本发明属喷射成型，涉及一种喷射成型冷轧工作辊坯及其制备方法。
背景技术：
1、为满足超高强钢产品和工艺的需求，制备超高强钢的轧辊需具备优异的力学性能，即轧辊的表层需具有极高的硬度，满足耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗疲劳的性能，芯部则需具有较高的强韧性，满足扭矩弯矩、冲击和疲劳的性能。
2、随着高强钢产品力学性能的发展，小辊径连轧机或20辊轧机逐渐推广，因此对轧辊力学性能提出了新的要求，esr高速钢辊产线常规使用电渣重熔(esr)冶炼制造高速钢材质工作辊，具有成本低，制造难度相对较小等优点，但是存在一次碳化物不均匀，耐磨性相对不足，易发生事故等缺点，已无法满足轧制的需要。
3、近年来超高强钢单机架轧机的使用越来越多，其中一个显著特点是工作辊带侧支撑，侧支撑的使用使轧机机架的工作辊更加稳定，减少了横向偏移，使轧机具备对板带更高的压延率和高扭矩的轧制。该机组常使用电渣重熔(esr)冶炼、锻造的高速钢材质工作辊，具有成本低，制造难度相对较小等优点，由于高强钢轧制难度很大，上述工作辊在使用过程中出现数十次开裂断辊事故，对生产造成了很大困扰。特别是高速钢工作辊的材质特点为高碳、高合金、高硬度、高脆性、高耐磨性、高碳化物含量等，使用过程中陆续出现了一系列问题存在，比如：中心孔加工难度大、残留氧化脱碳层；大规格锻造高速钢材质网状、大块碳化物的存在及心部区域碳化物分布更严重；使用中出现轴向裂纹或开裂，致辊身断裂等事故。因此，该类机组亟待研发能提升耐磨性同时保证抗事故性能的工作辊及先进制造技术。
4、喷射成型作为一种新型的快速凝固技术，是熔融金属或合金液流，在高速的氩气或氮气等惰性气体的冲击作用下雾化成细小的液态颗粒，再喷射到金属沉积器上并焊合在一起，快速形成致密度较高的预成型辊坯。由于细小颗粒在飞行过程中迅速放热，并在沉积过程中处于半固态或过冷液态，通过控制基板运动可精确控制坯件形状和尺寸，因此，喷射成形是一种快速凝固、半固态加工和近终形加工的综合工艺。与传统冶金工艺相比，喷射成型将合金熔炼、成型集成为一个步骤，显著减少了材料被氧化的可能性，而且晶粒较为细小。
5、中国专利申请号cn201610492979.8公开了一种替代qt600轧辊的铝合金材料及其喷射成型方法，主成分含量按重量百分比计：六氟合钴负离子体[cof6]3-：0.005％0.02％，锰mn：≤2％，镉cd：0.05％～0.5％，铜cu：4.2％～8.0％且cu≥0.8mn+4.05％；合金平均晶粒度＜120微米，余量为铝al。
6、中国专利申请号cn201711251633.x公开了一种石墨烯增强铜基复合材料及其喷射成型的方法，将工业纯铜和铜银合金加入真空电磁感应炉中熔化，得到铜液；将其注入惰性气体喷射雾化装置，通过高压惰性气体将铜液雾化成小液滴，同时在雾化室中喷入石墨烯薄片，石墨烯薄片粘覆在下沉的铜液滴上，形成液态或半熔态的铜/石墨烯混合物，经冷却铸锭，并轧制成型得到石墨烯增强铜基复合材料。本发明中制备方法简单可行，步骤易于操作，制备的产品具备材料材质均匀，结构致密，强度高，耐磨性、导电导热性能好等优点。
7、中国专利申请号cn201410414393.0公开了一种喷射成型多梯度高速钢的制备方法，该高速钢的化学成分以重量百分数计由下列组份组成：c：1.5-2.0％，cr：4.5-5.0％，mo：4.5-5.5％，w：7.0-7.5％，v：3.0-3.8％，nb：0.6-1.0％，ti：0.2-0.5％，si：0.5-1.0％，mn：0.1-0.5％，其余为fe及不可避免的杂质；所述的制备方法包括如下步骤：配料→熔化→喷射成型→空冷→退火→热锻→淬火回火。采用如上的方法，提高了喷嘴雾化效率和沉积效率，实现了多层复合材料的连续制备。获得有益的效果为：沉积坯孔隙率低(2-4％)、组织细小均匀(平均晶粒度0.9-20μm)、界面结合性能较好，材料收得率高(72％-85％)。
8、中国专利申请号cn201210434226.3公开一种无钴高速钢的喷射成型制备方法，该高速钢的化学成分以重量百分数计由下列组份组成：c 1.5-1.7％，cr 4.4-4.8％，mo 4.8-5.2％，w 7.0-7.4％，v 3.2-3.6％，nb 0.6-1.0％，ti 0.2-0.4％，si 0.5-0.7％，mn 0.1-0.3％，n 0.06-0.1％，s≤0.03％，p≤0.03％，其余为fe及不可避免的杂质；所述的制备方法包括如下步骤：1)配料工序；2)熔化工序；3)喷射成型；4)空冷工序；5)退火工序；6)热锻工序，7)淬火回火工序。
9、中国专利申请号cn201310291138.7公开一种提高喷射成型高速钢铣刀寿命的深冷工艺，涉及深冷工艺技术领域，具体地说是一种提高喷射成型高速钢铣刀寿命的深冷工艺。一种提高喷射成型高速钢铣刀寿命的深冷工艺，所述的深冷工艺的具体步骤如下：预热；真空淬火；冷却；第一次回火；深冷处理；第二次回火。同现有技术相比，对喷射成型高速钢铣刀材料采用了真空淬火、回火和深冷处理相结合的新工艺，经过该深冷工艺处理后喷射成型高速钢铣刀材料的耐磨性能和硬度有了显著改善，提高了铣刀综合力学性能和使用寿命。
10、中国专利申请号cn201010262931.0公开一种精密喷射成型用电加热陶瓷模具的制备方法，其特征是设计和制作一个有凹凸表面的原型→在原型上翻制硅橡胶模板→在硅橡胶模板上翻制蜡模板→在蜡模板上翻制表面有凹凸形貌的陶瓷模板→陶瓷模板和电热丝炉组装成可电加热的陶瓷模具。在喷射成型的气雾化罐内从底部对陶瓷模板进行预热，以提高精密喷射成型沉积坯的致密度和表面质量。本发明优点是解决了在气雾化罐内预热陶瓷模具的相关设计和制造问题，可更准确地控制陶瓷模具的温度，进而提高精密喷射成型沉积坯的致密度。
11、综合上述技术可知，采用喷射成形技术，通常可以提高锻造合金的性能，甚至在某些情况下可以替代粉末冶金工艺产品。此外，喷射成形工艺还可以用来开发新合金、金属基复合材料、原位反应合金、半固态材料和复合冶金产品等。然而喷射成形技术(sf技术)属于前沿技术，目前仅在部分刀具、热作模具、冷作模具方面有研究和应用；sf技术在轧辊制造领域的应用研究属于起步阶段；采用sf方法制备高档冷轧工作辊辊坯技术，属国际领先、国内首次研究。喷射成型材质、工艺中尚存在诸多重、难点问题亟待研发技术方案。
12、因此，亟待开发一种将喷射成型技术应用在高档冷轧工作辊辊坯制备过程中的方法，从而开发出一种成本低、组织更加细密、综合力学性能更加优异的冷轧工作辊辊坯。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种喷射成型冷轧工作辊坯及其制备方法，通过设计材质成分，增加基体的强韧性，以满足超高强钢的轧制需求，同时采用喷射成型技术，使得制备的喷射成型冷轧工作辊坯在常温、高温力学性能全面提升，尤其是高温强韧性、耐磨性和抗热裂纹能力得到大幅提升，以解决esr冶炼和锻造技术制作的高速钢材质工作辊存在的剥落、碳化物不均匀、耐磨性相对不足等缺点。
2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
3、本发明第一方面提供了一种喷射成型冷轧工作辊坯，其材质包括按重量百分数计算的如下成分：c：0.82～1.07％、si：0.6～1.0％、mn：0.4～0.6％、p≤0.03％、s≤0.01％、cr：5.5～7.5％、w：0.8～1.2％、mo：1.0～1.3％、v：2.0～2.5％、n：0.3～0.5％、co：1.2～2.0％，余量为fe及其他不可避免的杂质。
4、优选地，所述喷射成型冷轧工作辊坯的屈服强度为≥745mpa，抗拉强度为≥975mpa，致密度为≥99％，晶粒尺寸≤16μm。
5、本发明第二方面提供了一种喷射成型冷轧工作辊坯的制备方法，根据本发明第一方面所述的喷射成型冷轧工作辊坯材质的成分配比原料，再通过喷射成型、热压烧结、锻造以及锻后退火处理制得所述喷射成型冷轧工作辊坯。
6、优选地，所述喷射成型过程中，所述原料熔化后得到合金熔体，所述合金熔体经导液管在雾化气体的作用下雾化形成熔滴射流，并直接喷射在沉积基底上形成沉积坯。
7、优选地，所述喷射成型过程中：
8、所述合金熔体的质量流率为3.5～4.5kg/min；和/或
9、所述导液管的伸出长度为3～5mm；和/或
10、所述沉积基底的预热温度为500～600℃；和/或
11、所述沉积基底的转速为9～12r/min；和/或
12、所述雾化气体采用纯度≥99％的氮气，所述雾化气体的压力为0.8～1.2mpa，所述雾化角度为30～60°；和/或
13、所述熔滴射流的喷射温度为820～880℃。
14、优选地，所述热压烧结工序如下：
15、(1)一次均温处理，将所述喷射成型得到的沉积坯加热至600±10℃，并进行8～10min的均温处理；
16、(2)二次均温处理，将经所述一次均温处理后的沉积坯继续加热至800±10℃，并进行8～10min的均温处理；
17、(3)均质化烧结，将经所述二次均温处理后的沉积坯继续加热至1450～1550℃，保温5～8min，然后随炉冷却至1050～1250℃，保温4～6h，之后随炉冷却至300℃以下，出炉空冷至室温。
18、优选地，所述热压烧结工序中，所述步骤(1)和步骤(2)中的加热过程中，升温速度为200～230℃/h。
19、优选地，所述锻造过程中，始锻温度为1200～1250℃，终锻温度为1100～1150℃；和/或
20、所述锻造过程中，锻造比为4～6；和/或
21、所述锻造过程中，模具下压速率为0.05～0.08mm/s，旋转进度为20～30°，应变量为70～75％。
22、优选地，所述锻后退火处理过程中，经所述锻造后得到锻坯缓冷至600～700℃并进行保温，之后在10h内热转入退火炉内进行退火，控制退火温度为760～810℃，保温4～6h。
23、优选地，所述喷射成型冷轧工作辊坯的屈服强度为≥745mpa，抗拉强度为≥975mpa，致密度为≥99％，晶粒尺寸≤16μm。
24、所提供的喷射成型冷轧工作辊坯材质中各成分的设计原理为：在高速钢基础上降低mo、w，提高v含量保持其二次硬化能力，增加cr含量以提高淬透性，减少碳化物总量，添加适量n，改善组织均匀性，提高钢的韧性，调整碳化物类型结构，增加vc型比例。试验结果表明，该设计中，虽然降低了合金含量，但获得高档冷轧工作辊坯仍保持了原高速钢的高耐磨性、高温回火二次硬化能力、高的热稳定性(抗软化能力)，同时韧性要高2～4倍。
25、co含量设计特点为：基于co含量对高速钢二次硬度的影响研究，co的含量控制在0～3％范围内可使辊坯的二次硬度迅速提高，当co含量低于1.2％时，其二次硬化效果不明显，当co含量为3％时使二次硬化提高最多，但是相应的生产成本会显著增加10～12％，因此最有效最佳的co含量1.2～2.0％，既保证硬度的提高，又能保证性价比。
26、c含量设计特点为：依据化学平衡碳理论，增加含c量可在淬火加热时增加高速钢奥氏体中的含碳量，加强回火时的弥散硬化作用，从而提高常温和高温硬度，但是c含量过多会影响钢本身的特性，根据合金化原理平衡碳计算公试c＝0.033w+0.063mo+0.060cr+0.2v，进行c含量的控制，最终确定c的含量为0.82～1.07％；碳的含量低于0.82％时与合金搭配不充分，将降低辊坯硬度，c的含量高于1.07％时将增加辊坯脆性，最终都将降低使用寿命。
27、v含量设计特点为：增加v含量使得辊坯的晶粒组织的细化度增强，从而提高辊坯的高温硬度、高温强度、韧性和耐磨性，当其在高温熔入奥氏体时可以增加辊坯的淬透性，防止过热敏感倾向，v含量的增加使辊坯中形成vc碳化物，最大限度的发挥钒的作用，提高耐磨性，但当v的含量过高，会使得辊坯回火后机械性能不佳，磨削性较差，经过反复试验最终确定本发明中使用钒的含量2.0～2.5％。
28、n含量设计特点为：利用本发明专利中，控制n含量在0.5％以下，以削弱大颗粒碳化物的形成，改善可磨削性能。由于在制备过程中钒会形成vc(碳化钒)类型碳化物，v的增加使得钢中高耐磨的mc(m为碳化物形成元素)碳化物比例显著增加，从而显著提高耐磨性，试验表明过量的n与v易在高温情况下先形成vn，析出成核后vc在其上长大，是最终形成较多大颗粒碳化物的一个重要因素；另一个因素是过量的n使得钢中形成大量aln(氮化铝夹杂)脆性相，对辊坯的韧性极为不利。因此控制n的含量在0.3～0.5％时，可以削弱大颗粒碳化物的形成和夹杂的aln脆性相减少，对辊坯的韧性影响较小，同时控制vc颗粒，也有效的改善可磨削性能。
29、本发明所提供的喷射成型冷轧工作辊坯及其制备方法，具有以下有益效果：
30、1、本发明的喷射成型冷轧工作辊坯及其制备方法，通过设计材质成分，增加基体的强韧性，以满足超高强钢的轧制需求，同时采用喷射成型技术，使得制备的喷射成型冷轧工作辊坯在常温、高温力学性能全面提升，尤其是高温强韧性、耐磨性和抗热裂纹能力得到大幅提升，以解决esr冶炼和锻造技术制作的高速钢材质工作辊存在的剥落、碳化物不均匀、耐磨性相对不足等缺点；
31、2、本发明的喷射成型冷轧工作辊坯及其制备方法，通过材质设计、喷射成型、热压烧结、锻造以及锻后热处理，从而获得成本低、组织更加细密、综合力学性能更加优异的喷射成型高速钢工作辊坯；
32、3、本发明的喷射成型冷轧工作辊坯及其制备方法，优化设计现有超高强钢轧制用轧辊材质，并创新性的设计喷射成型工艺获得喷射成型辊坯，为进一步提高致密度，使组织均匀化，特别设计热压烧结工艺，为锻造打下坚实的基础；锻造和锻后热处理过程中充分分析传统锻造及退火工艺的缺点，进行了创造性的设计，最终获得组织和力学性能具佳的喷射成型锻造辊坯，填补了国内喷射成型用于轧辊制造领域的空白，在国际上处于领先地位；
33、4、针对esr高速钢辊产线常规使用电渣重熔(esr)冶炼制造高速钢材质工作辊存在一次碳化物不均匀，耐磨性相对不足，易发生事故等缺点，本发明的喷射成型冷轧工作辊坯具有优异的强韧性、耐磨性和抗热裂性能，能解决超高强钢的轧制难题，具有较好的推广应用前景。