PC钢棒的生产工艺及其产品性能
摘要：在自行研制开发的PC钢棒生产线上，通过大量实验数据总结出了PC钢棒生产工艺参数与产品性能的关系，为进一步完善和改进国产PC钢棒生产设备提供了数据基础。
关键词：PC钢棒 工艺 设备 性能
1、前言
从1994年在广东国产PC钢棒生产线的顺利投产到我国YB/T111-1997预应力混凝土用钢棒标准的发布，我国管桩用PC钢棒的生产得到了很大的发展，尤其是近几年来在原料盘条的选择、生产工艺的优化、产品性能的稳定方面积累了不少的经验。
笔者从调整PC钢棒生产工艺入手，总结出原料盘条的化学万分，钢棒的淬火温度、回火温度，冷却方式，水冷方式和张拉力对期性能的影响，为我公司建设更加完善的PC钢棒生产设备建立了坚实的基础。
2、试验用钢的试验方法
试验用钢的化学万分如表1，盘条为国产高速成材轧机生产的无扭热轧盘条。
表1 试验用钢的化学万分 %
| 钢编号 | C | Si | Mn | P | S | V | B |
| 1 | 0.27 | 1.65 | 0.83 | 0.028 | 0.028 | 0.080 | |
| 2 | 0.35 | 1.26 | 0.81 | 0.016 | 0.016 | 0.081 | |
| 3 | 0.31 | 0.78 | 1.42 | 0.025 | 0.025 | 0.009 | |
| 4 | 0.27 | 0.46 | 1.29 | 0.012 | 0.012 | 0.092 |
试验在由我公司转让的国内某厂PC钢棒生产线上进行，高线盘条经机械除锈后，经螺旋模变形20%形成螺旋槽，然后进入热处理生产线，进行矫直、中频与超音频感应加热、水冷淬火、中频感应加热、水冷、剪断和松卷收线。
在每盘产品的头、尾部取样，进行拉伸试验、金相检验和松弛试验。
3、试验结果与分析
3.1淬火加热温度对力学性能的影响
试验用钢属于低中碳硅锰低合金钢，从稳态热处理的角度来看，使钢棒实现奥氏林体化的加热温度应该为840-860℃，然而本生产线采用感应加热方式，其特点是加热速度快，加热时间短，钢棒表面透热深度小，所以要求其加热温度应比稳态热处理时的淬火加热温度要高。本试验选择的温度范围为880-960℃，试验结果见表2。
从表2可以看出，随着淬火温度的提高，钢棒的抗拉强度和屈服强度都有所提高，当淬火温度从880℃提高到960℃时，各试验用钢的屈服强度增幅大于抗拉强度的增幅；而伸长率随着淬火温度的提高都有所下降。这一结果反映出了钢中添加了微量的合金元素V会随着淬火加热温度的提高，使其固溶到奥氏体中的量有所增加，在随后的冷却相变过程中会以弥散的V（C、N）形式折出，起到弥散强化的作用。4#钢虽然没有微量的V加入，但是添加了微量的B，B同样也起到了强化钢棒的作用。
表2 不同淬火温度下的力学性能 MPa，%
| 钢编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | |
| 880℃ | σb | 1385 | 1430 | 1420 | 1400 |
| σ0.2 | 1260 | 1290 | 1270 | 1260 | |
| δ8 | 9.0 | 8.5 | 8.5 | 9.0 | |
| 900℃ | σb | 1470 | 1540 | 1480 | 1460 |
| σ0.2 | 1350 | 142 | 1350 | 1360 | |
| δ8 | 8.5 | 7.5 | 7.5 | 8.5 | |
| 920℃ | σb | 1520 | 1600 | 1550 | 1500 |
| σ0.2 | 1440 | 1530 | 1470 | 1420 | |
| δ8 | 8.0 | 7.5 | 7.5 | 8.0 | |
| 940℃ | σb | 1540 | 1620 | 1570 | 1520 |
| σ0.2 | 1470 | 1540 | 1500 | 1460 | |
| δ8 | 7.0 | 7.5 | 7.5 | 7.5 | |
| 960℃ | σb | 1530 | 1620 | 1560 | 1530 |
| σ0.2 | 1460 | 1530 | 1490 | 1460 | |
| δ8 | 6.0 | 6.5 | 6.0 | 6.5 | |
淬火温度的高低直接影响到钢的奥氏体化程度，当淬火温度较低时，钢中的铁素体和珠光体不可能及时地全部转变成奥氏体，水冷后不可能得到单一的马氏体组织，所以钢棒的抗拉强度和屈服强度都低于产品标准的要求。当淬火加热温度较高时，虽然钢中的铁素体和珠光体可以全部奥氏体化，但会使奥氏体晶粒长成粗大，淬火后转变成的马氏体组织也会变得粗大，对钢棒的伸长率有不利的影响，而对强度几乎没有什么贡献。
3.2回火温度对力学性能的影响
在生产线运行速度一定的条件下，回火加热时间已经确定，因此回火加热温度是影响钢棒性能的又一个重要工艺参数，本试验选择的回火温度变化范围为360-460℃，试验结果见表3。
从表3可以看出，随着回火温度的升高，钢的抗拉强度和屈服强度都有不同程度的下降，当回火温度从360℃升高到460℃时，各试验用钢的屈服强度降幅大于抗拉强度的降幅，伸长率都有一定程度的提高，没有发现通常所说的低温回火脆性现象发生。这是因为1#、2#和3#钢的硅含量较高，由于硅在钢中以固溶体形态存在于铁素体或奥氏体中，同时硅又能降低碳在铁素体中的扩散速率，使回火析出的碳化物不易集聚，因而增加了钢的回火稳定性。460℃回火时，3#钢的伸长率值有所下降，是否是因为3#钢中锰含量较高，促进了磷在晶界的偏析，而使钢具有了增加脆性的倾向还有待进一步试验证实。
| 回火温度 | 力学性能 | 钢编号 | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 | ||
| 360℃ | σb | 1630 | 1700 | 1655 | 1620 |
| σ0.2 | 1565 | 1630 | 1585 | 1555 | |
| δ8 | 6.5 | 6.5 | 6.0 | 6.5 | |
| 380℃ | σb | 1580 | 1665 | 1610 | 1575 |
| σ0.2 | 1520 | 1600 | 1545 | 1510 | |
| δ8 | 7.5 | 7.0 | 7.0 | 7.0 | |
| 400℃ | σb | 1530 | 1620 | 1565 | 1520 |
| σ0.2 | 1455 | 1540 | 1485 | 1445 | |
| δ8 | 8.0 | 7.5 | 7.5 | 7.5 | |
| 420℃ | σb | 1520 | 1600 | 1550 | 1500 |
| σ0.2 | 1440 | 1530 | 1470 | 1420 | |
| δ8 | 8.0 | 7.5 | 7.5 | 8.0 | |
| 440℃ | σb | 1470 | 1555 | 1500 | 1445 |
| σ0.2 | 1375 | 1450 | 1400 | 1350 | |
| δ8 | 8.0 | 7.5 | 7.5 | 8.0 | |
| 460℃ | σb | 1420 | 1500 | 1450 | 1405 |
| σ0.2 | 1315 | 1390 | 1340 | 1300 | |
| δ8 | 8.5 | 8.0 | 7.0 | 8.5 | |
注：淬火温度为920℃
3.3水冷方式和水冷速度的影响
本试验采用了两种水冷方式，一种是钢棒穿水冷却，一种是钢棒在环形喷水冷却器中连续通过进行喷水冷却，通过调节阀门来控制冷却水的流量。
在生产线速度一定和冷却水槽长度一定的条件下，本试验的水冷时间为4秒，钢棒淬火的冷却速度为200℃/S以上。钢棒从淬火水槽出来时的温度为50℃，钢棒回火后的冷却速度为100℃/S以上，钢棒从回火水槽出来时的温度接近室温。从钢棒成品的金相组织和力学性能可以看出，上述水冷速度是合理的，两种不同的冷却方式都适于PC钢棒的淬回火后的冷却作业。从钢棒的室温金相照片中看到的主要由回火马氏体加上少量铁素体和贝氏体组成的显微组织就可以证明这一点。
3.4张力的影响
PC钢棒在热处理生产线上要始终保持在一定的张力下运行，一方面是因为钢棒在一定的张力下运行时，会减少钢棒对感应加热炉炉管壁的磨擦，保证钢棒正常稳定运行；另一方面这一张力也会使钢棒在加热状态下发生微小变形、起到变形热处理的作用，降低钢棒的松弛值。
我们从试验PC钢丝稳定化处理的工艺中得到启发，考虑到钢棒在加热到900℃以上时的实际高温抗拉强度，在生产线上巧妙的将张应力控制在钢棒抗拉强度的6%左右，既不会使钢棒产生缩劲，又不会产生形变热处理的效果，而使PC钢棒的松弛值可以控制在1.0%左右，大大的低于标准中规定的2.5%。
3.5钢棒的屈强比与松弛值
在生产中我们发现，当PC钢棒的屈服强度低于标准值时，往往钢棒的松弛值过高甚至不合格，因此在工艺的装备设计上极力避免这一点。将检验过的钢棒性能结果加以整理分析时，我们发现钢棒的屈强比与其松弛值的大小具有下列关系（表4）。
有关它们之间的内在机理我们正在进一步研究之中，希望这一研究更有效的改进钢棒生产工艺和生产设备。
表4 钢棒的屈强比与其松弛值关系
| 钢棒的屈强比与其松弛值关系 | ＜0.9 | 0.9-0.93 | ＞0.93 |
| 松弛值 | 2.0%以上 | 1.5-2.5% | ＜1.5% |
3.6钢棒的电焊性能和镦头性能
按照管桩厂的生产工艺要求，我们对PC钢棒进行了点焊试验和镦头试验，结果如表5及表6所示。
表5 钢棒的点焊性能
| 检验项目 | 焊口直径mm | 焊口深度mm | 极限荷载KN | 极限强度MPa | 断点说明 |
| 最大值 | 10.72 | 0.2 | 136.5 | 1516 | 焊点 |
| 最小值 | 10.56 | 0 | 123.5 | 1366 | 焊点 |
| 平均值 | 10.60 | 0.1 | 129.7 | 1460 | 焊点 |
注：检验PC钢棒的抗拉强度为1450-1550MPa。
表6 钢棒的镦头性能
| 检验项目 | 镦头直径mm | 镦头厚度mm | 镦头表面 | 抗拉荷载KN | 抗拉强度MPa | 说明 |
| 最大值 | 19.3 | 8.1 | 正常 | 119.1 | 1324 | 头拉断 |
| 最小值 | 18.8 | 7.2 | 正常 | 107.2 | 1189 | 头拉断 |
| 平均值 | 19.1 | 7.52 | 正常 | 114.9 | 1276 | 头拉断 |
注：检验PC钢棒的抗拉强度为1450-1550MPa。
4、结论
（1）淬火温度和回火温度是影响PC钢棒性能的最重要工艺参数。
（2）在冷却速度达到要求的前提下，穿水冷却和喷水冷却的形式对PC钢棒性能没有影响。
（3）生产过程中将PC钢棒建立在一定的张力下可以达到形变热处理的效果，有利于获得低松弛性能。
（4）由我公司承建的PC钢棒生产线上生产的PC钢棒各项技术性能指标优良，完全达到了和优于产品标准的要求。
参考文献：
（1）范玫光等：金属热加工过程的动态热/力模拟技术，轧钢，增刊（1998），P.44.
（2）范玫光.孙本荣：螺旋肋钢丝镦头开裂蒸养断丝试样的检验报告，1999，11.
（3）范玫光.孙本荣：螺旋肋钢丝疲劳断裂分析报告，1999，12.
（4）范玫光.孙本荣：提高PC钢丝品质的工艺措施，2000年全国线材制品行业年会论文集（2000）P.177.
（5）范玫光.孙本荣：改善PC钢丝和PC钢棒镦头开裂的工艺措施，金属制品网第19届年会论文集（2001），9.186.
（6）横田 智之：高一样伸ぴを有すゐ高强度PC钢棒，NKK技报，（1998）No12,9.32.
作者简介：范玫光：1954年5月生，北京钢铁研究总院，新冶高科技集团有限公司 轧钢部副经理，工程师。
孙本荣，1941年生，教授级高级工程师，北京钢铁研究院新冶高科技集团有限公司，轧钢部经理。
