一种纳米改性高锰钢材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于材料和加工制造技术；具体涉及一种用于地质勘探、矿石开采、筑路架 桥、水泥加工、电力行业物料粉碎的矿用纳米改性高锰钢材料及其制造的方法。
【背景技术】
[0002] 目前我国各类矿山用矿石破碎机锤头、颚板和磨机等选矿设备中的衬板等易损件 一般都采用ZGMnl3高锰钢材质。这类易损件在使用时要承受一定的冲击和磨料磨损，因此 其材质应具良好的抗磨性能和一定的冲击韧性，以保证其耐磨性能。ZGMnl3奥氏体高锰钢 的冲击韧性很高（ak值达200J/cm2)，原始硬度不超过HB230,但在高的冲击负荷作用下，工 作表面层能够产生硬化效应，其表面硬度可达HRC42-48,而中心仍保持优良的韧性。但在很 多工矿下服役时冲击能量不够高，达不到形变诱发相变的临界冲击载荷，则奥氏体高锰钢 表面的冲击硬化效应不能充分产生，高锰钢表面就达不到所需的高硬度，于是工体会很快 磨损。同时高锰钢的屈服极限较低（约为350Mpa左右)，在使用中，尤其是使用前期工件易 发生塑性变形。即高锰钢在低冲击负荷下的上述不足常常导致工件的韧性有余而冲击硬化 效果不够，致使耐磨性差，磨损失效快，工件寿命短。
[0003] 纳米科技的发展使我们可以在节约稀贵合金的同时大幅度提高用于锤头、衬板和 磨球的高锰钢材料的性能，用低能耗利环保的生产方式生产出高寿命高性价比的更加优质 的产品。研宄表明：提高材料的硬度和韧性，能够显著增加材料的耐磨性，增加衬板、磨球或 是锤头的使用寿命，降低材料磨损消耗和使用成本。中国发明专利ZL200710144723. 9技术 是在Cr-Mo-Cu合金铸铁中加入纳米改性剂进行强韧化改性，改性后Cr-Mo-Cu合金铸铁中 的物相、石墨形态及其硬度发生了显著的变化。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了同时提高高锰钢材料的强度、硬度、弹性模量、韧性、耐磨和 抗蚀性能，解决现有高锰钢锤头、磨球和衬板材料抗磨性差、使用寿命短，需要频繁更换的 问题，而提供了一种纳米改性高锰钢材料及其制备方法。
[0005] -种纳米改性高猛钢材料，由传统的高猛钢和纳米改性剂材料制成，纳米改 性剂材料占纳米改性高锰钢材料总重量〇. 01-5. 00%，所述的纳米改性剂材料的粒径为 l-500nm，所述的纳米改性剂材料为成分A或/和成分B，成分A为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷 中的一种或几种混合，成分B为稀土相材料。
[0006] 前面所述的纳米改性高锰钢材料，优选的方案在于，氧化物陶瓷为A1203、Ti02、Zr02陶瓷中的一种或几种混合。
[0007] 前面所述的纳米改性高锰钢材料，优选的方案在于，氮化物陶瓷为TiN、TiCN、AlN、 BN和Si3N4陶瓷中的一种或几种混合。
[0008] 前面所述的纳米改性高锰钢材料，优选的方案在于，稀土相材料为稀土元素、稀土 氢氧化物、稀土氧化物、稀土氯化物、稀土硅化物、稀土碳化物和稀土氮化物等稀土化合物 中的一种或其中几种的混合。
[0009] 前面所述的纳米改性高锰钢材料，优选的方案在于，稀土元素为钇（Y)、钪（Sc)、 镧（La)、铒（Er)、铈（Ce)、镨（Pr)、钕（Nd)、镥（Lu)、钐（Sm)、钆（Gd)、镝（Dy)、钬（Ho)、铥 (Tm)或镱（Yb)(优选的，稀土氢氧化物为Ce(OH) 3、Nd(0H) 3、Eu(0H) 3、Gd(0H) 3、Tb(0H) 3、Dy(0H) 3、H〇(OH) 3、Er(0H) 3、Tm(0H) 3、Yb(0H) 3或1^1(011) 3;稀土氧化物为La203、Nb203、Eu203、Gd203、Tb203、Er203、Yb203、CeO^Y203;稀土氯化物为YC13、CeCl3、PrCl3、 NdCl3、SmCl3、EnCl3、GdCl3、TbCl3、DyCl3、ErCl3、TmCl3、YbCl3、LuC13或LaCl3;稀土硅化物为 NdSi2、CeSi2、PrSi2、SmSi2、EuSi2、GdSi2、TbSi2、DySi2、HoSi2、ErSi2、TmSi2、YbSi2、1^512或 YSi2;稀土氮化物为Y3N、CeN、PrN、NdN、SmN、EuN、GdN或TbN)。
[0010] 前面所述的纳米改性高猛钢材料，优选的方案在于，纳米改性剂材料占纳米改性 高锰钢材料总重量的〇. 02-4. 00%。
[0011] 前面所述的纳米改性高猛钢材料，优选的方案在于，纳米改性剂材料占纳米改性 高锰钢材料总重量的〇. 40-2. 00%。
[0012] 前面所述的纳米改性高锰钢材料，优选的方案在于，纳米改性剂材料的颗粒粒径 为l_300nm。
[0013] 前面所述的纳米改性高锰钢材料，优选的方案在于，纳米改性剂材料的颗粒粒径 为 20_60nm。
[0014] 本发明纳米改性高锰钢材料的制造方法采用的是熔融浇铸法，其特征在于纳米改 性剂材料的加入方式是在铸造过程中，炉前孕育处理时加入纳米改性剂；或者在铸造过程 中，先将纳米改性剂放入浇包中，再倒入熔融的钢液通过浇铸口注入型腔中得到纳米改性 高锰钢铸件，然后在1100°c对纳米改性高锰钢铸件进行水韧处理。
[0015] 本发明纳米改性技术改善了目前高锰钢材料的强度、硬度、弹性模量、韧性、耐磨 和抗蚀性能等都将得到改善，使得最终产品的使用性能和寿命明显提高。纳米改性高锰 钢材料与同类传统高锰钢材料相比，硬度可提高15-25%，弹性模量提高6-10%，韧性提高约 10-30%，冲击磨损性能提高50-100%，耐腐蚀性能提高100%以上。
[0016] 本发明方法的制造方法工艺简单、便于操作。
【附图说明】
[0017] 图1为高锰钢的金相组织：a为传统高锰钢；b，c，d为三种改性的高锰钢；图2给 出了高锰钢在5J冲击功下磨损量与磨损时间的关系；图3是传统高锰钢冲击lh后的表面 形貌SEM照片：a为50倍；b为500倍；图4是改性高锰钢冲击lh后的表面形貌SEM照片： a为50倍；b为500倍；图5为高猛钢冲击磨损后自表面至心部的显微硬度分布；图6给出 了高锰钢均匀腐蚀速率对比。
【具体实施方式】
[0018] 以下以具有代表性例子对本发明再做进一步说明。当然在此要指出，本专利的保 护范围不受以下所举例子的限制。
[0019]【具体实施方式】一：本实施方式中纳米改性高锰钢材料是由传统的高锰钢和纳米改 性剂材料制成，纳米改性剂材料占纳米改性高锰钢材料总重量0. 〇1~5. 00%，所述的纳米改 性剂材料包括纳米陶瓷相材料或/和纳米稀土相材料。所述的纳米陶瓷相材料为颗粒粒径 为l~500nm的纳米化合物陶瓷；所述的纳米化合物陶瓷为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷。所述的 纳米稀土相材料为颗粒粒径为]~500nm的稀土元素和/或稀土化合物。所述的稀土化合物 为稀土氢氧化物、稀土氧化物、稀土氯化物、稀土硅化物。
[0020] 当本实施方式中纳米改性剂材料为混合物时，各种纳米材料间可按任意比混合。
【具体实施方式】 [0021] 二：本实施方式与一不同的是纳米改性剂材料占纳米 改性高锰钢材料总重量0. 〇2~4. 00%。其它与一相同。
【具体实施方式】 [0022] 三：本实施方式与一不同的是纳米改性剂材料占纳米 改性高锰钢材料总重量〇. 1〇~3. 00%。其它与一相同。
【具体实施方式】 [0023] 四：本实施方式与一不同的是纳米改性剂材料占纳米 改性高锰钢材料总重量〇. 40~2. 00%。其它与一相同。
【具体实施方式】 [0024] 五：本实施方式与一不同的是纳米改性剂材料占纳米 改性高锰钢材料总重量〇. 50~1. 00%。其它与一相同。
【具体实施方式】 [0025] 六：本实施方式与一不同的是纳米改性剂材料占纳米 改性高锰钢材料总重量〇.