具有自毛化特性的平整辊制造方法

摘要

本发明涉及复合轧辊毛化技术。一种具有自毛化特性的平整辊制造方法，包括六个步骤，分别为自毛化材料选择、自毛化材料处理、平整辊自毛化表面层材料的选择、平整辊表面自毛化层制备、平整辊表面自毛化层热处理和平整辊的初次毛化；其中：自毛化材料选择为稳定的氧化物陶瓷颗粒，在氧化物陶瓷颗粒的外表面层均匀镀一层铬，形成铬包覆的陶瓷颗粒的壳心复合结构。本发明能使平整辊在使用过程中始终保持平整辊表面的毛化特性，并随着表面层的磨损而自动适应，始终保持特定的粗糙度、Pc值等表面纹理要求；并且平整辊使用寿命长，机组有效作业率高。

权利要求

1.一种具有自毛化特性的平整辊制造方法，其特征是：包括下列步骤：第一步，自毛化材料选择，自毛化材料选择为稳定的氧化物陶瓷颗粒，所述氧化物陶瓷为α-Al2O3、全稳定ZrO2或两者的混合物；

第二步，自毛化材料处理，在自毛化材料的外表面层均匀镀一层铬，形成铬包覆的陶瓷颗粒的壳心复合结构；

第三步，平整辊自毛化表面层材料的选择，材料选择分成两部分，一是基体材料的选择，基体材料的化学成分与平整辊的材料化学成分相同，同时将基体材料制备成颗粒状粉末；二是所述氧化物陶瓷颗粒添加量的选择，以平整辊要求的Pc值为基础进行添加，具体要求为：式中PC为平整辊表面粗糙度要求，N为自毛化材料铬包覆的球形α-Al2O3或全稳定ZrO2陶瓷的陶瓷颗粒的加入量； 所述基体材料的加入量为100-W，W为陶瓷颗粒加入量的重量百分数，然后将两种粉末均匀混合，形成平整辊表面层材料混合粉末；

第四步，平整辊表面自毛化层制备，采用高压氮气温喷射技术在平整辊表面进行粘附沉积，所述温喷射表面自毛化层制备技术方案为：（a）将高压氮气体加热到730℃以上驱动；

（b）将平整辊表面层混合粉末颗粒加热到650℃以上进行沉积；

（c）表面自毛化层厚度为0.5mm-2.0mm；

第五步，平整辊表面自毛化层热处理，采用中高频电磁感应加热技术进行加热处理，采用高频将平整辊表面自毛化层加热到950℃，保温20min，冷却至室温；然后采用中频将平整辊表面自毛化层加热到550℃，保温20min，冷却至室温； 第六步，平整辊的初次毛化，对热处理后的具有表面自毛化层的平整辊进行机械磨光，达到表面粗糙度为0.8左右；然后进行常规的毛化处理，得到初次毛化的效果。

2.根据权利要求1所述的具有自毛化特性的平整辊制造方法，其特征是：所述α-Al2O3和全稳定ZrO2陶瓷为烧结型致密陶瓷。

3.根据权利要求2所述的具有自毛化特性的平整辊制造方法，其特征是：所述α-Al2O3和全稳定ZrO2陶瓷颗粒的粒径范围为：4Ra≤d陶瓷球≤6Ra，式中Ra为平整辊要求的粗糙度，d陶瓷球为球形陶瓷颗粒的直径；同时球形陶瓷颗粒以中心为5Ra正态分布，并且越窄越好。

4.根据权利要求1所述的具有自毛化特性的平整辊制造方法，其特征是：所述在自毛化材料的外表面层镀铬层的厚度在2µm-6µm。

5.根据权利要求1所述的具有自毛化特性的平整辊制造方法，其特征是：所述第三步中的基体材料颗粒状粉末为球形粉末，粉末的最大粒径为27µm。

6.根据权利要求1所述的具有自毛化特性的平整辊制造方法，其特征是：所述第五步中的中频热处理工艺重复三次。

说明书

具有自毛化特性的平整辊制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及复合轧辊毛化技术，尤其涉及具有自毛化特性的平整辊制造方法。

背景技术

[0002] 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，毛化冷轧钢板附加价值极高。

[0003] 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Pretex毛化技术和喷墨毛化技术。文献2007中国钢铁年会论文集，2007 年对比进行了综述。

[0004] 喷丸毛化是最传统的毛化方法，文献 Wear, 1997, 207:34~40，专利CN93221264.6，CN97201491.8，US 5643054，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)加速喷向欲毛化的平整辊(速度约80 m/s)。在平整辊表面“切割”下细小的金属微粒。喷丸毛化(SBT)工艺的根本性缺陷在于其毛化过程及结果是随机且不均匀的、不可控和难再现的。文献制造技术与机床2002年第5期采用气体喷丸毛化，并对比了不同方法的优缺点。

[0005] 电火花毛化技术工作原理及毛化方法，文献 Electrical discharge texturing.Int. J. Mach. Tools Manufact，1992,32(1/2):183~193，和文献 J.Mater. Process. Technol, 1994, 45:207~214，专利US20020132050，US 5250364。将平整辊和电极浸没在绝缘的工作液中，在平整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。在平整辊表面就形成了一系列电蚀坑。电火花毛化后平整辊表面往往形成白层而硬度降低，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。

[0006] 激光毛化是采用高能量脉冲激光束作用于平整辊表面，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以下不足之处，效率较低，毛化成本高。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，影响了喷漆后板材的美观性。相关专利如CN93109710.X，CN00128273.5，CN98242107.9，CN00264774.5均是在激光毛化的基础上进行一定程度的优化。

[0007] 电子束毛化，文献 Iron and Steel Engineer, 1997(9):36~40，专利US 3941970。为平整辊在真空室内旋转并沿轴向移动，往复经过固定的电子枪。高能电子束投射在平整辊表面，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，形成形成凹坑。这可能是薄带连铸结晶辊毛化最可靠的技术，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，这就限制了推广和实际应用。

[0008] Pretex毛化技术本质上是一种电化学沉积的过程。专利US99367840，US5789066，JP 6315584平整辊浸在含铬的电解液中，通以直流电，平整辊表面形成微小的铬球面的涂层，达到了毛化平整辊表面的目的。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。专利US 5186981采用了热浸溶方法。

[0009] 喷墨毛化技术，文献 34th mWSP conf. Proc.,ISS-AIME. 1993, 30: 485 ~ 489，专利US 6555223，JP 9155403，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平整辊毛化技术。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平整辊表面，这样在平整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平整辊进行电化学腐蚀，从而形成平整辊表面毛化形貌。但其加工效率不高。

[0010] 综合可见，镀铬是最有效的毛化技术之一，但是环境污染问题是目前关键的技术瓶径，亟待解决。目前平整辊的毛化主要是在表面形貌的一种毛化结构，镀铬和表面浸蚀技术(包括喷丸、电解、电火花及激光等)是主要的毛化技术，但是所有这些技术普遍存在的问题是毛化层的寿命较短，当具有表面纹理的毛化层磨损后，平整辊必须进行下线修磨和表面再毛化，极大地限制了平整辊的单次使用寿命。

发明内容

[0011] 本发明的目的在于提供一种具有自毛化特性的平整辊制造方法，该方法能使平整辊在使用过程中始终保持平整辊表面的毛化特性，并随着表面层的磨损而自动适应，始终保持特定的粗糙度、Pc值等表面纹理要求；并且平整辊使用寿命长，机组有效作业率高。

[0012] 本发明是这样实现的：一种具有自毛化特性的平整辊制造方法，包括下列步骤：

[0013] 第一步，自毛化材料选择，自毛化材料选择为稳定的氧化物陶瓷颗粒，所述氧化物陶瓷为α-Al2O3、全稳定ZrO2或两者的混合物；

[0014] 第二步，自毛化材料处理，在自毛化材料的外表面层均匀镀一层铬，形成铬包覆的陶瓷颗粒的壳心复合结构；

[0015] 第三步，平整辊自毛化表面层材料的选择，材料选择分成两部分，一是基体材料的选择，基体材料的化学成分与平整辊的材料化学成分相同，同时将基体材料制备成颗粒状粉末；二是所述氧化物陶瓷颗粒添加量的选择，以平整辊要求的Pc值为基础进行添加，具体要求为：

[0016]

[0017] 式中PC为平整辊表面粗糙度要求，N为自毛化材料铬包覆的球形α-Al2O3或全稳定ZrO2陶瓷的陶瓷颗粒的加入量；

[0018] 所述基体材料的加入量为100-N，单位为重量百分数，然后将两种粉末均匀混合，形成平整辊表面层材料混合粉末；

[0019] 第四步，平整辊表面自毛化层制备，采用高压氮气温喷射技术在平整辊表面进行粘附沉积，所述温喷射表面自毛化层制备技术方案为：

[0020] （a）将高压氮气体加热到730℃以上驱动；

[0021] （b）将平整辊表面层混合粉末颗粒加热到650℃以上进行沉积；

[0022] （c）表面自毛化层厚度为0.5mm-2.0mm；

[0023] 第五步，平整辊表面自毛化层热处理，采用中高频电磁感应加热技术进行加热处理，采用高频将平整辊表面自毛化层加热到950℃，保温20min，冷却至室温；然后采用中频将平整辊表面自毛化层加热到550℃，保温20min，冷却至室温；

[0024] 第六步，平整辊的初次毛化，对热处理后的具有表面自毛化层的平整辊进行机械磨光，达到表面粗糙度为0.8左右；然后进行常规的毛化处理，得到初次毛化的效果。

[0025] 所述α-Al2O3和全稳定ZrO2陶瓷为烧结型致密陶瓷，并且α-Al2O3和全稳定ZrO2陶瓷颗粒为球形或近球形结构。

[0026] 所述α-Al2O3和全稳定ZrO2陶瓷颗粒的粒径范围为：4Ra≤d陶瓷球≤6Ra，式中Ra为平整辊要求的粗糙度，d陶瓷球为球形陶瓷颗粒的直径；同时球形陶瓷颗粒以中心为5Ra正态分布，并且越窄越好。

[0027] 所述在自毛化材料的外表面层镀铬层的厚度在2 -6 。

[0028] 所述第三步中的基体材料颗粒状粉末为球形粉末，粉末的最大粒径为27 。

[0029] 所述第五步中的中频热处理工艺重复三次。

[0030] 本发明是在平整辊的表面制备一层具有自毛化特性的表面层，利用表面层内毛化材料的特殊结构和含量达到使用过程中的自毛化特性。本发明采用六个步骤实现具有自毛化特性平整辊的制造，分别为自毛化材料选择、自毛化材料处理、平整辊自毛化表面层材料的选择、平整辊表面自毛化层制备、平整辊表面自毛化层热处理和平整辊的初次毛化。本发明能使平整辊在使用过程中始终保持平整辊表面的毛化特性，并随着表面层的磨损而自动适应，始终保持特定的粗糙度、Pc值等表面纹理要求；并且平整辊使用寿命长，机组有效作业率高。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

[0032] 一种具有自毛化特性的长寿命平整辊制造方法，包括下列步骤：

[0033] 第一步，自毛化材料选择，自毛化材料是本发明技术的关键点之一，要求不与平整辊基体材料发生化学反应，不对轧制工艺过程中的工艺条件（例如乳化液、冷却水）发生反应，耐磨性强，稳定性高，耐高温等。要求为稳定的氧化物陶瓷、氮化物陶瓷，优选氧化物陶瓷，不选择稳定性低的碳化物陶瓷和硼化物陶瓷。

[0034] 所述自毛化材料优选为α-Al2O3、全稳定ZrO2或两者的混合物。所述α-Al2O3和全稳定ZrO2陶瓷的特征为烧结型致密陶瓷，同时要求α-Al2O3和全稳定ZrO2陶瓷的特征为球形或近球形结构。

[0035] 所述α-Al2O3和全稳定ZrO2陶瓷的粒径范围为：4Ra≤d陶瓷球≤6Ra，式中Ra为平整辊要求的粗糙度，d陶瓷球为球形陶瓷颗粒的直径。同时要求球形陶瓷颗粒以中心为5Ra正态分布，并且越窄越好。

[0036] 第二步，自毛化材料处理，自毛化材料选择后，需要对其进行处理。在球形陶瓷颗粒的外表面层均匀镀一层铬，要求镀铬层的厚度在2 -6 ；采用化学镀的方法进行镀铬，形成铬包覆的球形陶瓷颗粒的壳心复合结构。

[0037] 第三步，平整辊自毛化表面层材料的选择，材料选择分成两个部分，一是基体材料的选择，基体材料的化学成分与平整辊的材料化学成分相同，同时将基体材料制备成球形粉末，粉末的最大粒径为27 ，即粒径小于等于27 。二是球形陶瓷颗粒添加量的选择，以平整辊要求的Pc值为基础进行添加，具体要求为：

[0038]

[0039] 式中PC为平整辊表面粗糙度要求，N为自毛化材料铬包覆球形α-Al2O3或全稳定ZrO2陶瓷的陶瓷颗粒的加入量。所述基体材料的加入量为100-N，单位为重量百分数，然后将两种粉末均匀混合，形成平整辊表面层材料混合粉末。

[0040] 第四步，平整辊表面自毛化层制备，采用温喷射技术在辊表面制备平整辊表面自毛化层，其技术方案为：采用高压氮气温喷射技术在平整辊表面进行粘附沉积，温喷射表面自毛化层制备技术方案的特征为：

[0041] （a）将高压氮气体加热到730℃以上驱动；

[0042] （b）将平整辊表面层混合粉末颗粒加热到650℃以上进行沉积；

[0043] （c）表面自毛化层厚度为0.5mm-2.0mm。

[0044] 第五步，平整辊表面自毛化层热处理，采用中高频电磁感应加热技术进行加热处理，采用高频将平整辊表面自毛化层加热到950℃，保温20min，冷却至室温。然后采用中频将平整辊表面自毛化层加热到550℃，保温20min，冷却至室温，所述中频热处理工艺重复三次。

[0045] 第六步，平整辊的初次毛化，对热处理后的具有表面自毛化层的平整辊进行机械磨光，达到表面粗糙度为0.8左右。然后进行常规的毛化处理，例如EDT或激光毛化处理，得到初次毛化的效果。也可以进行本发明所适用的专用毛化处理，例如采用电解腐蚀的方法，将平整辊的表面进行腐蚀，由于自毛化材料在电解液中具有强耐蚀性，因此表面腐蚀后形成表面纹理，达到初次毛化的效果。

[0046] 经过以上处理后平整辊就是最终的产品，达到上线的要求。其使用寿命约可以达到普通毛化平整辊的5倍以上。

[0047] 实施例1

[0048] 实验用平整辊为3Cr材质，其化学成分为（质量百分数%）：C 0.78%，Si 0.43%，Mn0.45%，Cr 2.98%，Mo 0.66%，V 0.2%，Ni 0.35%。要达到的目的是Ra为4.25 ，Pc值大于
50/cm。在实验室中利用平整辊材料制备φ100×150两端各车细为φ25×25的小试件作为平整辊的模拟件进行检验。

[0049] 根据本发明的具体步骤要求，进行自毛化平整辊的制备：

[0050] 第一步，自毛化材料的选择。选用陶瓷作为自毛化材料，为烧结型致密α-Al2O3陶瓷，为球形颗粒。中心粒径为21 ，分布范围为：17-25.5 ，正态分布。

[0051] 第二步，自毛化材料处理。采用化学镀的方法在球形α-Al2O3陶瓷颗粒的外表面层均匀镀一层铬，铬层的厚度在2 ，形成铬包覆的球形陶瓷颗粒的壳心复合结构。

[0052] 第三步，平整辊表面层材料的选择。选择平整辊的材料制备粉末，粉末为球形，粉末的最大粒径为25 ，中心粒径为18 ，分布范围1-25 。自毛化用球形α-Al2O3陶瓷颗粒添加量为0.03，单位为重量百分数，所述基体材料的加入量为100-0.03=99.97，单位为重量百分数，然后将两种粉末均匀混合，形成平整辊表面层材料混合粉末。

[0053] 第四步，平整辊表面自毛化层制备。采用高压氮气温喷射技术在平整辊表面进行粘附沉积：(a) 高压氮气体加热到730℃,(b) 混合粉末颗粒加热到650℃,(c) 表面自毛化层厚度为2.0mm。

[0054] 第五步，平整辊表面自毛化层热处理。采用中高频电磁感应加热技术进行加热处理。采用高频将平整辊表面自毛化层加热到950℃，保温20min，冷却至室温。然后采用中频将平整辊表面自毛化层加热到550℃，保温20min，冷却至室温，所述中频热处理工艺重复三次。

[0055] 第六步，平整辊的初次毛化。热处理后的具有表面自毛化层的平整辊进行机械磨光，达到表面粗糙度为0.8左右。然后进行常规的毛化处理，例如EDT或激光毛化处理，得到初次毛化的效果。

[0056] 采用表面粗糙度为0.8的40Cr钢环进行旋转对磨，对磨环为φ50×30，取不同深度测定模拟件的粗糙度。当磨损量达到0.8mm时仍保持3.85粗糙度。达到了预定的效果。

[0057] 实施例2

[0058] 实验用平整辊为5Cr材质，其化学成分为（质量百分数%）：C 0.87%，Si 0.45%，Mn0.43%，Cr 4.98%，Mo 0.57%，V 0.21%，Ni 0.21%。要达到的目的是Ra为2.5 ，Pc值大于
70/cm。

[0059] 在实验室中利用平整辊制备φ100×150两端各车细为φ25×25的小试件作为平整辊的模拟件进行检验。

[0060] 实验步骤与实施例1相同，所不同的参数选择为：球形α-Al2O3颗粒的中心粒径为12.5 ，镀铬层的厚度为6 ，球形α-Al2O3陶瓷颗粒添加量为0.015，单位为重量百分数，所述基体材料的加入量为100-0.015=99.985，单位为重量百分数，表面自毛化层厚度为1.0mm。

[0061] 检验效果：当磨损量达到0.5mm时仍保持2.25粗糙度。达到了预定的效果。

[0062] 实施例3

[0063] 实验用平整辊为5Cr材质，其化学成分为（质量百分数%）：C 0.87%，Si 0.45%，Mn0.43%，Cr 4.98%，Mo 0.57%，V 0.21%，Ni 0.21%。要达到的目的是Ra为3.5 ，Pc值大于
50/cm。

[0064] 在实验室中利用平整辊制备φ100×150两端各车细为φ25×25的小试件作为平整辊的模拟件进行检验。

[0065] 实验步骤与实施例1相同，所不同的参数选择为：球形α-Al2O3颗粒的中心粒径为17.5 ，镀铬层的厚度为3.5 ，球形α-Al2O3陶瓷颗粒添加量为0.02，单位为重量百分数，所述基体材料的加入量为100-0.02=99.98，单位为重量百分数，表面自毛化层厚度为1.5mm。采用电解腐蚀对平整辊的表面进行腐蚀，达到初次毛化的效果。

[0066] 检验效果：当磨损量达到0.5mm时仍保持3.25粗糙度。达到了预定的效果。

[0067] 实施例4

[0068] 实验用平整辊为5Cr材质，其化学成分为（质量百分数%）：C 0.87%，Si 0.45%，Mn0.43%，Cr 4.98%，Mo 0.57%，V 0.21%，Ni 0.21%。要达到的目的是Ra为4.5 ，Pc值大于
50/cm。