本发明涉及铸铁材料技术领域，具体而言，涉及一种合金钢及其制备方法与应用。
背景技术：
目前，合金钢在硬度、冲击功和耐磨性方面还不能达到较佳的平衡，半自磨机使用的制造衬板的合金通常耐磨性较差，内外硬度差和韧性差较大，不利于使用。
技术实现要素：
本发明的第一目的包括提供一种合金钢，该合金钢为多组元中碳低合金，不仅具有较高的硬度，同时还具有良好的冲击功和耐磨性。
本发明的第二目的包括提供一种上述合金钢的制备方法，该方法简单，易操作，易控制，利于工业化生产。
本发明的第三目的包括提供一种上述合金钢的应用，例如可将其用于制备衬板，尤其是厚度不低于100mm的衬板，利于降低衬板内外的硬度差和韧性差。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：
本发明提出一种合金钢，该合金钢包括以下重量百分数的化学元素成分：0.3-0.4wt％的c、2-2.5wt％的cr、1.5-2wt％的si、0.8-1wt％的mn、0.2-0.7wt％的mo以及0.1-0.2wt％的re，余量为fe和不可避免的杂质。
在一些实施方式中，上述合金钢的化学元素成分包括0.3-0.35wt％的c、2-2.2wt％的cr、1.6-1.8wt％的si、0.9-1wt％的mn、0.2-0.5wt％的mo以及0.12-0.15wt％的re，余量为fe和不可避免的杂质。
在另一些实施方式中，上述合金钢的化学元素成分包括0.3wt％的c、2wt％的cr、1.8wt％的si、1wt％的mn、0.3wt％的mo以及0.15wt％的re，余量为fe和不可避免的杂质。
在一些实施方式中，上述合金钢的硬度不低于50hrc。
和/或，上述合金钢的冲击功不低于35j。
和/或，上述合金钢中的晶粒度等级为9-9.5级。
此外，本发明还提出了一种上述合金钢的制备方法，包括以下步骤：将钼铁、铬铁与废钢混合以制备铁液，随后脱氧处理。
出铁液前，进行变质处理，随后浇注，得到铸件。
将铸件依次进行退火处理和淬火处理。
此外，本发明还提出了一种上述合金钢的应用，例如可将其用于制备衬板，尤其是厚度不低于100mm的衬板。
本申请提供的合金钢及其制备方法与应用的有益效果包括：
本申请提供的合金钢为多组元中碳低合金，不仅具有较高的硬度，同时还具有良好的冲击功和耐磨性。其制备方法简单，易操作，易控制，利于工业化生产。将其用于制备衬板，尤其是厚度不低于100mm的衬板，利于降低衬板内外的硬度差和韧性差。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本申请实施例提供的合金钢及其制备方法与应用进行具体说明。
本申请提供的合金钢包括以下重量百分数的化学元素成分：0.3-0.4wt％的c、2-2.5wt％的cr、1.5-2wt％的si、0.8-1wt％的mn、0.2-0.7wt％的mo以及0.1-0.2wt％的re，余量为fe和不可避免的杂质。
作为可选地，c的重量百分数例如可以为0.3wt％、0.32wt％、0.35wt％、0.36wt％、0.38wt％或0.4wt％等，也可以为0.3-0.4wt％范围内的其它任一重量百分数值。
cr的重量百分数例如可以为2wt％、2.1wt％、2.2wt％、2.3wt％、2.4wt％或2.5wt％等，也可以为2-2.5wt％范围内的其它任一重量百分数值。
si的重量百分数例如可以为1.5wt％、1.6wt％、1.7wt％、1.8wt％、1.9wt％或2wt％等，也可以为1.5-2wt％范围内的其它任一重量百分数值。
mn的重量百分数例如可以为0.8wt％、0.85wt％、0.9wt％、0.95wt％或1wt％等，也可以为0.8-1wt％范围内的其它任一重量百分数值。
mo的重量百分数例如可以为0.2wt％、0.3wt％、0.4wt％、0.5wt％、0.6wt％或0.7wt％，也可以为0.25wt％、0.35wt％、0.45％、0.55wt％或0.65wt％等，还可以为0.2-0.7wt％范围内的其它任一重量百分数值。
re的重量百分数例如可以为0.1wt％、0.12wt％、0.15wt％、0.16wt％、0.18wt％或0.2wt％等，还可以为0.1-0.2wt％范围内的其它任一重量百分数值。
在一些实施方式中，上述合金钢的化学元素成分包括0.3-0.35wt％的c、2-2.2wt％的cr、1.6-1.8wt％的si、0.9-1wt％的mn、0.2-0.5wt％的mo以及0.12-0.15wt％的re，余量为fe和不可避免的杂质。
在另一些实施方式中，该合金钢的化学元素成分包括0.3wt％的c、2wt％的cr、1.8wt％的si、1wt％的mn、0.3wt％的mo以及0.15wt％的re，余量为fe和不可避免的杂质。
在合金钢领域，c含量越低，合金的脆性越低，也即韧性越高，本申请中将c含量设置为0.3-0.4wt％，该范围属于中碳范围，能够兼顾合金的韧性和耐磨性，避免c含量过低造成合金耐磨性能过差的情况。
mn在本申请中主要用于提高合金钢的淬透性，将其含量设置为0.8-1wt％，一方面能够避免过高的mn增加残余奥氏体的含量，另一方面还能避免过高的mn阻碍合金耐磨性能的提高。
cr作为碳化物形成元素，在本申请中将cr的含量设置为2-2.5wt％，一方面用于溶于奥氏体中以强化基体，与mn共同增加合金钢的淬透性，另一方面其可以与c配合提高合金的硬度和耐磨性，增加合金的抗回火软化能力。
mo在本申请中的含量设置为0.2-0.7wt％，可与c和cr配合有效提高合金的耐磨性，并且还能将合金钢的成本控制在较合适的范围。
re在本申请中主要用于对合金起到变质处理，以细化合金的晶粒，净化钢水，提高合金的综合性能。
si在本申请中，主要用于提高合金的流动性，减小膨胀系数，并提高合金的耐磨性。将其用量控制在1.5-2wt％，能够有效避免含量过高导致合金切削性变差。
进一步地，该合金钢的化学元素成分还可包括不超过0.06wt％的s或不超过0.06wt％的p，s或p均由钢材原材料自带。
承上，通过将合金钢所含的化学元素成分按上述的配比进行设置，能够使合金钢不仅具有较高的硬度，同时还具有良好的冲击功和耐磨性。
在一些优选的实施方式中，上述合金钢的硬度不低于50hrc，例如50hrc、55hrc或60hrc等。
在一些优选的实施方式中，上述合金钢的冲击功不低于35j，例如35j、38j、40j或45j等。其中，冲击功是衡量材料韧性的一个指标，是材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。
在一些优选的实施方式中，上述合金钢中的晶粒度等级为9-9.5级(超细晶粒度)，较现有技术中通常的晶粒度等级7-7.5(细晶粒)得到明显提高，细化了合金组织，提高了合金钢的力学性能。
此外，本申请还提供了一种上述合金钢的制备方法，例如可以包括以下步骤：
将钼铁、铬铁与废钢混合以制备铁液，随后脱氧处理。
出铁液前，进行变质处理，随后浇注，得到铸件。
将铸件依次进行退火处理和淬火处理。
其中，脱氧处理包括预脱氧。可参考地，预脱氧可以是于铁液中加入复合脱氧剂。上述复合脱氧剂为一种铝、硅、钙、钡复合商品制剂，可直接购买。
在一些实施方式中，复合脱氧剂的加入量可以为铁液的0.2-0.3wt％，例如0.2wt％、0.25wt％或0.3wt％等。
在一些实施方式中，加入复合脱氧剂之前，还包括将铁液的温度升至1600-1620℃。将铁液温度升温至上述范围，有利于合金钢的熔炼，若低于1600℃，无法使产品成型，而高于此温度会使合金组织粗大，不耐磨。
进一步地，本申请中的脱氧处理还包括终脱氧。可参考地，终脱氧可以是于预脱氧后的铁液中再加入纯铝线。
在一些实施方式中，纯铝线的加入量可以为铁液的0.3-0.4wt％，例如0.3wt％、0.35wt％或0.4wt％等。
终脱氧后，打净炉渣，熔清炉渣出铁液。
本申请中，变质处理包括：于浇包内加入稀土镁合金。该稀土镁合金对应原材料化学成分中的re。此处的变质处理指的是向金属液体中加入一些细小的形核剂(如稀土镁合金)，使它在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒，达到提高材料性能的目的。此外，稀土镁合金在本申请中还作为球化剂，具有较强的脱氧、脱硫以及细化晶粒的效果。加入稀土镁合金后，镁与钢种的杂质反应，形成铁渣浮起并在后续的浇注过程中捞出除去。
值得说明的是，本申请中变质处理不能使用其他稀土元素，尤其是稀土硅，否则会增加钢中硅的含量，导致钢变脆，冲击韧性降低。
作为可选地，稀土镁合金的加入量可以为铁液的0.2-0.3wt％，如0.2wt％、0.25wt％或0.3wt％等。按该量加入，一方面能够使re的最终含量控制在0.1-0.2wt％范围，另一方面能够有利于使最终所得的合金钢中的晶粒度等级为9-9.5级。
当稀土镁合金中的镁与钢种的杂质反应完全后，进行浇注。
进一步地，退火处理例如可以于930-950℃(如930℃、935℃、940℃、945℃或950℃)的条件下进行4.5-5.5h，退火处理后随炉冷却。在一些实施方式中，退火可以于950℃的条件下保温5h，随后冷却至550℃出炉空冷。
随后进行淬火处理。可参考地，淬火处理例如可以包括：于900-930℃的条件下保温5-6h，然后于200-250℃的盐浴中等温处理5-7h。在一些实施方式中，淬火处理可以于930℃的条件下保温5h，然后于200℃的盐浴中等温保温处6h。
本申请中在淬火处理过程中先于900-930℃(如900℃、905℃、910℃、915℃、920℃、925℃或930℃等)的条件下保温5-6h，具有以下效果：在该温度范围内，随着加热温度的升高，会增加奥氏体的稳定性，提高淬硬性。对于过共系钢，加热温度增加，会有更多的碳化物溶入奥氏体中，增加奥氏体的稳定性和马氏体中的含碳量，故硬度升高。当温度超过该范围，会使奥氏体晶粒粗大，奥氏体稳定性增强，冷却后得到粗大的马氏体和更多的残余奥氏体，影响硬度。
进一步地，采用盐浴可提高铸件的加热速度，同时隔绝了铸件与空气的直接接触，降低铸件的氧化和脱碳现象。盐浴过程中等温处理能长期保持在下贝氏体转变区的温度，使之完成奥氏体的等温转变，获得强度、硬度较高而韧性较好的下贝氏体组织，显著提高钢的综合力学性能。将等温淬火的温度设置为200-250℃，有利于提高奥氏体的稳定性和增大其冷却速度，防止等温冷却过程中发生珠光体型转变。
值得说明的是，在上述各生产工艺中，未涉及的工艺内容均可直接参照现有技术，在此不做赘述。
此外，本申请还提供了一种上述合金钢的应用，例如可将其用于制备衬板，尤其是厚度不低于100mm的衬板。经上述合金钢制备而得的厚度不低于100mm的衬板的内外硬度差及韧性差均可低于3％，例如内外硬度差不超过1.5hrc，冲击韧性大于30j/cm2。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
熔炼前加少量废钢，待废钢熔化后加入铬铁和钼铁，得到铁液。将铁液温度提升至1600℃，加入铁液的0.2wt％的复合脱氧剂进预脱氧，再加入铁液的0.3wt％的纯铝线进行终脱氧，打净炉渣，约达炉容的70vt％时熔清取样化验并调整各化学元素含量，使各化学元素满足：0.3wt％的c、2.5wt％的cr、1.5wt％的si、1wt％的mn、0.2wt％的mo、0.2wt％的re、＜0.06wt％的s和＜0.06wt％的p，余量为fe和不可避免的杂质。
终脱氧后，于浇包内加入铁液的0.2wt％的稀土镁合金进行变质处理，用渣棍对未完全反应的变质剂进行搅拌，使其完全反应，再进行浇注，得到铸件。出钢温度控制在1620±15℃。
将铸件于950℃条件下保温5小时，随炉冷却到550℃后出炉空冷。然后再于930℃保温5小时，吊入200℃的盐浴中等温处理保温6小时。
实施例2
熔炼前加少量废钢，待废钢熔化后加入铬铁和钼铁，得到铁液。将铁液温度提升至1620℃，加入铁液的0.3wt％的复合脱氧剂进预脱氧，再加入铁液的0.4wt％的纯铝线进行终脱氧，打净炉渣，约达炉容的80vt％时熔清取样化验并调整各化学元素含量，使各化学元素满足：0.4wt％的c、2wt％的cr、2wt％的si、0.8wt％的mn、0.7wt％的mo、0.1wt％的re、＜0.06wt％的s和＜0.06wt％的p，余量为fe和不可避免的杂质。
终脱氧后，于浇包内加入铁液的0.3wt％的稀土镁合金进行变质处理，用渣棍对未完全反应的变质剂进行搅拌，使其完全反应，再进行浇注，得到铸件。出钢温度控制在1620±15℃。
将铸件于930℃条件下保温6小时，随炉冷却到550℃后出炉空冷。然后再于900℃保温6小时，吊入250℃的盐浴中等温处理保温5小时。
实施例3
熔炼前加少量废钢，待废钢熔化后加入铬铁和钼铁，得到铁液。将铁液温度提升至1610℃，加入铁液的0.25wt％的复合脱氧剂进预脱氧，再加入铁液的0.35wt％的纯铝线进行终脱氧，打净炉渣，约达炉容的75vt％时熔清取样化验并调整各化学元素含量，使各化学元素满足：0.3wt％的c、2wt％的cr、1.8wt％的si、1wt％的mn、0.3wt％的mo、0.15wt％的re、＜0.06wt％的s和＜0.06wt％的p，余量为fe和不可避免的杂质。
终脱氧后，于浇包内加入铁液的0.25wt％的稀土镁合金进行变质处理，用渣棍对未完全反应的变质剂进行搅拌，使其完全反应，再进行浇注，得到铸件。出钢温度控制在1620±15℃。
将铸件于945℃条件下保温5.5小时，随炉冷却到550℃后出炉空冷。然后再于915℃保温5.5小时，吊入225℃的盐浴中等温处理保温7小时。
实施例4
本实施例与实施例3的区别在于：合金钢中各化学元素满足：0.35wt％的c、2.2wt％的cr、1.6wt％的si、0.9wt％的mn、0.2wt％的mo、0.12wt％的re、＜0.06wt％的s和＜0.06wt％的p，余量为fe和不可避免的杂质。其余均相同。
实施例5
本实施例与实施例3的区别在于：合金钢中各化学元素满足：
0.32wt％的c、2.1wt％的cr、1.7wt％的si、0.95wt％的mn、0.5wt％的mo、0.14wt％的re、＜0.06wt％的s和＜0.06wt％的p，余量为fe和不可避免的杂质。其余均相同。
试验例1
以常规耐磨钢zgmn13-2为对照组(该常规耐磨钢的化学成分含量包括c：1.0-1.4wt％、si：0.3-0.8wt％、mn：11-14wt％等)，按《gb/t230.1-2004》、《gb/t229-2007》测试标准，分别测定对照组的常规耐磨钢以及实施例1-5所得的合金钢的硬度和冲击韧性，同时测定相应的耐磨性能，其结果如表1所示。
表1合金钢性能
由表1可以看出，本申请所提供的合金钢无论是在硬度、冲击功和耐磨性方面均较常规耐磨钢更佳。并且实施例1-5中实施例3所提供的合金钢的上述性能最佳，说明该实施例所提供的合金钢的化学成分配比以及制备方法更利于制备得到性能更优的合金钢。
试验例2
以实施例5为例，设置对比组1-2，对比组1与实施例5的区别在于：制备过程中无变质处理步骤。对比组2与实施例5的区别在于：制备过程中无盐浴等温处理步骤。按试验例1中的测试标准，分别测定对比组1和对比组2所得的合金钢的硬度及冲击韧性，同时测定相应的耐磨性，其结果如表2所示。
表2合金钢性能
由表2可以看出，对比组1和对比组2所制得的合金钢的性能较实施例5所得的合金钢的性能更差，说明制备过程中的变质处理过程及盐浴等温处理过程均对合金钢的上述性能有直接影响，具有上述处理过程更利于提高合金钢的综合性能。
综上所述，本申请提供的合金钢为多组元中碳低合金，不仅具有较高的硬度，同时还具有良好的冲击功和耐磨性。其制备方法简单，易操作，易控制，利于工业化生产。将其用于制备衬板，尤其是厚度不低于100mm的衬板，利于降低衬板内外的硬度差和韧性差。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。