粒变弱，同时钢中的硫成分减少，因此可以抑制作为低熔点化合物的FeS的形成。
在示例性实施方案中，基于超高强度加强筋的总重量，包含的锰的量为0.40重量％至1.80重量％。如果包含的锰的量小于0.40重量％，其添加的效果可能不明显，如果包含的锰的量大于1.80重量％，非金属夹杂物例如MnS的含量可能增加，因此在焊接过程中可能会出现裂纹等缺陷。优选地，包含的锰的量可以为1.2重量％至1.5重量％。
铬(Cr)
铬(Cr)是铁素体稳定元素，当将其添加到本发明的含碳锰钢中时，可能因溶质干扰作用而延迟碳的扩散，从而影响颗粒尺寸细化并提高淬透性。
在示例性实施方案中，基于超高强度加强筋的总重量，包含的铬的量为0.10重量％至1.0重量％。如果包含的铬的量小于0.10重量％，其添加的效果可能不明显，如果包含的铬的量大于1.0重量％，钢的焊接性或其受热影响区域的韧性可能会降低。优选地，包含的铬的量可以为0.2重量％至0.5重量％。
钒(V)
钒(V)具有比铬更强的碳化物形成能力并且细化晶粒，因此也用于改进不锈钢或切削工具钢。此外，由于钒通过与其它金属元素形成化合物而表现出明显的析出硬化效果，因此其还用于析出硬化钢和永磁体。
在示例性实施方案中，基于超高强度加强筋的总重量，包含的钒的量为大于0且小于或等于0.2重量％。如果包含的钒的量大于0.2重量％，则生产成本可能增加，从而降低经济效率，并且钢的低温冲击韧性可能降低。优选地，包含的钒的量可以为0.08重量％至0.15重量％。
铜(Cu)
铜(Cu)在室温下以高达约0.35重量％的量溶解在铁素体中并表现出固溶强化效果，因此其可略微提高强度和硬度，但是可能降低伸长率。
包含铜的钢在热加工性方面存在问题，特别是当包含0.5重量％或更多的铜时，其引起红脆。此外，即使包含少量的铜，也能明显提高在空气或海水中的耐腐蚀性，当铜的添加量为0.4重量％或更多时，由于铜的微细析出而产生析出硬化效果。因此，在实际不锈钢中，约4重量％的铜被添加和析出以制成坚固的不锈钢。
在示例性实施方案中，基于超高强度加强筋的总重量，包含的铜的量为大于0且小于或等于0.4重量％。如果包含的铜的量大于0.4重量％，可能会降低热加工性和伸长率或导致红脆。优选地，包含的铜的量可以为0.1重量％至0.3重量％。
钼(Mo)
在本发明中，钼(Mo)用作提高淬透性的元素，并且可以提高钢的强度、韧性和淬透性。
在示例性实施方案中，基于超高强度加强筋的总重量，包含的钼的量大于0且小于或等于0.5重量％。如果包含的钼的量大于0.5重量％，则可能会降低焊接性。优选地，包含的钼的量可以为0.001重量％至0.1重量％。
铝(Al)
铝(Al)可以用作脱氧剂。在示例性实施方案中，基于超高强度加强筋的总重量，包含的铝的量为0.015重量％至0.070重量％。如果包含的铝的量小于0.015重量％，其添加的效果可能不明显，如果包含的铝的量大于0.070重量％，其可能增加非金属夹杂物例如氧化铝(Al2O3)的产生。优选地，包含的铝的量可以为0.015重量％至0.025重量％。
镍(Ni)
镍(Ni)可以提高钢的强度，并使钢确保低温冲击值。在示例性实施方案中，基于超高强度加强筋的总重量，包含的镍的量大于0且小于或等于0.25重量％。如果包含的镍的量大于0.25重量％，则可能过度增加钢在室温下的强度，从而降低钢的焊接性和韧性。优选地，包含的镍的量可以为0.0001重量％至0.005重量％。
锡(Sn)
可以添加锡(Sn)以确保耐腐蚀性。在示例性实施方案中，基于超高强度加强筋的总重量，包含的锡的量大于0且小于或等于0.1重量％。如果包含的锡的量大于0.1重量％，则可能会显著降低伸长率。优选地，包含的锡的量可以为0.0001重量％至0.005重量％。
磷(P)
如果磷(P)在钢中均匀分布，其不会成为问题，但通常会形成Fe3P。Fe3P极脆且偏析，因此即使通过退火也不均匀，并且在例如锻造和轧制的加工过程中被拉长。磷在易切削钢中降低抗冲击性，促进回火脆性并改善机械加工性，但通常被认为是对钢有害的元素。
在示例性实施方案中，基于超高强度加强筋的总重量，包含的磷的量大于0且小于或等于0.05重量％。如果包含的磷的量大于0.05重量％，则可能通过形成中心线偏析和细偏析而对材料性质产生不利影响，并且可能降低延展性。优选地，包含的磷的量可以大于0且小于或等于0.03重量％。
硫(S)
硫(S)与锰(Mn)、锌(Zn)、钛(Ti)和钼(Mo)结合，从而提高钢的机械加工性，并与锰结合形成MnS夹杂物。如果钢中的锰含量不足，硫会与铁结合形成FeS。由于这种FeS非常脆并且具有低熔点，在热加工和冷加工过程中会导致裂纹。因此，为了避免形成这样的FeS夹杂物，可以以约5:1的比例包含锰和硫。
在示例性实施方案中，基于超高强度加强筋的总重量，包含的硫的量大于0且小于或等于0.03重量％。如果包含的硫的量大于0.03重量％，则可能会大大降低延展性，并且可能会明显增加非金属夹杂物例如MnS的形成。优选地，包含的硫的量可以大于0且小于或等于0.025重量％。
氮(N)
氮(N)即使以极少的量存在也能对钢的机械性质产生很大影响，其增加钢的抗拉强度和屈服强度，但是降低钢的伸长率。特别地，氮降低了钢的冲击值，明显提高了钢的转变温度。氮是间隙元素，扩散速度快，并且相对于铁素体具有从0.1重量％至0.003重量％的连续溶解度变化。此外，氮与钛、锆、钒和铌形成氮化物，从而细化晶粒。
在示例性实施方案中，基于超高强度加强筋的总重量，包含的氮的量为0.005重量％至0.02重量％。如果包含的氮的量小于0.005重量％，其添加的效果可能不明显，如果包含的氮的量大于0.02重量％，其可能降低钢的伸长率和成形性。优选地，包含的氮的量可以大于0且小于或等于0.01重量％。
在示例性实施方案中，超高强度加强筋的根据下式1计算的碳当量(Ceq)为0.7或更大：
[式1]
Ceq＝[C]+[Mn]/6+([Cr]+[V]+[Mo])/5+([Cu]+[Ni])/15
其中[C]、[Mn]、[Cr]、[V]、[Mo]、[Cu]和[Ni]为加强筋中碳(C)、锰(Mn)、铬(Cr)、钒(V)、钼(Mo)、铜(Cu)和镍(Ni)的含量(重量％)。
当碳当量为0.7或更大时，可以达到本发明的加强筋所需的抗震性能和屈服强度。如果碳当量小于0.7，则本发明的加强筋的抗震性能和强度可能会降低。例如，碳当量可以为0.7至0.8。
图2是根据本发明的示例性实施方案的超高强度加强筋的横截面图。
参考图2，超高强度加强筋包括：中心部分20和在中心部分20的外圆周形成的表层部分10。
表层部分包括回火马氏体。
中心部分的微观组织包括铁素体、珠光体和贝氏体。例如，中心部分的微观组织可以包括30体积％至45体积％的铁素体、30体积％至45体积％的珠光体和15体积％至25体积％的贝氏体。当在所述微观组织的体积份数条件下形成中心部分时，加强筋可以同时具有优异的强度和抗震性能。
铁素体包括多边形铁素体和针状铁素体中的至少一种。
在示例性实施方案中，基于横截面，超高强度加强筋可以包括5面积％至15面积％的表层部分和85面积％至95面积％的中心部分。在上述条件下，加强筋可以具有优异的强度和抗震性能。例如，加强筋可以包括5面积％至10面积％的表层部分和90面积％至95面积％的中心部分。
参考图2，中心部分20可以包括硬化芯层22。硬化芯层通过应力诱导转变形成，并且可以同时具有优异的抗震性能和强度。
硬化芯层的微观组织可以包括下贝氏体和平均尺寸为5μm至10μm的细铁素体。当硬化芯层由所述微观组织组成时，加强筋可以同时具有优异的抗震性能和强度。例如，细铁素体的平均尺寸可以为6μm至8μm。
硬化芯层可以具有350Hv或更大的硬度。在上述条件下，本发明的超高强度加强筋可以同时具有优异的抗震性能和强度。
例如，硬化芯层可以具有350Hv至400Hv的硬度，除硬化芯层之外的中心部分可以具有240Hv至280Hv的硬度，并且表层部分可以具有330Hv至360Hv的硬度。
在示例性实施方案中，基于横截面，超高强度加强筋可以包括15面积％至30面积％的硬化芯层。当硬化芯层在上述条件下形成时，加强筋可以具有优异的抗震性能和强度。例如，超高强度加强筋可以包括15面积％至25面积％的硬化芯层。
在示例性实施方案中，超高强度加强筋可以具有700MPa或更大的屈服强度(YS)、1.25或更大的抗拉强度/屈服强度(TS/YS)之比和10％或更大的伸长率(El)。在上述条件下，超高强度加强筋可以同时具有优异的强度和抗震性能。例如，超高强度加强筋可以具有700MPa至850MPa的屈服强度(YS)、1.25至1.35的抗拉强度/屈服强度(TS/YS)之比和10％至20％的伸长率(El)。
用于制造超高强度加强筋的方法
本发明的另一个方面涉及一种用于制造超高强度加强筋的方法。图1示出了根据本发明的示例性实施方案的用于制造超高强度加强筋的方法。参考图1，用于制造超高强度加强筋的方法包括以下步骤：(S10)再加热半成品；(S20)制造轧制材料；(S30)冷却。
更具体地，用于制造超高强度加强筋的方法包括以下步骤：(S10)再加热包含以下的半成品：0.10重量％至0.45重量％的碳(C)、0.5重量％至1.0重量％的硅(Si)、0.40重量％至1.80重量％的锰(Mn)、0.10重量％至1.0重量％的铬(Cr)、大于0且小于或等于0.2重量％的钒(V)、大于0且小于或等于0.4重量％的铜(Cu)、大于0且小于或等于0.5重量％的钼(Mo)、0.015重量％至0.070重量％的铝(Al)、大于0且小于或等于0.25重量％的镍(Ni)、大于0且小于或等于0.1重量％的锡(Sn)、大于0且小于或等于0.05重量％的磷(P)、大于0且小于或等于0.03重量％的硫(S)、0.005重量％至0.02重量％的氮(N)、余量为铁(Fe)和其它不可避免的杂质，所述半成品的碳当量(Ceq)为0.7或更大；(S20)通过在850℃至1000℃的最终出料温度下对经再加热的半成品进行热轧来制造轧制材料；(S30)将轧制材料冷却至低于或等于Ms温度的温度，冷却包括对轧制材料进行回热以达到500℃至700℃的温度的步骤。
制造的超高强度加强筋包括：中心部分和在中心部分的外圆周形成的表层部分，其中表层部分包含回火马氏体，并且中心部分的微观组织包括铁素体、珠光体和贝氏体，其中铁素体包括多边形铁素体和针状铁素体中的任何一种或多种。超高强度加强筋的屈服强度(YS)为700MPa或更大，抗拉强度/屈服强度(TS/YS)之比为1.25或更大。
下文将对用于制造超高强度加强筋的方法的每个步骤进行详细说明。
(S10)再加热半成品的步骤
该步骤是再加热包含以下的半成品的步骤：0.10重量％至0.45重量％的碳(C)、0.5重量％至1.0重量％的硅(Si)、0.40重量％至1.80重量％的锰(Mn)、0.10重量％至1.0重量％的铬(Cr)、大于0且小于或等于0.2重量％的钒(V)、大于0且小于或等于0.4重量％的铜(Cu)、大于0且小于或等于0.5重量％的钼(Mo)、0.015重量％至0.070重量％的铝(Al)、大于0且小于或等于0.25重量％的镍(Ni)、大于0且小于或等于0.1重量％的锡(Sn)、大于0且小于或等于0.05重量％的磷(P)、大于0且小于或等于0.03重量％的硫(S)、0.005重量％至0.02重量％的氮(N)、余量为铁(Fe)和其它不可避免的杂质。
在示例性实施方案中，半成品可以是通过连续铸造包含上述合金成分的钢水而制造的方坯或坯料。
由于半成品中包含的成分与上述那些相同，因此将省略其详细描述。
在示例性实施方案中，半成品的根据下式1计算的碳当量(Ceq)为0.7或更大：
[式1]
Ceq＝[C]+[Mn]/6+([Cr]+[V]+[Mo])/5+([Cu]+[Ni])/15
其中[C]、[Mn]、[Cr]、[V]、[Mo]、[Cu]和[Ni]分别为半成品中碳(C)、锰(Mn)、铬(Cr)、钒(V)、钼(Mo)、铜(Cu)和镍(Ni)的含量(重量％)。
当碳当量为0.7或更大时，可以达到本发明的加强筋所需的抗震性能和屈服强度。如果碳当量小于0.7，则本发明的加强筋的抗震性能和强度可能会降低。例如，碳当量可以为0.7至0.8。例如，碳当量可以是0.70、0.71、0.72、0.73、0.74、0.75、0.76、0.77、0.78、0.79或0.80。
在示例性实施方案中，可以在1050℃至1250℃的温度下进行再加热。当在上述条件下进行再加热时，偏析成分和析出物可以充分地再溶解，并且轧制负荷可以最小化。例如，可以在1050℃至1150℃的温度下进行再加热。
(S20)制造轧制材料的步骤
该步骤是通过在850℃至1000℃的最终出料温度下对经再加热的半成品进行热轧来制造轧制材料的步骤。
例如，可以通过在1050℃至1150℃的温度下开始对经再加热的半成品进行热轧，并且在850℃至1000℃的最终出料温度下终止热轧来制造轧制材料。在示例性实施方案中，热轧可以通过粗轧机(RM)、中轧机(IM)和终轧机(FM)进行。
如果在低于850℃的最终出料温度下进行热轧，可能会造成轧制负荷，从而降低生产力和热处理效果，如果在高于1000℃的最终出料温度下进行热轧，可能会形成粗大的珠光体组织，从而降低钢的强度。例如，可以在940℃至1000℃的最终出料温度下进行热轧。
(S30)冷却步骤
该步骤是通过热芯回火工艺将轧制材料冷却至Ms温度或更低温度的步骤。例如，可以通过热芯回火工艺将轧制材料的表面冷却至马氏体转变起始温度(Ms温度)或更低温度。
如果在高于Ms温度的温度下终止轧制材料表面的冷却，则可能难以形成本发明的目标加强筋的复杂的微观组织，因此可能难以确保本发明的目标强度。
在示例性实施方案中，热芯回火工艺包括对经冷却的轧制材料进行回热以达到500℃至700℃的温度的步骤。如果不能确保回热温度，则不能确保表层部分中硬化层的目标厚度。例如，经冷却的轧制材料可以进行回热以达到630℃至680℃的温度。回热之后可以对轧制材料进行空气冷却。
在冷却中，可以通过热芯回火工艺将轧制材料的表面冷却至Ms温度或更低温度以形成表层部分，并且可以通过受控冷却使轧制材料的除了表层部分之外的中心部分经历应力诱导转变。在冷却过程中，可以在中心部分形成包括30体积％至45体积％的多边形铁素体和针状铁素体中的至少一种、30体积％至45体积％的珠光体和15体积％至25体积％的贝氏体的复合微观组织，并且可以在中心部分形成由下贝氏体(应力诱导贝氏体)和细铁素体组成的硬化芯层。
在示例性实施方案中，可以在6.7m/s至7.2m/s的轧制材料线速度和3.7l/kg至3.9l/kg(或3.7l至3.9l轧制材料-kg)的比水量的条件下进行热芯回火工艺。当比水量和线速度控制在上述条件下时，能够达到本发明的目标回热温度，并且通过应力诱导转变诱导在超高强度加强筋的中心部分形成微观组织包括贝氏体和细铁素体的硬化芯层，同时控制超高强度加强筋的表层部分的形成。在上述轧制材料线速度和比水量条件下，可以充分进行冷却，从而达到本发明的目标回热温度范围。
在示例性实施方案中，基于横截面，超高强度加强筋可以包括5面积％至15面积％的表层部分和85面积％至95面积％的中心部分。在上述条件下，加强筋的强度和抗震性能可以是优异的。例如，加强筋可以包括5面积％至10面积％的表层部分和90面积％至95面积％的中心部分。
在示例性实施方案中，中心部分可以包括硬化芯层。硬化芯层可以通过应力诱导转变形成，并且可以同时具有优异的抗震性能和强度。
硬化芯层的微观组织可以包括下贝氏体和平均尺寸为5μm至10μm的细铁素体。在本说明书中，“尺寸”可以表示细铁素体的最大长度。当硬化芯层由所述微观组织组成时，加强筋可以同时具有优异的抗震性能和强度。例如，细铁素体的平均尺寸可以为6μm至8μm。
硬化芯层可以具有350Hv或更大的硬度。在上述条件下，本发明的超高强度加强筋可以同时具有优异的抗震性能和强度。
例如，硬化芯层可以具有350Hv至400Hv的硬度，除硬化芯层之外的中心部分可以具有240Hv至280Hv的硬度，并且表层部分可以具有330Hv至360Hv的硬度。
在示例性实施方案中，基于横截面，超高强度加强筋可以包括15面积％至30面积％的硬化芯层。当硬化芯层在上述条件下形成时，加强筋可以同时具有优异的抗震性能和强度。例如，超高强度加强筋可以包括15面积％至25面积％的硬化芯层。
在示例性实施方案中，超高强度加强筋可以具有700MPa或更大的屈服强度(YS)、1.25或更大的抗拉强度/屈服强度(TS/YS)之比和10％或更大的伸长率(El)。在上述条件下，超高强度加强筋可以同时具有优异的强度和抗震性能。例如，超高强度加强筋可以具有700MPa至850MPa的屈服强度(YS)、1.25至1.35的抗拉强度/屈服强度(TS/YS)之比和10％至20％的伸长率(El)。
发明的方式
在下文中，将参考本发明的优选实施例更详细地描述本发明的配置和操作。然而，这些实施例描述了本发明的优选实施方案并且不能以任何方式解释为限制本发明的范围。
实施例和对比例1至8
根据下表1所示的成分和含量制备半成品，其均包含合金成分，余量为铁(Fe)和其它不可避免的杂质。此外，每个半成品的碳当量根据下式1计算，结果也列于下表1中。
[式1]
Ceq＝[C]+[Mn]/6+([Cr]+[V]+[Mo])/5+([Cu]+[Ni])/15
其中[C]、[Mn]、[Cr]、[V]、[Mo]、[Cu]和[Ni]分别为半成品中碳(C)、锰(Mn)、铬(Cr)、钒(V)、钼(Mo)、铜(Cu)和镍(Ni)的含量(重量％)。
之后，将包含实施例和对比例中的每一个的成分的半成品在下表2所示的条件下再加热，然后热轧，从而制造轧制材料。然后，在下表2所示的线速度和比水量的条件下通过热芯回火冷却将每种轧制材料冷却至Ms温度或更低温度。此外，在热芯回火冷却期间轧制材料的回热温度也列于下表2中。
[表1]
Figure BDA0003351365680000151
Figure BDA0003351365680000161
[表2]
Figure BDA0003351365680000162
测量实施例和对比例1至8中制造的每种加强筋的屈服强度(YS)、屈服比(YS/TS)、伸长率(％)、每种加强筋的中心部分的微观组织的横截面积，以及表层部分相对于每种加强筋的横截面的横截面积，并且测量结果列于下表3中。
[表3]
Figure BDA0003351365680000163
Figure BDA0003351365680000171
参考表3中的结果，可以确认，在实施例1的情况下，通过增加硅(Si)的含量能够确保加强筋的足够的材料性质，即使钒(V)含量相比于对比例1和2的钒(V)含量降低。可以确定，实施例中硅(Si)含量的增加通过干扰由于从奥氏体(γ)至铁素体(α)相变温度的变化和碳在铁素体中溶解度的变化而引起的晶界运动来防止晶粒粗化，并且在形成复合(多边形和针状)铁素体和贝氏体的温度范围内通过诱导残留的钒(V)、碳和氮(C、N)结合而在铁素体中形成VCN析出物，从而有助于提高材料性质。此外，实施例没有按照常规冷却来确保加强筋所需的性质，而是通过控制热芯回火过程中的比水量和线速度来控制表层部分，并且诱导在加强筋的中心部分中形成由贝氏体和细铁素体组成的硬化芯层。
图2是根据实施例制造的超高强度加强筋的横截面图，图3是对比例1的加强筋的横截面图。
参照图2，可以确认，本发明实施例的加强筋包括：中心部分20、表层部分10和硬化芯层22，所述中心部分20的微观组织包括42体积％的铁素体、34体积％的珠光体和24体积％的贝氏体，所述表层部分10在中心部分20的外圆周形成并且微观组织包括回火马氏体，所述硬化芯层22在中心部分20中形成并且具有由包含下贝氏体和细铁素体的复合微观组织。
参考图3，可以看出，对比例1的加强筋包括：中心部分2和表层部分1，所述中心部分2包含35体积％的多边形铁素体和65体积％的珠光体，所述表层部分1在中心部分2的外圆周形成并且微观组织包括回火马氏体。
图4(a)是示出实施例的加强筋的表层部分的微观组织的照片，图4(b)是示出实施例的加强筋的中心部分的微观组织的照片，并且图4(c)是示出实施例的加强筋的中心部分的硬化芯层的微观组织的照片。此外，图5(a)是示出对比例1的加强筋的表层部分的微观组织的照片，图5(b)是示出对比例1的加强筋的中心部分的微观组织的照片，并且图5(c)是示出对比例1的加强筋的中心部分的微观组织的照片。
参考图4和图5，可以看出，在实施例的加强筋中形成表层部分(硬度：370Hv)和中心部分(硬度：260Hv)，所述表层部分的微观组织包括马氏体，所述中心部分包括铁素体、珠光体和贝氏体，并且在中心部分中，基于加强筋的横截面，形成约15面积％至25面积％的硬化芯层(硬度：350Hv)。此外可以看出，硬化芯层的微观组织包括下贝氏体和平均尺寸为约7μm至8μm的细铁素体。
另一方面，可以看出，在对比例1的加强筋中，形成了表层部分(硬度：370Hv)中心部分(硬度：260Hv)，所述表层部分的微观组织包括马氏体，所述中心部分包括多边形铁素体，并且在中心部分中未形成如实施例中那样的硬化芯层。
参考图4和图5，可以确认实施例和对比例1的加强筋在微观组织上具有明显差异。另外，作为显微硬度的测量结果，可以确认实施例的加强筋的中心部分的硬度值比对比例1的硬度值高约100Hv。
可以看出，实施例的硬化芯层是由于最终热轧过程中积累的应变能和冷却控制之间的链接效应基于应力诱导转变(SIT)的相控制而形成的，并且在本发明的比水量条件(3.7l/kg至3.9l/kg轧制材料)下可以确保硬化芯层。
然而可以看出，如果硅(Si)的添加量过高，虽然有利于确保强度，但具有降低伸长率的效果，因此添加适量的硅(Si)很重要。
此外，为了同时确保屈服强度(YS)为700MPa或更大的超高强度钢的抗震性能，需要确保一定或更高的碳当量(Ceq)。可以看出，碳当量(Ceq)为0.64的对比例3显示通过添加硅(Si)的效果能够确保抗震性能，但其强度低于实施例1的强度。此外可以确认，对比例4的碳当量(Ceq)为0.67的加强筋也没有达到本发明的目标屈服强度和抗震性能。这表明，为了确保抗震性能和强度，必须同时确保硅添加量和0.7或更大的碳当量。
本领域的技术人员可以很容易地对本发明进行简单的修改或变化，这些修改或变化均包含在本发明的范围内。

Claims (12)

1.一种超高强度加强筋，其包含：0.10重量％至0.45重量％的碳(C)、0.5重量％至1.0重量％的硅(Si)、0.40重量％至1.80重量％的锰(Mn)、0.10重量％至1.0重量％的铬(Cr)、大于0且小于或等于0.2重量％的钒(V)、大于0且小于或等于0.4重量％的铜(Cu)、大于0且小于或等于0.5重量％的钼(Mo)、0.015重量％至0.070重量％的铝(Al)、大于0且小于或等于0.25重量％的镍(Ni)、大于0且小于或等于0.1重量％的锡(Sn)、大于0且小于或等于0.05重量％的磷(P)、大于0且小于或等于0.03重量％的硫(S)、0.005重量％至0.02重量％的氮(N)、余量为铁(Fe)和其它不可避免的杂质，并且根据下式1计算的碳当量(Ceq)为0.7或更大，
所述超高强度加强筋包括：中心部分和在中心部分的外圆周形成的表层部分，
其中所述表层部分包括回火马氏体，并且所述中心部分的微观组织包括铁素体、珠光体和贝氏体，
其中铁素体包括多边形铁素体和针状铁素体中的任何一种或多种，并且
所述超高强度加强筋的屈服强度(YS)为700MPa或更大，抗拉强度/屈服强度(TS/YS)之比为1.25或更大：
[式1]
Ceq＝[C]+[Mn]/6+([Cr]+[V]+[Mo])/5+([Cu]+[Ni])/15
其中[C]、[Mn]、[Cr]、[V]、[Mo]、[Cu]和[Ni]分别为加强筋中碳(C)、锰(Mn)、铬(Cr)、钒(V)、钼(Mo)、铜(Cu)和镍(Ni)的含量(重量％)。
2.根据权利要求1所述的超高强度加强筋，其具有700MPa至850MPa的屈服强度(YS)、1.25至1.35的抗拉强度/屈服强度(TS/YS)之比和10％或更大的伸长率(El)。
3.根据权利要求1所述的超高强度加强筋，其中所述中心部分的微观组织包括30体积％至45体积％的铁素体、30体积％至45体积％的珠光体和15体积％至25体积％的贝氏体。
4.根据权利要求1所述的超高强度加强筋，其中基于横截面，所述加强筋包括5面积％至15面积％的表层部分和85面积％至95面积％的中心部分。
5.根据权利要求1所述的超高强度加强筋，其中所述中心部分包括硬度为350Hv或更大的硬化芯层。
6.根据权利要求5所述的超高强度加强筋，其中所述硬化芯层的微观组织包括下贝氏体和平均尺寸为5μm至10μm的细铁素体。
7.根据权利要求5所述的超高强度加强筋，其中所述硬化芯层具有350Hv至400Hv的硬度，除硬化芯层之外的中心部分具有240Hv至280Hv的硬度，并且表层部分具有330Hv至360Hv的硬度。
8.根据权利要求5所述的超高强度加强筋，基于横截面，所述加强筋包括15面积％至30面积％的硬化芯层。
9.一种用于制造超高强度加强筋的方法，所述方法包括以下步骤：
再加热包含以下的半成品：0.10重量％至0.45重量％的碳(C)、0.5重量％至1.0重量％的硅(Si)、0.40重量％至1.80重量％的锰(Mn)、0.10重量％至1.0重量％的铬(Cr)、大于0且小于或等于0.2重量％的钒(V)、大于0且小于或等于0.4重量％的铜(Cu)、大于0且小于或等于0.5重量％的钼(Mo)、0.015重量％至0.070重量％的铝(Al)、大于0且小于或等于0.25重量％的镍(Ni)、大于0且小于或等于0.1重量％的锡(Sn)、大于0且小于或等于0.05重量％的磷(P)、大于0且小于或等于0.03重量％的硫(S)、0.005重量％至0.02重量％的氮(N)、余量为铁(Fe)和其它不可避免的杂质，所述半成品的根据下式1计算的碳当量(Ceq)为0.7或更大；
通过在850℃至1000℃的最终出料温度下对经再加热的半成品进行热轧来制造轧制材料；和
将轧制材料冷却至Ms温度或更低温度，冷却包括对轧制材料进行回热以达到500℃至700℃的温度的步骤，
其中所述超高强度加强筋包括：中心部分和在中心部分的外圆周形成的表层部分，
其中所述表层部分包含回火马氏体，并且所述中心部分的微观组织包括铁素体、珠光体和贝氏体，
其中铁素体包括多边形铁素体和针状铁素体中的任何一种或多种，并且
所述超高强度加强筋的屈服强度(YS)为700MPa或更大，抗拉强度/屈服强度(TS/YS)之比为1.25或更大：
[式1]
Ceq＝[C]+[Mn]/6+([Cr]+[V]+[Mo])/5+([Cu]+[Ni])/15
其中[C]、[Mn]、[Cr]、[V]、[Mo]、[Cu]和[Ni]分别为半成品中碳(C)、锰(Mn)、铬(Cr)、钒(V)、钼(Mo)、铜(Cu)和镍(Ni)的含量(重量％)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中在6.7m/s至7.2m/s的轧制材料线速度和3.7l/kg至3.9l/kg的比水量的条件下进行冷却。
11.根据权利要求9所述的方法，其中在1050℃至1250℃的温度下进行再加热。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述中心部分包括硬度为350Hv或更大的硬化芯层。
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