本发明涉及耐磨衬板技术领域，尤其是一种高韧耐磨耐热衬板及其制备方法。
背景技术：
球磨机是选矿、水泥、建材、电力等行业中应用广泛的设备之一，衬板作为磨机重要的组成部分，保护磨机筒体在运行中所受各种冲击、磨损及不同温度下的腐蚀，目前我国常用的是高锰钢衬板，其具有良好的韧性，在高冲击载荷下能够具有很大的加工硬化，但其在中低冲击载荷下时不能完全发挥良好的耐磨性，且运行过程中由于长时间持续不断的受力、碰撞，衬板工作面的局部区域会因温度瞬时升高加速氧化和腐蚀，其表面发生变形和损坏，为提高衬板的使用寿命，需要衬板不仅需要足够的硬度和耐热性能，还需要优异的韧性，现有技术中的衬板无法满足实际工况下的要求而限制了应用。
近年来，随着表面改性技术的发展，在工件表面耐磨耐热修复等性能方面已取得了一些成果。cn101994114a公开了一种热轧无缝钢管轧机限动芯棒激光熔覆耐磨、抗热疲劳合金涂层方法，通过清理有油污和锈层的限动芯棒表面，采用激光设备在其表面添加钴基合金粉末进行激光熔覆，形成一层0.2~2mm的抗高温氧化、抗热疲劳、抗热磨损的涂层，进行高温回火处理后减少激光熔覆涂层及基体组织转变产生的残余应力，最终获得均匀、致密、成品率高的涂层，但是目前常用的fe基合金自熔性差，抗氧化能力低，熔覆层易产生气孔和开裂，co基合金由于co的价格较高，增加了生产成本，ni基合金具有的良好的韧性、抗氧化性、耐热性、耐冲击性、较高的耐蚀性能广泛应用于各领域，且涉及到以高锰钢衬板作为基体熔覆镍铬合金涂层及其制备方法不多。
技术实现要素：
本发明为了克服现有技术存在的抗高温氧化和腐蚀差、耐磨性不足的工况提供了一种高韧耐磨耐热衬板及其制备方法，通过选择具有高韧性的高锰钢衬板作为基体衬板，采用二氧化碳激光器熔覆具有高硬度和高耐热性的镍铬耐磨合金，熔覆层与基体衬板具有良好的冶金结合，提高了衬板的耐磨、耐热、耐腐蚀性能。
一种高韧耐磨耐热衬板，包括基体衬板和激光熔覆层，激光熔覆层附着在基体衬板工作表面，基体衬板为高锰钢衬板，包括以下质量百分比的组分：c：1.05~1.25%，si：0.4~1.0%，mn：12~15%，cr：1.8~2.3%，ti：0.18~0.24%，nb：0.21~0.26%，p<0.04%，s<0.04%，余量为fe及不可避免的杂质，激光熔覆层采用镍铬耐磨合金粉末，其质量百分比组分包括：c：0.4~0.8%，si：3.8~5.2%，cr：16~20%，mo：3.0~5.0%，w：2.5~3.5%，v：2.0~5.0%，b：3.0~4.5%，zr：0.5~0.9%，余量为ni。
所述镍铬耐磨合金粉末的粒度：碳粉:200～250目，硅粉:80～120目，镍粉：200目，钨粉：30~40目，铬粉：150~180目，钒粉：120~150目，钼粉：20目，硼粉：210~240目，锆粉：300～600目。
所述高韧耐磨耐热衬板的制备方法，具体步骤如下：
（1）按照基体衬板各组分的质量百分比将废钢、生铁、硅铁、锰铁、铬铁、钛铁、铌铁原材料在熔炼炉中进行熔炼，精炼钢液并脱硫、脱氧、除杂去渣，钢液在1490~1550℃时进行浇注，待钢液冷却凝固至室温得到衬板铸件；
（2）将步骤（1）得到的衬板铸件放在热处理炉中持续加热至620~650℃保温1~2h，再加热至奥氏体化温度1050~1100℃保温2~3h，快速取出衬板水冷至室温，再加热至180~220℃回火处理，保温4h后冷却至室温获得热处理后的基体衬板；
（3）按照激光熔覆层各组分的质量百分比将的各原料粉末放在球磨机中球磨，使粉末混匀；
（4）激光熔覆粉末采用同步法进行供给，将步骤（3）激光熔覆粉末在输送通道中送入步骤（2）得到的基体衬板工作表面光斑范围内进行激光熔覆，在衬板工作表面形成激光熔覆层，完成高韧耐磨耐热衬板的制备。
步骤（2）衬板铸件加热至620~650℃的加热速率为70~100℃/h。
步骤（2）衬板铸件从620~650℃加热至1050~1100℃的加热速率为105~140℃/h。
步骤（3）球磨采用的球磨机型号为xqm-4l的行星式球磨机，球磨转速为80~100r/min，磨球质量与粉末质量比为5:1~10:1，球磨混粉时间为3~5h。
步骤（4）同步法输送熔覆粉末的仪器型号为gs-tel型自动送粉器，送粉速率9~14g/min。
步骤（4）采用多模co2激光器进行激光熔覆，输出功率为3~4kw，激光扫描速度为300~500mm/min，光斑直径4~6mm，焦距为18~24mm，防氧化的保护气体为ar，气体流量为0.12~0.16l/s。
本发明的有益效果：
（1）本发明通过选择具有高韧性的高锰钢衬板为熔覆对象，在其表面熔覆一层合金涂层，使其抵抗冲击过程中处于局部高温氧化和腐蚀，进一步提高衬板在不同工况下的耐磨性和耐热性能。
（2）本发明选用镍铬耐磨合金粉末作为激光熔覆层，减小熔覆涂层与高锰钢基层形成裂纹的倾向，无夹杂和其他明显的缺陷，使熔覆涂层与高锰钢基体衬板形成良好的冶金结合。
（3）本发明熔覆原料粉末中ni、cr、w、v、mo、b、c、si的加热可使基体进一步固溶强化，v、mo细化组织晶粒，w、cr形成vc、m7c3碳化物等硬质相弥散分布在涂层与基体中起到第二相析出强化作用，提高耐磨性，si、mo、v、w、cr、ni结合有助于提高材料的抗氧化性和抗腐蚀性，b有利于改善涂层与基体间的致密性，少量的zr在高温下与其它元素固溶且具有极高硬度和强度，进一步提高衬板力学性能。
（4）采用行星式球磨机混粉，合理调控球磨转速，设置磨球质量与粉末质量比及球磨混粉时间，保证熔覆粉末的均匀性。
（5）本发明通过采用改进型的同步法进行送粉，相对于预置法可以在衬板复杂面等不宜进行预置熔覆粉末的位置进行熔覆，提高熔覆粉末的利用率和吸收率，有利于实现产业自动化、批量化生产。
（6）本发明制备高韧耐磨耐热涂层衬板与常规高锰钢衬板相比，在冲击韧性值相当的情况下，其硬度值比常规高锰钢衬板提高两倍以上。
附图说明
图1本发明实施例1中熔覆后衬板熔覆层的金相组织图；
图2本发明实施例1中熔覆后衬板高锰钢基层金相组织图；
图3本发明实施例5中未熔覆常规高锰钢基层金相组织图。
具体实施方式
下面列举具体实施方式，对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本实施例一种高韧耐磨耐热衬板，包括基体衬板和激光熔覆层，激光熔覆层附着在基体衬板工作表面，基体衬板为高锰钢衬板，包括以下质量百分比的组分：c：1.12%，si：0.85%，mn：13.8%，cr：2.12%，ti：0.21%，nb：0.24%，p：0.032%，s：0.024%，余量为fe及不可避免的杂质，激光熔覆层采用镍铬耐磨合金粉末，包括以下质量百分比的组分：c：0.68%，si：4.2%，cr：18.5%，mo：4.8%，w：3.1%，v：4.2%，b：3.9%，zr：0.9%，余量为ni。
按照本实施例高韧耐磨耐热衬板的基体衬板和激光熔覆层的化学成分的质量百分比制备高韧耐磨耐热衬板，具体步骤如下：
（1）按照基体衬板高锰钢衬板的质量百分比组分将废钢、生铁、硅铁、锰铁、铬铁、钛铁、铌铁原材料在熔炼炉中进行熔炼，精炼钢液并脱硫、脱氧，将除杂去渣后的钢液在1508℃时进行浇注，待钢液冷却凝固至室温得到衬板铸件；
（2）将步骤（1）得到的衬板铸件放在热处理炉中以85℃/h的加热速率持续加热至635℃保温1.5h，以120℃/h的加热速率加热至奥氏体化温度1075℃保温2.5h，快速取出衬板进行水冷至室温，再加热至200℃回火处理，保温4h后冷却至室温获得热处理后的基体衬板；
（3）熔覆涂层所用的镍铬耐磨合金粉末按照配比将220目的碳粉、100目的硅粉、200目的镍粉、35目的钨粉、160目的铬粉、130目的钒粉、20目的钼粉、230目的硼粉、300目的锆粉放在型号为xqm-4l的行星式球磨机中球磨，球磨转速为90r/min，磨球质量与粉末质量比为7:1，球磨混粉时间为4h，使粉末均匀混合；
（4）熔覆材料供给方式采用同步法，用仪器型号为gs-tel型自动送粉器，在输送通道中将步骤（3）球磨机均匀混合好的熔覆粉末送入步骤（2）得到的基体衬板工作表面光斑范围内进行激光熔覆，送粉速率12g/min，采用多模co2激光器进行激光熔覆，输出功率为3.5kw，激光扫描速度为400mm/min，光斑直径5mm，焦距20mm，使熔覆粉末与基体衬板表面的一部分同时熔化，防氧化的保护气体为ar，气体流量为0.14l/s，在基体衬板工作表面形成激光熔覆涂层，完成高韧耐磨耐热衬板的制备。
本实施例取熔覆后衬板上的试样用氢氟酸溶液和硝酸酒精溶液进行腐蚀得到金相组织，熔覆层金相组织如图1所示，高锰钢基体基体衬板层组织如图2所示，从图中可知，熔覆层主要析出碳化物组织，基体衬板层主要为奥氏体组织，通过hr-150a型洛氏硬度计和jb300冲击试验机测试衬板的力学性能，硬度分别取表面任意五个点的平均值为58hrc，冲击韧性取三个试样的平均值为105j/cm2。
实施例2
本实施例一种高韧耐磨耐热衬板，包括基体衬板和激光熔覆层，激光熔覆层附着在基体衬板工作表面，基体衬板为高锰钢衬板，包括以下质量百分比的组分：c：1.05%，si：0.40%，mn：12%，cr：1.8%，ti：0.18%，nb：0.21%，p：0.036%，s：0.031%，余量为fe及不可避免的杂质，激光熔覆层采用镍铬耐磨合金粉末，包括以下质量百分比的组分：c：0.40%，si：3.80%，cr：16.0%，mo：3.0%，w：2.5%，v：2.0%，b：3.0%，zr：0.5%，余量为ni。
按照本实施例高韧耐磨耐热衬板的基体衬板和激光熔覆层的化学成分的质量百分比制备高韧耐磨耐热衬板，具体步骤如下：
（1）按照基体衬板高锰钢衬板基层的质量百分比组分将废钢、生铁、硅铁、锰铁、铬铁、钛铁、铌铁原材料在熔炼炉中进行熔炼，精炼钢液并脱硫、脱氧，将除杂去渣后的钢液在1490℃时进行浇注，待钢液冷却凝固至室温得到衬板铸件；
（2）将步骤（1）得到的衬板铸件放在热处理炉中以70℃/h的加热速率持续加热至620℃保温1h，以105℃/h的加热速率加热至奥氏体化温度1050℃保温2h，快速取出衬板进行水冷至室温，再加热至180℃回火处理，保温4h后冷却至室温获得热处理后的基体衬板；
（3）熔覆涂层所用的镍铬耐磨合金粉末按照配比将200目的碳粉、80目的硅粉、200目的镍粉、30目的钨粉、150目的铬粉、120目的钒粉、20目的钼粉、210目的硼粉、400目的锆粉放在型号为xqm-4l的行星式球磨机中球磨，球磨转速为80r/min，磨球质量与粉末质量比为5:1，球磨混粉时间为3h，使粉末均匀混合；
（4）熔覆材料供给方式采用同步法，用仪器型号为gs-tel型自动送粉器，在输送通道中将步骤（3）球磨机均匀混合好的熔覆粉末送入步骤（2）得到的基体衬板工作表面光斑范围内进行激光熔覆，送粉速率9g/min，采用多模co2激光器进行激光熔覆，输出功率为3kw，激光扫描速度为300mm/min，光斑直径4mm，焦距18mm，使熔覆粉末与基体衬板表面的一部分同时熔化，防氧化的保护气体为ar，气体流量为0.12l/s，在基体衬板工作表面形成激光熔覆涂层，完成高韧耐磨耐热衬板的制备。
本实施例取熔覆后衬板上的试样用氢氟酸溶液和硝酸酒精溶液进行腐蚀得到金相组织，通过hr-150a型洛氏硬度计和jb300冲击试验机测试衬板的力学性能，硬度分别取表面任意五个点的平均值为56.5hrc，冲击韧性取三个试样的平均值为96j/cm2。
实施例3
本实施例一种高韧耐磨耐热衬板，包括基体衬板和激光熔覆层，激光熔覆层附着在基体衬板工作表面，基体衬板为高锰钢衬板，包括以下质量百分比的组分：c：1.25%，si：0.91%，mn：14.35%，cr：2.3%，ti：0.24%，nb：0.26%，p：0.027%，s：0.038%，余量为fe及不可避免的杂质，激光熔覆层采用镍铬耐磨合金粉末，包括以下质量百分比的组分：c：0.76%，si：4.8%，cr：20%，mo：4.28%，w：3.26%，v：4.11%，b：3.83%，zr：0.54%，余量为ni。
按照本实施例高韧耐磨耐热衬板的基体衬板和激光熔覆层的化学成分的质量百分比制备高韧耐磨耐热衬板，具体步骤如下：
（1）按照基体衬板高锰钢衬板基层的质量百分比组分将废钢、生铁、硅铁、锰铁、铬铁、钛铁、铌铁原材料在熔炼炉中进行熔炼，精炼钢液并脱硫、脱氧，将除杂去渣后的钢液在1550℃时进行浇注，待钢液冷却凝固至室温得到衬板铸件；
（2）将步骤（1）得到的衬板铸件放在热处理炉中以100℃/h的加热速率持续加热至650℃时保温2h，以140℃/h的加热速率加热至奥氏体化温度1100℃保温3h，快速取出衬板进行水冷至室温，再加热至220℃回火处理，保温4h后冷却至室温获得热处理后的基体衬板；
（3）熔覆涂层所用的镍铬耐磨合金粉末按照配比将250目的碳粉、120目的硅粉、200目的镍粉、40目的钨粉、180的铬粉、150目的钒粉、20目的钼粉、240目的硼粉、500目的锆粉放在型号为xqm-4l的行星式球磨机中球磨，球磨转速为100r/min，磨球质量与粉末质量比为10:1，球磨混粉时间为5h，使粉末均匀混合；
（4）熔覆材料供给方式采用同步法，用仪器型号为gs-tel型自动送粉器，在输送通道中将步骤（3）球磨机均匀混合好的熔覆粉末送入步骤（2）得到的基体衬板工作表面光斑范围内进行激光熔覆，送粉速率14g/min，采用多模co2激光器进行激光熔覆，输出功率为4kw，激光扫描速度为500mm/min，光斑直径6mm，焦距24mm，使熔覆粉末与基体衬板表面的一部分同时熔化，防氧化的保护气体为ar，气体流量为0.16l/s，在基体衬板工作表面形成激光熔覆涂层，完成高韧耐磨耐热衬板的制备。
本实施例取熔覆后衬板上的试样用氢氟酸溶液和硝酸酒精溶液进行腐蚀得到金相组织，通过hr-150a型洛氏硬度计和jb300冲击试验机测试衬板的力学性能，硬度分别取表面任意五个点的平均值为57hrc，冲击韧性取三个试样的平均值为109j/cm2。
实施例4
本实施例一种高韧耐磨耐热衬板，包括基体衬板和激光熔覆层，激光熔覆层附着在基体衬板工作表面，基体衬板为高锰钢衬板，包括以下质量百分比的组分：c：1.16%，si：1.0%，mn：15%，cr：1.86%，ti：0.194%，nb：0.22%，p：0.038%，s：0.029%，余量为fe及不可避免的杂质，激光熔覆层采用镍铬耐磨合金粉末，包括以下质量百分比的组分：c：0.8%，si：5.2%，cr：16.7%，mo：5.0%，w：3.5%，v：5.0%，b：4.5%，zr：0.63%，余量为ni。
按照本实施例高韧耐磨耐热衬板的基体衬板和激光熔覆层的化学成分的质量百分比制备高韧耐磨耐热衬板，具体步骤如下：
（1）按照基体衬板高锰钢衬板基层的质量百分比组分将废钢、生铁、硅铁、锰铁、铬铁、钛铁、铌铁原材料在熔炼炉中进行熔炼，精炼钢液并脱硫、脱氧，将除杂去渣后的钢液在1527℃时进行浇注，待钢液冷却凝固至室温得到衬板铸件；
（2）将步骤（1）得到的衬板铸件放在热处理炉中以90℃/h的加热速率持续加热至640℃时保温2h，以130℃/h的加热速率加热至奥氏体化温度1085℃保温2h，快速取出衬板进行水冷至室温，再加热至210℃回火处理，保温4h后冷却至室温获得热处理后的基体衬板；
（3）熔覆涂层所用的镍铬耐磨合金粉末按照配比将230目的碳粉、90目的硅粉、200目的镍粉、40目的钨粉、170目的铬粉、140目的钒粉、20目的钼粉、220目的硼粉、600目的锆粉放在型号为xqm-4l的行星式球磨机中球磨，球磨转速为85r/min，磨球质量与粉末质量比为8:1，球磨混粉时间为3.5h，使粉末均匀混合；
（4）熔覆材料供给方式采用同步法，用仪器型号为gs-tel型自动送粉器，在输送通道中将步骤（3）球磨机均匀混合好的熔覆粉末送入步骤（2）得到的基体衬板工作表面光斑范围内进行激光熔覆，送粉速率11g/min，采用多模co2激光器进行激光熔覆，输出功率为4kw，激光扫描速度为500mm/min，光斑直径4.5mm，焦距19mm，使熔覆粉末与基体衬板表面的一部分同时熔化，防氧化的保护气体为ar，气体流量为0.15l/s，在基体衬板工作表面形成激光熔覆涂层，完成高韧耐磨耐热衬板的制备。
本实施例取熔覆后衬板上的试样用氢氟酸溶液和硝酸酒精溶液进行腐蚀得到金相组织，通过hr-150a型洛氏硬度计和jb300冲击试验机测试衬板的力学性能，硬度分别取表面任意五个点的平均值为55hrc，冲击韧性取三个试样的平均值为102j/cm2。
实施例5
本实施例高锰钢衬板的质量百分比组分：c：1.21%，si：0.72%，mn：14.4%，cr：2.05%，ti：0.23%，nb：0.25%，p：0.024%，s：0.037%，余量为fe及不可避免的杂质，不做激光熔覆层，按照如下步骤进行制备：
（1）按照高锰钢衬板基层的质量百分比将废钢、生铁、硅铁、锰铁、铬铁、钛铁、铌铁原材料在熔炼炉中进行熔炼，精炼钢液并脱硫、脱氧，将除杂去渣后的钢液在1527℃时进行浇注，待钢液冷却凝固至室温得到衬板铸件；
（2）将步骤（1）的衬板铸件放在热处理炉中以90℃/h的加热速率持续加热至640℃阶段时保温2h，以130℃/h的加热速率加热至奥氏体化温度1085℃保温2h，快速取出衬板进行水冷至室温，再加热至210℃回火处理，保温4h后冷却至室温获得热处理后的高锰钢衬板。
取本实施例高锰钢衬板试样用硝酸酒精溶液进行腐蚀得到金相组织如图3所示，从图中可知，高锰钢衬板金相组织为单一的过冷奥氏体，通过hr-150a型洛氏硬度计和jb300冲击试验机测试衬板的力学性能，硬度分别取表面任意五个点的平均值为27.5hrc，冲击韧性取三个试样的平均值为98j/cm2，与实施例1~4熔覆后的高锰钢衬板相比，冲击韧性值相当，其表面硬度较低。