專利名稱：在焊接區的抗延遲斷裂性優良的預應力混凝土鋼筋的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種在點焊中焊接區的抗延遲斷裂性優良的預應力混凝土鋼筋。
盡管混凝土的抗壓縮性高，然而其抗拉伸性卻是低的。為了克服這個缺點，使用了一種預應力混凝土鋼筋作為一種用于預應力混凝土的具有高強度的材料。日本工業標準(JIS G-3109)規定試驗應力(PS)、拉伸強度(TS)和伸長(EL)的下限值(如拉伸強度至少為1200牛頓/毫米2)和松弛值的上限值作為預應力混凝土鋼筋的重要力學性能。
預應力混凝土鋼筋通常按如下方法制造將鎮靜(全脫氧)鋼材進行熱軋，然后用諸如拉伸、沖壓和熱處理等方法之一或這些方法的組合進行處理。通常對于含碳量至少0.8%(重量)的高碳鋼而言，適于采用上述的沖壓法，而對于低碳鋼或中碳鋼而言，適于采用上述的熱處理方法，包括淬火和回火。
由于對由上述高碳鋼用沖壓法制造的預應力混凝土鋼筋難以進行點焊，因此在形成籠狀物時操作效率嚴重降低。另一方面，點焊適用于由上述低碳鋼或中碳鋼用包括淬火和回火的熱處理方法制造的預應力混凝土鋼筋，所以采用主鋼筋和輔助鋼筋之間的部分點焊可以有效地形成籠狀物。
但是，在混凝土中使用預應力混凝土鋼筋會出現下列問題在灌筑混凝土時，如果混凝土中含有鹽或者使用低pH的水，那就會發生延時斷裂，即在經過一定的時期后在材料的強度極限內的載荷應力下高強度材料中預應力混凝土鋼筋發生的一種突然斷裂現象。
為了克服上述問題，1990年9月25日公布的日本專利審定公報No.2-240238公開了一種抗延遲斷裂性優良的預應力混凝土鋼筋，其基本組成為碳(C)0.2～0.6%(重量)，硅(Si)0.2～2.0%(重量)，錳(Mn)0.2～1.5%(重量)，鉻(Cr)0.3～2.0%(重量)，鉬(Mo)0.1～0.5%(重量)，其余為鐵(Fe)和少量的偶然雜質。
其中作為所述偶然雜質的磷(P)和硫(S)的含量分別為磷最高 0.020%(重量)，硫最高 0.005%(重量)。
(該專利下稱“先有技術1”)然而上述先有技術1的預應力混凝土鋼筋仍有下列問題先有技術1的預應力混凝土鋼筋在其基金屬中具有改善的抗延遲斷裂性。但是，當對先有技術1的預應力混凝土鋼筋進行點焊時，在焊接熱的作用下預應力混凝土鋼筋的焊接區會硬化，因此混凝土中使用這種鋼筋時在焊接區會產生延遲斷裂。
此外，1980年3月27日公布的日本專利公報NO.55-11726中公開了一種制造點焊可焊性優良的預應力混凝土鋼筋的方法，該方法包括下列步驟從奧氏體化溫度范圍開始將基本組成如下的鋼材淬火碳(C)0.2～0.3%(重量)，
硅(Si)0.2～0.6%(重量)，錳(Mn)0.9～2.0%(重量)，鉻(Cr)0.1～0.6%(重量)，其余為鐵(Fe)和偶然的雜質，然后在至少280℃的溫度下將該鋼材回火。(下稱“先有技術2”)但是用該先有技術2方法制造的預應力混凝土鋼筋仍有下列問題用先有技術2方法制造的預應力混凝土鋼筋具有優良的點焊可焊性，且在點焊之后具有高的拉伸強度。然而，當對先有技術2的預應力混凝土鋼筋進行點焊時，在焊接熱的作用下，預應力混凝土鋼筋的焊接區會硬化，因此在混凝土中使用這種鋼筋時與先有技術1情況相同，在焊接區也會產生延遲斷裂。
鑒于這種情況，迫切需要開發出一種不但在諸如試驗應力、拉伸強度、伸長和松弛等性能方面具有與常用預應力混凝土鋼筋相同的水平，而且在點焊中在其焊接區還具有優良的抗延遲斷裂性的預應力混凝土鋼筋。然而，這樣的一種預應力混凝土鋼筋至今還未問世。
因此本發明的一個目的是提供一種不但在諸如試驗應力、拉伸強度、伸長和松弛等性能方面具有與常用預應力混凝土鋼筋相同的水平，而且在點焊中在其焊接區還具有優良的抗延遲斷裂性的預應力混凝土鋼筋。
按照本發明的一個特征，提供了一種在焊接區的抗延遲斷裂性能優良的預應力混凝土鋼筋，其基本組成為
碳(C)0.2～0.6%(重量)，硅(Si)0.2～2.0%(重量)，錳(Mn)0.2～2.0%(重量)，鎳(Ni)0.25～0.8%(重量)以下，其余為鐵(Fe)和偶然的雜質。其中作為所述偶然雜質的磷(P)和硫(S)的含量分別為磷最高 0.020%(重量)，硫最高 0.015%(重量)。
按照本發明的另一個特征，提供了一種在焊接區的抗延遲斷裂性優良的預應力混凝土鋼筋，其基本組成為碳(C)0.2～0.6%(重量)，硅(Si)0.2～2.0%(重量)，錳(Mn)0.2～2.0%(重量)，鎳(Ni)0.25～0.8%(重量)以下，至少一種選自下列的元素鉬(Mo)0.1～0.5%(重量)，銅(Cu)0.05～1.0%(重量)，硼(B)0.0003～0.0050%(重量)，或鎢(W)0.03～0.50%(重量)，其余為鐵(Fe)和偶然的雜質。其中作為所述偶然雜質的磷(P)和硫(S)的含量分別為磷最高 0.020%(重量)，硫最高 0.015%(重量)。
從上述觀點出發，為了開發一種不但在諸如試驗應力、拉伸強度、伸長和松弛等性能方面具有與常用預應力混凝土鋼筋相同的水平，而且在點焊中在其焊接區還具有優良的抗延遲斷裂性的預應力混凝土鋼筋進行了大量的研究。
結果得到下列的發現在將非點焊鋼筋浸入到濃度為20%、溫度為50℃的硫氰酸銨(NH4SCN)溶液中，并對該鋼筋施加一個等于該鋼筋拉伸強度70%的應力，以測定其斷裂前的時間時，如果該鋼筋在斷裂之前至少有20小時的時間，則它在點焊中在焊接區就具有優良的抗延遲斷裂性。
更具體地說，通過使點焊的預應力混凝土鋼筋焊接區的抗延遲斷裂性達到與非點焊預應力混凝土鋼筋的這種性能相同的水平，即使在非點焊鋼筋的焊接區也可能具有優良的抗延遲斷裂性。換言之，可以說，在將非點焊鋼筋浸入到濃度為20%、溫度為50℃的硫氰酸銨(NH4SCN)溶液中，并對該點焊鋼筋施加一個等于該非點焊鋼筋拉伸強度70%的應力，以測定其斷裂前的時間時，如果該點焊鋼筋在斷裂之前至少有20小時的時間，則該點焊的預應力混凝土鋼筋在其焊接區就具有與非點焊的預應力混凝土鋼筋的基金屬相同水平的優良的抗延遲斷裂性。
此外，還發現上述在焊接區的抗延遲斷裂性是由預應力混凝土鋼筋的化學組成所決定的。
本發明是在上述發現的基礎上作出的。本發明的預應力混凝土鋼筋的基本組成為碳(C)0.2～0.6%(重量)，硅(Si)0.2～2.0%(重量)，錳(Mn)0.2～2.0%(重量)，
鎳(Ni)0.25～0.8%(重量)以下，其余為鐵(Fe)和偶然的雜質。其中作為所述偶然雜質的磷(P)和硫(S)的含量分別為磷最高 0.020%(重量)，硫最高 0.015%(重量)。
本發明的預應力混凝土鋼筋還可另外含有至少一種選自下列的元素鉬(Mo)0.1～0.5%(重量)，銅(Cu)0.05～1.0%(重量)，硼(B)0.0003～0.0050%(重量)，和鎢(W)0.03～0.50%(重量)，本發明的預應力混凝土鋼筋的化學組成限定在上述范圍內，其原因如下(1)碳碳的作用是增加鋼材的可淬硬性和強度。但是，當碳含量低于0.2%(重量)時，就得不到上述所希望的效果，導致鋼材的可淬硬性較差，強度較低。另一方面，當碳含量高于0.6%(重量)時，鋼材的點焊可焊性降低。因此碳含量必須限制在0.2～0.6%(重量)的范圍內。
(2)硅硅的作用是增加鋼材的抗延遲斷裂性和松弛性能。但是當硅含量低于0.2%(重量)時，就不到上述所希望的效果，導致鋼材的抗延遲斷裂性和松弛性能均差。另一方面，當硅含量高于2.0%(重量)時，鋼材的韌性降低。因此硅含量必須限制在0.2～2.0%(重量)的范圍內。
(3)錳錳的作用是增加鋼材的可淬硬性和強度。但是，當錳含量低于0.2%(重量)時，就得不到上述所希望的效果，導致鋼材的可淬硬性和強度均較低。另一方面，當錳含量高于2.0%(重量)時，鋼材的可延展性降低。因此錳含量必須限制在0.2～2.0%(重量)的范圍內。
(4)鎳鎳的作用是改善焊接區的抗延遲斷裂性能。具體來說，在將點焊鋼筋浸入到濃度為20%、溫度為50℃的硫氰酸銨(NH4SCN)溶液中，并對該點焊鋼筋施加一個等于非點焊鋼筋拉伸強度70%的應力來測定其斷裂前的時間時，該點焊預應力混凝土鋼筋的焊接區在斷裂前可達到至少20小時的時間。但是，當鎳含量低于0.25%(重量)時，就得不到上述所希望的效果，導致焊接區的抗延遲斷裂性能差。另一方面，鎳含量至少為0.8%(重量)時，會導致較高的成本。因此鎳含量必須限制在0.25～低于0.8%(重量)的范圍內。
(5)磷磷是夾進預應力混凝土鋼筋中的一種不可避免的雜質。雖然磷含量最好必須盡可能最低，但是從經濟的觀點來看，在工業規模生產中要大大降低磷含量是很困難的。然而，當磷含量超過0.020%(重量)時，會使鋼材的抗延遲斷裂性能差。因此磷含量必須限制到最高為0.02%(重量)。
(6)硫硫是夾進預應力混凝土鋼筋中的一種不可避免的雜質。雖然硫含量最好必須盡可能最低，但是從經濟的觀點來看，在工業規模生產中要大大降低硫含量是很困難的。然而，當硫含量超過0.015%(重量)時，會使鋼材的抗延遲斷裂性能差。因此硫含量必須限制到最高為0.015%(重量)。
(7)鉬鉬的作用是提高鋼材的可淬硬性和抗延遲斷裂性能。因此，在本發明的預應力混凝土鋼筋中，按照要求額外加進鉬。但是，當鉬含量低于0.1%(重量)時，就得不到上述所希望的有關抗延遲斷裂性能的效果。另一方面，當鉬含量超過0.5%(重量)時，會導致較高的成本。因此，鉬含量必須限制在0.1～0.5%(重量)的范圍內。
(8)銅銅的作用是提高抗延遲斷裂性能。因此，在本發明的預應力混凝土鋼筋中按照要求額外加進銅。但是當銅含量低于0.05%(重量)時，就得不到上述所希望的效果。另一方面，當銅含量超過1.0%(重量)時，會導致較高的成本。因此，銅含量必須限制在0.05～1.0%(重量)的范圍內。
(9)硼硼的作用是提高鋼材的可淬硬性和抗延遲斷裂性能。因此，在本發明的預應力混凝土鋼筋中，按照要求額外加進硼。但是，當硼含量低于0.0003%(重量)時，就得不到上述所希望的效果。另一方面，當硼含量超過0.0050%(重量)時，鋼材的抗延遲斷裂性能就降低。因此硼含量必須限制在0.0003～0.0050%(重量)的范圍內。
當硼含量在上述范圍之內時，預應力混凝土鋼筋最好應當含有0.01～0.05%(重量)的鈦(Ti)以便把氮(N)固定在鋼材中。由于鋯(Zr)、和鈮(Nb)具有與鈦(Ti)相同的作用，因此鈦、鋯和鈮中至少一種的總含量應在0.01～0.05%(重量)的范圍。
(10)鎢鎢的作用是提高鋼材的抗延遲斷裂性能。因此，在本發明的預應力混凝土鋼筋中按照要求額外加進鎢。但是，當鎢含量低于0.03%(重量)時，就得不到上述所希望的效果。另一方面，當鎢含量超過0.50%(重量)時，會導致較高的成本。因此，鎢含量必須限制在0.03～0.50%(重量)的范圍內。
下面通過實例來詳細說明本發明的預應力混凝土鋼筋。
將表1所列出的化學組成在本發明范圍內的本發明的1～23號鋼材分別進行熱軋制成直徑為8毫米的圓形鋼棒，然后用沖壓法使其成為直徑為7.4毫米的螺紋鋼筋。然后在920～1020℃溫度范圍內采用高頻熱處理方法將所制成的螺紋鋼筋進行淬火處理，再在這樣的溫度下進行回火，以便使其具有至少1420牛頓/毫米2的拉伸強度。上述熱處理可以采用高頻熱處理以外的方法進行。
接著，將本發明的這種熱處理螺紋鋼筋在下列條件下進行點焊以制備本發明范圍內的樣品(下稱“本發明樣品”)1～23號。
焊接電流3000安培通電供能循環次數2所施壓力410牛頓螺旋形箍筋直徑為3.2毫米的SWRM8圓形鋼棒。
然后按上述同樣的方法由表1所列的化學組成在本發明范圍之外的24～35號鋼材制備本發明范圍外的樣品(下稱“對比樣品”)24～35號。
對每個如此制得的本發明樣品1～23號和對比樣品24～35號按下列程序進行拉伸試驗、松弛試驗和基金屬的可焊性試驗以及焊接區的抗延遲斷裂試驗。
(1)焊接區的抗延遲斷裂試驗將每個樣品浸入到濃度為20%、溫度為50℃的硫氰酸銨(NH4SCN)溶液中，并對樣品施加一個等于樣品基金屬拉伸強度70%的應力，以測定在上述點焊中樣品的焊接區斷裂前的時間。
(2)拉伸試驗對按照日本工業標準JIS Z-2241的規定進行了上述熱處理后的每個樣品進行拉伸試驗，標距為60毫米。
(3)可焊性試驗在焊點后對每個樣品進行拉伸試驗，根據試驗結果進行評估，符合日本工業標準JIS G-3109關于拉伸強度(TS)和伸長(EL)的規定的那些樣品，打上記號“O”，而不符合規定的那些樣品，則打上記號“×”。
(4)松弛試驗在20℃(室溫)和75℃對每個樣品進行松弛試驗。在室溫下試驗符合日本工業標準JIS G-3109的規定。在75℃溫度，試驗內容包括對樣品施加一個等于按上述JIS標準規定的拉伸強度70%的應力，施力時間為5小時，然后讓樣品在爐中自然冷卻23小時后，測定載荷變化量，并計算出載荷變化量占初始載荷的百分比，作為松弛值。
上述試驗結果列于表2。
從表2可以看出本發明1～23號所有樣品不但在諸如試驗應力(PS)、拉伸強度(TS)、伸長和松弛等性能方面具有與常用預應力混凝土鋼筋相同的水平，而且在點焊的焊接區還具有如典型地由斷裂前至少20小時的時間所表示的如此優良的抗延遲斷裂性能。
對比之下，不含鎳的對比樣品24和25號在焊接區的抗延遲斷裂性能很差。本發明范圍外的硅含量低的對比樣品26和29號在焊接區表現出差的抗延遲斷裂性能。本發明范圍外的碳含量低的對比樣品27號表現出差的試驗應力(PS)，使得它不能用作預應力混凝土鋼筋。本發明范圍外的碳含量高的對比樣品28號表現出差的可焊性。本發明范圍外硅含量高的對比樣品30號表現出鋼的韌性降低，從而導致可焊性差，而且焊接區的抗延遲斷裂性能也差。本發明范圍外錳含量低或高的對比樣品31和32號的強度和可延展性都差，而且焊接區的抗延遲斷裂性能也差。本發明范圍外磷或硫含量高的對比樣品33和34號或者本發明范圍外鎳含量低的對比樣品35號均表現出差的焊接區的抗延遲斷裂性能。
正如上面所詳細敘述的，本發明的預應力混凝土鋼筋不但在諸如試驗應力、拉伸強度、伸長和松弛等性能方面具有與常用預應力混凝土鋼筋相同的水平，而且在點焊的焊接區還具有優良的抗延遲斷裂性能，因此在容易引起延遲斷裂的環境中很有用，從而具有許多工業上的使用效果。
權利要求
1.一種在焊接區的抗延遲斷裂性能優良的預應力混凝土鋼筋，其基本組成為碳(C) 0.2～0.6%(重量)，硅(Si) 0.2～2.0%(重量)，錳(Mn) 0.2～2.0%(重量)，鎳(Ni) 0.25～0.8%(重量)以下，其余為鐵(Fe)和偶然的雜質。其中作為所述偶然雜質的磷(P)和硫(S)的含量分別為磷 最高 0.020%(重量)，硫 最高 0.015%(重量)。
2.一種在焊接區的抗延遲斷裂性能優良的預應力混凝土鋼筋，其基本組成為碳(C)0.2～0.6%(重量)，硅(Si)0.2～2.0%(重量)，錳(Mn)0.2～2.0%(重量)，鎳(Ni)0.25～0.8%(重量)以下，至少一種選自下列的元素鉬(Mo)0.1～0.5%(重量)，銅(Cu)0.05～1.0%(重量)，硼(B)0.0003～0.0050%(重量)，或鎢(W)0.03～0.50%(重量)，其余為鐵(Fe)和偶然的雜質。其中作為所述偶然雜質的磷(P)和硫(S)的含量分別為磷最高 0.020%(重量)，硫最高 0.015%(重量)。
全文摘要
一種在焊接區的抗延遲斷襲性能優良的預應力混凝土鋼筋，其基本組成為碳(C)0.2～0.6％(重量)，硅(Si)0.2～2.0％(重量)，錳(Mn)0.2～2.0％(重量)，鎳(Ni)0.25～0.8％(重量)以下，其余為鐵(Fe)和偶然的雜質。其中作為所述偶然雜質的磷(P)和硫(S)的含量分別為磷最高0.020％(重量)，硫最高0.015％(重量)。上述鋼筋還可含有至少一種選自下列的元素鉬(Mo)0.1～0.5％(重量)，銅(Cu)0.05～1.0％(重量)，硼(B)0.0003～0.0050％(重量)，鎢(W)0.03～0.05％(重量)。
文檔編號C22C38/12GK1099427SQ94103928
公開日1995年3月1日 申請日期1994年4月9日 優先權日1993年8月27日
發明者白神哲夫, 山下英治, 新田一, 溝口茂, 石黑守幸 申請人:日本鋼管株式會社, 高周波熱鍊株式會社