TOPOCROM毛化工藝：技術與優勢KarlMüll1)與ThomasRoutschek2)1)TOPOCROMSYSTEMAG,Weinfelden8570,瑞士2)SalzgitterFlachstahlGmbH,Salzgitter38239,德國摘要：TOPOCROM毛化工藝是一項對薄板金屬表面進行毛化的先進技術。該項工藝為毛化薄板產品的冷作工及終端用戶設定了新的標準。相比電火花毛化工藝，TOPOCROM鍍層的特殊半球型結構與硬度使得輥筒的使用壽命大幅提高。板材表面質量穩定，且性能得到改善。表面冷軋機進行加工時，TOPOCROM表面形貌的粗糙度只出現略微下降。TOPOCROM鍍層的半球型結構將有利于提高材料表面的穩定性。(3)成本降低，產量提高。(4)TOPOCROM毛化工藝可以為金屬薄板表面形態定制設計提供最佳配套。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(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構。TOPOCROM軋輥電鍍車間的反應爐技術得到專利保護和批準。TOPOCROM反應爐技術采用封閉式循環單元設計，可以滿足環保與勞動保護上的最高要求。關鍵詞:TOPOCROM毛化；輥筒；輥筒壽命；自由規程軋制；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品質量的一項重要特征，對材料的成型性和涂裝性有顯著影響。汽車工業的實際需求和未來預期使板材表面結構的重要性得到不斷提升：要求苛刻的涂裝外觀不采用膩子填料的經濟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密、獨立油穴分布均勻完全隨機的粗糙度結構和高峰值長、短波率低由于采用傳統的毛化方法無法成功滿足對于金屬薄板粗糙度質量的實際和預期需求，因此SalzgitterAG（沙士基達股份公司）和TOPOCROMSystemsAG(TOPOCROM系統股份公司)合作開發了PRETEX技術，根據TOPOCROM原理對軋輥進行毛化。TOPOCROM毛化工藝是一項對薄板金屬表面進行毛化的先進技術，為毛化薄板產品的冷作工及終端用戶設定了新的標準。該項工藝在德國沙士基達股份公司（SalzgitterAG）和韓國浦項制鐵公司（POSCO）冷軋鋼板和表面涂裝鋼板/1,2,3/.的生產中得到了成功應用。金屬板材表面結構生成表面冷軋機軋制時板材表面粗糙度/表面形貌得到精確調節。軋輥的表面結構被傳遞至鋼板。這一過程受表面冷軋機等級、軋輥保壓時間、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計影響有限。在將軋輥安裝至輥座前，要根據質量要求對軋輥進行研磨和毛化。TOPOCROM軋輥毛化工藝TOPOCROM軋輥毛化技術是一項電鍍工藝。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：完全隨機分布的半球狀表面結構硬度與正常硬鉻圖層相當粗糙度和Pc值可以進行調整：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整：開放式結構（圖2）和封閉式結構（圖3）軋輥TOPOCROM毛化軋輥TOPOCROM毛化:經過TOPOCROM工藝處理后，精拋的軋輥表面會直接電離形成一層結構性鉻層凸面紋理圖1TOPOCROM鍍層結構(示意圖)圖2TOPOCROM開放式結構圖3TOPOCROM封閉式結構TOPOCROM毛化工藝與傳統毛化方法存在本質卻別。傳統毛化包括噴丸毛化(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。傳統表面結構成型工藝:傳統表面結構成型工藝:結構形成:通過機械或物理作用實現軋輥表面毛化凹面紋理圖4傳統毛化結構TOPOCROM電鍍工藝TOPOCROM軋輥鍍層車間采用了經過認證的反應爐技術。軋輥經過打磨和油污清洗后置入反應爐。爐頭安裝完軋輥后蓋于反應爐上。電鍍過程中，軋輥充當陰極，垂直位于反應爐內，周圍則由同軸陽極包圍（圖5）。1.反應頭2.軋輥軸頸1.反應頭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，電解液不斷在反應爐與電解液罐之間循環。電流從整流器通過銅棒傳至陽極和軋輥。通過適當控制工藝參數，尤其是改變電流參數，可以大范圍改變單位面積上半球的平均高度和半球數量，粗糙度和峰值也由此得以調整。即便是在粗糙度大的情況下，也可以通過相應調節工藝參數來實現高峰值。由于工藝的影響因素易于控制，因此Topocrom是一項可靠、可簡單重復的技術。鍍層過程中，軋輥不斷旋轉確保了整個軋輥表面粗糙度的絕對均勻。由此可以實現車體外殼毛化輥對粗糙度均值公差在+0,1μm范圍內的要求。工藝參數采用數字存儲，便于今后生產時進行調取。這樣，可隨時實現定制表面結構的再生產。相比傳統的電鍍車間，TOPOCROM的反應爐技術采用全封閉式操作。TOPOCROM車間的運行只產生廢水，無污染排放。車間不僅符合嚴格的法律要求，而且在環保和勞動保護上達到很高標準。圖7為TOPOCROM雙反應爐車間的布置示意圖。圖8為浦項公司的TOPOCROM車間(韓國光陽市)。圖7TOPOCROM雙反應爐車間圖8TOPOCROM車間金屬薄板表面采用 PRETEX的優勢TOPOCROM?毛化工藝在金屬薄板表面形成一層特殊的表面結構，可顯著改善薄板的成型性和涂裝性。德國沙士基達股份公司（SalzgitterAG）和韓國浦項制鐵公司（POSCO）分別將采用了TOPOCROM?毛化結構的金屬薄板命名為PRETEX?和POSTEX?，產品銷售取得巨大成功。PRETEX?的主要結構特征在于整幅鋼板表面隨機布滿均勻的微坑。這些微坑是軋輥經過TOPOCROM?鍍層后，表面產生一層半球形結構所形成。圖9兩種PRETEX結構實樣PRETEX?結構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，通過控制工藝參數可以獲得各種不同的單位面積半球平均高度和數量（圖10）。同時，該工藝還可以產生不同結構；半球重疊區會產生封閉結構，半球分隔區會產生基體圍繞的開放結構。微開式結構有利于車身覆蓋件和內部組件。圖10密度可調整的PRETEX表面結構沙士基達公司（SalzgitterAG）的PRETEX結構具有以下優勢，適合各類板材表面：油穴密度可調整靜壓潤滑油穴分布精確，成型性出色潤滑油穴完全隨機分布粗糙度和峰值可以定制調整低粗糙度和高峰值的出色結合性涂裝效果板材的外觀涂裝性對板材毛化結構的細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，短波結構率小于0.25mm時會出現擴散不均勻，影響漆面的光澤度。長波結構大于0.8mm時會影響分布結構/4/，會出現橘皮效應。圖11PRETEX與其他毛化鍍鋅板對比不同于其他毛化結構，PRETEX?產品的波紋明顯減少（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。完全隨機分布的潤滑油穴可以避免干擾莫爾效應。汽車工業對金屬板材表面的要求苛刻。尤其是對于車身外殼質量，材料參數都已經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：大眾集團的材料標準TL218(2012)/5/未來，從經濟和生態角度，汽車行業會更多采用無膩子填料的涂裝系統（圖13）。省棄膩子填料后，生產成本、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 膩子填料 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/無膩子填料的噴涂系統使用無填料噴涂系統時，金屬板材的表面結構要提高以符合汽車行業對成型性和涂裝性/5/的要求。由于PRETEX?結構的長、短波率低、毛化結構完全隨機、細密且峰值（Pc）遠高于75[1/cm]，因此是適合于無填料噴涂系統的理想結構(圖14)。圖14大眾集團對于無填料噴涂系統的材料要求(大眾工藝VWProcess2010)/5/PRETEX與成型效果表面結構的作用在于吸納潤滑油并進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構相當于一個潤滑油腔，顯著改善摩擦和潤滑效果。三維表面參數模型為描繪表面結構/6,7/提供了一種新方法。該模型將成型時受到的力分解成三個接觸面（材料接觸面、開放式及封閉式空穴區接觸面）（圖15）。金屬板材成型模具材料表面封閉式空穴區開放式空穴區金屬板材成型模具材料表面封閉式空穴區開放式空穴區圖15機械-流變模型：三維表面特征模型加壓時潤滑油可以從開放式空穴區流出。但成型工藝中，封閉式空穴區更為關鍵。他們與相鄰區域不連通，因此在成型過程中潤滑油流經表面時會產生流體靜壓。部分壓力被潤滑油吸收，降低材料接觸面的壓力?？昭▍^數量增加可以改善表面結構的摩擦特性(圖16)。PRETEX?結構中封閉式空穴區數量眾多，且空穴體積大。各汽車制造商的壓力測試都證明了該結構極為出色的耐摩擦性能（圖17）/8/。圖16PRETEX?結構潤滑油腔的二維圖圖17表面參數與壓力測試結果通過對于不同表面結構的測試表明，PRETEX?毛化薄板可以減少摩擦，內保持力最強，模具與板材表面之間無需進行冷焊。因此，深沖時零件發生折彎或撕裂情況大幅降低。結論：PRETEX的成型性更好PRETEX的成型工藝更經濟結論：PRETEX的成型性更好PRETEX的成型工藝更經濟應力低、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模擬技術的一項重要優勢在于能夠根據特殊的應用要求調整出理想的粗糙度結構。PRETEX?表面結構優勢–應用實例車翼(圖19)該產品以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，因此成型時的冷焊作業量得到大幅減少。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–鋼材制造商的優勢相比其他毛化工藝，TOPOCROM?鍍層的結構和硬度可以大幅提高軋輥的使用壽命，甚至包括對超強鋼的毛化。(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軋制過程中Topocrom結構的粗糙度只出現略微下降。較低的粗糙度下降率和較高的使用壽命應歸功于TOPOCROM鍍層的特殊形貌和硬度。由于凸起結構不承受壓力負載，因此TOPOCROM的半球形表面結構有利于材料表面的穩定性。材料的硬度是結構形成的關鍵因素。因此，軋制過程中承受主要負載的是極為耐磨的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行不斷清潔，則可以使軋輥獲得最佳的使用壽命。沙士基達公司（SalzgitterAG）的單對軋輥的平均使用壽命可以達到6,000噸超強鋼或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現了自由規程軋制（圖22）。這一優勢將有利于軋制和表皮光軋程序的靈活設計。技術參數技術參數板材寬度：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軋輥實際產能6.000to（高強鋼）30.000to（正常品質）圖22自由規程軋制總結與展望沙士基達（SalzgitterFlachstahl）在鍍鋅和非鍍鋅薄板PRETEX毛化工藝領域擁有15年以上的實踐經驗，其產品遍及歐洲各車廠。相比其他表面毛化方法，這一獨特的毛化結構具備下列優點：對于汽車行業而言：長、短波率低，涂裝效果更好封閉油穴數量高，成型效果更佳對于鋼廠而言:軋輥毛化工藝更經濟(軋輥庫存數量減少、使用壽命大幅提高)汽車行業對于薄板的涂裝效果和工藝性能要求日益提高。因此，鋼廠對材料表面結構的穩步深化開發勢在必行?；谶@些原因，沙士基達公司（SalzgitterAG）將工藝參數與機構參數進行結合。重大標志：制作自動三坐標測量儀和軋輥及板材表面自動量化儀基于數據挖掘基礎開發的結構化鍍鉻工藝法旨在優化涂裝效果與成型性的薄板PRETEX結構系統生成TOPOCROM結構以其各類獨特的結構參數而具備極高的優化潛力，相比其他毛化工藝，TOPOCROM可以提供各類獨特的毛化結構。參考文獻[1]Zimnik,W.,RitterbachB.,MüllK.:PRETEX–EinneuesVerfahrenzurErzeugungtexturierterFeinblechefürh?chstAnsprüche.StahlundEisen118(1998)Nr.3:75-80《高品質毛化薄板的新生產工藝》[2]Zimnik,W.,RitterbachB.,MüllK.:PRETEX–AnewProcessfortheProductionofTexturedSheet.MPTInternationalVo.21,No.6(1998):80-85《毛化板材生產新工藝》[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散鋼板的表面毛化改進》[4]DeutscherO.StrukturenvonFeinblechoberfl?chenundihrEinflussaufdie