TOPOCROM毛化工艺：技术与优势

TOPOCROM毛化工艺：技术与优势KarlMüll1)与ThomasRoutschek2)1)TOPOCROMSYSTEMAG,Weinfelden8570,瑞士2)SalzgitterFlachstahlGmbH,Salzgitter38239,德国摘要：TOPOCROM毛化工艺是一项对薄板金属表面进行毛化的先进技术。该项工艺为毛化薄板产品的冷作工及终端用户设定了新的标准。相比电火花毛化工艺，TOPOCROM镀层的特殊半球型结构与硬度使得辊筒的使用寿命大幅提高。板材表面质量稳定，且性能得到改善。表面冷轧机进行加工时，TOPOCROM表面形貌的粗糙度只出现略微下降。TOPOCROM镀层的半球型结构将有利于提高材料表面的稳定性。(3)成本降低，产量提高。(4)TOPOCROM毛化工艺可以为金属薄板表面形态定制设计提供最佳配套。该工艺将充分满足新型钢板材料在成型性与涂装性上日益增长的需求。1)形成封闭的润滑油穴2)大量均匀分布的封闭润滑油穴提高了材料的成型性3)高峰值数(Pc)、较高的粗糙度值以及较低的长、短波纹轮廓将改善涂装效果。通过特殊的TOPOCROM硬铬电镀工艺，辊筒体上将形成毛化结构。TOPOCROM轧辊电镀车间的反应炉技术得到专利保护和批准。TOPOCROM反应炉技术采用封闭式循环单元设计，可以满足环保与劳动保护上的最高要求。关键词:TOPOCROM毛化；辊筒；辊筒寿命；自由规程轧制；薄板；表面；表面粗糙度；成型；成型性；涂装；涂装性；涂装效果；PRETEX；POSTTEX；硬铬引言板材的表面特性是产品质量的一项重要特征，对材料的成型性和涂装性有显著影响。汽车工业的实际需求和未来预期使板材表面结构的重要性得到不断提升：要求苛刻的涂装外观不采用腻子填料的经济涂装成本更佳的成型效果降低的模具损耗为了满足这些要求，钢板表面需要以下特性：辊筒体在长度和宽度上的粗糙度相同静压润滑的油穴分布细密、独立油穴分布均匀完全随机的粗糙度结构和高峰值长、短波率低由于采用传统的毛化方法无法成功满足对于金属薄板粗糙度质量的实际和预期需求，因此SalzgitterAG（沙士基达股份公司）和TOPOCROMSystemsAG(TOPOCROM系统股份公司)合作开发了PRETEX技术，根据TOPOCROM原理对轧辊进行毛化。TOPOCROM毛化工艺是一项对薄板金属表面进行毛化的先进技术，为毛化薄板产品的冷作工及终端用户设定了新的标准。该项工艺在德国沙士基达股份公司（SalzgitterAG）和韩国浦项制铁公司（POSCO）冷轧钢板和表面涂装钢板/1,2,3/.的生产中得到了成功应用。金属板材表面结构生成表面冷轧机轧制时板材表面粗糙度/表面形貌得到精确调节。轧辊的表面结构被传递至钢板。这一过程受表面冷轧机等级、轧辊保压时间、金属板材厚度以及冷轧带钢粗糙度各因素影响。粗糙度要求对轧制和表面冷轧的程序设计影响有限。在将轧辊安装至辊座前，要根据质量要求对轧辊进行研磨和毛化。TOPOCROM轧辊毛化工艺TOPOCROM轧辊毛化技术是一项电镀工艺。半球状凸面硬铬镀层直接沉积于基辊表面（图1）。压辊表面特点：完全随机分布的半球状表面结构硬度与正常硬铬图层相当粗糙度和Pc值可以进行调整：Ra>0,5µmtoRa<12µm即便在高粗糙度情况下也能得到高峰值表面形貌可调整：开放式结构（图2）和封闭式结构（图3）轧辊TOPOCROM毛化轧辊TOPOCROM毛化:经过TOPOCROM工艺处理后，精抛的轧辊表面会直接电离形成一层结构性铬层凸面纹理图1TOPOCROM镀层结构(示意图)图2TOPOCROM开放式结构图3TOPOCROM封闭式结构TOPOCROM毛化工艺与传统毛化方法存在本质却别。传统毛化包括喷丸毛化(SBT)、电火花毛化(EDT)或电子束毛化(EBT)。在这类毛化工艺中，轧辊表面产生凹面纹理（图4），这些微坑的耐磨性很低。通常，表面还要再电镀覆上一层硬铬以延长其使用寿命。传统表面结构成型工艺:传统表面结构成型工艺:结构形成:通过机械或物理作用实现轧辊表面毛化凹面纹理图4传统毛化结构TOPOCROM电镀工艺TOPOCROM轧辊镀层车间采用了经过认证的反应炉技术。轧辊经过打磨和油污清洗后置入反应炉。炉头安装完轧辊后盖于反应炉上。电镀过程中，轧辊充当阴极，垂直位于反应炉内，周围则由同轴阳极包围（图5）。1.反应头2.轧辊轴颈1.反应头2.轧辊轴颈3.轧辊（阴极）4.阳极5.铬电解液6.电解液容器图5TOPOCROM电镀炉图6SalzgitterTOPOCROM车间电镀过程中，电解液不断在反应炉与电解液罐之间循环。电流从整流器通过铜棒传至阳极和轧辊。通过适当控制工艺参数，尤其是改变电流参数，可以大范围改变单位面积上半球的平均高度和半球数量，粗糙度和峰值也由此得以调整。即便是在粗糙度大的情况下，也可以通过相应调节工艺参数来实现高峰值。由于工艺的影响因素易于控制，因此Topocrom是一项可靠、可简单重复的技术。镀层过程中，轧辊不断旋转确保了整个轧辊表面粗糙度的绝对均匀。由此可以实现车体外壳毛化辊对粗糙度均值公差在+0,1µm范围内的要求。工艺参数采用数字存储，便于今后生产时进行调取。这样，可随时实现定制表面结构的再生产。相比传统的电镀车间，TOPOCROM的反应炉技术采用全封闭式操作。TOPOCROM车间的运行只产生废水，无污染排放。车间不仅符合严格的法律要求，而且在环保和劳动保护上达到很高标准。图7为TOPOCROM双反应炉车间的布置示意图。图8为浦项公司的TOPOCROM车间(韩国光阳市)。图7TOPOCROM双反应炉车间图8TOPOCROM车间金属薄板表面采用 PRETEX的优势TOPOCROM®毛化工艺在金属薄板表面形成一层特殊的表面结构，可显著改善薄板的成型性和涂装性。德国沙士基达股份公司（SalzgitterAG）和韩国浦项制铁公司（POSCO）分别将采用了TOPOCROM®毛化结构的金属薄板命名为PRETEX®和POSTEX®，产品销售取得巨大成功。PRETEX®的主要结构特征在于整幅钢板表面随机布满均匀的微坑。这些微坑是轧辊经过TOPOCROM®镀层后，表面产生一层半球形结构所形成。图9两种PRETEX结构实样PRETEX®结构的微坑可以确保即便是在重叠情况下，静压润滑的油穴始终互不连同。TOPOCROM®镀层时，通过控制工艺参数可以获得各种不同的单位面积半球平均高度和数量（图10）。同时，该工艺还可以产生不同结构；半球重叠区会产生封闭结构，半球分隔区会产生基体围绕的开放结构。微开式结构有利于车身覆盖件和内部组件。图10密度可调整的PRETEX表面结构沙士基达公司（SalzgitterAG）的PRETEX结构具有以下优势，适合各类板材表面：油穴密度可调整静压润滑油穴分布精确，成型性出色润滑油穴完全随机分布粗糙度和峰值可以定制调整低粗糙度和高峰值的出色结合性涂装效果板材的外观涂装性对板材毛化结构的细密性和均匀性以及低平均粗糙度与高峰值都有要求。若车身覆盖件要求的峰值要高于75/cm，短波结构率小于0.25mm时会出现扩散不均匀，影响漆面的光泽度。长波结构大于0.8mm时会影响分布结构/4/，会出现橘皮效应。图11PRETEX与其他毛化镀锌板对比不同于其他毛化结构，PRETEX®产品的波纹明显减少（图11）。低短波率有助于漆面的光泽效果。低长波率可以避免橘皮效应。完全随机分布的润滑油穴可以避免干扰莫尔效应。汽车工业对金属板材表面的要求苛刻。尤其是对于车身外壳质量，材料参数都已经修改以符合不断提高的成型性和涂装性要求/5/（图12）。图12材料参数：大众集团的材料标准TL218(2012)/5/未来，从经济和生态角度，汽车行业会更多采用无腻子填料的涂装系统（图13）。省弃腻子填料后，生产成本、电耗和二氧化碳排放都会降低。涂装和干燥工艺将减少。喷涂浸涂PRETEX面漆底漆喷涂浸涂PRETEX面漆底漆 腻子填料 阴极浸涂 锌层 钢板喷涂浸涂PRETEX喷涂浸涂PRETEX面漆底漆 阴极浸涂 锌层 钢板图13配/无腻子填料的喷涂系统使用无填料喷涂系统时，金属板材的表面结构要提高以符合汽车行业对成型性和涂装性/5/的要求。由于PRETEX®结构的长、短波率低、毛化结构完全随机、细密且峰值（Pc）远高于75[1/cm]，因此是适合于无填料喷涂系统的理想结构(图14)。图14大众集团对于无填料喷涂系统的材料要求(大众工艺VWProcess2010)/5/PRETEX与成型效果表面结构的作用在于吸纳润滑油并进行流体静压和动压润滑以减少摩擦。PRETEX表面互不相连的油穴结构相当于一个润滑油腔，显著改善摩擦和润滑效果。三维表面参数模型为描绘表面结构/6,7/提供了一种新方法。该模型将成型时受到的力分解成三个接触面（材料接触面、开放式及封闭式空穴区接触面）（图15）。金属板材成型模具材料表面封闭式空穴区开放式空穴区金属板材成型模具材料表面封闭式空穴区开放式空穴区图15机械-流变模型：三维表面特征模型加压时润滑油可以从开放式空穴区流出。但成型工艺中，封闭式空穴区更为关键。他们与相邻区域不连通，因此在成型过程中润滑油流经表面时会产生流体静压。部分压力被润滑油吸收，降低材料接触面的压力。空穴区数量增加可以改善表面结构的摩擦特性(图16)。PRETEX®结构中封闭式空穴区数量众多，且空穴体积大。各汽车制造商的压力测试都证明了该结构极为出色的耐摩擦性能（图17）/8/。图16PRETEX®结构润滑油腔的二维图图17表面参数与压力测试结果通过对于不同表面结构的测试表明，PRETEX®毛化薄板可以减少摩擦，内保持力最强，模具与板材表面之间无需进行冷焊。因此，深冲时零件发生折弯或撕裂情况大幅降低。结论：PRETEX的成型性更好PRETEX的成型工艺更经济结论：PRETEX的成型性更好PRETEX的成型工艺更经济应力低、PRETEX的成型极限曲线FLC更好不同摩擦条件下的FEA模拟图18不同摩擦条件下的FEA模拟技术的一项重要优势在于能够根据特殊的应用要求调整出理想的粗糙度结构。PRETEX®表面结构优势–应用实例车翼(图19)该产品以PRETEX®毛化钢板替了原先的电火花毛化（EDT）钢板。由于PRETEX®的摩擦值低，因此成型时的冷焊作业量得到大幅减少。图19车翼图20车身座椅车身座椅(图20)PRETEX®毛化钢板替代了抛丸毛化（SBT）钢板。成型模具的磨损显著降低。润滑油用量减少30%，阴极浸涂前的清洗工作量也可以减轻。TOPOCROM®毛化–钢材制造商的优势相比其他毛化工艺，TOPOCROM®镀层的结构和硬度可以大幅提高轧辊的使用寿命，甚至包括对超强钢的毛化。(图21)轧辊粗糙度下降率%轧辊粗糙度下降率%图21不同毛化轧辊的使用寿命对比表面冷轧机轧制过程中Topocrom结构的粗糙度只出现略微下降。较低的粗糙度下降率和较高的使用寿命应归功于TOPOCROM镀层的特殊形貌和硬度。由于凸起结构不承受压力负载，因此TOPOCROM的半球形表面结构有利于材料表面的稳定性。材料的硬度是结构形成的关键因素。因此，轧制过程中承受主要负载的是极为耐磨的TOPOCROM镀层，而非相对较软的基材。相比电火花毛化（EDT）轧辊/8/，其使用寿命要高出3至5倍。如果在毛化过程中能够利用高压清洁装置对轧辊进行不断清洁，则可以使轧辊获得最佳的使用寿命。沙士基达公司（SalzgitterAG）的单对轧辊的平均使用寿命可以达到6,000吨超强钢或30,000吨普通钢。出色的耐磨性确保了轧辊即便是在长期轧制或表皮光轧情况下也具备较长的使用寿命和较低的粗糙度下降率。TOPOCROM镀层的低磨损性能首次实现了自由规程轧制（图22）。这一优势将有利于轧制和表皮光轧程序的灵活设计。技术参数技术参数板材宽度：1880-900mm板材厚度：2.0-0.35mm最大速度：175m/min仅适用湿法平整在线轧辊清洁TOPOCROM轧辊TOPOCROM轧辊实际产能6.000to（高强钢）30.000to（正常品质）图22自由规程轧制总结与展望沙士基达（SalzgitterFlachstahl）在镀锌和非镀锌薄板PRETEX毛化工艺领域拥有15年以上的实践经验，其产品遍及欧洲各车厂。相比其他表面毛化方法，这一独特的毛化结构具备下列优点：对于汽车行业而言：长、短波率低，涂装效果更好封闭油穴数量高，成型效果更佳对于钢厂而言:轧辊毛化工艺更经济(轧辊库存数量减少、使用寿命大幅提高)汽车行业对于薄板的涂装效果和工艺性能要求日益提高。因此，钢厂对材料表面结构的稳步深化开发势在必行。基于这些原因，沙士基达公司（SalzgitterAG）将工艺参数与机构参数进行结合。重大标志：制作自动三坐标测量仪和轧辊及板材表面自动量化仪基于数据挖掘基础开发的结构化镀铬工艺法旨在优化涂装效果与成型性的薄板PRETEX结构系统生成TOPOCROM结构以其各类独特的结构参数而具备极高的优化潜力，相比其他毛化工艺，TOPOCROM可以提供各类独特的毛化结构。参考文献[1]Zimnik,W.,RitterbachB.,MüllK.:PRETEX–EinneuesVerfahrenzurErzeugungtexturierterFeinblechefürhöchstAnsprüche.StahlundEisen118(1998)Nr.3:75-80《高品质毛化薄板的新生产工艺》[2]Zimnik,W.,RitterbachB.,MüllK.:PRETEX–AnewProcessfortheProductionofTexturedSheet.MPTInternationalVo.21,No.6(1998):80-85《毛化板材生产新工艺》[3]HongM.-H.,TarkH.-J.,ParkJ.-S.,PaikD.-J.:ImprovementofSurfaceTextureontheHotDipGalvanizedandGalvannealedSteelSheets.LaMetallurgiaItaliana–n.6(2012):9-13《热浸镀锌钢板与镀锌扩散钢板的表面毛化改进》[4]DeutscherO.StrukturenvonFeinblechoberflächenundihrEinflussaufdie