CN108070791A - 一种矿山加固用高强度锚杆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种矿山加固用高强度锚杆。所述材料的结构中自核心至外表面以气含量依次分为贫气区、过渡区和富气区，各分区中含有相同的元素以及不同的含量。所得材料具备较高的机械性能，以及优异的抗拉性能。

Description

一种矿山加固用高强度锚杆

技术领域

本发明涉及钢材料技术领域，尤其涉及一种锚杆钢及其生产方法。

背景技术

锚杆是锚固在煤、岩体内维持围岩稳定的杆状物。锚杆支护是煤矿巷道首选的、安全性高的主要支护方式，与其它支护相比，它属于一种主动支护形式，具有支护工艺简单、支护效果好、材料消耗和支护成本低、运输和施工方便等优点。随着国家煤炭工业的迅速发展和开采规模的不断扩大，煤炭安全生产已成为制约我国煤矿发展的突出问题之一，煤炭行业迫切期待更高强度级别的矿用支护锚杆。

中国专利申请号为CN201310593620.6的专利文献，公开了一种630MPa级以上高强钢筋，该高强钢筋的重量百分比成分为：碳:0.28％-0.38％、硅:0-0.35％、锰:0-0.90％、铬:0.80％-1.50％、镍:3.00％-4.00％、钼:0.40％-0.60％、磷:0-0.015％、硫:0-0.015％、氢:0-2.0ppm、钒:0.10％-0.20％、钛:0-0.025％、铜:0-0.20％、铝:0-0.05％、0-0.50％残余元素，其余为Fe。该高强钢筋的生产工艺为：步骤(1)：以铬镍钼合金结构钢为坯料，并对其进行扩氢热处理；步骤(2)：将上述扩氢热处理后的钢筋放入加热炉内加热到1350-1390℃，出加热炉后采用水冷以23-25℃/s的冷却速率将钢筋水冷至925-945℃，然后在淬火装置内用水或淬火液进行淬火，然后在回火加热炉内加热到620-640℃进行回火，再通过第一冷却工艺冷却到常温；步骤(3)：将钢筋进行初步热轧，所述初步热轧温度为1100-1150℃，所述初步热轧完成后通过第二冷却工艺将钢筋冷却至室温，然后对钢筋回热至1050℃，对钢筋进行二次热轧，二次热轧后的钢筋直径为φ8mm或φ24mm，所述二次热轧完成温度为850℃，二次热轧后对所述钢筋进行水冷/空冷二次循环间歇淬火工艺进行淬火热处理；步骤(4)：将冷却后的钢筋放入回火加热炉加热到560-580℃，保温0.1-0.2h；步骤(5)：对保温后的钢筋使用高压喷射水或淬火液以13-15℃/s的速度冷却至150-200℃，然后在冷床上冷却至室温；步骤(6)：进行检验入库。上述生产方法工艺复杂，不利于批量化生产；而且要求加热炉加热温度高，在未采取措施的情况下，易造成钢材表面脱碳严重，性能达不到要求。

中国专利申请号为CN201310234760.4的专利文献，公开了一种高强度低屈强比矿用锚杆钢微合金钒控制析出方法，采用转炉初炼→钢包钒微合金化→LF炉精炼→全保护浇注→连铸，以铁水、废钢及钒氮合金元素做原料，生产出钒的质量百分比在0.05-0.15范围内，P、S洁净钢控制质量百分比在0.01以内的高强度低屈强比矿用锚杆钢。在轧制工艺中控制如下技术参数：采用950℃-1050℃温度区间开轧，通过4架无孔型轧机+8架孔型轧机进行连续轧制，控制精轧温度在780℃-830℃范围内，上冷床温度在700℃-750℃范围内，上冷床后在550℃-750℃缓冷，使V的析出率提高15-20％，使锚杆钢的平均强度提高20-40Mpa、屈强比达到0.72、屈服强度Rel≥600Mpa、抗拉强度Rm≥800Mpa、延伸率A％≥20％、室温冲击功≥40J。但上述钢材料的室温冲击韧性低，不满足标准中对超高强度锚杆钢筋要求；且屈服强度不能完全达到使用要求。

发明人在研究抗拉强度时，发现根据合金中不同气体含量制备合金时，所得材料具备优异的抗拉强度和硬度。不仅可以用作大跨度空间结构材料，同样可用于不同用途的锚杆材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度锚杆。

本发明的目的在于提供一种高强度锚杆的制备方法。

影响合金钢强度和硬度的另一因素是溶解气体的存在。具体地说已知氢气会造成脆化，还会降低延展性和承重能力。已知，断裂破坏和突变性脆性破坏会在低于合金钢屈服值的应力下发生，尤其是在管线钢和结构钢中。氢气易沿着钢晶粒的边缘扩散，并与钢材内的碳结合成甲烷气。所述气体在晶粒边缘的小隙内聚集，形成引起裂缝的压力。加工过程中去除合金钢中氢气的方法之一是真空脱气，通常在1至150乇(torr)的压力下对熔融态的钢进行脱气。某些情形下(例如小工厂生产的钢，电弧炉操作、钢包冶金台操作)，对熔融钢进行脱气在经济上不可行，此外，真空度不够，或者未采用真空。这些情形下，氢气是通过焙热处理来去除的。这种处理的典型条件是300-700℃和数小时(例如12小时)的加热时间。这可以去除溶解氢，但却会造成碳化物沉淀。因为碳化物沉淀是从被碳超饱和的相中驱除碳所引起的，因此沉淀发生在不同相之间或晶粒之间的界面上。这些地方的沉淀降低了合金钢材的延展性，并成为腐蚀易发位点。

由于无法完全排除材料中的气体，因此本发明创造性的提出了通过改变制备方法，使得材料内部的气体分布发生改变，意外的获得到优异强度和硬度的材料。

为实现这一目的，本发明提供了如下方案：

一种矿山加固用高强度锚杆，其特征在于所述锚杆用材料的结构中自核心至外表面以气气含量依次分为贫气区、过渡区和富气区，各组份及其质量百分比为：

所述贫气区材料的组成为：C：2.1-2.8％；Mn：3.1-3.5％；W：6-7%；Cr：2-3%；Nd：0.4-0.5%；Tb：0.6-0.7%；Y：0.7-0.8%；其余为Fe；

所述过渡区材料的组成为：C：3-4％；Mn：3.5-4％；W：9-10%；Cr：4-5%；Nd：0.8-1.0%；Tb：0.7-0.8%；Y：0.7-0.8%；其余为Fe；

所述富气区材料的组成为：C：3.5-4％；Mn：4.1-4.5％；W：10-11%；Cr：4.5-6%；Nd：1.0-1.3%；Tb：0.9-1.0%；Y：1.1-1.2%；其余为Fe。

优选地，所述锚杆用材料中，所述贫气区材料在整个材料中的含量比为15~80%，所述过渡区材料在整个材料中的含量比为1~6%，所述富气区中材料在整个材料中的含量比为15~80%。

优选地，所述贫气区材料在整个材料中的含量比为60%，所述过渡区材料在整个材料中的含量比为5%，所述富气区材料在整个材料中的含量比为35%。

优选地，所述贫气区材料在整个材料中的含量比为75%，所述过渡区材料在整个材料中的含量比为3%，所述富气区中材料在整个材料中的含量比为22%。

优选地，所述贫气区材料在整个材料中的含量比为80%，所述过渡区材料在整个材料中的含量比为5%，所述富气区中材料在整个材料中的含量比为15%。

所述的锚杆，通过下述方法制备：

(1)按照相应的质量比例，称取99%的碳化钨，99%的电解锰，60%的铬铁合金，99%的金属Nd块，Fe- 50%Gd，Fe- 50%Y，99.5%的金属Tb块，余量为99.95%的铁锭；

(2)将准备好的原料加入到真空中频感应炉中，封闭好炉子，抽真空，炉内压力降到时760mmHg后充入氩气达到500mmHg，开始加热，加热段温度控制在1300-1500℃，均热段温度控制在1600-1750℃；所述所述加热段和所述均热段时间分别控制在10-15分钟；

(3)炉温冷却至850-890℃保温25-30分钟，然后炉冷至350-380℃后保温15-19分钟，最后冷却至室温；

(4)将步骤(3)所得基材在氧化带在空燃比0.9～1.0的气氛中氧化，其后，在还原带在含有氢和氮的露点-40～-55℃的气氛且950～1000℃进行还原、均热后，以20～30℃/秒冷却，截成所需锚杆长度。

实施例

下面通过实施例对本发明作进一步说明。应该理解的是，本发明实施例所述方法仅仅是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的构思前提下对本发明制备方法的简单改进都属于本发明要求保护的范围。实施例中用到的所有原料均为市售产品。

实施例1：

(1)按照贫气区材料的组成为：C：2.5％；Mn：3.5％；W：6%；Cr：2%；Nd：0.4%；Tb： 0.7%；Y：0.7%；其余为Fe；

过渡区材料的组成为：C：3％；Mn：4％；W：9%；Cr：4%；Nd：0.9%；Tb：0.7%；Y：0.7%；其余为Fe；

富气区材料的组成为：C：3.5％；Mn：4.1％；W：10%；Cr：4.5%；Nd：1.0%；Tb：0.9%；Y：1.1%；其余为Fe。称取相应99%的碳化钨， 99%的电解锰， 60%的铬铁合金， 99%的金属Nd块，Fe-50%Gd，Fe- 50%Y，99.5%的金属Tb块，余量为99.95%的铁锭；

(2)将准备好的原料加入到真空中频感应炉中，封闭好炉子，抽真空，炉内压力降到时760mmHg后充入氩气达到500mmHg，开始加热，加热段温度控制在1500℃，均热段温度控制在1750℃；所述所述加热段和所述均热段时间分别控制在10分钟；

(3)炉温冷却至860℃保温30分钟，然后炉冷至360℃后保温19分钟，最后冷却至室温；

(4)将步骤(3)所得基材在氧化带在空燃比0.9的气氛中氧化，其后，在还原带在含有氢和氮的露点-40～-55℃的气氛且950℃进行还原、均热后，以26℃/秒冷却。

实施例2：

(1)按照贫气区材料的组成为：C：2.8％；Mn：3.3％；W：7%；Cr：3%；Nd：0.5%；Tb：0.7%；Y：0.8%；其余为Fe；

过渡区材料的组成为：C：4％；Mn：4％；W：10%；Cr：5%；Nd：1.0%；Tb：0.8%；Y：0.7%；其余为Fe；

富气区材料的组成为：C：4％；Mn：4.5％；W：11%；Cr：6%；Nd：1.0%；Tb：0.9%；Y：1.1%；其余为Fe。称取相应99%的碳化钨， 99%的电解锰， 60%的铬铁合金， 99%的金属Nd块，Fe- 50%Gd，99.5%的金属Tb块，Fe- 50%Y，余量为99.95%的铁锭；

(2)将准备好的原料加入到真空中频感应炉中，封闭好炉子，抽真空，炉内压力降到时760mmHg后充入氩气达到500mmHg，开始加热，加热段温度控制在1400℃，均热段温度控制在1650℃；所述所述加热段和所述均热段时间分别控制在10分钟；

(3)炉温冷却至890℃保温30分钟，然后炉冷至380℃后保温19分钟，最后冷却至室温；

(4)将步骤(3)所得基材在氧化带在空燃比1.0的气氛中氧化，其后，在还原带在含有氢和氮的露点-40～-55℃的气氛且1000℃进行还原、均热后，以30℃/秒冷却。

锚杆性能测试：

按照MT 146.1-2002所述方法对实施例1和2所述材料进行性能测试，测试结果如下所 示：

试样编号	屈服强度(MPa)	抗拉强度(MPa)	延伸率A5，%	冲击功(室温Akv)，J
					实施例1	1540	2078	19	160
实施例2	1591	2089	18	168

Claims (7)

1.一种矿山加固用高强度锚杆，其特征在于所述锚杆用材料的结构中自核心至外表面以气气含量依次分为贫气区、过渡区和富气区，各组份及其质量百分比为：

所述贫气区材料的组成为：C：2.1-2.8％；Mn：3.1-3.5％；W：6-7%；Cr：2-3%；Nd：0.4-0.5%；Tb：0.6-0.7%；Y：0.7-0.8%；其余为Fe；

所述过渡区材料的组成为：C：3-4％；Mn：3.5-4％；W：9-10%；Cr：4-5%；Nd：0.8-1.0%；Tb：0.7-0.8%；Y：0.7-0.8%；其余为Fe；

所述富气区材料的组成为：C：3.5-4％；Mn：4.1-4.5％；W：10-11%；Cr：4.5-6%；Nd：1.0-1.3%；Tb：0.9-1.0%；Y：1.1-1.2%；其余为Fe。

2.根据权利要求1所述的锚杆，其特征在于所述锚杆用材料中，所述贫气区材料在整个材料中的含量比为15~80%，所述过渡区材料在整个材料中的含量比为1~6%，所述富气区中材料在整个材料中的含量比为15~80%。

3.权利要求1所述的锚杆，其特征在于所述锚杆用材料中，所述贫气区材料在整个材料中的含量比为60%，所述过渡区材料在整个材料中的含量比为5%，所述富气区材料在整个材料中的含量比为35%。

4.根据权利要求1所述的锚杆，其特征在于所述锚杆用材料中，所述贫气区材料在整个材料中的含量比为75%，所述过渡区材料在整个材料中的含量比为3%，所述富气区中材料在整个材料中的含量比为22%。

5.根据权利要求1所述的锚杆，其特征在于所述锚杆用材料中，所述贫气区材料在整个材料中的含量比为80%，所述过渡区材料在整个材料中的含量比为5%，所述富气区中材料在整个材料中的含量比为15%。

6.权利要求1-5任一所述的锚杆，其特征在于通过下述方法制备：

(1)按照相应的质量比例，称取99%的碳化钨，99%的电解锰，60%的铬铁合金，99%的金属Nd块，Fe- 50%Gd，Fe- 50%Y，99.5%的金属Tb块，余量为99.95%的铁锭；

(2)将准备好的原料加入到真空中频感应炉中，封闭好炉子，抽真空，炉内压力降到时760mmHg后充入氩气达到500mmHg，开始加热，加热段温度控制在1300-1500℃，均热段温度控制在1600-1750℃；所述所述加热段和所述均热段时间分别控制在10-15分钟；

(3)炉温冷却至850-890℃保温25-30分钟，然后炉冷至350-380℃后保温15-19分钟，最后冷却至室温；

(4)将步骤(3)所得基材在氧化带在空燃比0.9～1.0的气氛中氧化，其后，在还原带在含有氢和氮的露点-40～-55℃的气氛且950～1000℃进行还原、均热后，以20～30℃/秒冷却，截成所需锚杆长度。

7.权利要求1-5任一所述的矿山加固用高强度锚杆制备方法：

(1)按照相应的质量比例，称取99%的碳化钨，99%的电解锰，60%的铬铁合金，99%的金属Nd块，Fe- 50%Gd，Fe- 50%Y，99.5%的金属Tb块，余量为99.95%的铁锭；

(2)将准备好的原料加入到真空中频感应炉中，封闭好炉子，抽真空，炉内压力降到时760mmHg后充入氩气达到500mmHg，开始加热，加热段温度控制在1300-1500℃，均热段温度控制在1600-1750℃；所述所述加热段和所述均热段时间分别控制在10-15分钟；

(3)炉温冷却至850-890℃保温25-30分钟，然后炉冷至350-380℃后保温15-19分钟，最后冷却至室温；

(4)将步骤(3)所得基材在氧化带在空燃比0.9～1.0的气氛中氧化，其后，在还原带在含有氢和氮的露点-40～-55℃的气氛且950～1000℃进行还原、均热后，以20～30℃/秒冷却，截成所需锚杆长度。