[发明专利]一种掺杂纳米晶刚玉硬质点弥散相的高锰钢的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及高锰钢材料技术领域，具体涉及一种掺杂纳米晶刚玉硬质点弥散相的高锰钢的制备方法。

背景技术

高锰钢由于兼具耐磨性能好、韧度高的特点，因此，在使用中不易断裂，安全可靠，被广泛用于制造在冲击磨料磨损和高硬力碾碎磨料磨损工况下使用的工件。如球磨机衬板、立磨磨辊、锤式破碎机锤头、圆锥破碎机轧臼壁及破碎壁，还有如挖掘机斗齿、斗壁，铁道道岔，拖拉机和坦克的履带板等。

目前，国内外多采用在高锰钢中添加稀土等元素以增加其铸件的强度和硬度，达到提高耐磨性的目的，比如CN1924059A便是加入了0.1~5%的稀土铼元素；又例如专利申请CN103451546A中的变质剂亦含有稀土铼元素。以上对高锰钢的改良方法探索中，虽然对其性能改善起了明显的积极作用，但是也存在明确的缺点与不足。前者添加稀土增加了对稀土元素的依赖，同时对性能的提高依然还是有限的。

发明内容

本发明的目的是提供一种掺杂纳米晶刚玉硬质点弥散相的高锰钢的制备方法，杜绝对稀土金属的依赖，保证复合材料体系的均匀稳定。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：一种掺杂纳米晶刚玉硬质点弥散相的高锰钢，由以下重量百分比的组分组成：Mn：10.0~17.0%；C：0~1.50%；Si：0.3~1.0%；S：< 0.040%；P：< 0.070%；Cr：l.5~2.5%；Ti：0~2.5%；Mo：0~1.2%；纳米晶刚玉：0.50~12.5%；其余为Fe。

其中，纳米晶刚玉为颗粒尺寸为20~200nm的α-Al₂O₃。

一种掺杂纳米晶刚玉硬质点弥散相的高锰钢的制备方法，包括以下步骤：步骤一、将纳米晶勃姆石在500~600℃下预烧10~60min，然后以10~50℃/min的降温速率急冷至室温，制得纳米初品；然后将纳米初品置于1100~1600℃下煅烧10min~3h，然后以40~50℃/min的降温速率急冷至室温，制得纳米晶刚玉，备用；

步骤二、按照所述重量百分比，将Mn、C、Si、S、P、Cr、Ti、Mo和Fe加入到氩气保护气氛的熔炼炉内进行熔炼，至全部融化形成熔液后，加入纳米晶刚玉，继续加热处理1~10h，然后，将温度为1370~1420℃的熔液加入铸模中成型，得到铸锭；

步骤三、将铸锭置于1050~1100℃下保温5~8h，然后在200~460℃下保温1h，并升温至520℃下保温1h，再在580~850℃下保温1h，即得高锰钢。

进一步地，步骤一所采用的纳米晶勃姆石的制备方法为：

a、将氢氧化钾溶液和Al₂(SO₄)₃·18H₂O溶液进行混合，至混合溶液的Ph为7~10，在常温下搅拌后，转入温度为102~170℃的高压釜中，反应5~10h后，制得固相产物，将固相产物经过抽滤、淋洗循环1~4次，制得纳米晶勃姆石固液混合体，备用；

b、将纳米晶勃姆石固液混合体置于拜耳法母液中，于100℃下恒温水浴加热1~5h，自然冷却至室温后，将析晶产物经过抽滤、淋洗循环1~3次，烘干后球磨，并将研磨后的粉体在去离子水中超声分散1h，静止24h，烘干，制得纳米晶勃姆石。

进一步地，步骤二的熔炼方法为：将高频真空熔炼炉抽真空至炉内压强为0.05Pa，充入氩气至炉内压强达到0.05MPa，加入所述配比的Mo、Si、C、S、P以及部分的Fe，在100℃以下烤料15min，然后在1000℃以下熔炼10min，再分别以Ti-Fe、Mn-Fe和Cr-Fe中间合金的形式加入Ti、Mn、Cr和剩余的Fe，然后在1200~1350℃的温度下熔炼，至原料全部熔融形成熔液。

由于纳米材料本身的颗粒细小，比表面积巨大，极易出现团聚现象。常规意义上说的纳米材料，是在扫描电镜下显示的单个颗粒为1~100nm的粒径，但是，该纳米材料在马尔文激光粒度仪上却显示为几十微米的粒径。究其原因，是纳米材料极易团聚，团聚后在外观上显示已经达到几十微米的粒径，这样使得现有生产中即使加入纳米级的颗粒材料，实际上仍然为微米级，难以真正的起到纳米颗粒的作用。