冷轧辊各种毛化工艺简介与激光毛化的比较

1前言2表面粗糙度的研究2.1表面粗糙度的分类2.2对表面粗糙度的控制3各种毛化工艺的比较3.1喷丸毛化技术3.2电火花毛化技术3.3激光毛化技术4激光毛化工艺的应用4.1激光毛化工艺可显著提高轧辊使用寿命·表面改性与细晶强化作用·毛化形貌的耐磨作用·表面应力松驰的韧化作用4.2对冷轧生产的作用避免轧制时“粘钢”提高轧制速度和压下率减轻轧制“横纹”消除退火产生的“粘连”改善轧件表面质量在普通冷带轧机上实现异步轧制4.3提高产品使用性能改善深冲性能提高涂装性能和鲜映度改善抗摩擦性能新板型的开发1前言具有特殊表面形貌的冷轧薄钢板在制造业中有着广泛的应用，特别是在汽车和家电产业中。在冷轧薄钢板的生产和应用研究中，人们发现冷轧板的一系列表面形貌参数对钢板的冲压性、涂层后光亮度等工艺性能有重要影响，而冷轧板的表面形貌在很大程度上又取决于冷轧生产过程中工作辊及平整辊的表面形貌。实质上，轧制钢板的表面形貌是轧辊表面形貌的衰减性“拷贝”。因此，研究、控制冷轧轧辊及冷轧钢板表面形貌的轧辊毛化技术应运而生。轧辊毛化技术包括毛化钢板表面形貌与其工艺性能之间关系的研究、轧辊毛化工艺过程的研究及毛化设备的研制。80年代以来，先进工业国家对轧辊毛化技术进行了许多研究并付诸工业应用，随着汽车、家电等产业的发展，对冷轧薄板提出了更高的品质要求。冷轧钢板的表面形貌和工艺性能研究发现，为了改善冷轧钢板的冲压性能和涂层光亮度等工艺性能，描述冷轧板的表面形貌，要引入包括传统的表面粗糙度在内的一系列参数作为判据。表面粗糙度Ra：毛化轧辊的Ra一般在l～10μm之间。Ra较大，有利于改善短材的冲压性能和涂层牢固度，而Ra较小时，有利于提高板材涂层后的光亮度。峰值密度PPI：定义为每英寸长度内高度大于1.27m的表面峰值数。PPI值越大，涂层粘着力越好。波度wca：钢板表面的凹凸不平呈不同波长的周期。以上几个参数中，既独立描述冷轧板的表面形貌，又彼此相互影响。其中研究最多的是表面粗糙度Ra。2表面粗糙度的研究2.1表面粗糙度的分类冷轧带钢按其表面精加工方法可分为毛面的和光亮的两种。光亮加工可保持金属光泽象镜面那样光亮，可作为镀铬部件(汽车、自行车、家庭用具)的原板。由于加工后的表面粗糙度还受晶粒度的影响，需要使用细晶粒(8～10级)的钢板。毛面加工的具有微细凸凹的表面，也称梨皮状加工，大部分冷轧带钢都属这一类，细小的压痕有如下的特点：①在冲压加工时，由于可储润滑油，故加工容易；②可提高涂料的粘着性；③在带钢处理中不容易产生小的伤痕，即使产生了也不明显。在毛面加工时，作为一般加工用，Ra值(平均粗糙度)以1.0微米左右较合适，如电冰箱、煤气表外板、钢制家具等，其基本都不经受冲压加工，以电沉积镀薄膜的较多。与这些相比，镀锌钢板和有色镀锌钢板毛面程度应较细。另外，冲裁后的电动机铁芯，在以叠片形式进行热处理而无涂层时，为防止热处理时的粘结不合格，常常使用较粗的毛面。板材的表面粗糙度对冲压加工性能也有影响。在用高粘度润滑油的深冲加工中，从润滑油的稳定性，缺陷不明显性等来看，可使用毛面加工的钢板。象浴缸那样，使用固态润滑剂时，从润滑剂稳定性考虑，特粗的毛面较合适。从镀层性能、涂层性能和加工性能来看，按照用途可详细地划分。(参见下表)表面粗糙度范围用途表面加工粗糙度(Ra值)范围(微米)光亮加工Ra≤0.10.1≤Ra≤0.20.2≤Ra≤0.3●镀锡原板(光亮加工)●镀铬用汽车部件类：挡板，反射镜、灯摩托车、自行车部件类：挡泥板、消音器、轮圈、齿轮家庭园艺用具：移苗器、耙子建材、家具：栅栏、窗户框、管毛面加工Ra≤0.50.5≤Ra≤1.01.0≤Ra≤1.52.0≤Ra≤2.52.5≤Ra≤3.03.0≤Ra●镀锡原板(毛面加工)●涂层用镀锌：热镀锌、电镀锌彩色、其他：彩色、乙烯基涂层●轻加工用家庭电气用品外板：电冰箱，煤气表刻度盘，洗衣机钢制家具：书架、桌子，金柜汽车外板部件：车盖、车顶、门外板●一般加工用●冲压加工用汽车内板部件；地板、门里板车轮罩●铁芯片用电气用品：变压器铁芯、电动机铁芯●深冲加工用浴缸：西式、日本式浴缸一般用品：灭火器、搪瓷冲洗台、电话机压印花纹加工小花纹40≤Ra≤80中花纹60≤Ra≤100大花纹80≤Ra≤130●小花纹种类：麻纹、皮纹●中花纹种类：小皮纹、中皮纹、布纹，箭翎形●大花纹种类：大皮纹，塔形花纹、泡纱形2.2对表面粗糙度的控制冷轧带钢表面粗糙度一般通过平整轧制的轧辊进行控制。平整轧制时，毛面辊或者平滑辊的表面特征会压印到带钢上，一般来说，粗糙度压印率为20-40%。下面这些条件决定着带钢的表面粗糙度。(a)轧辊的粗糙度毛面辊的粗糙度由加工方法决定的。毛面辊在使用时会发生磨损，磨损程度随轧辊表面硬度、表面粗糙程度、轧制条件(干轧、湿轧、压下率、延伸率)等不同而变化，因此，除了要检查带钢的表面外，还必须确定轧辊的替换时间。(b)压下率或者轧制力毛面辊、平滑辊都需要一定的轧制力才能把轧辊表面特征压印在带钢(或钢板)上，一般来说，压下率最低要保持在0.6—0.8％范围内。(c)干轧和湿轧由于轧制力不同，干轧和湿轧的轧辊表面特征的压印程度也不一样。就是说，干轧的轧制力大，压印率大。而湿轧的轧制力小，压印率亦小。一般，干轧比湿轧摩擦系数大，轧辊的粗糙度磨耗慢。(d)平整轧制前的原板表面粗糙度原板表面的粗糙度与平整轧制时所附加的粗糙度相加和才构成成品表面粗糙度，因此，对原板表面粗糙度的控制是必要的。冷轧时使用平滑轧辊或毛面轧辊，通常是按下表所示，根据所需要的制品表面粗糙度进行选择的。冷轧用辊的粗糙度不仅要考虑制品的粗糙度，还要兼顾控制冷轧形状的调整以及防止退火粘结等。冷轧和平整轧制使用的轧辊制品表面冷轧平整粗糙度轧制毛面平滑辊或毛面辊毛面辊光亮面平滑辊或毛面辊平滑辊3各种毛化工艺的比较毛化工艺目前主要有喷丸毛化、电火花毛化、激光毛化，另外还有正在研究开发的电子束毛化、电解毛化、喷墨毛化等技术。3.1喷丸毛化技术喷丸毛化(ShotBlastTexturing，简称SBT)是最传统的毛化方法，如下图所示，其利用高速旋转的离心轮将具有尖锐边缘、高硬度的冲击材料(一般为钢丸)加速喷向欲毛化的轧辊(速度约80m/s)。当冲击粒子撞击到轧辊表面时，其产生塑性变形，并在轧辊表面“切割”下细小的金属微粒。轧辊表面的毛化形貌主要取决于离心轮的速度、喷丸材料的性质和尺寸、轧辊表面区域的硬度、单位时间内的喷丸数量、轧辊的旋转速度等。其优点为工艺简单、效率高、设备成本低，但按照现在冷轧板技术水平的要求，其缺陷十分明显。(1)由于喷丸砂是用钢丸破碎成形且通过一定规格筛网为所需规格，因此，每一个毛化点所产生的坑点或凸起都因喷丸砂重量的不同和着落点的不同而不同，使粗糙度不能保持均匀(2)目前冷轧辊喷丸砂的金相组织为回火马氏体，其硬度高(800～990HV)、韧性差，在喷打与其硬度接近的冷轧辊(700～810HV)时，破碎剧烈，造成抛丸效果一致性较差。(3)由于从抛头喷向轧辊的角度不同，造成不同角度产生的冲击效果不同，使粗糙度不能保持均匀。(4)由于喷丸过程产生的凸起在轧制过程中很快磨掉，使粗糙度在轧制初期下降迅速。(5)喷丸辊表面所残留的细砂和辊颈处未擦净的喷丸砂对工作辊轴承、带钢表面以及磨床导轨均带来踢显损伤。(6)喷丸过程中产生的大量金属粉尘，对电器元件产生不良影响，噪音也较大。3.2电火花毛化技术电火花毛化技术(ElectricalDischargeTextur—ing，简称EDT)是电火花加工技术在轧辊毛化加工中的实际应用，其工作原理及毛化方法如下图所示，将轧辊和电极浸没在绝缘的工作液中，并在轧辊和电极上施加一定幅值和频率的脉冲电压。当两者之间的间隙小到一定值时，脉冲电压使极间介质电离、击穿，形成放电通道，这时通道间的电子高速奔向正极，正离子奔向负极。电能变成动能，动能通过碰撞又转变为热能。于是在通道内、正极和负极表面分别成为瞬时热源，瞬时高温(约20000℃)使工作液汽化和金属材料熔化、汽化。汽化的气体体积不断向外膨胀，使大部分熔融金属液体和蒸气被排挤、抛出而进入工作液中，这样在轧辊表面就形成了一系列电蚀坑。随着放电的持续进行，轧辊沿一系列电极旋转，同时沿轴向运动，在轧辊上就可加工出有特定表面粗糙度Ra和峰值数Pc(PeakCount)的毛化表面。电火花毛化具有较多的优点：(1)毛化质量稳定。a、因为电极头与轧辊均浸泡在电解液中，产生火花的过程是在电解液包围下的气泡中完成的，因此，毛化后的轧辊役有被氧化的可能。b、电极头由伺服电机驱动，电极头和轧辊之间缝隙间电压反馈信号确定的伺服进给和计算机控制的点火延时保证了火花发生时缝隙大小的一致，使得毛化熔穴的几何尺寸非常一致。同时，由于伺服系统的良好作用，使电极头完全以辊形的轨迹行走工作，保证了毛化的一致性。c、重复毛化可以有地消除磨辊时出现的偏大和前道毛化的缺陷，使毛化表面呈现宏现可控的粗糙度。(2)利用脉冲波形和正负极的调整，可有效控制表面粗糙度的峰形。(3)传导率高。(4)毛化效率高。由于采用了多电极、多伺服同时工作，使其效率大大提高。(5)无粉尘、噪音污染。其不足为：(1)占地面积及空间较大，耗电大。(2)由于使用电解液，过滤精度较高，易堵塞，需定期更换清洗滤芯，和需定期更换电极及电解液。(3)设备购置费用高。3.3激光毛化技术激光毛化(LaserBeamTexturing，简称LBT或LT)是采用高能量密度（104~106W/cm2）、高重复频率(103~104次/秒)的脉冲激光束，聚焦照射到作旋转运动的轧辊表面，以形成若干微小的小熔池，同时吹以一定角度的辅助气体对熔池溶融金属挤压造型。其工作原理如图所示。当光脉冲作用停止后，微坑熔池金属在轧辊自身热传导作用下迅速冷却，形成微坑和坑边环形凸台结构的相边强化点。与此同时，激光器与轧辊作轴向相对运动，完成轧辊毛化。通过调节激光毛化工艺参数，如激光功率、脉冲频率、脉冲波形、辅助气体种类、方向和流量以及轧辊旋转速度等，可精确控制轧辊表面的毛化坑型及分布。目前已经开发的激光毛化的辊面有4种坑形，见下图。1、2型坑可使薄扳有较大平面度和较高镜象清晰度，3型坑可提高薄板粗糙度，使其具有更优良的冲压流动性，而4型坑介于两者之间。激光毛化的特点：(1)毛化参数可控制。由于采取逐点毛化，使其坑点大小及坑距能够实现可控制，从而实现对表面粗糙度Ra和峰值数Pc值等参数的控制。(2)结构简单。激光毛化设备可采用轧辊旋转，光路系统沿轧辊轴线平移的“车床型”模式，使设备简单可靠，占地面积及空间较小，无粉尘、噪音污染，从而降低设备投入成本。并可根据用户情况，在磨床后车床上增加激光系统，进一步降低设备投入成本。(3)毛化效率高。过去采用声光盒或斩光盘产生激光脉冲信号，使激光器输出功率受到限制，随着技术更新，多头光路控制系统的诞生，使毛化效率得到成倍提高，毛化时间可短于喷丸设备。4激光毛化工艺的应用由于激光毛化技术的特殊性，其对轧辊、冷轧生产、冷轧成品均产生其他毛化方法无法替代的积极的响。4.1激光毛化工艺可显著提高轧辊使用寿命分析毛化加工原理和轧制工艺，可容易理解激光毛化轧辊使用寿命的提高主要是通过以下三个途径实现的。(1)表面改性与细晶强化作用激光毛化时，辊面作用区材料由于熔凝速度非常快（加热速度可达l06～109℃/s，冷却速度≥105℃/s，远高于水淬），可以形成超细晶(深亚微米至纳米级)甚至非晶组织，其硬度可超过HV900（HRC67)，远高于常规淬火所能达到的程度，高硬度的表面组织有利于提高辊面的耐磨损能力。(2)毛化形貌的耐磨作用激光毛化后，辊面形貌发生变化，毛化加工形成的微坑和凸包均布于辊面。这种辊面形貌既有利于改善轧制时辊与板间的摩擦状态，又有利于保持良好的润滑条件。均匀分布的微坑还可以起到收集磨粒、防止它们磨损轧辊和擦伤板面的作用。(3)表面应力松驰的韧化作用为了提高其使用寿命，通常要对冷轧工作辊进行表面淬火处理。要求的硬度愈高，由马氏体相变导致的体积