CN101495254A - 在用于双辊薄带连铸工艺的铸辊表面形成连续沟槽的方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种在用于双辊薄带连铸的铸辊的表面中形成用于排放气体的连续沟槽的方法，更具体而言，一种在用于双辊薄带连铸的铸辊表面上形成用于排放气体的连续沟槽的方法，所述方法适合于在双辊薄带连铸机的铸辊的表面上形成微凹，所述方法包括：将光刻胶涂覆到铸辊的整个表面上；在所涂覆的光刻胶上进行图案化；使铸辊的受到图案化的表面显影；并且对铸辊的在显影过程中曝光的金属表面蚀刻。所述方法防止产生凹痕，能够制造没有缺陷的铸件，并且获得广泛的应用性，不仅能应用于高锰钢，而且能应用于因大量挥发气体而易于产生凹痕或者类似缺陷的各种类型的铸钢。
Description
技术领域
本发明涉及一种在用于双辊薄带连铸(twin roll strip casting)的铸辊(casting roll)的表面上形成用于排放气体的连续沟槽的方法，更具体而言，涉及一种在用于双辊薄带连铸的铸辊的表面上形成用于排放气体的连续沟槽的方法，所述方法适合于在用于双辊薄带连铸机的铸辊的表面中形成微凹(dimple)，所述方法包括：将光刻胶(photoresist)涂覆到铸辊的整个表面上；在所涂覆的光刻胶上进行图案化；使铸辊的受到图案化的表面显影；并且蚀刻铸辊的在显影过程中曝光的金属表面。所述方法防止产生凹痕(dent)，能够制造没有缺陷的铸件，并且获得广泛的应用性，不仅能应用于高锰钢，而且能应用于因大量挥发气体而易于产生凹痕或者类似缺陷的各种类型的铸钢。
背景技术
如图1所示，在通常的双辊薄带连铸机100中，通过浸嘴(immersion nozzle)104将中间包103中的钢液(molten steel)供给到双铸辊101和附接到该双铸辊的相对表面的边缘挡板102(edgedam)之间，从而形成钢液池105，并且铸辊101相互以相反方向旋转，使得钢液与辊子形成接触，这样将热传递到辊子，从而将钢液快速凝固，铸件106就是由该钢液制造的。
在用于制造铸件106的薄带连铸机100中，辊子的表面形状被认为是非常重要的，并且相关技术是用于制造没有缺陷的铸件的薄带连铸工艺的核心。通常，在液态金属凝固为固相的情况下，产生包括凝固收缩力和相变应力的内应力。尤其是，如在薄带连铸过程中，在以高冷却率进行凝固的情况下，由于这种内应力的增加，非常可能在铸件中产生表面裂纹。因此，在薄带连铸过程中，通常众所周知的是一种使铸辊表面具有粗糙度以有效分散和消除内应力的技术。
奥氏体不锈钢是迄今用于薄带连铸过程的最常见的一种类型的钢。当将普通钢与奥氏体不锈钢一起进行薄带连铸时，处理铸辊表面的方法的实施例包括滚花、光刻、喷砂(shot blasting)和激光处理。由上述工艺所形成的粗糙表面的特征在于，该粗糙表面以精细且独立的微凹210的形式形成，如图2所示。该形状用来有效分散和消除由凝固所伴随的应力，从而防止在铸件中产生表面裂纹。
然而，在使用通过上述工艺而具有粗糙度的铸辊来制造高锰钢薄带的情况下，如图3(a)所示，在铸件表面中产生了在其他类型钢中未发现的小凹痕310。
产生凹痕310的原因在于，在高锰钢中，不像其他类型的钢，具有低熔点和低蒸发压力而因此比其他元素更容易挥发的锰在钢液中的含量是18～25重量百分比，因此在铸造期间容易从钢液池蒸发，结果是所形成的蒸气完全装在弯月罩(meniscus shield)中。而且，蒸气沉积在铸辊的表面以及弯月罩的内表面上。当处于被聚集在旋转铸辊表面的隔离微凹中的状态的蒸气与液相的钢液形成接触时，可能会由于从钢液所传递的高热量而发生装在微凹中的气体的膨胀或爆炸。相应地，在凝固过程中，向与此微凹的上表面直接接触的易碎凝固壳施加了冲击，结果由冲击力不合希望地产生了凹痕310。图3(b)是一个图表，示出当使用传统的铸辊来制造高锰钢薄带时的凹痕数和凹痕率。如该图所示，使用传统的铸辊来制造高锰钢铸件的情况形成了大量的凹痕和高凹痕率。
因此，为了防止产生不希望有的表面凹痕，需要一种新颖的微凹形成方法，所述方法非常不同于用于将奥氏体不锈钢或普通钢铸造为薄带的传统辊表面处理。
发明内容
本发明要解决的技术任务
因此，针对相关技术中所出现的上述问题而进行了本发明，本发明的目标之一是提供一种在用于双辊薄带连铸的铸辊的表面中形成用于排放气体的连续沟槽的方法，所述方法允许所聚集的气体从辊子的整个表面被有效排放而未被隔离，从而防止产生凹痕并且能够制造没有缺陷的铸件。
技术方法
本发明提供一种在用于双辊薄带连铸的铸辊的表面上形成用于排放气体的连续沟槽的方法，更具体而言，涉及一种在用于双辊薄带连铸的铸辊的表面中形成用于排放气体的连续沟槽的方法，所述方法适合于在双辊薄带连铸机的铸辊的表面中形成微凹，所述方法包括：将光刻胶涂覆到铸辊的整个表面上；在所涂覆的光刻胶上进行图案化；使铸辊的受到图案化的表面显影；并且对铸辊的在显影的过程中曝光的金属表面蚀刻。如所指的，用于排放气体的连续沟槽可被形成为具有150～500μm的宽度以及50～150μm的深度。
有益效果
根据本发明，在用于双辊薄带连铸的铸辊的表面中形成用于排放气体的连续沟槽的方法是有益的，因为在辊子的表面中预先加工了能够在铸造过程中有效地排放在钢液池中所产生的蒸气的精细连续沟槽，从而防止产生相当于高锰钢中令人讨厌的表面缺陷的凹痕，能够制造没有缺陷的铸件，并且获得广泛的应用性，不仅能应用于高锰钢，而且能应用于因大量挥发气体而易于产生凹痕或者类似缺陷的各种类型的铸钢。
附图说明
图1示意性地示出一通用的双辊薄带连铸机；
图2(a)是一个示意图，示出用于双辊薄带连铸的铸辊的表面通过传统光刻得到的微凹的形状；
图2(b)是一个示意图，示出用于双辊薄带连铸的铸辊的表面通过传统喷砂得到的微凹的形状；
图2(c)是一个像片，示出用于双辊薄带连铸的铸辊的表面通过传统光刻和喷砂组合得到的微凹的形状；
图2(d)是一个像片，示出用于双辊薄带连铸的铸辊的表面通过传统喷砂和激光处理组合得到的微凹的形状；
图3(a)是一个像片，示出通过传统的双辊薄带连铸所制造的高锰钢铸件的表面中的凹痕；
图3(b)是一个图表，示出通过传统的双辊薄带连铸所制造的高锰钢铸件的表面中的凹痕率；
图4示意性地示出根据本发明的、为形成用于排放气体的连续沟槽而处理铸辊的表面的过程；
图5(a)是一个示意图，示出根据本发明的、具有用于排放气体的精细连续沟槽的铸辊的表面的形状；
图5(b)是一个图表，示出根据本发明的用于排放气体的精细连续沟槽的尺寸；
图5(c)是一个图表，示出根据本发明的用于排放气体的精细连续沟槽的宽度和深度；
图6是一个表格，示出使用根据本发明的具有用于排放气体的精细连续沟槽的铸辊的薄带铸造与使用传统技术的薄带铸造的比较结果。
最优实施方式
在下文中，将参考附图给出本发明的详细描述。
图4示意性地示出根据本发明的、处理铸辊的表面以形成用于排放气体的连续沟槽的过程。
处理铸辊的表面以形成用于排放气体的连续沟槽的过程包括一系列操作：敏化液(sensitizing solution)涂覆410、图案化420、显影430、蚀刻440以及微凹形成450。
敏化液，即光刻胶412，包括一种水溶性材料和一种溶剂可溶性材料，并且在见光时，在其分子中会发生多种反应，包括交联、分解、聚合等。而且，相对于溶剂(显影剂)，光刻胶可分为负性和正性(市场上可买到)。利用这类特性，光刻胶可在表面上成像，形成精确的蚀刻产品。
在本发明中，使用比正性光刻胶更通用的负性光刻胶，并且通过向蛋白质、虫胶、PVA(聚乙烯醇)等添加重铬酸(bichromic acid)使该负性光刻胶具有感光性。而且，在本发明中，使用TPR(热塑橡胶)，其可从Tokyo Ohka Kogyo Co.Ltd.买到并且在25℃具有30Ps的粘性。
所涂覆的光刻胶412的厚度可根据光刻胶412的粘性而稍微改变，并且基于具有20～40Ps的粘性的光刻胶，可将光刻胶412涂覆到3～10μm的厚度。
在进行了将光刻胶412涂覆到铸辊411的表面上的光刻胶涂覆410之后，在暗室内进行干燥然后进行图案化420。用于确定连续气体沟槽的形状和尺寸的图案化方法，包括使用激光器421图案化以及通过掩蔽薄膜(film masking)辐射UV光422。
使用激光421图案化是一种这样的方法，即：将激光直接辐射到干燥的光刻胶412，因此感光所述光刻胶以印刻预定图案。通过薄膜掩蔽辐射UV光422是一种这样的方法，即：在辊子的整个表面粘附掩蔽薄膜423，所述掩蔽薄膜印制有要加工的连续沟槽452的形状；使它们紧密接触；并且辐射UV光，因此在光刻胶412中印刻预定图案。
涂覆光刻胶412和辐射激光421或者UV光422都在暗室内进行。因为光刻胶412会与自然光或亮光反应，所以上述过程优选在暗室内进行，但是通常在微弱的荧光灯下进行。而且，由于光刻胶412即使在微弱的光下也是高度易起反应的，对于激光421或UV光422的辐射强度没有具体要求。
掩蔽是一种使用一具有化学抵抗性的保护层覆盖金属表面的一部分的操作，意在保护该部分以防受到蚀刻。为此所使用的掩蔽薄膜423是一种这样的薄膜，其中要被蚀刻的一部分以及不被蚀刻而受到保护的另一部分被设计并预先生产。尽管这种薄膜不要求具体的材料特性，但其应是透明的以从其中传输光，并且也应与目标表面紧密接触。为了增加接触度，有效的是施加相当于弹性范围内的弱力的张力，并且因此所述薄膜应为100～400μm厚。
在完成图案化之后，进行显影430。在这个过程中，将光刻胶412的通过感光处理固化的那部分433作为保护薄膜431，而该光刻胶的响应于非辐射光而未固化的其他部分432溶解在碱性显影剂(basicdeveloper)中。在显影之后，曝光铸辊411的金属表面。
即，显影430是一种这样的方法，即将光刻胶曝光一预定时间段，然后溶解光刻胶的未感光的那部分以将其去除。使用弱碱性的稀释氨溶液或者约8％的重铬酸溶液作为显影剂。
在接下来的蚀刻440中，将曝光后的、没有保护薄膜的金属表面溶解在高压蚀刻剂441中，因此将其蚀刻，在此之后去除固化的光刻胶412，形成微凹451。
在化学溶解掉所选择部分这一方面起到一定作用的蚀刻剂441，其类型取决于目标材料(例如，铜、铝、碳钢、不锈钢、镍/镍合金、钛合金等)而变化，应被合适地确定。在本发明中，轧辊的表面由镍形成，并且蚀刻剂441包括与作为添加剂的酸相混合的氯化铁，但是本发明不限于此。也可使用替代的蚀刻剂。
图5(a)是一个示出铸辊表面的示意图，其中通过上述制造过程加工得到连续的气体沟槽452。
在图5(a)示出的实施例中，微凹451具有0.5mm的直径、0.09mm的深度，0.25mm的微凹间最小距离、以及约42％的气体沟槽面积。
然而，这样的尺寸和面积可能取决于高锰TWIP钢的组分以及铸造参数而变化，并且可以被进一步最优化。
在图5(b)和5(c)中，图示了通过上述制造过程加工得到的连续气体沟槽的尺寸。
用于排放气体的连续沟槽452的详细说明如下所述。
针对用于排放气体的连续沟槽452的宽度453，确定最小宽度到这样的程度，即维持连续沟槽以有效地排放气体。在薄带连铸过程中，由于使用具有刷毛的刷子作为主要工具来清洁铸辊的表面，所述铸辊可能被刷毛磨损。而且，为了即使在长期铸造的过程中保持连续沟槽的状态(phase)，连续沟槽应具有至少一预定宽度。最小宽度被设为150～200μm。
当将钢液装在用于排放气体的连续沟槽452中时，铸造材料的表面可能不是齐平的，这在后期处理中引起表面缺陷。针对用于排放气体的连续沟槽452的宽度453，确定最大宽度使得钢液不会轻易渗透，或者在钢液渗透的情况下钢液量非常小。一般来说，当间隙的尺寸小于特定尺寸时，钢液不会由于表面张力而渗透到间隙中。这种现象可能会受钢液成分的影响并且受包括温度的其他参数影响。在薄带连铸过程中，为了制造包含18～25％锰的高锰TWIP钢，用于排放气体的连续沟槽452的最大宽度被设为400～500μm。
用于排放气体的连续沟槽452的深度454不需要设得太大，只要连续沟槽可得到维持。因为当通过刷光进行铸造时不可避免地磨损微凹和气体沟槽，连续沟槽至少应深至能坚持一个辊子更换周期。其合适深度被设为50～150μm。
在本发明的图案化过程中，可选择地控制气体沟槽的形状和尺寸，并且因而可轻易加工最适宜于铸造高锰钢的气体排放连续沟槽452。
根据需要，在辊子的各个中心部分和边缘部分的用于排放气体的连续沟槽452的密度可以相同或不同。这是因为用于排放气体的连续沟槽452是难于与金属液形成直接接触的一部分，并且因此相比于其他部分(包括紧密接触部分)具有较低的冷却率。因此，当需要在宽度方向控制辊子的冷却性能时，改变用于排放气体的连续沟槽452的密度可能是有效的。
正如从图6的表中显而易见的，使用根据本发明的具有用于排放气体的精细连续沟槽的铸辊来铸造薄带的情况比得上使用传统技术来铸造薄带的情况。
在通过多种轧辊表面处理方法(即光刻、喷砂、激光处理及其组合)形成独立微凹的情况下，凹痕形成的程度在各个方法中稍微不同，但是在实例的任何一个中都没有完全防止形成凹痕。
然而，在使用根据本发明的具有精细连续沟槽的铸辊来铸造薄带的情况下，没有凹痕因所聚集的蒸气的膨胀或爆炸而产生，这表明所聚集的蒸气通过连续沟槽被有效地排放。
因此，通过使用根据本发明的光刻和激光图案蚀刻形成的反向微凹蚀刻——其具有一相反于通常微凹蚀刻形状的形状，形成了精细连续沟槽，从而有效地排放了在铸造高锰钢时出现的挥发性蒸气，因此防止产生相当于不希望有的表面缺陷的凹痕。
工业应用性
如上所述，本发明提供了一种在用于双辊薄带连铸的铸辊的表面中形成用于排放气体的连续沟槽的方法，该连续沟槽允许所聚集的气体从辊子的整个表面被有效地排放而未被隔离，因此防止产生凹痕并且能够制造没有缺陷的铸造样品。
Claims (2)
1.一种在用于双辊薄带连铸的铸辊的表面上形成用于排放气体的连续沟槽的方法，包括：
光刻胶涂覆(410)，包括在暗室中将光刻胶(412)涂覆到铸辊的整个表面上，然后进行干燥；
图案化(420)，包括在所述轧辊的整个表面附着薄膜，所述薄膜印制有用于排放气体的连续沟槽(452)的形状，然后将UV光辐射到涂覆的光刻胶(412)上，或者直接将激光辐射到干燥的光刻胶(412)上，因此形成用于排放气体的连续沟槽(452)的形状；
显影(430)，包括将铸辊的受到图案化的表面曝光，然后使用弱碱性的稀释氨溶液或者8％的重铬酸溶液来溶解光刻胶的未被感光的那部分，因此将其去除；以及
蚀刻(440)，包括蚀刻铸辊的在显影中曝光的金属表面，因此形成用于排放气体的连续沟槽(452)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中用于排放气体的连续沟槽(452)被形成为具有150～500μm的宽度和50～150μm的深度。
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