轧辊超精研磨表面处理技术的探索与实践

李世辉， 顾晓辉

(宝钢轧辊科技有限责任公司，江苏 常州 213019)

轧辊超精研磨表面处理技术的探索与实践

李世辉， 顾晓辉

(宝钢轧辊科技有限责任公司，江苏 常州 213019)

摘要：超精研磨表面处理技术是一项新型且容易实现、最具性价比的表面处理技术。介绍了其主要的特性及原理，及在一些钢铁企业得到的应用和推广。

关键词：轧辊；表面毛化；研磨加工

引 言

电火花毛化技术是目前钢铁企业在轧辊表面毛化处理中普遍采用的工艺技术，但由于存在一定技术缺陷，对于生产高要求表面质量的汽车板和家电板而言，需要对其毛化后的轧辊表面进行后期处理。目前，在汽车板和家电板等高性能板材的生产过程中，都要求冷轧薄板表面具有一定的特殊毛化结构，它对钢板的深冲性能、涂镀性能、镀锌后钢板的机械性能和表面形貌有重要影响。钢板的粗糙度由毛化后的轧辊经过轧制以一定传递率传递到带钢表面，现代钢铁企业基本都采用EDT工艺对轧辊进行表面毛化处理。

汽车板的表面质量，其实就是轧辊表面构造的映射。EDT毛化技术，是通过辊面材料局部熔化，在辊面形成内凹的毛化形貌。这种辊面形貌由很多易于折断和磨损的尖峰组成，影响辊面的粗糙度保持性能和耐磨性能，尤其在带钢规格切换过程中，辊面与带钢边部接触部位由于局部磨损而产生宽窄印，为确保板面粗糙度和形貌质量，需严格限制规格切换和轧制计划长度，这直接影响生产计划的安排，无法实现自由规程轧制。为此，近年许多钢厂又采用毛化辊加镀硬铬的工艺，以提高毛化辊的轧制吨位，但在新型高强度、合金化涂层冷轧产品的生产中，仍存在粗糙度衰减较快、形貌保持不佳、辊印、色差等问题，同时镀铬工艺易造成大量的有毒性化学废物，对环境污染较严重的问题也日益突出。

为了保证每一汽车构件和每辆汽车的几何精度及性能质量的稳定可靠，要求任何牌号的汽车板必须保证其各项性能质量参数(包括几何精度、力学性能、表面质量等)在每一带卷的全部长度和宽度方向上严格保持均匀、稳定、连续、一致。这对高级汽车板来说是非常重要的一项考核指标，所以轧辊表面毛化处理技术及质量的好坏直接影响到汽车板的使用情况。

理论上能增强轧辊粗糙度保持性能的目前只有两种方法：①增加轧辊的合金含量，向半高速钢和高速钢方向发展；②提升毛化轧辊表面处理技术。第一种方法增加了轧辊制造厂家的制作难度和生产周期，也相应增加生产和采购成本；第二种方法则相对更加容易实现和具有更高的性价比，超精研磨表面处理技术就是其中的典型代表。

1 EDT毛化工艺原理及其优缺点

1.1 EDT毛化工艺原理

EDT毛化(Electrical Discharge Texturing)是在绝缘液中电极与轧辊表面之间产生脉冲性的火花放电，靠局部放电产生的瞬间高温把金属蚀除的一种电热加工方法。在加工过程中，电极与轧辊之间施加脉冲电压，当电极靠近轧辊表面的缝隙小到足以击穿绝缘液时，电路导通，电压迅速下降，电流上升到峰值。在整个脉宽时间，电极与轧辊间隙之间形成由气化泡包绕的电离通道，其周围形成高油压区限制电离通道的扩大，使能量都集中于很小的区域，产生局部高温，促使两极通过热传导局部熔化或气化；熔化的金属颗粒从轧辊表面脱落，从而在轧辊表面形成一种火山口形貌的凹坑。连续多个脉冲放电，使凹坑相互叠加，就形成轧辊的表面形貌，图1为EDT工艺示意。

图1 EDT工艺示意图

1.2 EDT毛化工艺优、缺点

EDT工艺比较成熟，且其投资和设备运行成本相对较低，是目前最具产业化价值的毛化技术。对于EDT毛化工艺，Ra与P成反向相关，即Ra增大，Pc降低，EDT处理过程中，需不断对工艺参数进行优化，以满足不同的客户需求。经 EDT处理后，可在辊面得到均匀、随机分布的毛化形貌，如图2,3所示。

图2 轧辊EDT后形貌(宏观)

图3 轧辊EDT后形貌(100X)

但EDT毛化工艺也存在着一些不足，设备维护成本比较高，同时由于绝缘液的气化也存在着一定的环境污染。另外，因工艺特性决定，其实质就是脉冲性拉弧产生加热，使其产生的毛化形貌多以尖峰形式组成，该类尖峰形貌易于折断，轧制过程中容易划伤板材。同时尖峰式毛化形貌相较于喷丸毛化和激光毛化产生的圆缓形貌，其粗糙度保持能力比较差，容易使轧制板材产生色差印等缺陷。

2 超精研磨表面处理技术

目前，冷轧辊表面毛化工艺主要包括：喷丸毛化(SBT)，电子束毛化(EBT)，激光毛化(LT)，TOPOCROM毛化和电火花毛化(EDT)；综合而言，EDT毛化工艺因其成熟稳定的优势为大多数钢厂采用。因此，如何解决好EDT毛化工艺中的尖峰形貌和粗糙度保持能力差的缺点，是目前各大钢厂生产高品质汽车板和家电板的重要课题。

宝钢新日铁汽车板有限公司之前在轧制汽车板时，经常由于辊印等缺陷造成非正常换辊，影响正常生产安排，即使能够正常轧制，但是由于粗糙度保持能力不足，轧制前后粗糙度下降幅度很大，产品质量等不到保证，由于色差、辊印等缺陷产生的降格量居高不下。为解决该问题，该公司通过两支轧辊相互挤压研磨，将EDT毛化后的尖峰事先研磨平缓，取得了一定效果。但轧辊间的相互挤压，属于硬碰硬性质，容易造成辊面划伤。一般辊面具有一定凸度，挤压研磨后，辊面粗糙度的均匀性不是很好；另外，挤压研磨工序耗时比较长，生产效率低下。

超精研磨表面处理技术，是上海江南轧辊有限公司在引进国外抛光设备的基础上，通过自主设计加载平台和冷却水自洁循环系统，并自主研发研磨工艺，主要应用于高性能、高要求板材轧制及其它非钢产业领域，具有自主知识产权的一项新型表面处理技术。目前整套设备系统已实现百分百国产化。

原来国外进口设备主要应用于非钢及部分机械制造行业，如追求高精度磨削的液压杆、压缩机、泵、复印机、减震器、变速器部件、密封轴承，磁介质、铝箔、塑料薄膜和印刷等行业，该技术可以显著提升产品的表面质量，最低粗糙度值Ra<0.01 μm，如图4所示。

图4 常规超精研磨表面处理技术应用

超精研磨表面处理技术，通过一系列抛光薄膜组合(包括磨料材质、磨料颗粒规格等)，并施加不同挤压力，根据抛光薄膜规格而定，对毛化后的轧辊表面进行超精研磨。一般对于需要进行超精研磨的轧辊，其EDT毛化粗糙度应高于上机技术要求(0.2～1 μm)。经过多道次反复研磨，最终达到符合上机要求的粗糙度值，工艺流程如图5所示。

图5 轧辊超精研磨工艺流程

3 超精研磨表面处理技术应用

宝钢公司各冷轧线在轧辊EDT毛化后已开始普遍使用超精研磨表面处理技术，如图6,7所示。目前在宝钢新日铁汽车板有限公司的应用中，经过一个正常轧制周期(2000 t左右)，轧辊上机前后的粗糙度下降量由原来的0.5～1 μm下降至目前的0.2～0.5 μm，粗糙度保持性能提升1倍以上，并且轧制后板材由于辊印降格率降低1倍以上。另外经测算，由于粗糙度保持性提升明显，在相同粗糙度衰减条件下，轧辊轧制吨位可以由2000 t提升至3600 t，换辊周期可延长80%。

图6 轧辊SF后形貌(宏观)

图7 轧辊SF后形貌(400X)

轧辊经过超精研磨表面处理技术后：①冷轧工作辊的表面粗糙度Ra值更加均匀，减少轧制后板材色差；②粗糙度Rsk值由正值变为负值，其辊身表面粗糙度保持能力大幅提升，如图8,9所示。

4 结束语

轧辊经过超精研磨表面处理技术后：冷轧工作辊的表面粗糙度Ra值更加均匀，减少了轧制后板材色差；粗糙度Rsk值由正值变为负值，大幅提升了其辊身表面粗糙度保持能力。

图8 轧辊SF前后Ra值对比图

图9 轧辊SF前后Rsk值对比图

经过超精研磨表面处理后的轧辊，其粗糙度保持能力与“EDT毛化+镀铬”工艺基本相当，因此可部分替代镀铬处理，更加绿色环保。

参考文献：

[1] 曹风国.电火花加工技术[M].北京：化学工业出版社，2005.

[2] 赵志业.金属塑性变形与轧制理论[M].北京：冶金工业出版社，1996.

[3] 王延溥.轧钢工艺学[M].北京：冶金工业出版社，1981.

[4] DICK K，LENARD J G.The effect of roll roughness and lubricant viscosity on the loads on the mill during cold rolling of steel strips[J].Journal of Materials Processing Technology，2005，168(1)：16—24.

收稿日期：2017-10-20

作者简介：李世辉(1971—)，男，高级工程师。电话：13701640228

中图分类号：TG333.17；TG580.68