HRB600E 热轧高强抗震钢筋产品研发探究

褚文龙，陈文勇，徐 斌，祁文娟，李智明

（1.河钢集团承钢公司棒材事业部，河北 承德 067102；2.河钢集团承钢公司检验检测中心，河北 承德 067102）

建筑用钢筋是我国产销量最大的钢材品种，钢筋的质量水平已经接近国际先进水平，但其使用强度与发达国家相比还有一定的差距。我国热轧带肋钢筋[1]按强度等级分为400 MPa、500 MPa 及600 MPa三种强度级别。经过多年的推广应用，在核电、地标建筑等重点工程项目中已普遍应用HRB500（E），目前，国内建筑主要使用带“E”抗震钢筋，例如HRB400E、HRB500E，目前600 MPa 级钢筋国标[1]只有HRB600 为非抗震钢筋，而部分客户对600 MPa级抗震钢筋提出需求，并且其具有良好的市场前景，因此，十分有必要对600 MPa 级抗震钢筋进行研发。

1 成分及力学指标要求

HRB600E 热轧高强抗震钢筋熔炼成分指标如表1 所示，力学指标如表2 所示。

表1 HRB600E 钢筋化学成分指标 %

表2 HRB600E 钢筋力学性能指标

2 成分设计

HRB600E 热轧高强抗震钢筋研发的难度在于在确保强度的情况下，必须满足强屈比的要求，强度主要取决于熔炼成分的种类和数量，具体来说主要取决于加入多少种类的合金。为保证良好的焊接性，必须限定Ceq（碳当量），这就使得起到强化作用的C、Mn 元素添加量得到了限制，在钢铁材料的微合金强化方面，一般采用Nb、V、Ti 三类合金，Nb、Ti 元素的碳氮化合物回融温度很高，析出数量较少，不能用于600 MPa 级别的热轧钢筋的主要强化元素，V 元素的碳氮化合物回融温度较低，在冷却过程中能够形成大量纳米级析出物，可提高钢筋强度，尤其是VN 提高强度效果最为明显，并且能够细化晶粒，增加产品强度及塑性[2-3]，但是其缺点是会降低强屈比。因此，我们在成分设计上以VN 强化为主，同时添加少量Cr、Mo、Nb 元素进行复合强化，在满足强度指标的同时，使强屈比达到1.25。

2.1 含钒钢筋中w（N）对钢筋强度的影响研究

对钢筋中w（N）进行检验分析，并对钢筋中化学成分和w（N）对钢筋屈服强度的影响进行回归分析，得到钒氮微合金化钢筋中各化学元素成分与钢筋屈服强度关系式为：

由以上关系式可知，在保证其他元素含量不变情况下，钢中每增加0.001%的w（N）可使钢屈服强度增加7～8 MPa。

对不同w（V）和w（N）下钢的强化效果进行试验分析，得出不同w（V）和w（N）对钢强度增量的影响如下页图1 所示。由图1 可知，随着钢中w（V）的增加，钢的强度增量提高，但当钢中w（V）达到一定量（如图中曲线拐点处）时，钢强度增加量减少。例如，当钢中w（V）在0.02%以下时，w（V）增加0.01%，钢强度增量为25 MPa；但当w（V）＞0.02%时，w（V）增加0.01%，钢强度增量降低为10 MPa。此时，当w（V）对钢强度增量减少时，适当增加钢中w（V），可进一步提高钢强度增量，即此时增加钢中w（N）可增加钢强度。因此，若想提高钢筋的强度，在添加一定V 元素的同时，必须增加w（N）。

图1 不同w（V）/w（N）对钢筋强度增量的影响

2.2 其他合金元素对钢筋强度的影响

C 元素能起到固溶强化作用，有利于提高钢材强度的同时，还能够提高强屈比，而且C 是经济性元素，能降低成本，因此C 元素含量不能过低。Si 同样能起到固溶强化作用，提高钢材强度，同时还能起到较强的脱氧作用，净化钢水，且Si 含量不会影响碳当量，应在要求指标的上限予以控制。Mn 同样能起到固溶强化作用，可显著提高钢材强度及强屈比，在整体碳当量允许范围内的中上限进行控制。Cr、Mo、Nb元素均能使产品珠光体含量增加，提高强屈比[3-4]，但因钢筋中w（Mn）较高，而这些元素含量过高会形成贝氏体，严重降低产品塑性，因此少量即可。

2.3 成分熔炼表

通过对钒特性的研究及其他合金元素对强度的影响研究，确定了HRB600E 含钒螺纹钢筋的化学成分种类，并量化熔炼成分，具体如表3 所示。

表3 HRB600E 钢筋熔炼成分

3 实施效果

3.1 析出物分析

采用扫描电镜对样品组织及析出物进行分析观察，发现珠光体片层较为致密，析出物尺寸较小。碳氮化物的析出有两种状态，一种是随A 向F 转变，沿相变界面产生的相间析出，一种是铁素体内随机析出，这种析出占有极大比例，珠光体内没有析出，细小的析出相为高强钢筋主要的强化手段。珠光体形貌如图2 所示，晶界和铁素体内析出物分布情况如图3 所示。

图2 珠光体形貌

图3 晶界和铁素体内析出物分布情况

3.2 产品组织

各规格HRB600E 高强抗震钢筋内部组织均匀，均为铁素体加珠光体（无回火马氏体等有害组织），珠光体约占45%～50%，珠光体提高10%～15%，有效提高强屈比，并且晶粒度达到10～11.5 级，提高了产品塑性指标。20 螺及32 螺的HRB600E 高强抗震钢筋金相组织如图4 所示。

图4 HRB600E 高强抗震钢筋金相组织

3.3 力学性能

各规格HRB600E 高强抗震钢筋力学性能全部合格，具体指标如表4 所示。

表4 产品力学性能

3.4 疲劳性能

选择2 支规格为Φ25 mm 样品进行疲劳试验，应力比为0.2，循环200 万次未断，说明产品具有良好的抗疲劳性能，实验结果如表5 所示。

表5 疲劳检验

3.5 焊接性能

选取Φ12～Φ25mm规格进行焊接试验，焊接性能全部合格。焊接工艺所涉及的参数：焊机型号为ZX7-400；焊条牌号及规格为THJ857、Φ4.0mm；焊接电流为140～180 A；电流极性为直流。焊接实验结果如表6 所示。

表6 焊接试验结果

4 结论

1）通过回归分析，明确了w（N）对钢筋强度的贡献值，具体为含钒钢筋中增加了约10×10-6的w（N），使钢筋的强度增加约7～8 MPa，使钢筋强度满足要求。

2）采用“钒铌铬钼复合强化”工艺，可提高珠光体含量10%～15%，解决了钢筋强屈比不合难点。

3）通过产品检验，产品力学性能、疲劳性能及焊接性能完全满足要求。