Hochfester Stabstahl: Herstellung und Eigenschaften

1. Vorwort

Hochfester Stabstahl gilt als das Rückgrat und Skelett der Bauindustrie. Derzeit gibt es fünf Hauptbereiche für die Entwicklung von hochfesten Bewehrungsmaterialien:

• Schwerpunkt ist die Forschung, Entwicklung, Förderung und Einführung von hochfestem Stabstahl mit einer Festigkeit von 500 MPa und mehr.
• Der Schwerpunkt liegt auf der Herstellung und Verwendung von seismischer Bewehrung.
• Schwerpunkt ist die Forschung, Entwicklung, Förderung und Anwendung von korrosionsbeständigen Bewehrungen.
• Verstärkung der Forschung, Entwicklung, Förderung und Anwendung von kosteneffizienten, leistungsstarken Bewehrungen.
• Der Schwerpunkt liegt auf der Erforschung der Anwendungstechnik für hochfeste Bewehrung.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über die Eigenschaften und das Herstellungsverfahren von hochfestem und erdbebensicherem Stabstahl mit einer Güte von 500 MPa und mehr für den Hochbau.

2. Herstellungsverfahren für hochfeste Bewehrung mit 500 MPa und mehr

2.1 Herstellungsverfahren der hochfesten 500MPa-Bewehrung

Das Hauptverfahren zur Herstellung von hochfestem 500MPa-Stahl umfasst die Zugabe des Mikrolegierungselements Vanadium zu niedrig legiertem Stahl 20MnSi und die Verwendung von kostengünstigem Stickstoff zur Ausscheidungshärtung. Dadurch kann der Stahl eine Festigkeit von 500 MPa erreichen.

Die Technologie der Vanadium-Mikrolegierung hat mehrere Vorteile, darunter eine kostengünstige und vernünftige Zusammensetzung, eine stabile Verstärkungsleistung, ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Streckgrenze und eine hervorragende Tieftemperatur- und Schweißleistung.

Dieses Verfahren gilt als optimale Methode zur Herstellung einer hochfesten 500MPa-Verstärkung.

2.1.1 Aufbau der Zusammensetzung und mechanische Eigenschaften

GB1499.2 (überarbeitet 2016) legt fest, dass die chemische Zusammensetzung und das Kohlenstoffäquivalent des HRB500 die in Tabelle 1 aufgeführten Anforderungen erfüllen müssen. Darüber hinaus müssen Elemente wie Vanadium, Niobium und Titan kann dem Stahl je nach Bedarf hinzugefügt werden.

Tabelle 1 in GB1499.2 (überarbeitet 2016) beschreibt die Anforderungen an die chemische Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften von hochfester Bewehrung für 500 MPa.

2.1.2 Technische Route

Zu den technischen Verfahren zur Herstellung von hochfestem 500MPa-Stahl gehören die Wärmebehandlung nach dem Walzen, das Feinstkornverfahren und das Mikrolegierungsverfahren.

Bei den ersten beiden Verfahren wird die Zusammensetzung des niedrig legierten Stahls 20MnSi verwendet, während beim Mikrolegierungsverfahren dem 20MnSi mikrolegierende Elemente wie Vanadium, Niob und Titan hinzugefügt werden.

1) Mikrolegierung

Die Technologie der Mikrolegierung verbessert die Mechanische Eigenschaften von Stahl durch Hinzufügen von Mikrolegierungselementen zu 20MnSi-Stahl durch metallurgische Methoden. Der Verfestigungsmechanismus beinhaltet die Bildung von Karbiden und Nitriden mit hohem Schmelzpunkt und hoher Härte aus den Mikrolegierungselementen und den Kohlenstoff- und Stickstoffatomen des Stahls.

Einerseits ist die Ausscheidung dieser Karbide und Nitride auf dem Austenit Korngrenze behindert das Wachstum der Austenitkörner während der Erwärmung und führt zu einer Feinkornverfestigung.

Andererseits ist die Ausscheidung dieser Karbide und Nitride während oder nach der Umwandlung von Austenit in Ferrit behindert die Versetzungsbewegung im Eisengitter und führt zu einer Ausscheidungshärtung.

2) Feinstkorntechnologie

Die Feinstkorntechnologie ist ein modernes Produktionsverfahren, das kontrolliertes Walzen und kontrollierte Abkühlung kombiniert und keine Zugabe von Mikrolegierungselementen erfordert. Die Umsetzung dieses Verfahrens erfordert eine computergestützte Steuerung der Temperatur in der gesamten Stahlwalzanlage, und das spezifische System des Stahlwalzprozesses muss auf die Sorte und die Spezifikationen des Stahls zugeschnitten sein.

Bei dieser Technologie wird eine Kombination aus rekristallisationsgesteuertem Walzen, nicht rekristallisationsgesteuertem Walzen, verformungsinduzierter Ferritumwandlung und dynamischer Ferritrekristallisation eingesetzt, um die Korngröße und das Gefüge zu steuern und letztendlich eine feinkörnige Verfestigung des Stahls zu erreichen.

3) Restwärmebehandlung nach dem Walzen

Die Technologie der Abwärmebehandlung nach dem Walzen ist ein Verfahren, das keine Zugabe von Mikrolegierungselementen erfordert. Es integriert die Prozesse des Warmwalzens und der Wärmebehandlung, wobei die Stahlstäbe nach dem Warmwalzen zur Oberflächenabkühlung online abgeschreckt werden und dann die Abwärme des Stahlkerns zum Anlassen der Oberflächenschicht der Stahlstäbe verwendet wird. Dadurch wird die Oberflächenstruktur des Stabstahls in gehärteten Sorbit umgewandelt, der die Martensit Orientierung, während der Kern eine verfeinerte Ferrit- und Perlitstruktur mit einem höheren relativen Gehalt an Perlit aufweist. Dies führt letztendlich dazu, dass 20MnSi-Stahl durch mikrostrukturelle Verstärkung ein Festigkeitsniveau von 500 MPa erreicht.

Obwohl die Wärmebehandlung nach dem Walzen und die Feinstkornverfahren keine Zugabe von Mikrolegierungselementen erfordern, sind sie mit hohen Anlagenkosten und einem geringen Verhältnis von Festigkeit zu Streckgrenze verbunden und neigen zur Alterung. Daher sind diese Verfahren nicht für mechanische Verbindungen durch Schweißen oder Oberflächenbeschädigung geeignet.

Das Mikrolegierungsverfahren hat die niedrigsten Ausrüstungskosten, da es keine Temperaturregelungsanlagen in der Stahlwalzstraße erfordert. Außerdem hat sie ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Streckgrenze, eine geringe Alterungsempfindlichkeit und eine gute Schweißleistung.

Aus dem Vergleich der Produktleistung und der Produktionskosten kann der Schluss gezogen werden, dass das Mikrolegierungsverfahren die beste technische Methode zur Herstellung von hochfestem 500MPa-Stahl ist.

Tabelle 2 in GB1499.2 (überarbeitet 2016) beschreibt die Anforderungen an die chemische Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften von hochfester Bewehrung für 600 MPa.

2.2 Herstellungsverfahren der hochfesten 600MPa-Bewehrung

2.2.1 Aufbau der Zusammensetzung und mechanische Eigenschaften

Gegenwärtig können Stahlwerke wie Shagang, Chenggang und Jigang in China nachweislich erfolgreich 600 MPa warmgewalzten verformten Stabstahl herstellen.

Tabelle 2 in GB1499.2 (überarbeitet 2016) umreißt die Anforderungen an die chemische Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften der hochfesten 600MPa-Bewehrung HRB600.

2.2.2 Technische Route

Gegenwärtig können viele Stahlwerke in China hochfesten Stabstahl der Güteklasse 600 MPa herstellen, der in Bauprojekten verwendet wird. Die chemische Zusammensetzung, die Phasenumwandlung und die Entwicklung der Mikrostruktur dieser Stabstähle und ihre Beziehung zu den Walz- und Kühlprozessen sind jedoch nur begrenzt erforscht. Dies führt dazu, dass die Technologie der Mikrolegierung und die kontrollierten Walz- und Kühlprozesse nicht richtig aufeinander abgestimmt sind, was zur Verschwendung teurer Ressourcen führt. Legierungselemente und die Nichteinhaltung der erforderlichen mechanischen Eigenschaften des Stabstahls.

Inländische Stahlwerke wie Shagang, Chenggang und Jigang, die die HRB600-Produktion erfolgreich durchgeführt haben, verwenden in erster Linie die Vanadium-Legierungstechnik, bei der Vanadium hinzugefügt wird, um die Festigkeit deutlich zu erhöhen. Die Herstellung von hochfestem 600-MPa-Stahl durch den Einsatz von Niob, Titan und Prozesskontrolle ist noch selten.

Die Vanadiumlegierungstechnologie ist weltweit der wichtigste technische Weg zur Entwicklung von hochfestem schweißbarem Stabstahl. Die Prozesssteuerung kann entweder durch kontrolliertes Walzen und kontrollierte Abkühlung oder durch eine Wärmebehandlung nach dem Walzen erreicht werden. Hochfester Stabstahl wird durch kontrolliertes Walzen und kontrollierte Abkühlung hergestellt, hauptsächlich durch Walzen bei niedriger Temperatur und schnelle Abkühlung, um die Korngröße zu verringern und die Festigkeit zu verbessern.

Die Verwendung desselben Produktionsverfahrens wie bei Stäben aus mittel- und niedrigfestem Stahl zur Herstellung von hochfestem 600 MPa-Stahl durch Legieren hat mehrere Vorteile. Erstens werden dadurch die Umstellung der Produktionslinie und die damit verbundenen Probleme, einschließlich der Kosten für die Änderung der Ausrüstung, vermieden. Zweitens hilft es bei der schnellen Produktion und Förderung neuer HRB600-Produkte in großem Maßstab.

Wenn man sich jedoch ausschließlich auf die Legierung zur Verbesserung der Festigkeit verlässt, steigen die Kosten der Legierungen, und ein höherer Legierungsgehalt kann auch strukturelle Anomalien verursachen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der derzeitige Weg zur Herstellung von hochfester 600 MPa-Verstärkung hauptsächlich in der Legierung besteht, die durch eine Prozesssteuerung ergänzt wird. In der Anfangsphase sollte der Herstellungsprozess der hochfesten 600 MPa-Bewehrung so nah wie möglich an dem der mittel- und niedrigfesten Bewehrung liegen, um die breite Einführung und Anwendung zu erleichtern.

3. Herstellungsverfahren der hochfesten Erdbebenschutzbewehrung

Aufgrund der wachsenden Nachfrage der chinesischen Bauindustrie nach hochleistungsfähigem Stabstahl ist die Sorge um die Sicherheit und Erdbebensicherheit von Bauwerken weit verbreitet.

3.1 Aufbau der Zusammensetzung und mechanische Eigenschaften

In der Norm GB 1499.2-2007 wird der seismische Leistungsindex der Bewehrung zum ersten Mal in eine nationale Norm aufgenommen. Es wurden drei repräsentative seismische Bewehrungskennwerte festgelegt: das Verhältnis von Festigkeit und Streckgrenze (R ˚ m /R ˚ eL), das Super Biegeverhältnis (R ˚ eL/ReL), und die Gesamtdehnung bei maximaler Kraft (Agt).

Die Tabellen 3 und 4 zeigen die chemische Zusammensetzung und die Indizes der mechanischen Eigenschaften für die seismische Bewehrung HRB400E und HRB500E aus einem inländischen Stahlwerk. Diese Indizes wurden aus der Mehrprobenprüfung gewonnen.

Tabelle 3 Chemische Zusammensetzung der seismischen hochfesten Bewehrung HRB400E und HRB500E %

Tabelle 4 Mechanische Eigenschaften der seismischen hochfesten Bewehrung HRB400E und HRB500E

3.2 Technischer Weg

3.2.1 Mikrolegierungsverfahren

Die Ermüdungsleistung bei hoher Beanspruchung und geringen Zyklen ist der wichtigste seismische Index für Stahlstäbe.

Die primäre Methode zur Verbesserung der Ermüdungseigenschaften von seismischem Stabstahl bei hoher Beanspruchung und niedrigen Zyklen ist das Mikrolegieren. Diese Technologie ist sowohl im Inland als auch international weit verbreitet, um die umfassenden Eigenschaften von Stahlstäben durch Kornfeinung und Ausscheidungshärtung zu verbessern.

In China wird Vanadium als mikrolegierendes Element bevorzugt, und gleichzeitig wird eine kleine Menge Stickstoff hinzugefügt, um die Anzahl der V(C, N)-Ausscheidungsphasen zu erhöhen. Dadurch wird die Rolle der Ausscheidungshärtung und der Feinkornhärtung gestärkt und die seismische Leistung des Stahls erheblich verbessert.

Einigen Forschern ist es auch gelungen, mit Hilfe eines Cr+V-Mikrolegierungsverfahrens eine hochfeste, erdbebensichere Feinkornbewehrung der Güte 600MPa zu entwickeln. Vanadium wird zur Bildung von V(C, N)-Verbindungen in Stahl verwendet, was dessen Festigkeit erheblich verbessert. Zusätzlich wird eine bestimmte Menge Chrom hinzugefügt, um die seismische Leistung der Bewehrung zu verbessern. Die endgültigen mechanischen Eigenschaften erfüllen die Anforderungen an eine hochfeste Erdbebensicherheit von 600 MPa.

Die metallografische Struktur der Bewehrung besteht aus Ferrit+Perlit" am Rand und in der Mitte, ohne Bainit- oder Randanlassstruktur, die sich negativ auf die Gebrauchseigenschaften auswirken würde.

3.2.2 Technologie der Feinkristallisation

Japan hat eine lange Tradition in der Erforschung der Feinkristallisationstechnologie, bei der das Walzen mit großer Verformung mit dynamischer Rekristallisation zur Verfeinerung der Kornstruktur kombiniert wird. Dies hat zur Entwicklung einer ultrahochfesten seismischen Bewehrung mit einem Festigkeitsbereich von 685-980 MPa geführt, der als international fortschrittlich gilt.

Im Gegensatz dazu konzentriert sich China auf die Kombination von Verformung und Phasenumwandlung, um eine Kornfeinung zu erreichen.

Feinkornstahl zeichnet sich durch eine große Bandbreite an zyklischer plastischer Verformung und eine geringe Wahrscheinlichkeit der Rissbildung während der Materialverformung aus. Darüber hinaus haben diese Stäbe eine höhere zyklische Zähigkeit und eine geringere zyklische Ermüdungslebensdauer als wärmebehandelte Stäbe aus Stahl. Außerdem hat ultrafeinkörniger Stahl bessere Schweißbarkeit als Ferrit-Perlit-Stahl.

Es gibt jedoch immer noch einige Einschränkungen bei der praktischen Anwendung von Feinkornstahlstäben. Dazu gehören strenge Anforderungen an die Ausrüstung und die Werkstückgröße, ungleichmäßiges Gefüge und ungleichmäßige Eigenschaften aufgrund von Verformung und ungleichmäßiger Abkühlung von großformatigen Stäben sowie eine Verringerung des Streckgrenzenverhältnisses aufgrund eines höheren Anstiegs der Streckgrenze als der Zugfestigkeit, wenn die Korngröße zu klein ist. Feinkörniger Stahl hat auch eine niedrige Korrosionsbeständigkeit aufgrund seines feinen Korngefüges und der erhöhten Anzahl von Korngrenzen.

Daher ist eine Weiterentwicklung der Feinkristallisationstechnologie erforderlich.

4. Schlussfolgerung

Drei gängige Verfahren zur Herstellung von hochfestem Stabstahl sind das Mikrolegieren, die Feinkristallisation und die Abwärmebehandlung.

Im Vergleich zu den beiden anderen Verfahren haben mikrolegierte Stäbe den Vorteil einer stabilen Leistung, einer geringen Empfindlichkeit gegenüber der Reckalterung und einer guten Schweißleistung.

Abwärmebehandelter Stabstahl wird durch Abschrecken von warmgewalztem Stabstahl hergestellt, was zu einer höheren Festigkeit führt. Dieses Verfahren ist ressourcen- und energieeffizient und führt zu niedrigeren Produktionskosten.

Feinkörnige Bewehrung ist in der Lage, sowohl die Festigkeits- als auch die Zähigkeitsanforderungen für seismische Bewehrung zu erfüllen.

Trotz dieser Fortschritte gibt es immer noch einige Herausforderungen bei den oben genannten Prozessen, darunter:

• Die hohen Produktionskosten der Mikrolegierungs-Technologie;
• Die geringe Duktilität, Schweißbarkeit, mechanische Verbindungsleistung und bauliche Anpassungsfähigkeit von Abfallwärmebehandlungsbewehrungen;
• Die Komplexität der Feinkristallisationstechnologie und das niedrige Streckgrenzenverhältnis der Bewehrung.

Daher ist es für die Herstellung von hochfestem Stabstahl von entscheidender Bedeutung, Mikrolegierungs-, Feinkristallisations- und Abhitzebehandlungsverfahren auf der Grundlage der tatsächlichen Anwendungserfordernisse und der Kosteneffizienz effektiv zu kombinieren. Dadurch wird nicht nur der Zusatz von Legierungselementen reduziert und die Produktionskosten gesenkt, sondern auch die Mechanische Eigenschaften von Stahl Bars.