PC鋼棒材料成分與性能

馬永存　劉保權(quán)　秦雪花

預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼棒（簡(jiǎn)稱PC鋼棒）是由日本高周波熱煉株式會(huì)社于20世紀(jì)60年代開(kāi)發(fā)的一種技術(shù)含量很高的預(yù)應(yīng)力鋼材，屬于預(yù)應(yīng)力強(qiáng)度級(jí)別中的中間強(qiáng)度級(jí)。它具有高強(qiáng)度韌性、低松弛性、與混凝土握裹力強(qiáng)，良好的可焊接性、鐓鍛性、節(jié)省材料等特點(diǎn)，在國(guó)外已被廣泛應(yīng)用。而在我國(guó)起步較晚，于80年代末期開(kāi)始和引進(jìn)該產(chǎn)品。PC鋼棒的主要原材料是無(wú)扭控冷熱軋盤條，早期的鋼種主要牌號(hào)為30MnSi，原材料帶狀組織嚴(yán)重，主要原因是連鑄連軋過(guò)程中控溫不足。生產(chǎn)高質(zhì)量的PC鋼棒，不僅需要滿足表面質(zhì)量好、夾雜物含量低、純凈度高、通條成分偏析及波動(dòng)小的盤條；更需要材料成份優(yōu)異，機(jī)械性能穩(wěn)定的盤條。后來(lái)經(jīng)過(guò)多次技術(shù)創(chuàng)新與改進(jìn)，成功開(kāi)發(fā)出增加了V、B等微量合金的35Si2Mn、35Si2Cr等材質(zhì)。

試驗(yàn)

PC鋼棒不同成分含量方案。

方案1：Si和Mn方案。代表鋼種30MnSi、30Si2Mn、35Si2Mn

我們選擇30MnSi、35Si2Mn、35Si2Cr三種材質(zhì)進(jìn)行熱處理性能對(duì)比。淬火溫度選擇區(qū)間920～960℃，回火溫度選擇450～520℃，感應(yīng)淬火加熱方式，高壓水冷工藝。

結(jié)果與討論

碳在鋼鐵中呈化合狀態(tài)和液離狀態(tài)，碳含量直接影響鋼的性能，高時(shí)硬度和強(qiáng)度增加，但其熔點(diǎn)塑性和延展性降低。硅在鋼中是有益元素，能增加鋼的抗張力、彈性、耐酸性和耐熱性，耐腐蝕性，主要以硅化鐵形式存在。含Si量控制在1.50～1.90%之間，Si的耐熱性強(qiáng)，熱處理后組織較細(xì)。回火溫度可以提高，隨著回火溫度的提高，氫導(dǎo)致的延遲斷裂的敏感度減小。當(dāng)回火溫度高于500度，基本不產(chǎn)生氫導(dǎo)致的延遲斷裂。錳在鋼中通常以固液體化合態(tài)形態(tài)存在是良好的脫氧劑和脫硫劑，能降低鋼中硫所引起的熱脆性，以改善鋼的熱加工性能，提高鋼的可鍛性，增加錳的含量，可提高鋼的強(qiáng)度和硬度，但若含錳量大于0.90%，淬火時(shí)組織（晶粒）易粗化傾向。因此含Mn量控制在0.60～0.90%之間，可以改善鋼的熱加工性能，降低鋼材加熱的熱滯后現(xiàn)象。硫在通常情況下也是有害元素，使鋼產(chǎn)生熱脆性，降低鋼的延展性和韌性，在鍛造和軋制時(shí)造成裂紋。硫?qū)附有阅芤膊焕档湍透g性。因此在中低碳合金鋼中含硫量小于0.020%。在一般情況下，磷是鋼中有害元素，增加鋼的冷脆性，使焊接性能變壞，降低塑性，在冷拔過(guò)程會(huì)脆斷，引起鋼棒的延遲斷裂，因此通常要求鋼中含磷量小于0.015%。添加Cr、Mo、V等合金化元素，促使鋼棒淬火時(shí)奧氏體化完全，組織均勻。

目前國(guó)內(nèi)大多PC鋼棒生產(chǎn)廠家選擇材質(zhì)30MnSi。

材料特點(diǎn)：生產(chǎn)成本低、焊接性能好，致命的缺點(diǎn)是抗延遲斷裂能力弱。

材料缺陷：Mn含量高，淬火時(shí)，組織（晶粒）易粗化、容易產(chǎn)生回火二次脆性。

30Si2Mn降低了Mn的含量，消除淬火脆性，但淬透性不足，需要提高淬火溫度，造成二次加工浪費(fèi)。

35Si2Mn提高了碳的含量補(bǔ)足30Si2Mn熱加工缺陷，這是國(guó)際通用做法。國(guó)際上PC鋼棒大多選用此材質(zhì)。

35Si2Cr進(jìn)一步降低Mn含量，降低淬火時(shí)組織（晶粒）易粗化傾向，添加Cr提高熱強(qiáng)性，細(xì)化組織，提高材質(zhì)致密度。

由上表可見(jiàn)，選擇相同的淬火溫度和回火溫度，材質(zhì)為30MnSi的PC鋼棒由于Mn含量過(guò)高等缺陷力學(xué)性能最差；材質(zhì)為35Si2Mn的PC鋼棒提高了C含量，補(bǔ)足Mn含量過(guò)高的缺陷，力學(xué)性能居中；材質(zhì)為35Si2Cr的PC鋼棒進(jìn)一步降低了Mn的含量，添加Cr提高了熱強(qiáng)性并細(xì)化了組織，力學(xué)性能最好，更容易滿足生產(chǎn)要求。

提高Si的含量，不僅提高鋼的彈性極限，屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度，還提高回火溫度，使回火工藝達(dá)到500℃左右索氏體轉(zhuǎn)變最佳溫度。降低S、P的含量，減少S、P夾雜物沿奧氏體晶界的偏析。添加Cr、Mo、V等合金化元素，促使鋼棒淬火時(shí)奧氏體化完全，組織均勻。在煉鋼時(shí)，可以添加V、Nb等元素，細(xì)化晶粒，提高鋼材強(qiáng)度，含量控制在0.05～0.15%。

總之，PC鋼棒選材原則遵循“三低一高”的原則，低Mn、P、S高Si。使得PC鋼棒綜合機(jī)械性能更穩(wěn)定。