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 10 m 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 27 m 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 在冲压加工时 由于可储润滑油 故加工容易 可提高涂料 的粘着性 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 表面 加工 粗糙度 Ra 值 范围 微米 用 途 光亮 加工 Ra 0 1 0 1 Ra 0 2 0 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 5 0 5 Ra 1 0 1 0 Ra 1 5 2 0 Ra 2 5 2 5 Ra 3 0 3 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 粗糙度 冷 轧 平 整 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 上海科德 喷丸毛化 Shot Blast Texturing 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 天津西马克 电火花毛化技术 Electrical Discharge Textur 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 Peak Count 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 Laser Beam Texturing 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膨胀效果愈严重 产生的残余压应力也愈大 压应力过大 容易导 致辊面爆裂 反而危害轧辊的使用 因而是有害的 用激光方法毛化这种轧辊 其表层激 光辐照区域的材料由于熔凝时的热胀冷缩作用会产生残余拉应力 X 光应力测定结果表明 当激光辐照区域 微坑 的密度达到一定程度时 这种均匀分布的拉应力确实可以有效地松 弛轧辊表层中原有的强残余压应力 从而使轧辊表面得到韧化 激光毛化辊所轧制钢带表面粗糙度 Ra 的变化情况为 轧制初期 约为轧制量的 15 表面粗糙度下降较快 以后趋缓 这主要与激光毛化辊表面形貌有关 在激光毛 化辊初用阶段 凸起部分的尖峰钝化得较快 在使用一段时间以后 凸起部分比较钝 相 应激光毛化辊的磨损量减小 而凸起部分尖峰高度以及凸坑形状等都可以通过改变毛化工 艺加以控制 因而在使用激光毛化辊时 不会因粗糙度值变化过大而使轧制条件发生较大 改变 激光毛化轧辊的使用寿命随冷轧压下率 冷带材质及其硬度的不同而有所不同 工业 应用表明 冷轧工作辊经激光毛化加工后 其使用效果和使用寿命有明显的提高 在 2O 辊森吉米尔轧机上用其冷轧低碳钢板 激光毛化轧辊的寿命比普通轧辊高 3 倍以上 在普 通二辊轧机上用激光毛化轧辊冷轧高强度 b 800 MPa 65Mn 弹簧钢 其寿命是普通轧辊 的 2 3 倍 用其平整退火低碳软钢板 其使用寿命可较普通轧辊提高 2 倍以上 有的甚 至达到 10 倍 这取决于对产品表面粗糙度的控制范围 4 2 对冷轧生产的作用 毛化辊的应用最初是在平整机上 由于毛化辊增加了轧辊与轧件间的摩擦 有利于防 止 打滑 从而使轧件能均匀变形 获得力学性能一致的产品 并使轧件表面获得所要求 的光洁度 粗糙度 随着激光毛化技术的提高 轧辊的耐磨性及轧辊的毛化工效都得到 了提高 使轧机工作辊毛化成为了可能 对冷轧生产带来了积极作用 1 避免轧制时 粘钢 粘钢 现象常出现在大压下 高轧速的情况下 特别是生产薄带时 轧件与轧辊的相 对滑动 产生局部高温 在轧件表面形成不规则的剥落 影响产品质量 根据轧辊与轧件 接触表面摩擦的特征 可分为干摩擦 半干摩擦 吸附润滑摩擦 液体摩擦四种状态 产 生粘钢的原因是因为在压力加工过程中 在辊与钢带接触表面内没有任何润滑介质薄膜存 在 而处于直接接触状态产生干摩擦 因此消除粘钢就是要使轧辊与钢带接触表面上在高 速 高压状态下能够有均匀而良好的润滑层 也就是在带钢表面上形成均匀致密的一层油 膜 在较高速轧制过程中 高压下的金属质点要得到强迫延伸 光辊轧制使其将油膜拉开 很难在轧辊与钢带接触面上形成一层油膜 激光毛化辊由于在表面上存在均匀致密的凹坑 这些凹坑起了 储油器 的作用 它们将轧制油连续带入变形区 而不会象光辊轧制那样把 轧制油挤走 激光毛辊辊面密封式的凹坑在轧制中能有效地将润滑油带入轧制变形区 起 着储油和冷却的作用 能明显改善冷轧的润滑及冷却条件 有利于材料的流动 轧辊与钢 带之间始终保持着良好的润滑环境和冷却条件 轧辊与钢带之间形成一层油膜 油膜中的 反作用力还能促使它们在离开变形区后迅速分离 避免了粘辊 使得钢带表面质量得到明 显改善 2 提高轧制速度和压下率 由于激光毛化辊改善了润滑条件 避免了 粘钢 现象 因而可实现高速和大压下轧制 在精密带生产实践中 使用激光毛化辊可提高轧制速度 45 左右 同时 道次压下量也得 到提高 加上轧辊使用寿命的提高 使生产效率得以提高 3 减轻轧制 横纹 横纹 是轧制不稳定时 轧辊和轧件产生滑动 在轧件表面产生的振动纹痕 当轧速 较高 压下量较大 张力较大时更易出现 而使用激光毛化辊能显著减轻轧制 横纹 改 善表面质量 分析认为 激光毛化轧辊凸包可以增加轧辊与钢带之间的摩擦 使钢带与工 作辊之间接触面发生了变化 从而改善了钢带与工作辊之间的接触条件 减少了轧辊与所 轧钢带之间的相对滑动 由于激光毛化辊使轧制平稳 减少了因轧制振动引起的钢带表面 的横纹缺陷 4 消除退火产生的 粘连 在生产薄带 0 5mm 时 由于卷取张力过大或板型较差 极易在退火时因局部温 度过高而使钢带产生 粘连 轻则影响产品质量 严重的会造成报废 为消除这一缺陷 许多厂家在退火前增加了一道重卷工序 给生产带来不便 而在退火前最后道次利用激光 毛化辊轧制 改善钢带层与层之间的接触状态 可有效地消除退火产生的 粘连 这在连 轧机组上使用尤为方便 5 改善轧件表面质量 冷轧带钢的表面质量要求是 冷加工材表面应光洁 不允许有裂纹 分层 折叠 疤 痕 锈蚀 划痕 氧化皮 麻点 起皮 毛刺等影响使用的缺陷存在 当用激光毛化辊轧 制带有表面缺陷的钢带时 毛辊与钢带表面相接触 使得辊面上的凸包在钢带表面上形成 微坑 即形成毛面 这些微坑将钢带表面缺陷分割 细化 切断 摊开 随着轧制的不断 进行 此过程不断演变 钢带表面缺陷则不断地变小 变浅 变少 直到最后被部分或完 全消除 另外 激光毛辊表面的凹坑还能收集轧制过程中形成的金属颗粒 减少钢带表面 划伤 改善表面质量 实践表明 激光毛化轧辊能有效减少轧制过程中钢带表面的划伤 提高产品质量 并可以消除半成品钢带表面一般性划伤 压入等表面缺陷 为挽救废品 提高成材率提供了一个新方法 6 在普通冷带轧机上实现异步轧制 异步轧制的特点是中性点处于上 下辊的不同位置 在大小不等的中性角之间造成摩 擦力的反向 其所对应的变形区就是轧辊对金属的 搓轧区 在搓轧区中 两轧辊对带钢的 剪切应力使摩擦力由变形阻力转化为促进带钢变形的动力 这种剪切变形条件是常规同步 轧制所没有的 它可使轧制力较大幅度降低 也就是说 对同样的轧机和轧材而言 异步 轧制可获得更大的压下量和更好的产品精度 实验表明 在表面比较粗糙的轧辊上进行轧 制时 润滑剂的种类对摩擦因数没有太大影响 而起决定作用的是轧辊表面的粗糙度和压 缩量 在压缩量一定的情况下 摩擦因数的改变则取决于弹性和塑性接触时的表面粗糙度 利用激光毛化方法实现并精确控制辊面粗糙度是能够利用激光辊实现异步轧制的基本条件 由于激光毛化辊微坑具有的连续润滑和对碎屑的搜集作用 使板带表面划伤减少 同时利 用的激光毛化辊辊径和转速相同 只是表面粗糙度不同 避免了由于不同辊径或转速所造 成的轧机振动 消除了钢带表面横纹 实验中 道次压下率达到 50 可提高轧程中总变 形量 减少道次数 有效提高生产效率 同时板型也得到改善 4 3 提高产品使用性能 1 改善深冲性能 激光毛化板由于有较低的摩擦系数和既有良好的润滑能力又易于收集磨粒的理想微坑 因而具有优良的冲压性能 在相同成型条件下 具有相同表面粗糙度的薄板中 激光毛化 板有最好的冲压流动性 分析认为 激光毛化板面微坑沟槽中晶粒的位错密度很高 原滑 移线不能开动 促使其他晶粒开始滑移 正是板面微坑 塑性变形区 对滑移的这种阻塞和 弥散作用 延缓了微裂纹的萌生和发展 从而使板材的延伸率提高 对同种材料的喷丸毛 化板和激光毛化板的力学性能测试表明 激光毛化板的屈服强度降低了 6 7 拉伸强 度提高了 4 7 总延伸率提高了 6 10 激光毛化板更有利于冲压成形 对 SPCC 比较 北京吉普车厂