1、金屬材料熱處理論文 題目：感應(yīng)加熱快速熱處理全 螺紋鋼筋研制與力學(xué)性能企業(yè)名稱：青海金陽光特種鋼材股份有限公司 姓 名： 吳 建 財 指導(dǎo)老師：張明義技術(shù)總顧問與宋瑞雪技術(shù)總工程師完成時間：2 0 1 3 年 9 月 1 3 日 感應(yīng)加熱快速處理全螺紋鋼筋研制與力學(xué)性能分析青海金陽光特種鋼材股份有限公司根據(jù)市場特殊需求，結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)工藝優(yōu)勢，研制開發(fā)出新型滾壓螺紋鋼棒材。新型螺紋鋼棒材采用全螺紋設(shè)計，冷滾壓加工成型。選材為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、高強度低合金鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼或其他特殊性能合金鋼。經(jīng)感應(yīng)加熱快速處理技術(shù)調(diào)質(zhì)，適用于制作高強度鋼錨桿、鋼拉桿、預(yù)應(yīng)力混凝土螺紋鋼筋、螺栓等工程建設(shè)用的高強度緊固

2、件。1. 新型滾壓螺紋鋼棒材的原料取材為特殊優(yōu)質(zhì)純凈合金鋼，確保工程結(jié)構(gòu)件內(nèi)在質(zhì)量優(yōu)良，提高了工件的可靠性與穩(wěn)定性。特殊優(yōu)質(zhì)純凈合金鋼中雜質(zhì)含量少、有害元素和非合金元素含量低，鋼的純凈度高、品質(zhì)優(yōu)良。鋼中合金元素選用和定量比例標(biāo)準(zhǔn)遵循合金化理論基礎(chǔ)，具有設(shè)定的化學(xué)性能、物理性能和力學(xué)性能，適用于各種特殊環(huán)境、特定受力條件和不同的工況要求。工程結(jié)構(gòu)件用鋼一般選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼，同時可以根據(jù)特殊要求選用相應(yīng)鋼種。鋼的技術(shù)條件執(zhí)行GB/T699、GB/T1591、GB/T3077和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。青海金陽光特種鋼材股份有限公司生產(chǎn)的新型滾壓螺紋鋼棒材用鋼可以根據(jù)用戶要求或使

3、用環(huán)境選用耐蝕鋼、耐候鋼和不銹鋼等，生產(chǎn)力學(xué)性能指標(biāo)與環(huán)境適應(yīng)性相結(jié)合的實用新型結(jié)構(gòu)件。按照風(fēng)電塔基基礎(chǔ)預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼棒的力學(xué)性能指標(biāo)和實際使用條件，青海金陽光特種鋼材股份有限公司選用低合金優(yōu)質(zhì)27SiMn和30CrMnSiA鋼種，在節(jié)約資源、適應(yīng)環(huán)境條件下，達到PSB930和PSB1080的力學(xué)性能級別。新型滾壓螺紋鋼棒材原料為特殊鋼企業(yè)生產(chǎn)，產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝路線采用電爐冶煉、爐外精煉、連續(xù)鑄錠、連續(xù)軋制、精整處理而成形。鋼中氧含量小于10ppm、氮含量小于12ppm、氫含量小于2ppm，磷、硫含量一般小于0.020%。在鋼的合金化方面，工程結(jié)構(gòu)件用鋼由單一的碳鋼、含錳系列延伸到硅錳、鉻

4、鎳及微合金化系列。鋼的組織由傳統(tǒng)的鐵素體、珠光體系列延伸到鐵素體、貝氏體和低碳馬氏體系列。新型滾壓螺紋鋼棒材用鋼的純凈化、低合金化、微合金化從源頭保證了工程結(jié)構(gòu)件對環(huán)境的適應(yīng)性和材料的強韌性。2. 新型滾壓螺紋鋼棒材為冷滾壓成型，冷加工成形工藝過程極大地提高工程結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)致密性和外形精度。冷滾壓成型的全螺紋鋼棒（筋）與熱加工精軋螺紋和車削加工的螺紋相比較有顯著的成形優(yōu)勢。熱加工精軋螺紋生產(chǎn)率最高，螺紋形狀為非連續(xù)螺紋。鋼棒兩側(cè)為平面和過渡帶，過渡區(qū)螺紋高度逐步降低、橫截面逐漸變小，直至與平面相接。斷續(xù)螺紋的精度低、公差帶較寬。車削加工成形的螺紋精度較高，對車削機床的精度和操作者技能要求更高。

5、生產(chǎn)過程車削量大、生產(chǎn)率低。青海金陽光特種鋼材股份有限公司生產(chǎn)的冷滾壓成型全螺紋鋼棒（筋），按照產(chǎn)品規(guī)格目前分別在ZA28-63型或ZA28-125型滾絲機上室溫滾壓成型，生產(chǎn)效率介于熱加工和車削加工之間。產(chǎn)品外觀結(jié)構(gòu)與內(nèi)部組織具有顯著的特點和優(yōu)勢。冷滾壓螺紋的螺紋間距、高度、寬度、夾角、過渡弧等幾何形狀的技術(shù)指標(biāo)和數(shù)值完全相同、整體與局部相一致，制造過程造成的設(shè)計與實物的尺寸偏差極小，一般不超過0.01%，具有較高的外形精度，有利于同螺母的配合，減少和降低構(gòu)件的間隙與松動。冷滾壓成型全螺紋鋼棒（筋）采用30CrMnSiA和27SiMn材料在總變形量為14.1%的條件下，加工硬化指數(shù)平均值分別

6、達到48.65%和31.88%，同時鋼材密度相應(yīng)提高。冷滾壓成型全螺紋鋼棒（筋）致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和精良的外形為工程結(jié)構(gòu)件的實際使用提供了優(yōu)良的力學(xué)性能基礎(chǔ)。冷滾壓加工成型過程是在材料塑性范圍內(nèi)強制變形的工藝過程，必然造成大量的位錯。鋼材位錯密度增加和位錯堆積也為快速熱處理提供了動力學(xué)條件，有利于晶粒細(xì)化，同時降低了恢復(fù)再結(jié)晶和奧氏體化溫度，節(jié)約能源。3. 冷滾壓加工成型與感應(yīng)加熱快速熱處理技術(shù)相結(jié)合，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)低合金鋼全螺紋鋼棒，使工程結(jié)構(gòu)件具有純凈鋼和細(xì)晶粒鋼的共同優(yōu)勢。感應(yīng)加熱快速熱處理技術(shù)與裝備在青海金陽光特種鋼材股份有限公司已經(jīng)投入使用。該工藝技術(shù)依托中國鋼研科技集團的技術(shù)力量，建成了國家

7、高強度鋼筋科技支撐項目示范產(chǎn)品生產(chǎn)基地。感應(yīng)加熱快速處理技術(shù)可以顯著地改善鋼材的力學(xué)性能，提高鋼材的表面質(zhì)量，縮短鋼材熱處理周期，節(jié)約能源，改善勞動條件，減少環(huán)境污染，實現(xiàn)了熱處理過程的機械化、自動化。青海金陽光特種鋼材股份有限公司的生產(chǎn)線采用感應(yīng)加熱快速處理技術(shù)，新型冷滾壓全螺紋鋼棒是在連續(xù)加熱、淬火、回火的全自動熱處理生產(chǎn)線上完成調(diào)質(zhì)處理。感應(yīng)加熱快速處理技術(shù)采用調(diào)整逆變電路頻率、在感應(yīng)線圈周圍形成交變磁場，導(dǎo)電體在磁場中切割磁力線產(chǎn)生渦流而發(fā)熱。導(dǎo)電體的熱源來自內(nèi)部，依靠電路頻率高低、磁場強度、磁力線密度、導(dǎo)電體對磁場的切割能力、截面比和輻射散熱系數(shù)而確定。在自動控制條件下，改變線路頻率

8、、提高功率因數(shù)、調(diào)整工藝相關(guān)因子，從而獲得較高的熱效率和升溫速度。鋼材的加熱速度可以達到100/s以上，加熱系數(shù)達到5s/mm以上。公司在正常生產(chǎn)過程中，加熱速度一般控制在450/min左右，加熱系數(shù)為1.5s/mm。生產(chǎn)過程的熱工參數(shù)控制，保證感應(yīng)加熱的快速升溫，使鋼中的合金元素不可能發(fā)生遠(yuǎn)程擴散，彌散相也無法脫溶，由鐵素體和珠光體短程位移、迅速轉(zhuǎn)變成奧氏體晶粒。快速加熱到奧氏體化溫度以上，形成的奧氏體晶粒細(xì)小而均勻。高強度低合金鋼的感應(yīng)加熱、淬火溫度控制為920±10，鋼的奧氏體晶粒在快速加熱和快速強制冷卻條件下，晶粒邊界由于彌散相的“釘扎”和分子運動熱能的迅速降低，導(dǎo)致晶界原子

9、失去了遷移、擴散的動力學(xué)條件，原子均保持在低能量的穩(wěn)定狀態(tài)或亞穩(wěn)定狀態(tài)。在實際生產(chǎn)過程中，造成冷滾壓成型全螺紋鋼棒（筋）具有均勻細(xì)小實際晶粒的是由于特殊的工藝技術(shù)路線所決定。實物金相檢測表明，冷滾壓成型全螺紋鋼棒（筋）采用不同會或工藝，其組織可以為回火馬氏體、粒狀貝氏體、回火索氏體。無論轉(zhuǎn)變成何種組織結(jié)構(gòu)，其實際晶粒度級別均大于8.5級以上，達到細(xì)晶粒鋼、超細(xì)晶粒鋼的微觀結(jié)構(gòu)。高純凈度優(yōu)質(zhì)低合金結(jié)構(gòu)鋼滾壓時，在呈一定角度的兩支轉(zhuǎn)動輥輪的間隙中運動，圓形鋼材沿縱向以螺旋型運動方式向前運行。在切向壓應(yīng)力旋轉(zhuǎn)推動下，鋼材在兩輥之間被擠壓成型。螺紋鋼棒的表面精度和直線度得到改善和提升。新型滾壓螺紋鋼棒

10、的表面粗糙度達到Ra3.2左右，全螺紋鋼棒（筋）的彎曲度也不會不超過千分之二，屬于高精度的結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品。在感應(yīng)加熱快速處理過程中，鋼的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能得到改善和提高，同時還基本保持了冷加工鋼材的高精度。 青海金陽光特種鋼材股份有限公司建設(shè)的感應(yīng)加熱快速處理生產(chǎn)線，為自動控制生產(chǎn)過程。在鋼材的加熱和淬火過程中，物料的運動狀態(tài)是螺旋型直線運動形式，可以使鋼材保持原有的高精度螺紋表面。鋼材在感應(yīng)圈內(nèi)加熱，在高溫條件下，感應(yīng)圈內(nèi)空氣稀薄，鋼材在低密度空氣介質(zhì)環(huán)境中加熱。由于鋼制結(jié)構(gòu)件在高于850的高溫條件下停留時間不超過8秒，因而，鋼材表面只能形成輕微的致密氧化層，保持了原有的加工精度。40-50mm

11、螺紋鋼生產(chǎn)統(tǒng)計（增重法）表明：經(jīng)感應(yīng)加熱快速處理技術(shù)生產(chǎn)的鋼材表面，其氧化層厚度約為普通電加熱鋼材氧化層厚度的10-15%。青海金陽光特種鋼材股份有限公司生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)低合金鋼全螺紋鋼棒材是應(yīng)用雙重高新技術(shù)加工處理的產(chǎn)品，產(chǎn)品具有優(yōu)良的品質(zhì)和較高的技術(shù)含量。4. 新型滾壓螺紋鋼棒材采用特殊的冷加工成型和快速加熱處理技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)品具有優(yōu)良的工藝和力學(xué)性能。4.1新型滾壓螺紋鋼棒材原料選用特殊鋼企業(yè)生產(chǎn)的合金鋼，可以保證工程結(jié)構(gòu)件的特殊要求和力學(xué)性能。常規(guī)精軋螺紋鋼棒一般選用碳素結(jié)構(gòu)鋼、低碳硅錳鋼生產(chǎn)。為了實現(xiàn)材料的高強度，生產(chǎn)過程可以采用熱機械加工控制工藝技術(shù)（TMCP）。普通鋼材的控制軋制技術(shù)（

12、control rolling technology）生產(chǎn)的鋼材力學(xué)性能指標(biāo)不可能實現(xiàn)PC鋼的屈服強度大于930MPa以上，也不可能獲得特殊的物理性能。青海金陽光特種鋼材股份有限公司研發(fā)的新型滾壓螺紋鋼棒材以特殊企業(yè)生產(chǎn)的合金鋼為原料。鋼中合金元素及元素配比奠定了鋼材化學(xué)性能、物理性能、工藝性能、力學(xué)性能基礎(chǔ)。特殊鋼的選用，使新型滾壓螺紋鋼棒材不僅具有高的強韌性，而且可以根據(jù)用戶要求、環(huán)境介質(zhì)、受力條件等因素選用特殊鋼種，如不銹、耐磨、耐候、抗腐蝕、抗疲勞、高彈性、高模量等特殊性能，使新型滾壓螺紋鋼棒材可以使用于廣闊的工程建設(shè)領(lǐng)域。根據(jù)風(fēng)電塔機基礎(chǔ)用PSB930和PSB1080的力學(xué)性能指標(biāo)要

13、求，采用27SiMn和30CrMnSi鋼在實驗室模擬生產(chǎn)條件制成的全螺紋鋼筋，實際測定的力學(xué)性能測定為：27SiMn屈服點Rel ( N/mm2 ) 960 抗拉強度Rm (N/mm2) 1086伸長率(A%) 15.5 面縮率（Z%） 51 沖擊功Aku(j) 92 30CrMnSi屈服點Rel ( N/mm2 ) 1108 抗拉強度Rm (N/mm2) 1248伸長率(A%) 15 面縮率（Z%）56 沖擊功Aku(j) 62按照工業(yè)新產(chǎn)品研發(fā)程序，在企業(yè)實際生產(chǎn)線上小批量生產(chǎn)的30CrMnSi全螺紋鋼筋，其力學(xué)性能優(yōu)于實驗室結(jié)果。實測結(jié)果為：屈服點Rel 抗拉強度Rm 伸長率A 面縮率Z

14、 ( N/mm2 ) (N/mm2) （%） （%）1組：1178 1375 12.5 562組: 1146 1363 14.5 423組：1223 1436 15.5 55全螺紋鋼棒的在使用條件下的狀態(tài)力學(xué)性能，經(jīng)國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢測鋼棒整體性能優(yōu)良。全螺紋鋼棒規(guī)格：50mm鋼種：30CrMnSiA力學(xué)檢驗數(shù)據(jù)：屈服點Rp0.2 抗拉強度Rm 伸長率AN/mm2 ) (N/mm2) （%）1184 1506 9.0按照GB/T3098.1-2000緊固件機械性能-螺栓、螺釘和螺柱技術(shù)條件關(guān)于性能等級規(guī)定，青海金陽光特種鋼材股份有限公司生產(chǎn)的新型冷滾壓全螺紋鋼棒（筋）超過了8.8級

15、高強度緊固件的力學(xué)性能指標(biāo)，全部產(chǎn)品的性能等級均為10.9級以上。4.2新型滾壓螺紋鋼棒材改善精軋螺紋鋼筋的螺紋形狀，使螺紋受力條件更加均勻合理，提高了工程結(jié)構(gòu)件的使用壽命。精軋螺紋是鋼材在熱軋狀態(tài)下沿直線方向無旋轉(zhuǎn)運動，軋制形成的螺旋紋為斷續(xù)延伸，無法形成全螺紋。PC鋼棒表面必然存在著螺紋的平肋部分，螺紋高度逐漸降低，與平肋之間形成過渡帶。對精軋螺紋20-32mm實際測定，能夠達到標(biāo)準(zhǔn)高度的螺旋紋長度只占全部螺紋長度的25-60%。因此，精軋螺紋鋼筋在與螺母配合時屬于間隙型配合，非完全吻切。工件緊固時會產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中。冷滾壓全螺紋鋼棒材全部采用梯形螺紋，螺紋是在呈一定夾角的雙滾壓輥之間，

16、旋轉(zhuǎn)縱向運動過程中成形的，造成整支棒料的螺紋呈螺旋型縱向連續(xù)延伸，整支棒材由一條螺旋線連續(xù)構(gòu)成。冷加工成型的螺紋尺寸精度高、表面粗糙度低，在與螺母配合時具有間隙小、連接件的受力均勻的特點。因此在實際使用中，可以承受較大的載荷或交變應(yīng)力。雙斜輥之間縱向運動制成的冷滾壓全螺紋鋼棒，鋼材的彎曲度得到改善。冷加工全螺紋鋼棒的檢測證明，新型冷滾壓全螺紋鋼棒的彎曲度不超過千分之二（2mm/m）。5. 新型滾壓螺紋鋼棒材性能與發(fā)展方向綜合分析。5.1新型滾壓螺紋鋼棒材的原料選用優(yōu)質(zhì)特殊合金鋼，在快速熱處理過程中，鋼材的淬透性、淬硬性具有可選擇性。因此，新型滾壓螺紋鋼棒材的強韌性指標(biāo)和等級可以根據(jù)材料的使用條

17、件和環(huán)境進行有效的調(diào)整。鋼拉桿、錨桿、預(yù)應(yīng)力棒材、連接件等工程結(jié)構(gòu)件的適用范圍有較大突破，為工程設(shè)計創(chuàng)新提供了新型材料基礎(chǔ)。5.2新型滾壓全螺紋螺紋鋼棒材的螺紋形狀和長度可以根據(jù)實際需要加工。既可以執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)，也可以按照用戶的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計制作。公司根據(jù)用戶需求設(shè)計螺紋的滾絲專用模具，在三維空間進行多元分析，制成相應(yīng)的滾絲輪。保證產(chǎn)品的外形完全符合用戶設(shè)計要求，而且使連接件具有最佳合理的公差配合，提高工件的鎖緊力。把鋼材優(yōu)良的力學(xué)性能轉(zhuǎn)化為工程結(jié)構(gòu)件的設(shè)計剛度、強度，抗應(yīng)變、抗疲勞能力。提高工程構(gòu)件的可靠性、穩(wěn)定性，防止連接件的延遲斷裂，提高工件使用壽命。5.3我國幅員遼闊、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜；區(qū)域性氣候多變、環(huán)境介質(zhì)不同，工程結(jié)構(gòu)件要實現(xiàn)普遍適用性是比較困難的。青海金陽光特種鋼材股份有限公司生產(chǎn)的新型冷滾壓全螺紋鋼棒材雖然具有特殊的結(jié)構(gòu)特點和優(yōu)異的力學(xué)性能，可以衍生出許多與客觀環(huán)境相適應(yīng)的工程結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品，也不可能達到普遍適用性。為保證產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性，公司同科研單位、高等院校、鋼材生產(chǎn)企業(yè)、結(jié)構(gòu)件使用企業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)、學(xué)、研、用相結(jié)合，共同研制、開發(fā)新型產(chǎn)品，實現(xiàn)了一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈。目前，青海金陽光特種鋼材股份有限公司與西寧特殊鋼股份有限公司、中國鋼研科技集團、青海大學(xué)建立了戰(zhàn)略合作關(guān)系，產(chǎn)品不斷創(chuàng)新和升級。生產(chǎn)一