CN108677090A - 用于仿真泥石流的新型耐磨轻质材料及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于仿真泥石流的新型耐磨轻质材料及方法，用于仿真泥石流的新型耐磨轻质材料，该材料的化学成分质量百分比为：C：0.90％～1.50％；Si：0.30％～1.00％；Mn：10％～20％；Al：1％～6％；Mo：1.0％～5.0％；Cr：1.0％～3.0％；Ni：0.25％～0.40％；V：0.28％～0.35％；混合稀土：0.1％～0.6％；P：0～0.07％；S：0～0.04％；Fe：65％～75％。用于仿真泥石流的新型耐磨轻质材料的制备方法。本发明提供了一种用于仿真泥石流的耐磨轻质材料以及制备方法，具有重大的研究价值，可应用于模拟山体滑坡、泥石流的模拟仿真等体验性设施。

Description

用于仿真泥石流的新型耐磨轻质材料及方法
技术领域
本发明涉及材料及方法，尤其涉及用于仿真泥石流的新型耐磨轻质材料及方法。
背景技术
我国是一个泥石流频发的国家，尤其是在西北与西南地区，每年因泥石流造成是经济损失及人员伤亡均很大，且泥石流的危害具有“来势凶猛、影响深远”之特点。多年来，关于泥石流灾害的风险评价受到人们的广泛关注，而且现在仍然是减灾防灾研究的热门话题。
泥石流的主要危害是冲毁城镇、矿山、乡村，造成人畜伤亡，破坏房屋及其他工程设施，破坏农作物、林木及耕地。此外，泥石流有时也会淤塞河道，不但阻断航运，还可能引起水灾。影响泥石流强度的因素较多，如泥石流容量、流速、流量等，其中泥石流流量对泥石流成灾程度的影响最为主要。
随着科学技术的进步，对泥石流的数值模拟能模拟泥石流流动部分的真实移动位置等，在很大程度上为人员的转移、躲避泥石流等提供科学依据，具有很好的预见性作用，但是数值模拟和现实仿真仍然存在着一定的差距，目前一些泥石流仿真模拟的体验性设施，仍然缺少合适的仿真泥石流材料，不利于进行实体实验，从而不能全面的掌握泥石流的移动规律等，为研究带来阻碍。
发明内容
为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了用于仿真泥石流的新型耐磨轻质材料及方法。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：用于仿真泥石流的新型耐磨轻质材料，该材料的化学成分质量百分比为：C：0.90％～1.50％；Si：0.30％～1.00％；Mn：10％～20％；Al：1.0％～6.0％；Mo：1.0％～5.0％；Cr：1.0％～3.0％；Ni：0.25％～0.40％；V：0.28％～0.35％；混合稀土：0.10％～0.60％；P：0～0.07％；S：0～0.04％；Fe：65％～75％。
混合稀土的成分为La、Ce，按质量百分比为：La：28％；Ce：72％。
用于仿真泥石流的新型耐磨轻质材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：在中频感应炉中进行熔炼，当钢水温度至1500～1650℃时加入Al，出钢前15min将已经过变质处理并且预热的混合稀土、V、Ni加入钢液中进行改性，然后吹氩气搅拌、除渣；在1500～1520℃将钢液倒入钢包中，准备浇铸；
步骤二：当温度降至1410～1470℃时，浇注入金属模具型腔中，浇铸采用低温快浇工艺，并且控制冒口结膜时间为0～5S；
步骤三：使用电炉对铸件进行热处理：以40～60℃/h的加热速度从常温加热到625～675℃，保温2～8h；然后提高加热速度到140～150℃/h，直至水韧温度达到1050～1080℃为止，保温3～5h；保温后迅速将铸件从炉中投入水中，应保证铸件入水前的温度在960℃以上，从打开炉门到铸件入水的时间要小于30S，水温保持在30℃以下，处理后水温＜60℃，以保证冷却速度，冷却速度要达到30℃/S；水韧处理后根据铸件的要求及复杂程度进行回火，回火温度控制在250～500℃，之后取出空冷；
水韧处理保温时间：T＝0.016δ{1.27[ω(C)+ω(Si)]}；
其中，T为保温时间，δ为外铸件主体或最大壁厚，ω(C)，ω(Si)为C、Si含量；
步骤四：切割与焊接：将铸件置于水中，采用水下等离子切割，将铸件切割成仿真模拟所需要的颗粒状。
步骤三中淬火前和淬火中，均保证冷却水强烈循环搅动，并且水量应不小于铸件重量的8倍。
步骤二中的浇注方式为：用热钢水点浇冒口，从浇口浇注到冒口升到其1/3高度后，从冒口浇注到冒口充满，浇注完第二型后，点浇前一型冒口。
步骤一中喷吹氩气的量为500～850L/min。
本发明用于仿真泥石流的新型耐磨轻质材料的化学成分作用为：
C：碳是决定高锰钢力学性能和耐磨性的主要元素，但含量过高时，会造成显微裂纹；碳含量过低时，韧性高，但是耐磨性不够。
Si：硅在高锰钢中可以固溶于奥氏体中，通常作为一种脱氧剂带入，提高固溶体的硬度和强度，强化固溶体的作用，提高屈服强度。当硅含量较高时，使高锰钢产生粗晶，促进碳化物沿晶界析出，降低钢的韧性和耐磨性；当硅含量较低时，碳化物常呈针片状，降低冲击韧性。
Mn：既能提高高锰钢的工硬化能力，又保持了高韧性的奥氏体组织。大断面和结构复杂的铸件含锰量应高些，用于强烈冲击的铸件，则采用低碳和高锰；锰对合金目区的扩大、奥氏体组织的稳定及MS点的降低都有很大的影响，锰可使高锰钢的奥氏体组织保持到室温，同时具有增加晶间结合力的作用。Mn的含量优选17～19％。
Al：可改善高锰钢奥氏体晶粒的异常长大的问题，还可以减少并消除高锰钢铸态组织中的网状二次碳化物、提高高锰钢的铸态冲击韧性值、并且还可以提高铸态奥氏体基体加工硬化能力，在厚壁件上铝的这些作用更大；然而铝是缩小奥氏体区元素，为了在室温得到奥氏体组织，在其他元素含量一定的情况下则必须控制好铝的含量。Al的含量优选2.5～4.5％。
P，S：磷和硫作为有害元素，产生MnS以及P的共晶，分布在晶界上，降低冲击韧性；随着P量的增加，在高锰钢中很容易出现C、Mn的偏析，会加剧磷的有害作用，因此必须严格控制其含量。
Mo：钼减慢钢中针状碳化物的析出速度，降低其析出温度，这些对高锰钢在铸态下的塑性及屈服强度提高都有利，也很好的弥补了因铬元素加入带来的不足。钼还能抑制和消除针片状碳化物形成，在大断面高锰钢铸件中加入钼可减少组织中碳化物数量，提高大断面高锰钢的韧性。
Cr：铬固溶于奥氏体后，可提高钢的屈服强度，降低钢的延伸率以及韧性，同时提高了高锰钢的稳定性，并加快了碳化物在冷却时的析出。
Ni：镍提高了高锰钢的铸态韧性和固溶态(经1050度水韧处理)的低温韧性。
V：钒具有细化高锰钢组织、提高钢的屈服强度、原始硬度及耐磨性的作用。钒可消除高锰钢中的柱状结晶，对钢的耐磨性和机构性能的提高有很好的作用。
稀土元素具有净化钢水的作用，可使夹杂物的数量及尺寸减少，可细化铸态组织、减少柱状晶，能够提高钢水的流动性，减小钢件的冷裂及热裂倾向，提高钢的加工硬化能力，改善高锰钢的工艺性能。
本发明提供了一种用于仿真泥石流的耐磨轻质材料以及制备方法，解决了目前仿真实验的仿真泥石流材料问题，不仅可以结合数值模拟进行仿真实验，还可以更加全面的掌握泥石流的移动规律，为自然灾害的防御提供了科学依据和理论支持，具有重大的研究价值，可应用于模拟山体滑坡、泥石流的模拟仿真等体验性设施。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一：
用于仿真泥石流的新型耐磨轻质材料，该材料的化学成分质量百分比为：C：1.20％；Si：0.50％；Mn：17％；Al：3.0％；Mo：2.5％；Cr：2.0％；Ni：0.30％；V：0.30％；混合稀土：0.30％(28％La+72％Ce)；P：0.04％；S：0.03％；Fe：72.83％。
用于仿真泥石流的新型耐磨轻质材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：在中频感应炉中进行熔炼，炉衬选用碱性或中性材料，当钢水温度至1550℃时加入Al，出钢前15min将已经过变质处理并且预热的混合稀土、V、Ni加入钢液中进行改性，然后吹氩气搅拌、除渣，喷吹氩气的量为500～850L/min；在1520℃将钢液倒入钢包中，准备浇铸；加入适量稀土元素，能防止晶粒长大，浇注前在浇注包中加稀土，在高锰钢中的最佳加入量为0.3％。
步骤二：当温度降至1440℃时，浇注入金属模具型腔中，浇铸采用低温快浇工艺，用热钢水点浇冒口，从浇口浇注到冒口升到其1/3高度后，从冒口浇注到冒口充满，浇注完第二型后，点浇前一型冒口，并且控制冒口结膜时间为0～5S；
步骤三：使用电炉对铸件进行热处理：以50℃/h的加热速度从常温加热到650℃，保温6h；然后提高加热速度到145℃/h，直至水韧温度达到1050℃为止，保温4h；保温后迅速将铸件从炉中投入水中，应保证铸件入水前的温度在960℃以上，从打开炉门到铸件入水的时间要小于30S，水温保持在30℃以下，处理后水温＜60℃，以保证冷却速度，冷却速度要达到30℃/S；淬火前和淬火中，均保证冷却水强烈循环搅动，并且水量应不小于铸件重量的8倍。水韧处理后根据铸件的要求及复杂程度进行回火，回火温度控制在250～500℃，之后取出空冷；
保温时间一般按铸件壁厚每25mm保温1h计算。也可按公式T＝0.016δ{1.27[ω(C)+ω(Si)]}来计算水韧处理保温时间：
其中，T为保温时间，δ为外铸件主体或最大壁厚，ω(C)，ω(Si)为C、Si含量；
步骤四：切割与焊接：将铸件置于水中，采用水下等离子切割，将铸件切割成仿真模拟所需要的颗粒状或块状。
本实施例中得到的材料的机械性能为：屈服强度为505MPa，冲击韧性176J/cm2，密度为7.30g/cm3。
实施例二：
用于仿真泥石流的新型耐磨轻质材料，该材料的化学成分质量百分比为：C：1.40％；Si：0.80％；Mn：19％；Al：4.0％；Mo：3.0％；Cr：2.0％；Ni：0.30％；V：0.30％；混合稀土：0.30％(28％La+72％Ce)；P：0.06％；S：0.03％；Fe：68.81％。
用于仿真泥石流的新型耐磨轻质材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：在中频感应炉中进行熔炼，当钢水温度至1550℃时加入Al，出钢前15min将已经过变质处理并且预热的混合稀土、V、Ni加入钢液中进行改性，然后吹氩气搅拌、除渣，喷吹氩气的量为500～850L/min；在1520℃将钢液倒入钢包中，准备浇铸；
步骤二：当温度降至1440℃时，浇注入金属模具型腔中，浇铸采用低温快浇工艺，用热钢水点浇冒口，从浇口浇注到冒口升到其1/3高度后，从冒口浇注到冒口充满，浇注完第二型后，点浇前一型冒口，并且控制冒口结膜时间为0～5S；
步骤三：使用电炉对铸件进行热处理：以50℃/h的加热速度从常温加热到650℃，保温6h；然后提高加热速度到145℃/h，直至水韧温度达到1050为止，保温4h；保温后迅速将铸件从炉中投入水中，应保证铸件入水前的温度在960℃以上，从打开炉门到铸件入水的时间要小于30S，水温保持在30℃以下，处理后水温＜60℃，以保证冷却速度，冷却速度要达到30℃/S；淬火前和淬火中，均保证冷却水强烈循环搅动，并且水量应不小于铸件重量的8倍。水韧处理后根据铸件的要求及复杂程度进行回火，回火温度控制在250～500℃，之后取出空冷；淬火用水池体积≥400m3，水池内部配有高压循环水系统，经水韧处理后，再在500℃高温回火3h。
水韧处理保温时间：T＝0.016δ{1.27[ω(C)+ω(Si)]}；
其中，T为保温时间，δ为外铸件主体或最大壁厚，ω(C)，ω(Si)为C、Si含量；
步骤四：切割与焊接：将铸件置于水中，采用水下等离子切割，将铸件切割成仿真模拟所需要的颗粒状。
本实施例中得到的材料的机械性能为：屈服强度为620MPa，冲击韧性160J/cm2，密度为7.20g/cm3。
该材料为高锰钢，具有较低的密度，同时具有优异的力学性能尤其是耐磨性能好。用作仿真泥石流材料即轻质又耐磨，真实度高、仿真效果好，通过仿真实验可进一步掌握泥石流的移动规律，具有重要的科研价值。
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.用于仿真泥石流的新型耐磨轻质材料，其特征在于：该材料的化学成分质量百分比为：C：0.90％～1.50％；Si：0.30％～1.00％；Mn：10％～20％；Al：1.0％～6.0％；Mo：1.0％～5.0％；Cr：1.0％～3.0％；Ni：0.25％～0.40％；V：0.28％～0.35％；混合稀土：0.10％～0.60％；P：0～0.07％；S：0～0.04％；Fe：65％～75％。
2.根据权利要求1所述的用于仿真泥石流的新型耐磨轻质材料，其特征在于：所述混合稀土的成分为La、Ce，按质量百分比为：La：28％；Ce：72％。
3.根据权利要求1所述的用于仿真泥石流的新型耐磨轻质材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：在中频感应炉中进行熔炼，当钢水温度至1500～1650℃时加入Al，出钢前15min将已经过变质处理并且预热的混合稀土、V、Ni加入钢液中进行改性，然后吹氩气搅拌、除渣；在1500～1520℃将钢液倒入钢包中，准备浇铸；
步骤二：当温度降至1410～1470℃时，浇注入金属模具型腔中，浇铸采用低温快浇工艺，并且控制冒口结膜时间为0～5S；
步骤三：使用电炉对铸件进行热处理：以40～60℃/h的加热速度从常温加热到625～675℃，保温2～8h；然后提高加热速度到140～150℃/h，直至水韧温度达到1050～1080℃为止，保温3～5h；保温后迅速将铸件从炉中投入水中，应保证铸件入水前的温度在960℃以上，从打开炉门到铸件入水的时间要小于30S，水温保持在30℃以下，处理后水温＜60℃，以保证冷却速度，冷却速度要达到30℃/S；水韧处理后根据铸件的要求及复杂程度进行回火，回火温度控制在250～500℃，之后取出空冷；
水韧处理保温时间：T＝0.016δ{1.27[ω(C)+ω(Si)]}；
其中，T为保温时间，δ为外铸件主体或最大壁厚，ω(C)，ω(Si)为C、Si含量；
步骤四：切割与焊接：将铸件置于水中，采用水下等离子切割，将铸件切割成仿真模拟所需要的颗粒状。
4.根据权利要求3所述的用于仿真泥石流的新型耐磨轻质材料的制备方法，其特征在于：所述步骤三中淬火前和淬火中，均保证冷却水强烈循环搅动，并且水量应不小于铸件重量的8倍。
5.根据权利要求3所述的用于仿真泥石流的新型耐磨轻质材料的制备方法，其特征在于：所述步骤二中的浇注方式为：用热钢水点浇冒口，从浇口浇注到冒口升到其1/3高度后，从冒口浇注到冒口充满，浇注完第二型后，点浇前一型冒口。
6.根据权利要求3所述的用于仿真泥石流的新型耐磨轻质材料的制备方法，其特征在于：所述步骤一中喷吹氩气的量为500～850L/min。
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