HRB600E 熱軋高強抗震鋼筋產品研發探究

褚文龍，陳文勇，徐 斌，祁文娟，李智明

（1.河鋼集團承鋼公司棒材事業部，河北 承德 067102；2.河鋼集團承鋼公司檢驗檢測中心，河北 承德 067102）

建筑用鋼筋是我國產銷量最大的鋼材品種，鋼筋的質量水平已經接近國際先進水平，但其使用強度與發達國家相比還有一定的差距。我國熱軋帶肋鋼筋[1]按強度等級分為400 MPa、500 MPa 及600 MPa三種強度級別。經過多年的推廣應用，在核電、地標建筑等重點工程項目中已普遍應用HRB500（E），目前，國內建筑主要使用帶“E”抗震鋼筋，例如HRB400E、HRB500E，目前600 MPa 級鋼筋國標[1]只有HRB600 為非抗震鋼筋，而部分客戶對600 MPa級抗震鋼筋提出需求，并且其具有良好的市場前景，因此，十分有必要對600 MPa 級抗震鋼筋進行研發。

1 成分及力學指標要求

HRB600E 熱軋高強抗震鋼筋熔煉成分指標如表1 所示，力學指標如表2 所示。

表1 HRB600E 鋼筋化學成分指標 %

表2 HRB600E 鋼筋力學性能指標

2 成分設計

HRB600E 熱軋高強抗震鋼筋研發的難度在于在確保強度的情況下，必須滿足強屈比的要求，強度主要取決于熔煉成分的種類和數量，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（碳當量），這就使得起到強化作用的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，析出數量較少，不能用于600 MPa 級別的熱軋鋼筋的主要強化元素，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析出物，可提高鋼筋強度，尤其是VN 提高強度效果最為明顯，并且能夠細化晶粒，增加產品強度及塑性[2-3]，但是其缺點是會降低強屈比。因此，我們在成分設計上以VN 強化為主，同時添加少量Cr、Mo、Nb 元素進行復合強化，在滿足強度指標的同時，使強屈比達到1.25。

2.1 含釩鋼筋中w（N）對鋼筋強度的影響研究

對鋼筋中w（N）進行檢驗分析，并對鋼筋中化學成分和w（N）對鋼筋屈服強度的影響進行回歸分析，得到釩氮微合金化鋼筋中各化學元素成分與鋼筋屈服強度關系式為：

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

對不同w（V）和w（N）下鋼的強化效果進行試驗分析，得出不同w（V）和w（N）對鋼強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，鋼的強度增量提高，但當鋼中w（V）達到一定量（如圖中曲線拐點處）時，鋼強度增加量減少。例如，當鋼中w（V）在0.02%以下時，w（V）增加0.01%，鋼強度增量為25 MPa；但當w（V）＞0.02%時，w（V）增加0.01%，鋼強度增量降低為10 MPa。此時，當w（V）對鋼強度增量減少時，適當增加鋼中w（V），可進一步提高鋼強度增量，即此時增加鋼中w（N）可增加鋼強度。因此，若想提高鋼筋的強度，在添加一定V 元素的同時，必須增加w（N）。

圖1 不同w（V）/w（N）對鋼筋強度增量的影響

2.2 其他合金元素對鋼筋強度的影響

C 元素能起到固溶強化作用，有利于提高鋼材強度的同時，還能夠提高強屈比，而且C 是經濟性元素，能降低成本，因此C 元素含量不能過低。Si 同樣能起到固溶強化作用，提高鋼材強度，同時還能起到較強的脫氧作用，凈化鋼水，且Si 含量不會影響碳當量，應在要求指標的上限予以控制。Mn 同樣能起到固溶強化作用，可顯著提高鋼材強度及強屈比，在整體碳當量允許范圍內的中上限進行控制。Cr、Mo、Nb元素均能使產品珠光體含量增加，提高強屈比[3-4]，但因鋼筋中w（Mn）較高，而這些元素含量過高會形成貝氏體，嚴重降低產品塑性，因此少量即可。

2.3 成分熔煉表

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

表3 HRB600E 鋼筋熔煉成分

3 實施效果

3.1 析出物分析

采用掃描電鏡對樣品組織及析出物進行分析觀察，發現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，一種是隨A 向F 轉變，沿相變界面產生的相間析出，一種是鐵素體內隨機析出，這種析出占有極大比例，珠光體內沒有析出，細小的析出相為高強鋼筋主要的強化手段。珠光體形貌如圖2 所示，晶界和鐵素體內析出物分布情況如圖3 所示。

圖2 珠光體形貌

圖3 晶界和鐵素體內析出物分布情況

3.2 產品組織

各規格HRB600E 高強抗震鋼筋內部組織均勻，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%，有效提高強屈比，并且晶粒度達到10～11.5 級，提高了產品塑性指標。20 螺及32 螺的HRB600E 高強抗震鋼筋金相組織如圖4 所示。

圖4 HRB600E 高強抗震鋼筋金相組織

3.3 力學性能

各規格HRB600E 高強抗震鋼筋力學性能全部合格，具體指標如表4 所示。

表4 產品力學性能

3.4 疲勞性能

選擇2 支規格為Φ25 mm 樣品進行疲勞試驗，應力比為0.2，循環200 萬次未斷，說明產品具有良好的抗疲勞性能，實驗結果如表5 所示。

表5 疲勞檢驗

3.5 焊接性能

選取Φ12～Φ25mm規格進行焊接試驗，焊接性能全部合格。焊接工藝所涉及的參數：焊機型號為ZX7-400；焊條牌號及規格為THJ857、Φ4.0mm；焊接電流為140～180 A；電流極性為直流。焊接實驗結果如表6 所示。

表6 焊接試驗結果

4 結論

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

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

3）通過產品檢驗，產品力學性能、疲勞性能及焊接性能完全滿足要求。