CN102990316A - 平整辊表面毛化处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平整辊表面毛化处理方法，涉及薄钢板的毛化工艺，解决现有的平整辊轧对毛化冷轧薄钢板的表面毛化处理存在硬度低及耐磨性能不良的问题，本方法包括清理平整辊表面、制备相应的轰击用粉末颗粒、预轰击研磨、二次轰击研磨和抛磨处理等步骤。通过两次轰击研磨，能够在辊面形成随机形状的微小凸起平台，使得辊面粗糙度调整方便，峰值密度高，在轧制过程中可以实现良好复制。另外，形成的微小平台材料组织为纳米量级的超细晶结构，具有硬度高，耐磨性好的优点。

Description

平整辊表面毛化处理方法

技术领域

本发明涉及毛化工艺，更具体地说，涉及一种平整辊表面毛化处理方法。

背景技术

具有特殊表面形貌的冷轧薄钢板在汽车和家电产业有着广泛的应用。毛化冷轧薄钢板是由表面经毛化处理的平整辊轧制而成的，其一系列表面形貌特征对钢板的深冲、涂装等工艺性能影响极大，附加值高。目前，平整辊毛化技术依据加工原理可分成三大类：第一、物理加工，包括喷丸毛化技术；第二、熔化、汽化加工，包括电火花毛化技术、激光毛化技术及电子束毛化技术；第三、电化学加工，包括表面镀铬毛化技术和喷墨毛化技术。

其中，喷丸毛化是最传统的毛化方法，其通常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)。在轧辊表面“切割”下细小的金属微粒。然而，喷丸毛化工艺的根本性缺陷在于，其毛化过程及结果可控性和重复性较差，不适合硬质钢辊的毛化处理。

电火花毛化技术是将轧辊和电极浸没在绝缘的工作液中，在轧辊和电极上施加一定幅值和频率的脉冲电压，脉冲电压使极间介质电离、击穿，形成放电通道，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℃)使金属材料熔化、汽化，从而在轧辊表面就形成了一系列电蚀坑。然而，经电火花毛化后轧辊表面往往形成白层而使得硬度降低，且其投资和设备运行成本相对较高，工作效率不高，并且也有污染问题。

激光毛化是采用高能量脉冲激光束作用于轧辊表面，使之加热、熔化并部分汽化，使熔池金属向四周堆起，同时在中间产生凹坑。但是，激光毛化技术存在效率较低，毛化成本高等不足之处。另外，激光毛化冷轧钢板的凹坑排列过于整齐和具有规则，在喷漆后往往还能隐约看到凹坑所形成的螺旋纹路，从而影响了喷漆后板材的美观性。

电子束毛化是采用轧辊在真空室内旋转并沿轴向移动，往复经过固定的电子枪，通过高能电子束投射在轧辊表面，以热的形式释放出能量，在足够高的温度下与电子束相遇的那部分材料便熔化并部分蒸发，形成凹坑。此毛化方法较适用于薄带连铸结晶辊。但是，电子束毛化的设备十分昂贵，且工艺需要在真空中实现，限制了推广和实际应用。

表面镀铬毛化则本质上是一种电化学沉积的过程。通过将轧辊浸在含铬的电解液中，通以直流电，轧辊表面形成微小的铬球面的涂层，达到毛化轧辊表面的目的。这种毛化技术还处于试验阶段，其加工效率不是很高，且由于发生电化学反应，易造成大量的有毒性化学废物，对环境污染较严重。

喷墨毛化技术是将喷墨打印技术与电化学加工相结合而成的一种新颖的轧辊毛化技术。首先，在计算机程序中设定好欲达到的毛化参数值，驱动打印头将光致抗蚀剂打印在轧辊表面，这样在轧辊表面形成一系列的光致抗蚀剂小点，然后利用与打印头并列的腐蚀头对轧辊进行电化学腐蚀，从而形成轧辊表面毛化形貌。该方法毛化虽然可控性高，但工作效率极低。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺点，本发明的目的是提供一种平整辊表面毛化处理方法，用以在平整辊上获得耐磨性能良好的均匀毛化表面。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

该平整辊表面毛化处理方法，具体包括以下步骤：

A.采用机械加工方式清理平整辊表面，去除油污和残余应力层；

B.根据待处理平整辊的材质和热处理状态，选择粉末颗粒的材质，并根据平整辊表面形貌要求进行筛分，获得所需粒径的粉末颗粒；

C.采用高压流体携带粉末颗粒，对待处理平整辊表面进行预轰击研磨处理，在平整辊表层制备一层厚度大于100微米的超细晶表层，该表层平均晶粒尺寸小于1微米；

D.采用高压流体携带粉末颗粒，对预处理后的平整辊表面进行第二次轰击研磨处理，通过高速微小颗粒对平整辊表面的冲蚀，获得所需表面形貌，同时实现平整辊毛化表面的二次强化，使其表面层晶粒尺寸小于100nm；

E.通过高速旋转的弹性抛光轮对毛化后平整辊表面进行抛磨处理。

在步骤A中，

所述的机械加工方式为车削、磨削或抛光；

所述的清理后平整辊的表面粗糙度≤Ra 0.8，表面硬度介于HRC30-HRC70之间，且整个工作面加工均匀。

在步骤B中，

所述的粉末颗粒的材质为氧化铝、氧化锆、氧化钇、氮化硼、碳化钨、高速钢、铬铁、硬质合金、非晶合金中的一种或几种的混合物。

所述的粉末颗粒包括平均粒径为150～300微米的预轰击和平均粒径为30～150微米的二次轰击粉末颗粒。

所述的粉末颗粒采用机械破碎及研磨的制粉方式，或采用雾化激冷的制粉方法进行制备，且粉末颗粒的球形度达到70％以上。

在步骤C和D中，所述的高压流体采用压缩空气、氮气、氦气中的一种或几种混合气体，或者采用水或水溶液。

在步骤C中，所述的气体流体的压力范围为1～15M Pa，水或水溶液流体的压力范围为5～50M Pa，携带粉末颗粒的速度为80～600m/s，粉末颗粒累积轰击密度为500～5000个/mm²；

在步骤D中，所述的气体流体的压力范围为1～10M Pa，水或水溶液流体的压力范围为5～30MPa，携带粉末颗粒的速度大于300m/s，粉末颗粒累积轰击密度为1000～30000个/mm²。

在步骤C中，所述的气体流体可进行预热，预热温度范围为室温-400℃；

在步骤D中，所述的气体流体可进行预热，预热温度范围为室温-800℃。

在步骤E中，所述的弹性抛磨轮的材质是尼龙、绒毛或砂布。

在步骤E中，所述的抛光轮与平整辊的相对线速度大于1000mm/min，抛磨量为凸峰高度的10％～50％。

在上述技术方案中，本发明的平整辊表面毛化处理方法包括清理平整辊表面、制备相应的轰击用粉末颗粒、预轰击研磨、二次轰击研磨和抛磨处理等步骤。通过两次轰击研磨，能够在辊面形成随机形状的微小凸起平台，使得辊面粗糙度调整方便，峰值密度高，在轧制过程中可以实现良好复制。另外，形成的微小平台材料组织为纳米量级的超细晶结构，具有硬度高，耐磨性好的优点。

附图说明

图1是本发明的毛化处理方法的流程框图；

图2是二次轰击后平整辊表面毛化形貌SEM照片；

图3是表面抛磨35％后的平整辊表面毛化形貌SEM照片；

图4是图3中a区域的凸峰TEM组织及衍射花样的放大照片；

图5是采用本发明毛化后的轧辊轧制钢板传递形貌SEM照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

请参阅图1所示，本发明的平整辊表面毛化处理方法具体包括以下步骤：

A.采用机械加工方法清理平整辊表面，去除油污和残余应力层；

B.根据待处理平整辊的材质和热处理状态选择粉末颗粒的材质，然后根据平整辊表面形貌要求进行筛分，获得所需粒径的粉末颗粒；

C.采用高压流体携带粉末颗粒，对待处理平整辊表面进行预轰击研磨处理，在平整辊表层制备一层厚度大于100微米的超细晶表层，该表层平均晶粒尺寸小于1微米；

D.采用高压流体携带粉末颗粒，对预处理平整辊表面进行二次轰击研磨处理，通过高速微小颗粒对平整辊表面的冲蚀，获得所需表面形貌，同时实现平整辊毛化表面的二次强化，使表面层晶粒尺寸小于100nm；

E.采用高速旋转的弹性抛光轮对毛化后的平整辊表面进行抛磨处理，完成整个毛化处理过程。

在步骤A中，去除平整辊表面的油污残余应力层可以采用车削方法，也可以采用磨削或抛光方法。

在步骤A中，平整辊表面清理后粗糙度≤Ra 0.8，且整个工作面加工均匀。

在步骤A中，清理后平整辊可进行表面淬火处理，也可以不进行淬火处理，平整辊表面硬度介于HRC30-HRC70之间。

在步骤B中，所述的粉末颗粒的材质为氧化铝、氧化锆、氧化钇、氮化硼、碳化钨、高速钢、铬铁、硬质合金、非晶合金中的一种或几种的混合物。

在步骤B中，所述的粉末制备可以采用机械破碎与研磨的方法，也可以采用雾化激冷制粉方法，粉末颗粒的球形度达到70％以上，有利于获得高速高能粉末颗粒，保证平整辊表面毛化质量和均匀性。

在步骤B中，所述的粉末颗粒制备包括平均粒径为150～300微米的预轰击和平均粒径为30～150微米的二次轰击粉末颗粒。前者大粒径的粉末颗粒能量高，主要作用是细化表层晶粒，获得较厚的超细晶表层；后者粒径相对较小，主要作用是通过适当粒径颗粒的冲击，获得复合用户要求的毛化形貌。

在步骤C中，采用高压流体驱动预轰击粉末颗粒进行预轰击，其高压流体可以是压缩空气、氮气、氦气中的一种或几种混合，也可以是水或水溶液，其中，采用压缩气体的压力范围为1～15MPa，采用水或水溶液的压力范围为5～50M Pa。

在步骤C中，上述的压缩空气、氮气、氦气或其混合气体可以进行预热，预热温度范围为室温-400℃，有效提高气体的加速效率，获得更高能量的高速颗粒；当然也可以不进行预热处理，而直接使用。通过该高压流体的携带，粉末颗粒速度达到80～600m/s，累积轰击密度500～5000个/mm²。

在步骤D中，采用高压流体驱动二次轰击粉末颗粒进行二次轰击，其高压流体可以是压缩空气、氮气、氦气中的一种或几种混合，也可以是水或水溶液；其中，采用压缩气体的压力范围为1～10M Pa，采用水或水溶液的压力范围为5～30MPa。

在步骤D中，上述的压缩空气、氮气、氦气或其混合气体可以进行预热，预热温度范围为室温-800℃，以提高气体对粉末颗粒加速效率的同时，对预处理的平整辊表面起到加温软化作用，有利于毛化形貌的制备；也可以不进行预热处理，通过上述高压流体携带，使得二次轰击粉末颗粒的速度大于300m/s，累积轰击密度为1000～30000个/mm²。

在步骤E中，抛磨用弹性抛磨轮的材质是尼龙、绒毛或砂布，并且抛光轮与平整辊的相对线速度大于1000mm/min，抛磨量为凸峰高度的10％～50％。

下面，以进行具体举例说明：

实施例1

采用表面磨削方法去除平整辊表面油污和残余应力层，表面粗糙度为Ra0.36，未进行淬火处理，表面硬度为HRC41；预轰击粉末颗粒采用氧化铝，雾化激冷方法制备，球形度达到90％以上，平均粒径为220微米，预轰击采用高压氮气驱动，压力为5M Pa，轰击气体预热温度为280℃，粉末颗粒速度为300m/s，累积轰击密度3000个/mm²；二次轰击颗粒也采用雾化激冷方法制备的氧化铝，球形度95％以上，平均粒径60微米，二次轰击采用氮气和氦气9∶1的混合气体，压力为2.0M Pa，混合气体预热温度为550℃，粉末颗粒速度为600m/s，累积轰击密度10000个/mm²，所得的平整辊表面为随机分布的毛化结构，见图2所示。最后进行35％的表面抛磨处理，表面粗糙度为Ra3.0，峰值密度RPc为120，表面抛磨35％以后形貌如图3所示，为平台毛化峰；凸峰材料TEM照片和衍射环形貌如图4所示，为平均晶粒尺寸约40nm超细晶结构。采用该毛化后的平整辊轧制的高强IF钢板表面形貌如图5，可见毛化形貌复制的传递性良好，并且经验证，采用该方法处理后的平整辊毛化表面寿命提高了15％以上。

实施例2

采用表面车削方法去除平整辊表面油污和残余应力层，表面粗糙度为Ra0.75，未进行淬火处理，表面硬度为HRC39；预轰击粉末颗粒采用硬质合金球，雾化激冷方法制备，球形度达到90％以上，平均粒径为280微米，预轰击采用高压压缩空气驱动，压力为12MPa，轰击气体温度为室温，粉末颗粒速度为350m/s，累积轰击密度2200个/mm²；二次轰击粉末颗粒采用氧化锆，机械破碎研磨方法制备，球形度80％以上，平均粒径30微米，二次轰击采用氮气，压力为2.8M Pa，气体预热温度为400℃，粉末颗粒速度为630m/s，累积轰击密度18000个/mm²；最后进行20％的表面抛磨处理。所得的平整辊表面粗糙度为Ra2.7，峰值密度RPc为147，凸峰材料的平均晶粒尺寸约50nm。经验证，采用该方法处理的平整辊毛化表面寿命提高了20％以上。

实施例3

采用表面车削后抛光方法去除平整辊表面油污和残余应力层，表面粗糙度为Ra0.24，表面淬火处理，表面硬度为HRC50；预轰击粉末颗粒采用氧化锆和氧化钇的混合物，机械破碎研磨法制备，球形度达到80％以上，平均粒径为180微米，预轰击采用比例为7∶3的高压氮气与氦气的混合气体，压力为8MPa，轰击气体预热温度为150℃，粉末颗粒速度为380m/s，累积轰击密度3500个/mm²；二次轰击粉末颗粒采用氧化铝，雾化激冷方法制备，球形度95％以上，平均粒径35微米，二次轰击采用氮气，压力为4MPa，气体预热温度为200℃，粉末颗粒速度为580m/s，累积轰击密度16000个/mm²；最后进行25％的表面抛磨处理。所得的平整辊表面粗糙度为Ra2.8，峰值密度RPc为117，凸峰材料的平均晶粒尺寸约25nm。经验证，采用该方法处理的平整辊毛化表面寿命提高了25％以上。

实施例4

采用表面车削后磨光方法去除平整辊表面油污和残余应力层，表面粗糙度为Ra0.4，表面淬火处理，表面硬度为HRC48；预轰击粉末颗粒采用铬铁和硬质合金的混合物，雾化激冷方法制备，球形度达到90％以上，平均粒径为250微米，预轰击采用纯水进行，压力为30MPa，粉末颗粒速度为400m/s，累积轰击密度4500个/mm²；粉末2为氧化铝，雾化激冷方法制备，球形度95％以上，平均粒径120微米，二次轰击粉末颗粒采用氮气，压力为6MPa，气体预热温度为500℃，粉末颗粒速度为480m/s，累积轰击密度8000个/mm²；最后进行45％的表面抛磨处理。所得平整辊表面粗糙度为Ra3.8，峰值密度RPc为80，凸峰材料的平均晶粒尺寸约55nm。经验证，采用该方法处理的平整辊毛化表面寿命提高了30％以上。

综上所述，采用本发明的毛化处理方法，平整辊表面毛化形貌随机均匀分布，粗糙度调整简单方便，峰值密度(PC)高；形成的毛化凸起峰为晶粒尺寸小于100nm的超细晶结构，强度高，耐磨性好，与平整辊基体之间连续均匀过度，无界面，结合强度高，且形成的纳米晶毛化层具有自清洁和自润滑的功能，可有效防止带钢表面异物压入和粘附杂物；采用本发明处理后的平整辊耐磨性与电火花毛化相比可提高15％以上，与传统毛化方法相比，本发明可将平整辊表面毛化层制备和纳米晶制备同步处理完成，具备效率高，流程短，成本低等优点。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (10)

1.一种平整辊表面毛化处理方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

A.采用机械加工方式清理平整辊表面，去除油污和残余应力层；

B.根据待处理平整辊的材质和热处理状态，选择粉末颗粒的材质，并根据平整辊表面形貌要求进行筛分，获得所需粒径的粉末颗粒；

C.采用高压流体携带粉末颗粒，对待处理平整辊表面进行预轰击研磨处理，在平整辊表层制备一层厚度大于100微米的超细晶表层，该表层平均晶粒尺寸小于1微米；

D.采用高压流体携带粉末颗粒，对预处理后的平整辊表面进行第二次轰击研磨处理，通过高速微小颗粒对平整辊表面的冲蚀，获得所需表面形貌，同时实现平整辊毛化表面的二次强化，使其表面层晶粒尺寸小于100nm；

E.通过高速旋转的弹性抛光轮对毛化后平整辊表面进行抛磨处理。

2.如权利要求1所述的平整辊表面毛化处理方法，其特征在于：

在步骤A中，

所述的机械加工方式为车削、磨削或抛光；

所述的清理后平整辊的表面粗糙度≤Ra 0.8，表面硬度介于HRC30-HRC70之间，且整个工作面加工均匀。

3.如权利要求1所述的平整辊表面毛化处理方法，其特征在于：

在步骤B中，

所述的粉末颗粒的材质为氧化铝、氧化锆、氧化钇、氮化硼、碳化钨、高速钢、铬铁、硬质合金、非晶合金中的一种或几种的混合物。

4.如权利要求3所述的平整辊表面毛化处理方法，其特征在于：

所述的粉末颗粒包括平均粒径为150～300微米的预轰击和平均粒径为30～150微米的二次轰击粉末颗粒。

5.如权利要求3或4所述的平整辊表面毛化处理方法，其特征在于：

所述的粉末颗粒采用机械破碎及研磨的制粉方式，或采用雾化激冷的制粉方法进行制备，且粉末颗粒的球形度达到70％以上。

6.如权利要求1所述的平整辊表面毛化处理方法，其特征在于：

在步骤C和D中，所述的高压流体采用压缩空气、氮气、氦气中的一种或几种混合气体，或者采用水或水溶液。

7.如权利要求6所述的平整辊表面毛化处理方法，其特征在于：

在步骤C中，所述的气体流体的压力范围为1～15MPa，水或水溶液流体的压力范围为5～50MPa，携带粉末颗粒的速度为80～600m/s，粉末颗粒累积轰击密度为500～5000个/mm²；

在步骤D中，所述的气体流体的压力范围为1～10MPa，水或水溶液流体的压力范围为5～30MPa，携带粉末颗粒的速度大于300m/s，粉末颗粒累积轰击密度为1000～30000个/mm²。

8.如权利要求7所述的平整辊表面毛化处理方法，其特征在于：

在步骤C中，所述的气体流体可进行预热，预热温度范围为室温-400℃；

在步骤D中，所述的气体流体可进行预热，预热温度范围为室温-800℃。

9.如权利要求1所述的平整辊表面毛化处理方法，其特征在于：

在步骤E中，所述的弹性抛磨轮的材质是尼龙、绒毛或砂布。

10.如权利要求1或9所述的平整辊表面毛化处理方法，其特征在于：

在步骤E中，所述的抛光轮与平整辊的相对线速度大于1000mm/min，抛磨量为凸峰高度的10％～50％。

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