TOPOCROM毛化工藝：技術(shù)與優(yōu)勢

TOPOCROM毛化工藝：技術(shù)與優(yōu)勢KarlMüll1)與ThomasRoutschek2)1)TOPOCROMSYSTEMAG,Weinfelden8570,瑞士2)SalzgitterFlachstahlGmbH,Salzgitter38239,德國摘要：TOPOCROM毛化工藝是一項(xiàng)對薄板金屬表面進(jìn)行毛化的先進(jìn)技術(shù)。該項(xiàng)工藝為毛化薄板產(chǎn)品的冷作工及終端用戶設(shè)定了新的標(biāo)準(zhǔn)。相比電火花毛化工藝，TOPOCROM鍍層的特殊半球型結(jié)構(gòu)與硬度使得輥筒的使用壽命大幅提高。板材表面質(zhì)量穩(wěn)定，且性能得到改善。表面冷軋機(jī)進(jìn)行加工時(shí)，TOPOCROM表面形貌的粗糙度只出現(xiàn)略微下降。TOPOCROM鍍層的半球型結(jié)構(gòu)將有利于提高材料表面的穩(wěn)定性。(3)成本降低，產(chǎn)量提高。(4)TOPOCROM毛化工藝可以為金屬薄板表面形態(tài)定制設(shè)計(jì)提供最佳配套。該工藝將充分滿足新型鋼板材料在成型性與涂裝性上日益增長的需求。1)形成封閉的潤滑油穴2)大量均勻分布的封閉潤滑油穴提高了材料的成型性3)高峰值數(shù)(Pc)、較高的粗糙度值以及較低的長、短波紋輪廓將改善涂裝效果。通過特殊的TOPOCROM硬鉻電鍍工藝，輥筒體上將形成毛化結(jié)構(gòu)。TOPOCROM軋輥電鍍車間的反應(yīng)爐技術(shù)得到專利保護(hù)和批準(zhǔn)。TOPOCROM反應(yīng)爐技術(shù)采用封閉式循環(huán)單元設(shè)計(jì)，可以滿足環(huán)保與勞動保護(hù)上的最高要求。關(guān)鍵詞:TOPOCROM毛化；輥筒；輥筒壽命；自由規(guī)程軋制；薄板；表面；表面粗糙度；成型；成型性；涂裝；涂裝性；涂裝效果；PRETEX；POSTTEX；硬鉻引言板材的表面特性是產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)重要特征，對材料的成型性和涂裝性有顯著影響。汽車工業(yè)的實(shí)際需求和未來預(yù)期使板材表面結(jié)構(gòu)的重要性得到不斷提升：要求苛刻的涂裝外觀不采用膩?zhàn)犹盍系慕?jīng)濟(jì)涂裝成本更佳的成型效果降低的模具損耗為了滿足這些要求，鋼板表面需要以下特性：輥筒體在長度和寬度上的粗糙度相同靜壓潤滑的油穴分布細(xì)密、獨(dú)立油穴分布均勻完全隨機(jī)的粗糙度結(jié)構(gòu)和高峰值長、短波率低由于采用傳統(tǒng)的毛化方法無法成功滿足對于金屬薄板粗糙度質(zhì)量的實(shí)際和預(yù)期需求，因此SalzgitterAG（沙士基達(dá)股份公司）和TOPOCROMSystemsAG(TOPOCROM系統(tǒng)股份公司)合作開發(fā)了PRETEX技術(shù)，根據(jù)TOPOCROM原理對軋輥進(jìn)行毛化。TOPOCROM毛化工藝是一項(xiàng)對薄板金屬表面進(jìn)行毛化的先進(jìn)技術(shù)，為毛化薄板產(chǎn)品的冷作工及終端用戶設(shè)定了新的標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)工藝在德國沙士基達(dá)股份公司（SalzgitterAG）和韓國浦項(xiàng)制鐵公司（POSCO）冷軋鋼板和表面涂裝鋼板/1,2,3/.的生產(chǎn)中得到了成功應(yīng)用。金屬板材表面結(jié)構(gòu)生成表面冷軋機(jī)軋制時(shí)板材表面粗糙度/表面形貌得到精確調(diào)節(jié)。軋輥的表面結(jié)構(gòu)被傳遞至鋼板。這一過程受表面冷軋機(jī)等級、軋輥保壓時(shí)間、金屬板材厚度以及冷軋帶鋼粗糙度各因素影響。粗糙度要求對軋制和表面冷軋的程序設(shè)計(jì)影響有限。在將軋輥安裝至輥?zhàn)?，要根?jù)質(zhì)量要求對軋輥進(jìn)行研磨和毛化。TOPOCROM軋輥毛化工藝TOPOCROM軋輥毛化技術(shù)是一項(xiàng)電鍍工藝。半球狀凸面硬鉻鍍層直接沉積于基輥表面（圖1）。壓輥表面特點(diǎn)：完全隨機(jī)分布的半球狀表面結(jié)構(gòu)硬度與正常硬鉻圖層相當(dāng)粗糙度和Pc值可以進(jìn)行調(diào)整：Ra>0,5μmtoRa<12μm即便在高粗糙度情況下也能得到高峰值表面形貌可調(diào)整：開放式結(jié)構(gòu)（圖2）和封閉式結(jié)構(gòu)（圖3）軋輥TOPOCROM毛化軋輥TOPOCROM毛化:經(jīng)過TOPOCROM工藝處理后，精拋的軋輥表面會直接電離形成一層結(jié)構(gòu)性鉻層凸面紋理圖1TOPOCROM鍍層結(jié)構(gòu)(示意圖)圖2TOPOCROM開放式結(jié)構(gòu)圖3TOPOCROM封閉式結(jié)構(gòu)TOPOCROM毛化工藝與傳統(tǒng)毛化方法存在本質(zhì)卻別。傳統(tǒng)毛化包括噴丸毛化(SBT)、電火花毛化(EDT)或電子束毛化(EBT)。在這類毛化工藝中，軋輥表面產(chǎn)生凹面紋理（圖4），這些微坑的耐磨性很低。通常，表面還要再電鍍覆上一層硬鉻以延長其使用壽命。傳統(tǒng)表面結(jié)構(gòu)成型工藝:傳統(tǒng)表面結(jié)構(gòu)成型工藝:結(jié)構(gòu)形成:通過機(jī)械或物理作用實(shí)現(xiàn)軋輥表面毛化凹面紋理圖4傳統(tǒng)毛化結(jié)構(gòu)TOPOCROM電鍍工藝TOPOCROM軋輥鍍層車間采用了經(jīng)過認(rèn)證的反應(yīng)爐技術(shù)。軋輥經(jīng)過打磨和油污清洗后置入反應(yīng)爐。爐頭安裝完軋輥后蓋于反應(yīng)爐上。電鍍過程中，軋輥充當(dāng)陰極，垂直位于反應(yīng)爐內(nèi)，周圍則由同軸陽極包圍（圖5）。1.反應(yīng)頭2.軋輥軸頸1.反應(yīng)頭2.軋輥軸頸3.軋輥（陰極）4.陽極5.鉻電解液6.電解液容器圖5TOPOCROM電鍍爐圖6SalzgitterTOPOCROM車間電鍍過程中，電解液不斷在反應(yīng)爐與電解液罐之間循環(huán)。電流從整流器通過銅棒傳至陽極和軋輥。通過適當(dāng)控制工藝參數(shù)，尤其是改變電流參數(shù)，可以大范圍改變單位面積上半球的平均高度和半球數(shù)量，粗糙度和峰值也由此得以調(diào)整。即便是在粗糙度大的情況下，也可以通過相應(yīng)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)來實(shí)現(xiàn)高峰值。由于工藝的影響因素易于控制，因此Topocrom是一項(xiàng)可靠、可簡單重復(fù)的技術(shù)。鍍層過程中，軋輥不斷旋轉(zhuǎn)確保了整個(gè)軋輥表面粗糙度的絕對均勻。由此可以實(shí)現(xiàn)車體外殼毛化輥對粗糙度均值公差在+0,1μm范圍內(nèi)的要求。工藝參數(shù)采用數(shù)字存儲，便于今后生產(chǎn)時(shí)進(jìn)行調(diào)取。這樣，可隨時(shí)實(shí)現(xiàn)定制表面結(jié)構(gòu)的再生產(chǎn)。相比傳統(tǒng)的電鍍車間，TOPOCROM的反應(yīng)爐技術(shù)采用全封閉式操作。TOPOCROM車間的運(yùn)行只產(chǎn)生廢水，無污染排放。車間不僅符合嚴(yán)格的法律要求，而且在環(huán)保和勞動保護(hù)上達(dá)到很高標(biāo)準(zhǔn)。圖7為TOPOCROM雙反應(yīng)爐車間的布置示意圖。圖8為浦項(xiàng)公司的TOPOCROM車間(韓國光陽市)。圖7TOPOCROM雙反應(yīng)爐車間圖8TOPOCROM車間金屬薄板表面采用 PRETEX的優(yōu)勢TOPOCROM?毛化工藝在金屬薄板表面形成一層特殊的表面結(jié)構(gòu)，可顯著改善薄板的成型性和涂裝性。德國沙士基達(dá)股份公司（SalzgitterAG）和韓國浦項(xiàng)制鐵公司（POSCO）分別將采用了TOPOCROM?毛化結(jié)構(gòu)的金屬薄板命名為PRETEX?和POSTEX?，產(chǎn)品銷售取得巨大成功。PRETEX?的主要結(jié)構(gòu)特征在于整幅鋼板表面隨機(jī)布滿均勻的微坑。這些微坑是軋輥經(jīng)過TOPOCROM?鍍層后，表面產(chǎn)生一層半球形結(jié)構(gòu)所形成。圖9兩種PRETEX結(jié)構(gòu)實(shí)樣PRETEX?結(jié)構(gòu)的微坑可以確保即便是在重疊情況下，靜壓潤滑的油穴始終互不連同。TOPOCROM?鍍層時(shí)，通過控制工藝參數(shù)可以獲得各種不同的單位面積半球平均高度和數(shù)量（圖10）。同時(shí)，該工藝還可以產(chǎn)生不同結(jié)構(gòu)；半球重疊區(qū)會產(chǎn)生封閉結(jié)構(gòu)，半球分隔區(qū)會產(chǎn)生基體圍繞的開放結(jié)構(gòu)。微開式結(jié)構(gòu)有利于車身覆蓋件和內(nèi)部組件。圖10密度可調(diào)整的PRETEX表面結(jié)構(gòu)沙士基達(dá)公司（SalzgitterAG）的PRETEX結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)勢，適合各類板材表面：油穴密度可調(diào)整靜壓潤滑油穴分布精確，成型性出色潤滑油穴完全隨機(jī)分布粗糙度和峰值可以定制調(diào)整低粗糙度和高峰值的出色結(jié)合性涂裝效果板材的外觀涂裝性對板材毛化結(jié)構(gòu)的細(xì)密性和均勻性以及低平均粗糙度與高峰值都有要求。若車身覆蓋件要求的峰值要高于75/cm，短波結(jié)構(gòu)率小于0.25mm時(shí)會出現(xiàn)擴(kuò)散不均勻，影響漆面的光澤度。長波結(jié)構(gòu)大于0.8mm時(shí)會影響分布結(jié)構(gòu)/4/，會出現(xiàn)橘皮效應(yīng)。圖11PRETEX與其他毛化鍍鋅板對比不同于其他毛化結(jié)構(gòu)，PRETEX?產(chǎn)品的波紋明顯減少（圖11）。低短波率有助于漆面的光澤效果。低長波率可以避免橘皮效應(yīng)。完全隨機(jī)分布的潤滑油穴可以避免干擾莫爾效應(yīng)。汽車工業(yè)對金屬板材表面的要求苛刻。尤其是對于車身外殼質(zhì)量，材料參數(shù)都已經(jīng)修改以符合不斷提高的成型性和涂裝性要求/5/（圖12）。圖12材料參數(shù)：大眾集團(tuán)的材料標(biāo)準(zhǔn)TL218(2012)/5/未來，從經(jīng)濟(jì)和生態(tài)角度，汽車行業(yè)會更多采用無膩?zhàn)犹盍系耐垦b系統(tǒng)（圖13）。省棄膩?zhàn)犹盍虾?，生產(chǎn)成本、電耗和二氧化碳排放都會降低。涂裝和干燥工藝將減少。噴涂浸涂PRETEX面漆底漆噴涂浸涂PRETEX面漆底漆 膩?zhàn)犹盍? 陰極浸涂 鋅層 鋼板噴涂浸涂PRETEX噴涂浸涂PRETEX面漆底漆 陰極浸涂 鋅層 鋼板圖13配/無膩?zhàn)犹盍系膰娡肯到y(tǒng)使用無填料噴涂系統(tǒng)時(shí)，金屬板材的表面結(jié)構(gòu)要提高以符合汽車行業(yè)對成型性和涂裝性/5/的要求。由于PRETEX?結(jié)構(gòu)的長、短波率低、毛化結(jié)構(gòu)完全隨機(jī)、細(xì)密且峰值（Pc）遠(yuǎn)高于75[1/cm]，因此是適合于無填料噴涂系統(tǒng)的理想結(jié)構(gòu)(圖14)。圖14大眾集團(tuán)對于無填料噴涂系統(tǒng)的材料要求(大眾工藝VWProcess2010)/5/PRETEX與成型效果表面結(jié)構(gòu)的作用在于吸納潤滑油并進(jìn)行流體靜壓和動壓潤滑以減少摩擦。PRETEX表面互不相連的油穴結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)潤滑油腔，顯著改善摩擦和潤滑效果。三維表面參數(shù)模型為描繪表面結(jié)構(gòu)/6,7/提供了一種新方法。該模型將成型時(shí)受到的力分解成三個(gè)接觸面（材料接觸面、開放式及封閉式空穴區(qū)接觸面）（圖15）。金屬板材成型模具材料表面封閉式空穴區(qū)開放式空穴區(qū)金屬板材成型模具材料表面封閉式空穴區(qū)開放式空穴區(qū)圖15機(jī)械-流變模型：三維表面特征模型加壓時(shí)潤滑油可以從開放式空穴區(qū)流出。但成型工藝中，封閉式空穴區(qū)更為關(guān)鍵。他們與相鄰區(qū)域不連通，因此在成型過程中潤滑油流經(jīng)表面時(shí)會產(chǎn)生流體靜壓。部分壓力被潤滑油吸收，降低材料接觸面的壓力?？昭▍^(qū)數(shù)量增加可以改善表面結(jié)構(gòu)的摩擦特性(圖16)。PRETEX?結(jié)構(gòu)中封閉式空穴區(qū)數(shù)量眾多，且空穴體積大。各汽車制造商的壓力測試都證明了該結(jié)構(gòu)極為出色的耐摩擦性能（圖17）/8/。圖16PRETEX?結(jié)構(gòu)潤滑油腔的二維圖圖17表面參數(shù)與壓力測試結(jié)果通過對于不同表面結(jié)構(gòu)的測試表明，PRETEX?毛化薄板可以減少摩擦，內(nèi)保持力最強(qiáng)，模具與板材表面之間無需進(jìn)行冷焊。因此，深沖時(shí)零件發(fā)生折彎或撕裂情況大幅降低。結(jié)論：PRETEX的成型性更好PRETEX的成型工藝更經(jīng)濟(jì)結(jié)論：PRETEX的成型性更好PRETEX的成型工藝更經(jīng)濟(jì)應(yīng)力低、PRETEX的成型極限曲線FLC更好不同摩擦條件下的FEA模擬圖18不同摩擦條件下的FEA模擬技術(shù)的一項(xiàng)重要優(yōu)勢在于能夠根據(jù)特殊的應(yīng)用要求調(diào)整出理想的粗糙度結(jié)構(gòu)。PRETEX?表面結(jié)構(gòu)優(yōu)勢–應(yīng)用實(shí)例車翼(圖19)該產(chǎn)品以PRETEX?毛化鋼板替了原先的電火花毛化（EDT）鋼板。由于PRETEX?的摩擦值低，因此成型時(shí)的冷焊作業(yè)量得到大幅減少。圖19車翼圖20車身座椅車身座椅(圖20)PRETEX?毛化鋼板替代了拋丸毛化（SBT）鋼板。成型模具的磨損顯著降低。潤滑油用量減少30%，陰極浸涂前的清洗工作量也可以減輕。TOPOCROM?毛化–鋼材制造商的優(yōu)勢相比其他毛化工藝，TOPOCROM?鍍層的結(jié)構(gòu)和硬度可以大幅提高軋輥的使用壽命，甚至包括對超強(qiáng)鋼的毛化。(圖21)軋輥粗糙度下降率%軋輥粗糙度下降率%圖21不同毛化軋輥的使用壽命對比表面冷軋機(jī)軋制過程中Topocrom結(jié)構(gòu)的粗糙度只出現(xiàn)略微下降。較低的粗糙度下降率和較高的使用壽命應(yīng)歸功于TOPOCROM鍍層的特殊形貌和硬度。由于凸起結(jié)構(gòu)不承受壓力負(fù)載，因此TOPOCROM的半球形表面結(jié)構(gòu)有利于材料表面的穩(wěn)定性。材料的硬度是結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵因素。因此，軋制過程中承受主要負(fù)載的是極為耐磨的TOPOCROM鍍層，而非相對較軟的基材。相比電火花毛化（EDT）軋輥/8/，其使用壽命要高出3至5倍。如果在毛化過程中能夠利用高壓清潔裝置對軋輥進(jìn)行不斷清潔，則可以使軋輥獲得最佳的使用壽命。沙士基達(dá)公司（SalzgitterAG）的單對軋輥的平均使用壽命可以達(dá)到6,000噸超強(qiáng)鋼或30,000噸普通鋼。出色的耐磨性確保了軋輥即便是在長期軋制或表皮光軋情況下也具備較長的使用壽命和較低的粗糙度下降率。TOPOCROM鍍層的低磨損性能首次實(shí)現(xiàn)了自由規(guī)程軋制（圖22）。這一優(yōu)勢將有利于軋制和表皮光軋程序的靈活設(shè)計(jì)。技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)板材寬度：1880-900mm板材厚度：2.0-0.35mm最大速度：175m/min僅適用濕法平整在線軋輥清潔TOPOCROM軋輥TOPOCROM軋輥實(shí)際產(chǎn)能6.000to（高強(qiáng)鋼）30.000to（正常品質(zhì)）圖22自由規(guī)程軋制總結(jié)與展望沙士基達(dá)（SalzgitterFlachstahl）在鍍鋅和非鍍鋅薄板PRETEX毛化工藝領(lǐng)域擁有15年以上的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，其產(chǎn)品遍及歐洲各車廠。相比其他表面毛化方法，這一獨(dú)特的毛化結(jié)構(gòu)具備下列優(yōu)點(diǎn)：對于汽車行業(yè)而言：長、短波率低，涂裝效果更好封閉油穴數(shù)量高，成型效果更佳對于鋼廠而言:軋輥毛化工藝更經(jīng)濟(jì)(軋輥庫存數(shù)量減少、使用壽命大幅提高)汽車行業(yè)對于薄板的涂裝效果和工藝性能要求日益提高。因此，鋼廠對材料表面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)步深化開發(fā)勢在必行。基于這些原因，沙士基達(dá)公司（SalzgitterAG）將工藝參數(shù)與機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行結(jié)合。重大標(biāo)志：制作自動三坐標(biāo)測量儀和軋輥及板材表面自動量化儀基于數(shù)據(jù)挖掘基礎(chǔ)開發(fā)的結(jié)構(gòu)化鍍鉻工藝法旨在優(yōu)化涂裝效果與成型性的薄板PRETEX結(jié)構(gòu)系統(tǒng)生成TOPOCROM結(jié)構(gòu)以其各類獨(dú)特的結(jié)構(gòu)參數(shù)而具備極高的優(yōu)化潛力，相比其他毛化工藝，TOPOCROM可以提供各類獨(dú)特的毛化結(jié)構(gòu)。參考文獻(xiàn)[1]Zimnik,W.,RitterbachB.,MüllK.:PRETEX–EinneuesVerfahrenzurErzeugungtexturierterFeinblechefürh?chstAnsprüche.StahlundEisen118(1998)Nr.3:75-80《高品質(zhì)毛化薄板的新生產(chǎn)工藝》[2]Zimnik,W.,RitterbachB.,MüllK.:PRETEX–AnewProcessfortheProductionofTexturedSheet.MPTInternationalVo.21,No.6(1998):80-85《毛化板材生產(chǎn)新工藝》[3]HongM.-H.,TarkH.-J.,ParkJ.-S.,PaikD.-J.:ImprovementofSurfaceTextureontheHotDipGalvanizedandGalvannealedSteelSheets.LaMetallurgiaItaliana–n.6(2012):9-13《熱浸鍍鋅鋼板與鍍鋅擴(kuò)散鋼板的表面毛化改進(jìn)》[4]DeutscherO.StrukturenvonFeinblechoberfl?chenundihrEinflussaufdie