PC钢棒材料成分与性能

马永存　刘保权　秦雪花

预应力混凝土用钢棒（简称PC钢棒）是由日本高周波热炼株式会社于20世纪60年代开发的一种技术含量很高的預应力钢材，属于预应力强度级别中的中间强度级。它具有高强度韧性、低松弛性、与混凝土握裹力强，良好的可焊接性、镦锻性、节省材料等特点，在国外已被广泛应用。而在我国起步较晚，于80年代末期开始和引进该产品。PC钢棒的主要原材料是无扭控冷热轧盘条，早期的钢种主要牌号为30MnSi，原材料带状组织严重，主要原因是连铸连轧过程中控温不足。生产高质量的PC钢棒，不仅需要满足表面质量好、夹杂物含量低、纯净度高、通条成分偏析及波动小的盘条；更需要材料成份优异，机械性能稳定的盘条。后来经过多次技术创新与改进，成功开发出增加了V、B等微量合金的35Si2Mn、35Si2Cr等材质。

试验

PC钢棒不同成分含量方案。

方案1：Si和Mn方案。代表钢种30MnSi、30Si2Mn、35Si2Mn

我们选择30MnSi、35Si2Mn、35Si2Cr三种材质进行热处理性能对比。淬火温度选择区间920～960℃，回火温度选择450～520℃，感应淬火加热方式，高压水冷工艺。

结果与讨论

碳在钢铁中呈化合状态和液离状态，碳含量直接影响钢的性能，高时硬度和强度增加，但其熔点塑性和延展性降低。硅在钢中是有益元素，能增加钢的抗张力、弹性、耐酸性和耐热性，耐腐蚀性，主要以硅化铁形式存在。含Si量控制在1.50～1.90%之间，Si的耐热性强，热处理后组织较细。回火温度可以提高，随着回火温度的提高，氢导致的延迟断裂的敏感度减小。当回火温度高于500度，基本不产生氢导致的延迟断裂。锰在钢中通常以固液体化合态形态存在是良好的脱氧剂和脱硫剂，能降低钢中硫所引起的热脆性，以改善钢的热加工性能，提高钢的可锻性，增加锰的含量，可提高钢的强度和硬度，但若含锰量大于0.90%，淬火时组织（晶粒）易粗化倾向。因此含Mn量控制在0.60～0.90%之间，可以改善钢的热加工性能，降低钢材加热的热滞后现象。硫在通常情况下也是有害元素，使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。因此在中低碳合金钢中含硫量小于0.020%。在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，在冷拔过程会脆断，引起钢棒的延迟断裂，因此通常要求钢中含磷量小于0.015%。添加Cr、Mo、V等合金化元素，促使钢棒淬火时奥氏体化完全，组织均匀。

目前国内大多PC钢棒生产厂家选择材质30MnSi。

材料特点：生产成本低、焊接性能好，致命的缺点是抗延迟断裂能力弱。

材料缺陷：Mn含量高，淬火时，组织（晶粒）易粗化、容易产生回火二次脆性。

30Si2Mn降低了Mn的含量，消除淬火脆性，但淬透性不足，需要提高淬火温度，造成二次加工浪费。

35Si2Mn提高了碳的含量补足30Si2Mn热加工缺陷，这是国际通用做法。国际上PC钢棒大多选用此材质。

35Si2Cr进一步降低Mn含量，降低淬火时组织（晶粒）易粗化倾向，添加Cr提高热强性，细化组织，提高材质致密度。

由上表可见，选择相同的淬火温度和回火温度，材质为30MnSi的PC钢棒由于Mn含量过高等缺陷力学性能最差；材质为35Si2Mn的PC钢棒提高了C含量，补足Mn含量过高的缺陷，力学性能居中；材质为35Si2Cr的PC钢棒进一步降低了Mn的含量，添加Cr提高了热强性并细化了组织，力学性能最好，更容易满足生产要求。

提高Si的含量，不仅提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，还提高回火温度，使回火工艺达到500℃左右索氏体转变最佳温度。降低S、P的含量，减少S、P夹杂物沿奥氏体晶界的偏析。添加Cr、Mo、V等合金化元素，促使钢棒淬火时奥氏体化完全，组织均匀。在炼钢时，可以添加V、Nb等元素，细化晶粒，提高钢材强度，含量控制在0.05～0.15%。

总之，PC钢棒选材原则遵循“三低一高”的原则，低Mn、P、S高Si。使得PC钢棒综合机械性能更稳定。