冷軋帶鋼表面微觀形貌軋制轉(zhuǎn)印規(guī)律分析

供稿|張佳康 ，周曉敏，蔣靖 /

鋼板表面微觀形貌是鋼板表面所具有的微觀幾何形狀的統(tǒng)稱，是通過軋制轉(zhuǎn)印原理制備的。軋制轉(zhuǎn)印是指在軋制平整過程中軋輥表面微觀形貌(磨削及毛化制備初始形貌或經(jīng)磨損演變形貌)通過軋制塑性變形轉(zhuǎn)印到帶鋼上而形成鋼板表面微觀形貌。鋼板表面微觀形貌取決于作為轉(zhuǎn)印模具的工作輥表面微觀形貌、軋制轉(zhuǎn)印過程及鋼板原有表面微觀形貌。

一直以來，鋼板的表面質(zhì)量研究主要是針對異物黏附甚至壓入和損傷甚至局部缺損等兩類缺陷，其中前者包括銹蝕、污漬、斑跡、氧化鐵皮軋入以及其他任何異物黏附的缺陷，后者包括劃痕、熱滑傷、擦傷、宏觀裂紋、振動紋、粘連痕、缺損、折皺等缺陷。所有這些缺陷，無論黏附造成的還是損傷導(dǎo)致的，都屬于宏觀尺度的和目測顯而易見的。

但是，隨著汽車及家電面板、高強(qiáng)度成形用鋼板、高檔涂鍍層鋼板等先進(jìn)冷軋鋼板產(chǎn)品的出現(xiàn)，或者由于表面涂裝工藝對黏附力與美觀性的要求，或者由于印鐵工藝對圖文美觀性和裝飾裝潢對鋼板表面美觀性的要求，或者由于鋼板深加工工藝對于鋼板表面涂層及鍍層的黏附力的要求，或者由于沖壓成形工藝對于鋼板表面儲油性的要求，針對鋼板表面質(zhì)量的研究進(jìn)入新的階段、面臨新的問題。這類表面質(zhì)量問題具有共同的特點(diǎn)——與鋼板表面微觀形貌相關(guān)，或者說都由鋼板表面微觀形貌所決定，需要從鋼板表面微觀形貌軋制轉(zhuǎn)印過程入手。

鋼板表面微觀形貌

鋼板表面微觀形貌表征與評價(jià)的核心在于對鋼板表面形貌特征數(shù)據(jù)無失真的提取以及針對實(shí)測數(shù)據(jù)建立合理的量化評定體系。

微觀形貌的表征

科學(xué)描述鋼板表面微觀形貌，建立量化評價(jià)體系，對于控制鋼板微觀表面質(zhì)量是至關(guān)重要的。早在20世紀(jì)30年代，人們開始應(yīng)用二維表面輪廓信息進(jìn)行表面特性表征，測量所得二維軌跡被用于粗糙度計(jì)算[1]。以模擬電路和機(jī)械傳感為基礎(chǔ)的早期測量儀通過均化探針運(yùn)動獲得信號，用測量數(shù)據(jù)顯示輪廓信息，并采用輪廓數(shù)據(jù)Ra評定表面質(zhì)量，如圖 1所示。

圖1 輪廓算術(shù)平均粗糙度Ra

早期的這些描述參數(shù)與表面性能、功能不相關(guān)，比如在微觀形貌上存在顯著差異或應(yīng)用功能不同的表面，也可具有相同或相似的表面粗糙度Ra。在20世紀(jì)40年代，人們已經(jīng)意識到這些參數(shù)的局限性，伴隨著微觀表面形貌參數(shù)表征的發(fā)展，到20 世紀(jì)80年代，研究人員提出了大量的幾何參數(shù)，形成了所謂的“參數(shù)爆炸”的局面。當(dāng)然，相對于二維參數(shù)法，三維參數(shù)法從區(qū)域表面獲取參數(shù)而非輪廓曲線，更加貼近于真實(shí)表面，可以更好地描述表面微觀形貌。如1998年歐共體資助的大型表面計(jì)量研究項(xiàng)目開發(fā)定義了一套基本的三維表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)(14+3)體系，將基本參數(shù)分為四種：幅度參數(shù)、空間參數(shù)、綜合參數(shù)和功能參數(shù)[2]。

微觀形貌的測量

鋼板表面形貌特征的提取方法，根據(jù)測量原理分類，主要有接觸式測量方法、光學(xué)式測量方法及非光學(xué)式掃描顯微鏡法。接觸式測量方法主要包括觸針法、比較法和印模法[3]。雖然接觸式測量方法產(chǎn)生最早且使用簡便，但由于測量過程中易對被測物體表面產(chǎn)生劃傷且無法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場高速在線測量等，學(xué)者們針對非接觸式的測量方法進(jìn)行了廣泛的研究。非接觸式的測量方法包括光學(xué)測量方法和非光學(xué)式掃描顯微鏡法，其中光學(xué)測量方法主要包括光學(xué)探針測量方法和干涉顯微測量方法，非光學(xué)式掃描顯微鏡法包括掃描電子顯微鏡和掃描探針顯微鏡，如圖 2所示。鋼板表面微觀形貌的測量方法向著高精度、大范圍的方向發(fā)展，為控制鋼板微觀表面質(zhì)量奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖 2 用于觀測表面粗糙度的掃描隧道顯微鏡原理圖

鋼板表面軋制轉(zhuǎn)印

實(shí)際生產(chǎn)中，為了快速高效地測量帶鋼表面形貌，便于帶鋼表面質(zhì)量控制，一般用輪廓算術(shù)平均粗糙度Ra和表面峰密度參數(shù)Pc對帶鋼表面形貌進(jìn)行表征。算術(shù)平均粗糙度Ra是實(shí)際生產(chǎn)中最主要的表面形貌表征參數(shù)，也是平整軋制過程中帶鋼表面形貌控制的被控對象。

帶鋼表面形貌是由軋制區(qū)內(nèi)的軋制力分布、軋輥與帶鋼間的相對滑動位移以及軋輥和帶鋼粗糙峰參數(shù)共同決定的。通過帶鋼塑性變形的研究，能夠獲得軋制區(qū)內(nèi)的軋制力分布、軋輥與帶鋼間的相對滑動位移[4]。但是，帶鋼的塑性變形與平整機(jī)的輥系彈性變形密切相關(guān)，因此軋制區(qū)內(nèi)的軋制力分布和軋輥與帶鋼間的相對滑動位移的求解必須作為軋輥彈性變形與軋件塑性變形相互關(guān)聯(lián)的問題來看待。

軋輥表面形貌

目前，軋輥表面毛化方式主要有磨削加工、噴丸毛化、電火花毛化、激光毛化、拓?fù)溴冦t毛化、噴墨毛化、激光誘導(dǎo)放電毛化和Pretex精細(xì)毛化等。國內(nèi)各大鋼鐵企業(yè)應(yīng)用的毛化方式主要有磨削加工、噴丸毛化、電火花毛化、激光毛化，其中又以磨削加工和電火花毛化應(yīng)用最為廣泛。而拓?fù)溴冦t毛化、噴墨毛化、激光誘導(dǎo)放電毛化和Pretex精細(xì)毛化等毛化方式目前主要處于試驗(yàn)研究階段，尚未在工業(yè)生產(chǎn)中使用，值的注意的是拓?fù)溴冦t毛化方式在國外鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)如韓國浦項(xiàng)已用來工業(yè)化生產(chǎn)汽車板。

通過實(shí)驗(yàn)加工制備磨削表面、噴丸表面、電火花表面和激光表面，并采用白光干涉儀進(jìn)行測量分析。如圖 3所示，不同加工方式生產(chǎn)表面微觀形貌差異巨大，電火花毛化加工形貌存在明顯的凸起和凹坑；激光毛化加工表面規(guī)整，排列整齊；噴丸毛化加工表面分布隨機(jī)且尺寸較大；磨削加工表面形貌存在明顯的磨削紋理。

圖 3 不同方式加工的工作輥表面三維微觀形貌

對比不同方式加工的表面三維微觀形貌發(fā)現(xiàn)，總體上每種方式制備的表面微觀形貌都既具有一定的規(guī)律性又具有一定的、有限的隨機(jī)性。具體看，每種方式制備的表面微觀形貌都具有自己的形狀特點(diǎn)和輪廓分布特征，同一種方法下表面微觀形貌還都具有明顯的結(jié)構(gòu)自相似性，但尺度大小不同。比較研究發(fā)現(xiàn)，不同加工方式制備的表面微觀形貌，發(fā)現(xiàn)除磨削加工表面具有明顯的各向異性外，電火花毛化、噴丸毛化和激光毛化后的表面輪廓各向分布較為均勻。對比不同加工方式制備的表面微觀實(shí)測分析結(jié)果，可以解釋一直以來針對帶鋼和在軋輥表面微觀形貌的表征既有學(xué)者采用隨機(jī)分布函數(shù)方法，也有學(xué)者采取分形數(shù)學(xué)方法，雖然都取得了重要成果，但也都沒能完全反映工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)際情況。

軋制轉(zhuǎn)印規(guī)律

在平整軋制過程中，隨著工作輥的轉(zhuǎn)動，工作輥表面的粗糙峰不斷地經(jīng)歷與帶鋼表面的接觸—分離—再接觸—再分離的周期性過程。將工作輥與帶鋼的彈塑性接觸，抽象成為兩個(gè)粗糙表面物體的接觸問題進(jìn)行研究，如圖4所示。為了研究方便，用物體1代表工作輥，物體2代表帶鋼，對工作輥與帶鋼粗糙表面的接觸進(jìn)行研究。

圖4 粗糙表面接觸示意圖

在粗糙表面接觸過程中，表面形貌的變化與粗糙峰的變形密切相關(guān)。在粗糙表面接觸變形以塑性變形為主以及法向載荷很大的情況下，物體1與物體2間粗糙峰的變形主要包括壓入變形、犁溝變形和擠壓變形。針對不同的粗糙峰變形情況，當(dāng)物體1的硬度遠(yuǎn)大于物體2時(shí)，在不考慮磨損的情況下，粗糙表面接觸后物體2的表面形貌的生成機(jī)理主要有三種：物體1表面粗糙峰壓入物體2形成物體2的表面形貌；物體1表面粗糙峰與物體2之間犁溝作用形成物體2的表面形貌；物體1對物體2的表面粗糙峰擠壓作用后形成物體2的表面形貌。當(dāng)物體1與物體2之間不存在相對滑動且物體1的表面粗糙程度較高而物體2的表面粗糙程度較低時(shí)，物體2的表面形貌主要由物體1表面粗糙峰壓入物體2形成；當(dāng)物體1與物體2之間存在相對滑動時(shí)，犁溝作用對物體2的表面形貌形成有很大影響；當(dāng)物體1與物體2之間不存在相對滑動且物體1的表面粗糙程度較低而物體2的粗糙程度較高時(shí)，物體2的表面形貌主要由物體1對物體2粗糙峰的擠壓作用形成。在平整軋制過程中，帶鋼的表面形貌是上述三種情況共同作用的結(jié)果[5]。

選取單粗糙峰作為分析對象，利用接觸力學(xué)理論研究物體1表面微凸體與物體2的壓入過程。同時(shí)，在粗糙峰的壓入過程中，必然伴隨著壓入邊緣堆積物的隆起，本文假設(shè)隆起區(qū)域?qū)喝脒^程無影響，對隆起區(qū)域進(jìn)行了分析，并對隆起區(qū)域引起的相鄰粗糙峰壓入的交互作用進(jìn)行了研究。

(1) 粗糙峰的壓入分析。

對如圖 5所示的粗糙峰與物體2接觸，壓入以及卸載的過程進(jìn)行分析，能夠得到不考慮邊緣隆起時(shí)，單粗糙峰壓入物體2表面得到凹坑參數(shù)，包括凹坑深度 、接觸面半徑和凹坑半徑。

圖5 粗糙峰壓入的加載和卸載過程

考慮隆起后得到的物體1粗糙峰壓入后物體2表面形貌如圖 6所示。

圖6 壓入作用后物體2的表面形貌

(2) 粗糙峰表面接觸犁溝分析。

對摩擦機(jī)理的分析可知：在滑動的接觸界面中，硬表面的粗糙峰將壓入軟表面，如果粗糙峰的硬度超過軟表面的剪切強(qiáng)度，那么軟表面上將出現(xiàn)犁溝。擠入界面的磨粒也會在軟表面上產(chǎn)生犁溝。此外，兩個(gè)很粗糙的表面之間將有鎖合作用，這將導(dǎo)致微觀或宏觀尺度上的機(jī)械鎖合，滑動過程中的機(jī)械互鎖也可能在一個(gè)表面上產(chǎn)生犁溝。

當(dāng)物體1與物體2之間存在相對滑動時(shí)，犁溝作用對物體2表面形貌形成有很大影響。在物體1的硬度遠(yuǎn)大于物體2硬度時(shí)，且不計(jì)磨損以及忽略粗糙表面之間鎖合作用的前提下，物體2表面的犁溝作用主要是在物體1粗糙峰壓入和相對滑動的共同作用下產(chǎn)生的。犁溝作用后物體2表面形貌如圖7所示。

圖7 犁溝作用后物體2的表面形貌

(3) 粗糙峰表面接觸擠壓分析。

當(dāng)物體1表面硬度遠(yuǎn)大于物體2的硬度，而物體1表面粗糙度小于物體2表面粗糙度時(shí)，物體2的表面形貌主要由物體1表面對物體2表面粗糙峰擠壓作用形成，將物體l與物體2的接觸轉(zhuǎn)換為一個(gè)光滑的剛性表面與另一個(gè)具有等效粗糙表面的接觸，即將物體1轉(zhuǎn)換為光滑的剛性表面，將物體2假設(shè)為具有理想粗糙表面的彈塑性體。此時(shí)接觸過程中物體2發(fā)生彈塑性變形，犁溝作用后物體2表面形貌如圖 8所示。

圖8 擠壓作用后物體2的表面形貌

結(jié)論與展望

(1) 冷軋帶鋼的表面形貌對其沖壓、摩擦和涂鍍性能有重要影響。帶鋼的表面形貌是通過毛化工作輥在軋制中反向復(fù)印形成的，因此工作輥的表面形貌是冷軋帶鋼表面形貌形成的重要因素。目前常用的工作輥毛化工藝主要有噴丸毛化、電火花毛化和激光毛化3 種，會產(chǎn)生不同的軋輥表面形貌。

(2) 帶鋼表面形貌是由帶鋼與軋輥表面粗糙峰之間的壓入、犁溝以及擠壓作用形成的。而在壓入、犁溝以及擠壓作用下的帶鋼表面形貌生成的微觀形貌也有所不同。

目前，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的冷軋鋼板帶產(chǎn)品還不能完全滿足用戶對于鋼板微觀表面質(zhì)量的特別要求，立足現(xiàn)有軋制轉(zhuǎn)印制備原理的調(diào)控工藝方法和生產(chǎn)控制技術(shù)正在探索中，關(guān)于鋼板微觀表面質(zhì)量控制還存在未解決的科學(xué)和技術(shù)問題。

針對軋制轉(zhuǎn)印制備原理，研究生產(chǎn)實(shí)際鋼板表面微觀形貌軋制轉(zhuǎn)印生成過程的宏觀、介觀和微觀一體化跨尺度力學(xué)建模，建立多道次軋制轉(zhuǎn)印模型，揭示鋼板表面微觀形貌的生成機(jī)理與疊加規(guī)律，研究和優(yōu)化現(xiàn)有軋輥表面毛化技術(shù)的表面微觀形貌加工制備原理、能力和使用技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上自主研究開發(fā)軋輥表面毛化技術(shù)，探索新的軋輥表面毛化方法。

同時(shí)，應(yīng)立足鋼鐵企業(yè)現(xiàn)實(shí)需求，面向鋼鐵行業(yè)高端產(chǎn)品開發(fā)需求，將理論研究與行業(yè)的前瞻共性技術(shù)需求緊密結(jié)合，研究機(jī)械制造業(yè)所要求的產(chǎn)品的印鐵美觀性、沖壓儲油性、涂鍍層黏附性與鋼鐵企業(yè)可實(shí)現(xiàn)測量與調(diào)控的微觀形貌參數(shù)(表面粗糙度、表面峰密度、偏斜度等)的對應(yīng)關(guān)系，研究相應(yīng)所需的軋輥表面微觀形貌的控制目標(biāo)值與加工制備工藝方法，研究調(diào)控軋制轉(zhuǎn)印的工藝方法和生產(chǎn)技術(shù)，直接轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，開發(fā)出新產(chǎn)品，并創(chuàng)造效益。

[1] 馬飛，杜三明，張永振. 摩擦表面形貌表征的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢. 潤滑與密封，2010，35(8)：100

[2] 李惠芬，蔣向前，李柱. 三維表面功能評定技術(shù)發(fā)展綜述. 工具技術(shù)，2002(2)：8

[3] 王旭剛. T2000型表面粗糙度測量儀微機(jī)化改造的研究[學(xué)位論文].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010

[4] 張清東，張勃洋，李瑞，等. 高強(qiáng)鋼平整過程中帶鋼表面形貌的生成模型//全國青年表面工程論壇，2012

[5] 張曉峰，李瑞，張勃洋，等. 平整軋制過程中帶鋼表面形貌的生成模型. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49(14)：38