大型電池極片軋機(jī)工作輥的研制

■ 王春祥，曹文娟，任曉光

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一、概述

電池極片軋機(jī)工作輥是電池極片輥壓機(jī)上的重要零件，近年來(lái)，隨著我國(guó)綠色、環(huán)保、節(jié)能、減排新能源政策的大力倡導(dǎo)和推廣，新能源鋰電池作為國(guó)家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)其產(chǎn)量得到大幅提高，目前在我國(guó)廣東、河北、湖南等地區(qū)已經(jīng)形成較大的極片輥壓機(jī)生產(chǎn)規(guī)模。

常規(guī)電池極片軋機(jī)工作輥直徑為400～600mm，輥面長(zhǎng)度為450～600mm。近年來(lái)，電池極片輥壓機(jī)正朝著大直徑、寬幅面、高硬度、高精度和自動(dòng)控制方向發(fā)展，大型電池極片軋機(jī)工作輥品種、數(shù)量不斷增多，直徑為750～1200mm、輥面長(zhǎng)度800～1500mm等。

為確保大鋰電池使用安全可靠，電池極片軋機(jī)工作輥各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)不斷提高，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較常規(guī)復(fù)雜，孔、螺紋孔、鍵槽多部位分布，制造難度不斷加大：輥身硬度95～100HSD、硬度均勻性≯2HSD、淬硬層深度15～25mm；主軸頸調(diào)質(zhì)硬度35～50HSD、部分輥頸硬度≥78HSD；輥身、輥頸同軸度≯0.002mm。除此之外，大型電池極片軋機(jī)工作輥輥面還要有較高的耐磨性和耐蝕性。

二、大型電池極片軋機(jī)工作輥的研制

2003年，我公司開(kāi)始研制φ600mm常規(guī)電池極片軋機(jī)工作輥，輥面長(zhǎng)度600mm，硬度要求92～96HSD。2015年以來(lái)，隨著大型電池極片軋機(jī)工作輥的不斷涌現(xiàn)，材質(zhì)由Cr2升級(jí)至Cr3、Cr5，規(guī)格增大至φ750～φ1200mm，硬度提高至96～100HSD(66～68HRC)，硬度均勻性≯2HSD；同軸度≯0.002mm，輥面表面粗糙度提高至Ra0.05～0.2μm。為此我公司組織技術(shù)攻關(guān)，取得了突破。

1. 毛坯設(shè)計(jì)

高精度大型電池極片軋機(jī)工作輥軋制的極片板面質(zhì)量要求非常高，類似鏡面，無(wú)任何針孔、凹坑等缺陷，以確保鋰電池在使用過(guò)程中的安全性和使用壽命。大型電池極片軋機(jī)工作輥對(duì)鋼錠生產(chǎn)、電渣重熔及鍛造等工序都提出了挑戰(zhàn)。高硬度、高硬度均勻性以及高表面質(zhì)量要靠化學(xué)成分配比和冶煉、鍛造工藝來(lái)保證，如提高鋼液純凈度、降低微量有害元素及夾雜物含量、提高輥坯化學(xué)成分均勻性等都是必須解決的技術(shù)難題。為此我公司制訂了LF/VD真空精煉、鑄造電極錠、ESR電渣重熔、8000t（80MN）油壓機(jī)經(jīng)過(guò)多次鐓拔等一系列工藝方案，通過(guò)試驗(yàn)研究，開(kāi)發(fā)了XT-Cr3、XT-Cr5兩種新材質(zhì)（化學(xué)成分見(jiàn)附表），為研制大型電池極片軋機(jī)工作輥奠定了基礎(chǔ)。

Cr是冷軋輥鋼中含量最多的合金元素，其主要作用是提高淬透性、耐磨性和耐蝕性，它是較強(qiáng)的碳化物形成元素，其含量不同，形成的碳化物類型也不同。鋼中wCr＞2.5%時(shí)，將生成M7C3復(fù)雜合金碳化物，隨含鉻量增加，碳化物硬度提高；Mo是碳化物形成元素，其作用是細(xì)化晶粒、提高鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性；Si顯著提高鋼的彈性極限、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，其與Mo、Cr等結(jié)合，有提高耐蝕性作用。

兩種新材質(zhì)化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖1 XT-Cr3材質(zhì)預(yù)備熱處理后金相組織

圖2 淬火加熱過(guò)程示意

2. 輥坯鍛后熱處理

主要為消除鍛造應(yīng)力，細(xì)化晶粒；提高鍛件的超聲波無(wú)損檢測(cè)性能，使鍛件內(nèi)部缺陷能夠通過(guò)無(wú)損檢測(cè)清楚地顯示出來(lái)；降低鍛件中的氫含量，防止和消除白點(diǎn)等質(zhì)量缺陷，降低鍛件表面硬度，提高切削加工性能。鍛后熱處理工藝：正火+球化退火+擴(kuò)氫退火。

3. 預(yù)備熱處理

為最終熱處理提供良好的淬火組織準(zhǔn)備，提高軋輥的綜合力學(xué)性能，采取的預(yù)備熱處理為高溫淬火+高溫回火，工藝為：870～950℃均溫+保溫透燒后進(jìn)行快速冷卻，再進(jìn)行600～660℃保溫透燒的高溫回火，輥頸硬度達(dá)到電池極片工作輥技術(shù)要求35～50HSD，同時(shí)輥身、輥頸獲得回火索氏體+彌散均勻分布的碳化物金相組織。XT-Cr3材質(zhì)大型電池極片軋機(jī)工作輥預(yù)備熱處理后金相組織如圖1所示。

4. 輥身感應(yīng)淬火

輥身淬硬層深度取決于加熱層深度、淬火溫度、冷卻速度及材料本身淬透性等因素，為了達(dá)到電池極片工作輥淬硬層深度、高硬度及硬度均勻性的要求，依據(jù)感應(yīng)加熱電流透入深度δ=500/f1/2(mm)，在原電源基礎(chǔ)上我公司進(jìn)行了一系列淬火工藝試驗(yàn)和工藝改進(jìn)。

（1）雙頻電源的選定 研究移動(dòng)式低頻感應(yīng)加熱淬火法的適用性，增大加熱深度，大幅度改善淬硬層深度，制訂優(yōu)化雙頻淬火工藝方案，達(dá)到提高輥面硬度和淬硬層深度的目的。從原來(lái)的稍高頻率（200Hz/1000Hz）雙中頻改為較低頻率（50～100Hz/250～400Hz）的移動(dòng)式感應(yīng)加熱淬火方式，即采取加熱透入深度較深的雙頻（低頻+中頻）電源進(jìn)行淬火加熱。為降低淬火應(yīng)力，采取爐中低溫（200～350℃）長(zhǎng)時(shí)間整體預(yù)熱的方式，保證過(guò)渡層平緩、淬火過(guò)程中表層30mm深度范圍不低于表面溫度。

（2）淬火溫度的選定 為達(dá)到電池極片工作輥輥面高硬度和高耐磨性要求，必須保證鋼中合金元素和碳元素充分溶解，同時(shí)保留部分未溶碳化物。淬火溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致馬氏體組織及晶粒粗大，磨削性能和使用性能變差，輥面硬度偏低；淬火溫度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致合金元素和碳元素溶解偏少，輥面硬度偏低，耐磨性差。為保證輥面高硬度和耐磨性要求，我公司開(kāi)展了多種淬火溫度試驗(yàn)，確定了XT-Cr3、XT-Cr5兩種材質(zhì)的最佳淬火溫度分別為885～920℃、925～955℃。

（3）感應(yīng)器的選擇 淬火過(guò)程中增加奧氏體化時(shí)間，有利于充分溶解碳與合金元素，提高淬火硬度。我公司選定的雙頻感應(yīng)器高度為常規(guī)感應(yīng)器高度的1.5倍，同時(shí)使用兩個(gè)感應(yīng)器，極片工作輥輥身下端從上感應(yīng)器上沿開(kāi)始加熱，至下感應(yīng)器，再運(yùn)行至噴水器，整個(gè)移動(dòng)淬火加熱過(guò)程為：加熱升溫→保溫→稍降5~25℃→再升溫→再保溫→稍降淬火。淬火移動(dòng)速度較常規(guī)慢14 mm/min，奧氏體化時(shí)間為常規(guī)時(shí)間的2倍。淬火加熱曲線如圖2所示。

（4）淬火過(guò)程自動(dòng)測(cè)溫監(jiān)控與反饋控制 淬火過(guò)程采用自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)化控溫技術(shù)，軋輥勻速轉(zhuǎn)動(dòng)（15～35r/min）、勻速漸進(jìn)式淬火，下感應(yīng)器既是保溫又是對(duì)上感應(yīng)器加熱散失熱量的補(bǔ)充，不僅保證了輥身各點(diǎn)溫度均勻一致，硬度均勻性≯2HSD，而且使軋輥心部溫升不至于過(guò)高，從而避免了軋輥心部殘余拉應(yīng)力峰值。上下感應(yīng)器各2臺(tái)（共4臺(tái)）測(cè)溫儀測(cè)溫，及時(shí)監(jiān)控、反饋感應(yīng)器內(nèi)輥面的實(shí)際溫度，避免過(guò)熱。

（5）淬火水量控制及深冷處理 改進(jìn)后的噴水器增加激冷高度，水量較改進(jìn)前增加1/3，冷卻速度快，淬火組織中淬火馬氏體在90%以上，淬火硬度達(dá)99～101HSD，淬火組織為細(xì)隱針馬氏體+碳化物+少量殘留奧氏體。

Cr含量較高的軋輥淬火后，淬火組織中存在少量殘留奧氏體，其對(duì)硬度、硬度均勻性及組織穩(wěn)定性均有不同程度的影響。為了使其繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，我公司進(jìn)行了不同冷處理溫度、不同處理時(shí)間的冷處理試驗(yàn)，確定了合理的殘留奧氏體轉(zhuǎn)變工藝參數(shù)，在淬火后進(jìn)行-60～-150℃冷處理工序，保證了深冷處理后輥身硬度達(dá)到100～103HSD。

（6）回火去應(yīng)力及淬火效果 為及時(shí)消除電池極片工作輥淬火冷處理后存在的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，采取110～120℃長(zhǎng)時(shí)間低溫回火，保證輥面高硬度95～100HSD和淬硬層深度。

對(duì)大型電池極片軋機(jī)試驗(yàn)工作輥進(jìn)行淬硬層解剖，結(jié)果如圖3、圖4所示。

（7）金相檢測(cè) 選取部分產(chǎn)品進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，結(jié)果表明軋輥表面獲得了良好的淬火組織，淬火應(yīng)力消除充分，表面處于較高的壓應(yīng)力狀態(tài)，保證了大型電池極片軋機(jī)工作輥的高硬度和耐磨性。XT-Cr3材質(zhì)大型電池極片軋機(jī)工作輥淬火、回火后金相組織：細(xì)隱針馬氏體+碳化物，晶粒度10.5～11級(jí)。金相照片如圖5所示。

輥面應(yīng)力及殘留奧氏體檢測(cè)結(jié)果：σ1為－800～－950MPa、σ2為－980～－1050MPa，A'為8%～9.5% 。表明該種工作輥具備較穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)。

圖4 XT-Cr5 極片工作輥輥身淬硬層曲線

圖5 XT-Cr3材質(zhì)淬火、回火后金相組織

5. 輥頸強(qiáng)化

某些用戶反饋，大型電池極片軋機(jī)工作輥在裝配過(guò)程中輥頸易出現(xiàn)磨損，影響極片軋制精度。我公司深入研究用戶的裝配和使用情況，提出提高輥頸硬度的建議，與用戶達(dá)成了一致意見(jiàn)，將輥頸硬度提高至大于78HSD。

大型電池極片軋機(jī)工作輥的輥頸較粗，直徑為360～450mm，淬火硬度較高，強(qiáng)化層深度較深3～5mm，強(qiáng)化難度較大。為此我公司設(shè)計(jì)制作了較大規(guī)格強(qiáng)化感應(yīng)器，并進(jìn)行了中頻感應(yīng)淬火機(jī)床強(qiáng)化試驗(yàn)，通過(guò)多次調(diào)整電源電壓、電流及頻率等相匹配的數(shù)據(jù)，摸索出較大直徑不同規(guī)格工作輥的強(qiáng)化工藝參數(shù)，經(jīng)920～1000℃強(qiáng)化及較高溫度回火后輥頸硬度達(dá)到81～85HSD。

6. 加工

經(jīng)過(guò)后續(xù)精車、精磨及輥面拋光等工序，大型電池極片軋機(jī)工作輥的同軸度達(dá)到0.001～0.002mm，拋光后輥面表面粗糙度值達(dá)到Ra0.01μm，滿足用戶對(duì)于精度及輥身鏡面的要求。

三、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)大型電池極片軋機(jī)工作輥的研制，我公司制訂了工藝規(guī)范和操作標(biāo)準(zhǔn)，并鍛煉了職工隊(duì)伍。目前中鋼邢機(jī)研制開(kāi)發(fā)的直徑為750mm～1200mm的大型電池極片軋機(jī)工作輥已有近千只，經(jīng)國(guó)內(nèi)外數(shù)十家用戶的生產(chǎn)實(shí)踐表明，其軋制的電池極片精度達(dá)到0.001～0.003mm、極片厚度誤差達(dá)到0.001～0.0015mm，使用性能各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。