[0001] 本发明涉及预应力钢用盘条技术领域，尤其涉及一种Mn‑Si‑V‑Ti‑Nb‑Cr多元合金化热轧盘条及其制备方法。

[0002] 预应力钢绞线广泛应用于交通建筑、水利水电及能源等关系到国计民生的领域。目前，1860MPa级预应力钢绞线应用最多。近年来，相应的标准如GB/T5224‑2023《预应力混凝土用钢绞线》、JG/T 369‑2012《缓粘结预应力钢绞线》、JG/T 161‑2016《无粘结预应力钢绞线》等又增加了1960MPa级更高强度的预应力钢绞线。JGJ 369‑2016《预应力混凝土结构设计规范》明确指出了抗拉强度1960MPa级钢绞线可以作为后张预应力配筋使用。除了超高强度轻量化的发展方向以外，1860MPa级及以上高强度预应力钢丝具备高延性，最大力总伸长率显著高于GB/T 5224‑2023规定的3.5％，以便在施工具备更高的张拉冗量，实现更高承载和轻量化效果。因此，预应力钢绞线高强化且高塑化也成为了重要的发展方向。

[0003] 预应力钢用盘条(多为热轧盘条)是预应力钢绞线的主要制备原材料/过程产品，盘线的力学性能和断面收缩率与最终钢绞线的性能紧密相关。目前普遍采用普通82B热轧盘条制备1860MPa级预应力钢绞线，但是普通82B热轧盘条存在抗拉强度不高(1130～1250MPa)、断面收缩率较低(30％～37％)等不足，导致后续制备的预应力钢绞线普遍存在强度、延性(最大力总伸长率)冗量不足的问题。通过较大直径规格的82B热轧盘条制备
1860MPa级以上的预应力钢绞线，即通过大变形拉拔实现高强化，但制备出来的预应力钢绞线延性、抗应力腐蚀性能不足。通过离线盐浴热处理可以提高普通82B盘条强度和塑性，但增加了1860MPa级以上预应力钢绞线的制备工艺复杂性和成本，并且抗应力腐蚀性能依然不足。

[0028] 下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

[0029] 本发明公开了一种Mn‑Si‑V‑Ti‑Nb‑Cr多元合金化热轧盘条，所述热轧盘条的合金成分按质量百分比计为：C：0.75％～0.90％，Mn：0.60％～0.90％，Si：0.10％～0.60％，Cr：≤0.35％，V：0.04％～0.10％，Ti：0.010％～0.025％，Nb：≤0.03％，Al：≤0.06％，P：≤
0.02％，S：≤0.005％，N：≤0.004％，余量为Fe及不可避免的杂质。

[0030] 各组分作用/协同作用及含量选取依据如下：

[0031] C：钢中有效提高盘条抗拉强度的间隙固溶强化和渗碳体、MX相等第二相强化元素，但过高的C含量损害塑性。为了使盘条抗拉强度达到1150～1350MPa级，同时具备良好的塑性，断面收缩率≥35％，因此，C含量不低于0.75％，但不高于0.90％。在Mn、Si、Cr合金化后为过共析钢，通过热轧后适当的风冷可以获得完全的珠光体，无网状渗碳体。本发明钢的C含量在0.75％～0.90％。

[0032] Mn：稳定奥氏体元素，降低共析相变温度和共析碳含量，其本身对平衡相变珠光体片层间距的影响很小。本发明主要利用其稳定奥氏体的作用降低连续冷却珠光体相变的温度，从而细化珠光体片层间距，Mn为主合金元素，Mn含量不低于0.60％且不高于0.90％。此外，Mn还起脱氧作用。本发明同时利用Mn的脱氧作用和稳定奥氏体的作用。综合以上，本发明钢的Mn含量在0.6％～0.90％。

[0033] Si：钢中强置换固溶强化元素，抗松弛性能优异，提高共析相变温度，降低共析碳含量，细化低于共析相变温度形成的珠光体的片层间距，含量越高，强化和细化效果越显著，但较高的Si添加时对塑性损害较大。因此，控制较低的Si含量，不超过0.60％。此外，Si还能起脱氧作用，同时超低Si控制将增加成本。综合以上，本发明钢的Si含量在0.10％～0.60％。

[0034] Cr：中强碳化物形成元素，合金渗碳体组成元素之一，提高共析相变温度，降低共析碳含量，显著细化低于共析相变温度形成的珠光体的片层间距，加入0.1％Cr即有显著的细化效果，Cr含量越高，珠光体片层间距越细，强度越高。由于Cr也是显著提高淬透性的合金元素，本发明主要采用Mn主合金化和热轧风冷获得珠光体组织的工艺策略，使钢绞线强度级别达2060MPa级，因此本发明Cr含量上限控制为0.35％。本发明中抗拉强度1860MPa级预应力钢绞线可不特意添加Cr，含量≤0.10％。

[0035] V：强碳氮化物形成元素，同时其在高碳钢中的固溶量较Ti、Nb大得多，而在较低的相变温度下可以与C结合形成较细小的MX型VC，起显著的抗应力腐蚀作用，其作用机制主要包含两方面：一方面是VC点阵中原子缺位，提供氢陷阱，另一方面是VC与铁基体形成半共格界面，提供氢陷阱。此外，V还可以进入渗碳体替代部分Fe原子，即参与珠光体相变，起细化珠光体片层间距的作用。本发明钢中V含量控制为0.04％～0.10％。在热轧前的高温均匀化阶段，V可能极少量参与Ti(C,N)析出。由于热轧终轧温度较高，V在热轧阶段少量析出，在热轧后的风冷过程中一方面单独析出VC，或与Nb共同析出(Nb,V)C，起沉淀强化，另一方面参与渗碳体析出，细化珠光体片层间距；余下的V处于固溶状态，拉拔后由于渗碳体中C原子回溶，在稳定化处理过程中继续析出少量的MX型第二相颗粒。V的析出占总添加的比例为50％～80％。过低的V含量对于1860MPa级及以上预应力钢绞线的抗应力腐蚀性能不利，添加较高的V含量(如超过0.10％)时增加合金成本。

[0036] Ti：强碳氮化物形成元素，主要形成TiN或TiC。TiN在钢中的固溶量很小，TiC在钢中的固溶量也小。本发明钢利用TiN固定N，但为了避免TiN在液体中析出，控制N含量不超过0.004％的基础上，同时控制较低的Ti添加量，TiN的原子比为3.42，Ti添加的下限约为N含量的3.42倍，设为0.01％，而上限不超过0.025％。固定N以后的微量Ti还在热轧风冷过程中析出TiC。拉拔后由于渗碳体中C原子回溶，热轧冷却未充分析出的Ti在稳定化处理过程中继续析出少量的MX型第二相颗粒。本发明钢中Ti的析出占总添加的比例为95％～100％。
TiC与铁基体形成的半共格界面可以成为氢陷阱，起抗应力腐蚀作用。

[0037] Nb：强碳氮化物形成元素，Nb与N结合形成的NbN的固溶度比TiN大一个数量级，因此本发明钢中的Ti在高温阶段固定了N，而Nb主要与C结合析出NbC。由于本发明钢中的C含量较高，NbC的固溶度比VC小1个数量级以上，因此，本发明钢的Nb含量控制为0.01％～0.03％。NbC在热轧过程部分析出，以NbC颗粒和固溶Nb共同起作用细化奥氏体晶粒，提高奥氏体变形储能，提高珠光体相变驱动力，同时细化珠光体块团和片层间距；未完全析出的Nb在冷却过程中继续析出，进一步提高强度；拉拔后由于渗碳体中C原子回溶，热轧冷却未充分析出的Nb在稳定化处理过程中可继续析出少量的MX型第二相颗粒。Nb的析出占总添加的比例为95％～100％，以NbC点阵中原子缺位和NbC与铁基体的半共格界面作为氢陷进起抗应力腐蚀作用。

[0038] Al：强脱氧元素，本发明钢将其作为可选择的脱氧元素，控制含量≤0.06％，过高的Al含量容易导致部分夹杂物尺寸粗大。

[0039] P：降低钢的韧塑性，本发明钢控制P含量≤0.02％。

[0040] S：降低钢的塑韧性，本发明钢控制S含量≤0.005％。

[0041] N：钢中有效的间隙固溶强化元素和第二相强化元素。游离的N原子导致盘条强度升高，塑韧性下降，且容易引起时效和蓝脆等现象，因此总N含量和游离N含量都应尽可能低。采用Ti固定N，形成TiN。为了避免形成粗大的、较多的TiN进而恶化盘条拉拔加工性能，总N含量需要控制尽可能低。结合试验或生产装备技术水平，本发明钢的N含量不超过0.004％。

[0042] 优选的，所述热轧盘条的合金成分按质量百分比计为：C：0.75％～0.85％，Mn：0.60％～0.90％，Si：0.10％～0.60％，Cr：＜0.10％，V：0.04％～0.10％，Ti：0.010％～
0.025％，Nb：≤0.03％，Al：≤0.06％，P：≤0.02％，S：≤0.005％，N：≤0.004％，余量为Fe及不可避免的杂质；该种组成的热轧盘条可用于制备抗拉强度1860MPa级预应力钢绞线。

[0043] 优选的，所述热轧盘条的合金成分按质量百分比计为：C：0.75％～0.85％，Mn：0.60％～0.90％，Si：0.10％～0.60％，Cr：0.10％～0.35％，V：0.04％～0.10％，Ti：
0.010％～0.025％，Nb：≤0.03％，Al：≤0.06％，P：≤0.02％，S：≤0.005％，N：≤0.004％，余量为Fe及不可避免的杂质；该种组成的热轧盘条可用于制备抗拉强度1960MPa级预应力钢绞线。

[0044] 优选的，所述热轧盘条的合金成分按质量百分比计为：C：0.80％～0.90％，Mn：0.60％～0.90％，Si：0.10％～0.60％，Cr：0.10％～0.35％，V：0.04％～0.10％，Ti：
0.010％～0.025％，Nb：≤0.03％，Al：≤0.06％，P：≤0.02％，S：≤0.005％，N：≤0.004％，余量为Fe及不可避免的杂质；该种组成的热轧盘条可用于制备抗拉强度2060MPa级预应力钢绞线。

[0045] 进一步的，所述热轧盘条中V、Ti、Nb微合金配比满足(V：0.04％～0.06％，Ti：0.010％～0.025％，Nb：0.01％～0.03％)或(V：0.07％～0.10％，Ti：0.010％～0.025％，Nb：＜0.01％)。上述配比能够更好地发挥热轧过程Nb微合金化的强化作用并与V微合金化匹配，有助于提高盘条/钢绞线的强度和塑性。

[0046] 具体的，所述热轧盘条直径为12.5～14mm，显微组织为完全的片层珠光体，无网状渗碳体。

[0047] 用于制备预应力钢绞线的盘条直径常用规格为12.5～13mm。由于本发明通过专有微合金化设计与工艺控制使热轧盘条获得细化的、片层取向多样化的片层珠光体组织，直径14mm热轧盘条的塑性也十分优异，与12.5～13mm盘条一样用于制备相同直径规格的预应力钢丝及钢绞线，可以获得优异的力学性能。

[0048] 团尺寸和片层间距细化的、片层取向多样化的片层珠光组织强度高，具有良好的变形能力，拉拔性能优异。但如果形成一些网状渗碳体，这些奥氏体晶界处的先共析渗碳体尺寸较粗大、脆性较大，不仅损害强度，并且恶化拉拔性能。

[0049] 具体的，所述热轧盘条抗拉强度为1150MPa～1350MPa级，断面收缩率≥35％。所述热轧盘条抗拉强度优异、断面收缩率高，有利于制备具有高强度、高韧性的预应力钢/钢绞线。

[0050] 本发明还公开了一种所述热轧盘条的制备方法，具体包括以下步骤：

[0051] S1：根据合金组成进行配料，通过冶炼和铸造，得到铸坯；

[0052] S2：对铸坯进行均质化处理，即加热至奥氏体均匀化温度并保温；

[0053] S3：将保温后的铸坯除鳞后开始连续轧制，直至目标直径，获得半成品盘条；

[0054] S4：将半成品盘条卷曲，风冷，获得成品热轧盘条。

[0055] 具体的，步骤S1中根据合金组成称取过量的各合金元素原料并加入高温转炉，通过转炉冶炼、LF精炼、RH或VD脱气、电磁搅拌、连铸成铸坯。通过控制转炉冶炼、LF精炼、RH或VD脱气的相关参数，并对炉内钢水进行实时采样分析，当各元素组分达到预设值/范围时将钢水倒出进行电磁搅拌和连铸。上述工艺及参数控制为现有技术中较为成熟的合金制备工艺，可根据实践经验和具体合金组成在实施过程中对参数进行调整。

[0056] 具体的，步骤S2所述的奥氏体均匀化温度为1180～1250℃，保温时间为0.5～3h。均匀化温度过高时，铸坯中的TiN部分会完全固溶，导致奥氏体晶粒粗化，同时增加能源成本；均匀化过低会导致钢中Nb、V等强碳氮化物形成元素固溶不充分，从而影响后续成品性能。均匀化保温时间过长，奥氏体晶粒粗化，增加能源成本，同时不利于生产效率；均匀化保温过短，铸坯厚度温度均匀性难以保障。因此，控制保温时间为0.5～3h。

[0057] 优选的，当合金中Nb含量在0.01％～0.03％时，奥氏体均匀化温度为1200～1250℃，促使80％以上Nb处于固溶状态。

[0058] 示例性的，步骤S3中的除鳞操作可采用高压水除鳞技术或其他常规除鳞工艺。除鳞操作的作用是将氧化铁皮除净以免压入合金/盘条表面产生缺陷，从而提高产品的表面质量。

[0059] 具体的，步骤S3中热轧前加热温度1180～1250℃(即步骤S2中奥氏体均匀化温度，保温后直接进行热轧)，热轧终轧温度为890～950℃。终轧温度过高，热轧奥氏体晶粒较粗大，Nb微合金化细化热轧奥氏体晶粒的作用不显著；终轧温度过低，将导致V析出较多且显著增加轧制力。

[0060] 具体的，步骤S4中热轧终轧后至500℃前的风冷速度为1.5℃/s～3.5℃/s。风冷速度≥1.5℃/s，可避免先共析渗碳体(网状渗碳体)形成；风冷速度≥3.5℃时会形成大量贝氏体组织，甚至在后续冷却过程中形成部分超硬马氏体组织，不利于拉拔，因此应避免风冷速度过大。

[0061] 本发明还公开了一种预应力钢绞线，所述钢绞线采用上述的热轧盘条或上述制备方法所制得的热轧盘条，经酸洗、冷拔、绞合和稳定化热处理制成。

[0062] 示例性的，酸洗可以采用下属操作：将盘条拆捆、松散后浸入酸洗液中，酸洗液可选用10％～15％的盐酸，常温酸洗30分钟左右，酸洗完毕后将盘条提升至酸洗槽上方悬空支架上，并在小范围内晃动，使盘条带出的酸洗液回流至槽中。

[0063] 示例性的，冷拔即在室温下选用孔径合适的拔丝模具/模孔，使盘条在强外力作用下通过模孔，使盘条产生塑性变形，进而获得对应尺寸的钢丝。

[0064] 示例性的，绞合是将多股钢丝缠绕在一次，进而制成钢绞线，可采用机械式绞线机进行，本发明的钢绞线中钢丝根数不小于3条。

[0065] 具体的，冷拔工艺中拉拔单丝直径5mm级，绞合后稳定化热处理温度为400～460℃，线速度1.2～2.0m/s。稳定化热处理工艺与V、Ti、Nb微合金充分析出匹配，温度与线速度匹配，温度高时线速度快，温度低时线速度慢，有利于V、Ti、Nb纳米MX第二相颗粒析出改善强塑性。

[0066] 具体的，所述预应力钢绞线抗拉强度1860～2060MPa级，最大力总伸长率≥5.5％，抗应力腐蚀性能满足：按照GB/T 21839的规定开展溶液A(分析纯硫氰酸铵水溶液)、加载实际最大力80％的应力开展应力腐蚀试验，试验组不少于5组，预应力钢应力腐蚀断裂时间最小值≥2h，中位值≥5h。溶液A(分析纯硫氰酸铵水溶液)为：将200g NH4SCN溶解在800mL蒸馏水或去除矿物质水中制成的硫氰酸铵溶液。硫氰酸铵为分析纯，其中NH4SCN含量至少‑ 2‑98.5％，Cl＜0.005％, S ＜0.001％。

[0067] 下面将以具体的实施例与对比例来展示本发明盘条/钢绞线的成分和工艺参数精确控制的优势。实施例1～8与对比例1～5的钢的化学成分见表1，具体轧制和冷却工艺参数见表2，力学性能见表3。

[0068] 实施例1～6采用转炉冶炼，经LF精炼、RH脱气、电磁搅拌、连铸成160mm(厚)×160mm(宽)方坯，切成长12000mm坯料轧制加热至1180～1250℃，分别保温0.5～3h，出炉后热轧成直径12.5～14mm盘条，终轧温度890～950℃。热轧后冷却至500℃前的风冷速度1.5～3.5℃/s。

[0069] 实施例7～8采用转炉冶炼，经LF精炼、VD脱气、电磁搅拌、连铸成160mm(厚)×160mm(宽)方坯，切成长12000mm坯料轧制加热至1200～1250℃，分别保温1～2h，出炉后热轧成直径13mm盘条，终轧温度900～930℃，热轧后冷却至500℃前的风冷速度1.8～2.7℃/s。

[0070] 对比例1～5的制备方法与实施例1基本相同，具体配方或工艺参数差异详见表1及表2。

[0071] 表1实施例和对比例的化学成分wt.％

[0072] 编号 C Mn Si Cr V Ti Nb Al P S N实施例1 0.75 0.69 0.36 0.06 0.05 0.013 0.026 0.023 0.012 0.0044 0.0038实施例2 0.83 0.68 0.22 0.02 0.08 0.016 0.004 0.015 0.011 0.0028 0.0029实施例3 0.78 0.87 0.42 0.11 0.09 0.022 0.005 0.013 0.014 0.0034 0.0037实施例4 0.80 0.76 0.46 0.18 0.04 0.018 0.028 0.011 0.013 0.0029 0.0036实施例5 0.81 0.88 0.58 0.12 0.06 0.017 0.012 0.008 0.012 0.0020 0.0035实施例6 0.86 0.77 0.46 0.34 0.08 0.011 0.003 0.016 0.014 0.0041 0.0031实施例7 0.84 0.62 0.37 0.27 0.05 0.023 0.018 0.007 0.013 0.0048 0.0023实施例8 0.90 0.79 0.45 0.26 0.10 0.025 0.004 0.015 0.011 0.0037 0.0036对比例1 0.81 0.74 0.48 0.19 0.004 0.007 0.004 0.022 0.013 0.0048 0.0044对比例2 0.83 0.84 0.22 0.03 0.02 0.004 0.003 0.005 0.012 0.0043 0.0038对比例3 0.85 0.63 0.28 0.16 0.006 0.005 0.005 0.013 0.014 0.0036 0.0033对比例4 0.80 0.77 0.12 0.12 0.03 0.006 0.004 0.011 0.014 0.0038 0.0037对比例5 0.80 0.65 0.11 0.04 0.003 0.003 0.003 0.007 0.013 0.0048 0.0040[0073] 表2实施例和对比例的具体热轧冷却工艺参数

[0074]

[0075] 表3实施例和对比例的直径规格与力学性能

[0076]编号 直径/mm 抗拉强度MPa 断面收缩率/％
实施例1 14 1170 41.0
实施例2 13 1220 39.0
实施例3 13 1295 39.5
实施例4 12.5 1310 38.5
实施例5 13 1355 38.5
实施例6 13 1380 37.0
实施例7 14 1270 39.0
实施例8 12.5 1385 35.5
对比例1 13 1210 35.0
对比例2 13 1225 34.0
对比例3 14 1190 34.0
对比例4 12.5 1230 33.0
对比例5 13 1135 36.5

[0077] 由表2和3可以看出，实施例1～8热轧盘条的抗拉强度1150MPa～1350MPa级(例如，1170～1385MPa)，断面收缩率≥35％(例如，35.5％～41.0％)，直径规格12.5～14mm。

[0078] 而对比例1～5热轧直径12.5～14mm盘条的抗拉强度水平1130～1230MPa级，断面收缩率33.0％～36.5％。与相近强度的实施例1、2、3和7相比，对比例1～5的塑性相对较低。

[0079] 总体来说，实施例1～8的综合性能显著优于对比例，同时具有较高的抗拉强度和较高的断面收缩率。

[0080] 表4实施例盘条对应预应力钢稳定化热处理工艺与性能

[0081]

[0082] 如表4所示，由实施例1～8高强度盘条经酸洗、拉拔成直径5mm4级钢丝(5.05～5.25mm)，绞合后(7丝钢绞线)稳定化热处理，预应力钢绞线的抗拉强度达到1860～2060MPa级，抗应力腐蚀性能满足：按照GB/T 21839的规定开展溶液A(分析纯硫氰酸铵水溶液)、加载实际最大力80％的应力开展应力腐蚀试验，试验组不少于5组，预应力钢应力腐蚀断裂时间最小值≥2h，中位值≥5h。对比例1～5的高强度盘条经酸洗、拉拔成直径5mm级(5.05～
5.25mm)钢丝，绞合后稳定化热处理，预应力钢绞线抗拉强度1860MPa级，应力腐蚀断裂时间最小值≥2h，但中位值仅为2.8～4.1h，不满足≥5h的要求。

[0083] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。