本发明涉及合金铸钢技术领域，具体涉及一种低合金铸钢衬板及其制备方法。
背景技术：
衬板是用来保护筒体，使筒体免受研磨体和物料的直接冲击和摩擦，同时可利用不同形式的衬板来调整研磨体的运动黄台，以增强研磨体对物料的粉碎作用，有助于提高磨机的粉磨效率，增加产量，降低金属消耗。选择各种衬板需主要考虑其对研磨介质的提升作用，使其对介质的运动轨迹产生影响。
当以粉碎为主时，要求衬板对研磨体的推举能力较强，同时衬板应具有良好的抗冲击性能。自1883年英国人哈德菲尔德(R．A．Hadfield)取得了高锰钢专利以来，高锰钢作为耐磨材料被广泛用于冶金、矿山、钢铁、水泥等行业。作为矿山设备的主要备件，破碎机鄂式衬板或圆锥衬板也一直采用高锰钢作为主要材料。随着工况条件的日渐多元，高锰钢在低硬度矿石、物料的粉碎过程中达不到理想的耐磨性。高锰钢ZGMn13有足够的抗冲击韧性，但不耐磨且易变形。其原因是，高锰钢韧性较好而表面硬度不佳，需在持续高冲击下才能激发其形变硬化，实现高耐磨性。而由于极易加工硬化，使得高锰钢也很难加工，只能以铸件形式应用。在多数矿山企业，衬板在后期更换过程中，经常因为形变而很难拆卸，给现场工人带来诸多麻烦。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种低合金铸钢衬板及其制备方法，在降低合金加入量的同时，提高衬板的耐磨性和抗冲击性。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：一种低合金铸钢衬板，衬板的制备原料及各原料的重量百分比为：碳 0.34-0.44%，硅 0.6-1.2%，锰 1.5-2.3%，铬 0.3-0.6%，钼 0.3-0.8%，镍 0.1-0.4%，铌 0.01-0.05%，硼化钨 0.001-0.004%，稀土 0.01-0.03%，铝 0.05-0.09%，余量为铁和不可避免杂质。
进一步的，一种低合金铸钢衬板，衬板的制备原料及各原料的重量百分比为：碳 0.34-0.44%，硅 0.6-1.2%，锰 1.5-2.3%，铬 0.3-0.6%，钼 0.3-0.8%，镍 0.1-0.4%，铌 0.01-0.05%，硼化钨 0.001-0.004%，稀土 0.01-0.03%，铝 0.05-0.09%，40-45%的纯铁，余量为生铁和/或废钢，其余为不可避免杂质。
本发明的衬板的硫、磷含量的要求为：硫≤0.02%，磷≤0.02%。
一种低合金铸钢衬板的制备方法为：制作符合目标衬板的形状和尺寸要求的铸型，并将铸型烘干处理，将所述的制备原料熔炼后浇铸到铸型中，将浇铸后的铸件清砂后热处理，制得低合金铸钢衬板。
进一步的，将所述的制备原料熔炼后浇铸到铸型中的方法为：将原料铁加入炉中熔化，并按照原料铁与脱磷剂为30：1的重量比，加入脱磷剂，除渣后形成钢液；待钢液全部熔化后，取钢液样化验分析其组成成份，然后按需称取碳、硅、锰、铬、钼、镍、铌、硼化钨、稀土和铝，调整合金的含量满足低合金铸钢钢种的重量百分比；将称取的稀土放入钢包，然后将制备的钢液放入钢包，然后在钢包中依次加入碳、硅、锰、铬、钼、镍、铌和硼化钨，完全熔化出炉，在出炉之前加入称取的铝，出炉温度为1620-1660℃；其中，钢包底部连接有吹氩装置，静置吹氩2-3min后，浇铸到铸型中，浇铸温度为1550-1580℃。
进一步的，在钢包中依次加入碳、硅、锰 、铬、钼、镍、铌和硼化钨的要求为：各合金元素的加入时刻为加入的前一元素完全熔化后。合金化过程中投入合金顺序依次为：碳、硅、锰 、铬、钼、镍、铌、硼化钨，铝在出炉前加入，投入时间没有限制，前一元素熔完即可；钢液适当翻滚，保证各元素分布均匀。
进一步的，将浇铸后的铸件清砂后热处理时，热处理操作为：加热到300℃保温1h，继续加热到660℃保温1h，然后再加热到860-890℃保温3h，空冷至室温后，再加热到300℃保温1h，后加热到660℃保温1h，再加热到890-920℃保温3h，水淬后，加热到190-220℃保温3h，空冷。
本发明中，硅、锰、铬与氧的亲和力小，可以提前熔化，而铝与氧的亲和力大，最后熔化能够有效脱氧，降低钢液气体夹杂。镍作为昂贵金属，本发明的加入量较少，为镍0.1-0.4%，部分镍能够与硅生成中间化合物，降低晶粒的再结晶速度；本发明加入的铌，能够部分溶于奥氏体，增加回火稳定性，提高衬板的抗冲击韧性；更重要的是，铌能够与纯铁生成Fe2Nb2，改善低温韧性和焊接性能。
本发明选用合金以常用金属为主，且加入量较少，原材料成本较低，经济性较高。其中的镍、钼和铬能够抑制铸钢的回火脆性，锰能够扩大奥氏体区域，细化晶粒，降低奥氏体分解速度，增加残余奥氏体的数量，提高铸钢的抗冲击韧性。铌和硼化钨的加入，作为强调质剂，能有效抑制残余奥氏体形变再结晶，细化晶粒，对钢进行沉淀强化。其中的铝、锰、硅，极易和钢中的氧和氮化合，形成氧、氮化物，钢中含有一定数量的镍、铝、铌等元素时，能形成不同类型的金属间化合物，提高淬透性。
本发明在浇铸时，砂型提前烘干，钢液炉外吹氩精炼，浇铸温度在1550-1580℃，熔炼出炉温度为1620-1660℃，其中，在浇铸前静置吹氩，避免偏析；浇铸温度比出炉温度低40-110℃，有利于减少因过热造成的气泡、缩孔和变形等缺陷；本发明浇铸温度的设置，能够使钢液的流动性最佳，避免形成气泡和偏析，且能够避免铸型边角浇铸不到位的情况。
有益效果：（1）本发明的热处理工艺中加入正火预处理，且在升温过程中采用分段循序加热，最终所得组织更加致密，均匀，所得组织以板条马氏体为主，并有少量残余奥氏体和贝氏体，板条马氏体具有良好的抗冲击韧性，部分残余奥氏体及下贝氏体性能稳定，能够阻碍微裂纹的拓展，提高铸钢的耐磨性，本发明低合金铸钢衬板材料力学性能：硬度49-56HRc，V型缺口冲击功38-46J，冲击值48-55J·cm-2，拉伸强度≥1850MPa；（2）经过检测，本发明钢种表面硬度较高，韧性较好，综合力学性能优良；本发明钢种不仅适用于衬板材料，对电力、采矿、水泥、冶金等行业的相关耐磨备件都可采用，性价比较高。
附图说明
图1为实施例1的金相组织图。
具体实施方式
一种低合金铸钢衬板，衬板的制备原料及各原料的重量百分比为：碳 0.34-0.44%，硅 0.6-1.2%，锰 1.5-2.3%，铬 0.3-0.6%，钼 0.3-0.8%，镍 0.1-0.4%，铌 0.01-0.05%，硼化钨 0.001-0.004%，稀土 0.01-0.03%，铝 0.05-0.09%，余量为铁和不可避免杂质。其中，衬板的硫、磷含量的要求为：硫≤0.02%，磷≤0.02%。
一种低合金铸钢衬板的制备方法为：制作符合目标衬板的形状和尺寸要求的铸型，并将铸型烘干处理，将所述的制备原料熔炼后浇铸到铸型中，将浇铸后的铸件清砂后热处理，制得低合金铸钢衬板。
实施例1
一种低合金铸钢衬板，衬板的制备原料及各原料的重量百分比为：碳 0.34%，硅 0.6%，锰 2.3%，铬0.6%，钼0.8%，镍 0.1%，铌 0.01%，硼化钨0.004%，硼0.004%，稀土0.03%，铝0.09%，45%的纯铁，硫≤0.02%，磷≤0.02%，余量为生铁和废钢，其余为不可避免杂质。
一种低合金铸钢衬板的制备方法为：将纯铁、生铁和废钢加入中频感应中熔炼，并按照纯铁、生铁和废钢总质量与脱磷剂重量为30：1的重量比，加入脱磷剂，还可根据需要加入纯铁、生铁和废钢总质量1-1.5%的脱硫剂，除渣后形成钢液；待钢液全部熔化后，取钢液样化验分析其组成成份含量，然后按需称取碳、硅、锰、铬、钼、镍、铌、硼化钨、稀土和铝，调整合金的含量满足低合金铸钢钢种的重量百分比；将称取的稀土放入钢包，然后将制备的钢液放入钢包，然后在钢包中依次加入碳、硅、锰、铬、钼、镍、铌和硼化钨，加入的顺序要求为：各合金元素的加入时刻为加入的前一元素完全熔化后。钢液一直保持适度翻滚，完全熔化出炉，在出炉之前加入称取的铝，出炉温度为1645℃；其中，钢包底部连接有吹氩装置，静置吹氩2.5-3min后，浇铸到铸型中，浇铸温度为1565℃。其中，各原料在加入之前皆提前烘干，且原料中硫磷含量越低越好。
然后将浇铸后的铸件清砂后热处理时，热处理操作为：加热到300℃保温1h，继续加热到660℃保温1h，然后再加热到890℃保温3h，空冷至室温；加热到300℃保温1h，后加热到660℃保温1h，再加热到890℃保温3h，水淬至室温；加热到200℃保温3h，空冷至室温。制得低合金铸钢衬板，其金相组织图如图1所示。
本发明采用890℃正火+890℃淬火+200℃回火热处理工艺，加热过程分段保温，所得最终组织以回火马氏体为主，并有部分残余奥氏体及下贝氏体。其力学性能：硬度49-6HRc，V型缺口冲击功38-46J，冲击值48-55J·cm-2，拉伸强度≥1850MPa，力学性能优良，材料成本较低，适合应用推广。本发明利用的纯铁的含碳量不超过0.0218%，生铁的含碳量为2.11-6.69%，生铁中碳为化合碳，能够提高生铁的强度和硬度；本发明的原料硅，能够促使生铁中的碳分离为石墨状，降低铸件的气眼，提高钢液的流动性。
实施例2
一种低合金铸钢衬板，衬板的制备原料及各原料的重量百分比为：碳 0.46%，硅 1.2%，锰 1.9%，铬0.5%，钼0.3%，镍 0.4%，铌 0.05%，硼化钨0.001%，稀土0.01%，铝0.05%，40%的纯铁，硫≤0.02%，磷≤0.02%，余量为废钢，其余为不可避免杂质。
一种低合金铸钢衬板的制备方法为：将纯铁和废钢加入中频感应中熔炼，并按照纯铁和废钢总质量与脱磷剂重量为30：1的重量比，加入脱磷剂，还可根据需要加入纯铁和废钢总质量0.5-1%的脱硫剂，除渣后形成钢液；待钢液全部熔化后，取钢液样化验分析其组成成份含量，然后按需称取碳、硅、锰、铬、钼、镍、铌、硼化钨、稀土和铝，调整合金的含量满足低合金铸钢钢种的重量百分比；将称取的稀土放入钢包，然后将制备的钢液放入钢包，然后在钢包中依次加入碳、硅、锰、铬、钼、镍、铌和硼化钨，加入的顺序要求为：各合金元素的加入时刻为加入的前一元素完全熔化后。钢液一直保持适度翻滚，完全熔化出炉，在出炉之前加入称取的铝，然后出炉，出炉温度为1620℃；其中，钢包底部连接有吹氩装置，静置吹氩2.5-3min后，浇铸到铸型中，浇铸温度为1580℃。其中，各原料在加入之前皆提前烘干，且原料中硫磷含量越低越好。
然后将浇铸后的铸件清砂后热处理时，热处理操作为：加热到300℃保温1h，继续加热到660℃保温1h，然后再加热到860℃保温3h，空冷至室温后；加热到300℃保温1h，后加热到660℃保温1h，再加热到900℃保温3h，水淬至室温；加热到220℃保温3h，空冷至室温，制得低合金铸钢衬板。
实施例3
一种低合金铸钢衬板，衬板的制备原料及各原料的重量百分比为：碳 0.41%，硅 1.0%，锰1.5%，铬0.3%，钼0.5%，镍 0.2%，铌 0.03%，硼化钨 0.002%，稀土0.02%，铝0.07%，43%的纯铁，硫≤0.02%，磷≤0.02%，余量为生铁，其余为不可避免杂质。
本发明利用的纯铁的含碳量不超过0.0218%，生铁的含碳量为2.11-6.69%，生铁中碳为化合碳，能够提高生铁的强度和硬度；本发明的低合金铸钢中含有Nb(CN)非氧化物增强相，能够起到钉扎晶界的作用；而且，在正火和淬火后，Nb(CN)非氧化物增强相又部分熔解，弥散在合金中，能够阻止晶粒长大。
一种低合金铸钢衬板的制备方法为：将纯铁和生铁加入中频感应中熔炼，并按照纯铁和生铁总质量与脱磷剂重量为30：1的重量比，加入脱磷剂，除渣后形成钢液；待钢液全部熔化后，取钢液样化验分析其组成成份含量，然后按需称取碳、硅、锰、铬、钼、镍、铌、硼化钨、稀土和铝，调整合金的含量满足低合金铸钢钢种的重量百分比；将称取的稀土放入钢包，然后将制备的钢液放入钢包，然后在钢包中依次加入碳、硅、锰、铬、钼、镍、铌和硼化钨，加入的顺序要求为：各合金元素的加入时刻为加入的前一元素完全熔化后。钢液一直保持适度翻滚，完全熔化出炉，在出炉之前加入称取的铝，然后出炉，出炉温度为1660℃；其中，钢包底部连接有吹氩装置，静置吹氩2-2.5min后，浇铸到铸型中，浇铸温度为1550℃。其中，各原料在加入之前皆提前烘干，且原料中硫磷含量越低越好。
然后将浇铸后的铸件清砂后热处理时，热处理操作为：加热到300℃保温1h，继续加热到660℃保温1h，然后再加热到870℃保温3h，空冷至室温；加热到300℃保温1h，后加热到660℃保温1h，再加热到920℃保温3h，水淬至室温；加热到190℃保温3h，空冷至室温，制得低合金铸钢衬板。