毛化冷轧薄钢板是由表面经毛化处理的轧辊轧制而成的,钢铁工业轧辊毛化技术发展经了了三个阶段:①六七十年代的喷丸毛化技术( Shot blasting),(图1.2)所示,使用硬质砂丸高速喷向辊面实现轧辊表面毛化,从而在轧辊表面砸出密密麻麻的小坑。但这种毛化工艺高噪音、大粉尘和高功耗。而且具有轧辊表面区域硬度、喷丸尺寸和冲击速率以及冲击角的随机性、不均匀性、难以控制和重复性不好等缺陷,加之处理成本较高,目前已经在发达国家中被激光毛化技术和电火花毛化技术所取代。②七八十年代电火花毛化技术(Electron-discharge texturing),基本原理是将轧辊和石墨电极浸放在绝缘油中,轧辊旋转过程中,石墨电极与轧辊之间施加脉冲电压,在一定条件下,电极与轧辊间发生击穿放电现象,放电产生的正负离子在电场的加速作用下分别轰击轧辊表面和电极表面,脉冲轰击能量使轧辊局部温度超过其熔点,造成轧辊表面局部熔化或气化。脉冲间隙,无放电现象发生,原先脉冲放电期间产生的金属液滴会在从熔坑溅出到绝缘油过程中冷凝,造成轧辊表面形成一系列凹坑。大多数钢企只是认为其形貌的均匀性、保持性比喷丸毛化好。但此种工艺存在着轧辊使用寿命短、设备维修率高、耗电量大、维修不方便和油污染严重等问题③近期才诞生的激光毛化技术(laser texturing),采用高能量密度、高重复频率的脉冲激光在冷轧辊表面按预定形貌和几何分布进行熔凝造形,再使用毛化轧辊轧制出高品质的冷轧薄板。激光毛化与喷丸毛化和电火花毛化相比,优点有:轧辊硬度高,延长使用寿命,可提高12.5%以上,如昆钢冷轧厂的试用表明:以往未经过毛化处理的平整机工作辊平均换辊周期为200顿/对,经激光毛化处理后,使用周期可达600顿/对；轧辊表面粗糙度均匀、可控,能明显改善毛化板深冲性能和涂镀性能；激光毛化过程中无噪声、无污染。 激光毛化在国际毛化领域具有前瞻性和市场前景,国家对这项技术高度重视,早就纳入了“八五”时期重点攻关课题。90年代,我国工业、科研及高校分别采用带有机械调制器的大功率Co2激光设备及带有调Q开关的大功率YAG激光设备,对轧辊进行表面毛化处理,取得了良好效果。但激光毛化设备还远没有达到市场化,部分原因是宣传的力度不够,厂商没有深入和足够的了解激光毛化相比于传统毛化工艺的优劣。目前激光毛化已成功应用于我国各类冷轧薄板、精密带钢和特殊带钢的生产,国内使用激光毛化设备的有宝钢、武钢、昆钢、济钢等大型钢厂,随着激光毛化市场的成熟,越来越多的中、小型钢厂将采用激光毛化这一新的工艺。 在冷轧板竞争如此激烈的今天,激光毛化也为很多冷轧薄板厂商指明了活路。主要有两条依据,一是目前世界上激光毛化板的质量最好。美国一批冷轧钢板公司的资深专家,对下个世纪的冷轧薄板的质量档次提出了划分的标准。他们认为:一类产品是激光毛化板,二类产品是电火花毛化板；三类产品是其他类别的板。这个标准的正确性,已经得到武钢、昆钢、济钢和唐山建龙的证实。广大客户也纷纷认为,激光毛化板在包括涂镀性能、深冲性能在内的质量明显优于电火花毛化板的质量。依据之二是目前世界上激光毛化板的成本最低, 激光毛化工艺与电火花毛化工艺相比,设备价格以及运行费用都要低得多,每对轧辊的过钢量增加一倍,降低了轧辊消耗量。因此,采用激光毛化冷轧薄板可为企业降低成本,提升利润空间。 1.2 冷轧薄板用途?一般冷轧薄板和毛化板的区别? 冷轧板与热轧板是相对应的,它们之间的区别不在冶炼过程,而是在于轧钢温度,或者说轧钢终止温度。终轧温度低于钢材再结晶温度就成为冷轧钢板。热轧容易轧制,轧钢效率高,但热轧条件下钢材易氧化,产品表面是黑灰暗淡的。冷轧过程为了消除加工硬化要进行中间退火,所以成本高,但冷轧钢板表面光亮,质量好,尺寸精度高,可以直接用来加工成品。冷轧板带用途很广,如汽车制造、电气产品、机车车辆、航空、精密仪表、食品罐头等。具有特殊毛化表面形貌的冷轧薄钢板在制造业中有着广泛的应用。在冲压成形过程中,毛化钢板上的致密微小凹坑可储存润滑剂,改善润滑条件；同时毛化表面使涂料和钢板表面的接触面积增大,增强了对油漆的吸附能力。毛化冷轧钢板附加价值极高。 2.2 激光毛化的原理  激光的毛化包括轧辊的毛化和钢板(带)的毛化2.2.1激光毛化轧辊: 用高能量密度(104-106w/cm2)、高重复频率(每秒数千次至上万次)的脉冲激光束聚焦照射到轧辊表面,轧辊表面作旋转运动,形成若干微小熔池,辅以一定成分和压力的气体沿一定角度侧吹熔池中的熔融物,使其按一定要求堆积到熔池边缘,当光脉冲移开工作点后,微坑熔融物靠轧辊自身热传导作用迅速冷却,形成具有一定形貌的表面硬化的微坑和坑边凸台结构。同时,激光脉冲束以一定速度沿轧辊轴向作匀速运动,速度的快慢可调,在整个辊面形成相变刚性质点(毛化坑和坑边凸台)。 
  实践证明该种形貌轧制的钢板表面形貌得到很大提高。在轧辊表面制备具有一定耐磨性和硬度的微凸体形貌,其关键因素在于以下几个方面。1.  激光功率密度和作用时间微凸体形貌形成的一个前提条件是:必须在表面形成一定的金属熔池,但激光能量不能过大,以免金属溶液的对流增加或出现气化现象,不利于微凸体的形成。一般激光功率密度为33kW/cm2≤ρ≤75kW/cm2  2.  辅助气体的选择对要制备的微凸体形貌,氧气是不利的。辅助气体应该选择为难于与熔化金属发生化学反应的惰性气体。而且通过辅助气体的压力作用,促使金属向周边流动。一般采用的惰性气体为氩气。3.  熔凝过程金属的金相结构转变由于熔化金属的冷却速度极快,有利于金属转变为马氏体组织。虽然马氏体的化学成分与母相的奥氏体化学成分相同,但是二者的体积不一样,即转变为马氏体后产生体积的膨胀,因此在熔池中形成凸起形貌。4.轧辊材料的影响合金元素(Cr)对熔池中溶液的黏度有很大影响。  Co2激光毛化和YAG激光毛化机理是否完全相同?否。在co2 激光毛化中,轧辊表面熔池形成后,凸台和凹坑的形成是靠侧吹气体的作用,使熔融物堆积到熔池边缘。由于是侧吹气体,凸台沿着熔池没有对称分布。在YAG激光毛化中,熔池内金属的熔化(有小部分气化),通过光脉冲和同轴气体吹来的压力,向熔池周边流动,在随后的冷却过程中,如果发生相变,生成马氏体组织,体积发生膨胀,硬度提高,加剧了微凸体的形成。在YAG激光毛化中,匹配脉冲激光的各项工艺参数是关键,包括脉冲波形、脉冲宽度、脉冲能量、离焦量和激光扫描速度,使得脉冲激光输入能量的施加时间及空间能量分布得到控制,因此使得轧辊表面金属在很短时间内熔化和凝固并且有效的抑制金属的气化。熔池和相变的概念:如图2.6所示,熔池的产生是由于高密度能量的激光束照射到轧辊表面,使材料瞬间产生高温而融化,形成液态的熔池。熔池包括液相区、相变区和热影响区。相变的解释如下:金属有熔点和相变点,当材料被加热到相变点,材料的内部组织状态将发生改变,可从一种组织状态转换到另一种组织状态,这样金属的性能将发生改变。如铁被加热到726℃时,将由室温状态下的α铁转变为r铁,因为二者的组织状态不同,所以性能就不一样。轧辊表面能量密度不均,在熔池的中心和周围能量也不均匀,靠近熔池中心的地方高,偏离中心越远温度越低,一般熔池的中心部分会熔化,而离中心稍远金属温度下降到相变温度,发生相变。在熔池边缘,温度没有达到相变点,便成为热影响区。为什么激光毛化坑和凸台的硬度较原先高?主要是因为激光的快速加热和快速冷却造成的。激光以很高的功率密度使轧辊熔化,随着工作台和光脉冲的间断,熔池中的液态金属通过自身的热传导快速冷却,达到一个自淬火的效果。一般形成的硬化层组织是马氏体、残余奥氏体和小部分的碳化物。所以轧辊的硬度提高延长了使用寿命,也使轧板的质量有很大提高。冷轧对轧辊的要求和轧辊的选材?  轧辊的寿命主要取决于轧辊的内在性能和工作受力,内在性能包括强度和硬度等方面。要使轧辊具有足够的强度,主要从轧辊材料方面来考虑；硬度通常是指轧辊工作表面的硬度,它决定轧辊的耐磨性,在一定程度上也决定轧辊的使用寿命,通过合理的材料选用和热处理方式可以满足轧辊的硬度要求。冷轧辊在工作过程中要承受很大的轧制压力,加上轧件的焊缝、夹杂、边裂等问题,容易导致瞬间高温,使工作辊受到强烈热冲击造成裂纹、粘辊甚至剥落而报废。为了提高轧辊的淬硬层深度、接触疲劳强度、韧性,延长其使用寿命,从20世纪70年代后期到80年代中期,国内外开始研究使用铬含量在3%～5%的深淬硬层冷轧工作辊钢。3%铬冷轧辊不需重淬,且有效淬硬层深度可达到25～30mm,5%Cr冷轧辊有效淬硬层深度则达到40mm,其耐磨性和抗事故性能也有显著提高。在这一阶段,国内试制了9Cr3MoV钢。冷轧辊的发展方向将是在进一步提高强度硬度和淬硬层深度的同时,保证一定的韧性。大型冷轧工作辊将普遍采用含钒、镍等元素的改进型5%Cr钢制造。为提高材料的淬透性,Cr的含量将进一步增加,如8%～10%Cr及更高铬的锻钢已开始用于实际生产,但含Cr量的增加会导致较差的韧性,因此需要适当平衡C和Cr含量,在较低的温度下淬火获得所需要的冷轧辊硬度,从而减少轧辊的断裂和降低其断裂敏感性。  2.2.2钢板的毛化: 是靠毛化了的轧辊的滚轧而成, 轧辊表面上的微坑的硬坑边凸台压在钢板上,使之产生塑变,挤出四周为凹坑、中间为凸台的微粗糙体,钢板上的微粗糙体形状并不是轧辊表面上的微粗糙体翻版,而是受着轧制压力、速度等因素而变化的。由众多的四周凹坑、中间凸台的微粗糙体形成了毛化的钢板。辊板转化率一般为凹坑20%,凸台80%,也就是说轧辊表面的粗糙度值反应到薄板上的粗糙度值,在很大程度上取决于轧辊凸台的高度、强度。  激光毛化具有双重功能:毛化和硬化。激光照射到辊面金属材料迅速发生相变和材料融化,形成熔池。在相变硬化区内形成马氏体、碳化物、残余奥氏体等,并由于加工温度和冷却速度极快,很大程度上提高了辊面的硬度和耐磨性。而熔池内的溶解物在侧吹气体作用下按熔池边缘并通过急速冷凝形成有序的硬度极高的凹坑和凸台。对于给定方向、流量、压力的侧吹气体具有以下功能:①防氧化:避免轧辊表面热加工过程中与空气中的氧发生作用。②保护镜片:避免在融化凝固过程中对镜片造成伤害。③防等离子体屏蔽:避免在激光融化过程中产生的过量等离子体形成屏蔽,消弱激光的入射强度。 2.3激光毛化的分类目前应用于轧辊激光毛化的装备有CO2激光毛化系统和YAG激光毛化系统,其主体结构主要包括激光器、高重频脉冲调制器、轧辊支撑机床、辅助气体侧吹装置和总控系统。 2.3.1 CO2激光毛化系统目前已在工业生产中使用的CO2激光毛化系统均采用大功率基模CO2连续激光器,普遍使用的是2～3kw输出功率的快速轴流CO2激光系统,以保证小尺寸微坑直径和高的毛化速度。光脉冲的形成主要使用机械斩波器。辅助气体喷嘴的直径小于1mm。与辊面夹角在30°～60°范围。CO2激光波长10.6μm,辊面对光的直接吸收率为5﹪左右,为增加辊面对光的吸收,可先对辊面进行黑化或喷粉处理。由于CO2光脉冲能量大,作用时间长,热沉积明显,辊面毛化后硬度只有HV=550～650左右。为提高轧辊耐磨性,国外将毛化辊再在液氮或干冰中零下冷处理3h,以促使毛化后凸台的部分奥氏体向马氏体转化,然后再镀Cr处理,是辊面硬度达到HV=950～1050。 2.3.2 YAG激光毛化系统YAG激光的优势主要是波长短1.06μm,轧辊表面对YAG激光的吸收率比对CO2激光的吸收率高约一个量级,可有效降低对激光器的输出功率要求,生产无需像CO2那样要对辊面作提高光吸收的涂层处理。YAG激光波长短,理论上光斑聚焦直径极限要比CO2激光小得多,一般均匀的多模YAG激光器光束聚焦后就可达到80～150μm毛化坑的要求,无需像CO2那样必须用高质量大功率基模激光器才能实现。已有成熟的声-光调Q开关可用来对连续YAG激光器进行高重频调制。声-光调Q开关可方便采用电信号控制,光脉冲可控性比CO2激光毛化惯性斩波方法好。因此,YAG激光毛化技术具有可按需要改变辊面微坑不同分布状态的能力,这对开发理想的各向同性的毛化板极为有利。

两种激光毛化方法的比较:由于YAG激光波长是CO2激光波长的1/10,因此两种激光毛化从装置的结构、脉冲成形技术和加工工艺都有明显的不同,主要表现在:

在生产使用中,YAG激光毛化的突出优点表现在以下方面:(1)可控性好,轧辊毛化后表面粗糙度高Ra均匀,用电信号控制脉冲形成,便于开发其它加工技术(如图形刻蚀)。(2)由于YAG激光波长短,辊面吸收好,加之YAG脉冲脉宽较窄,辊面毛化后表面硬度较高,使用寿命长。(3)YAG激光毛化装备可以使用CCD同轴摄像对焦系统,监控合一,便于生产人员操作。(4)YAG激光器功率较小,轧辊机床可采用车床结构,整体价格低,便于中、小型各类冷轧薄板(带)厂采用。(5)YAG激光毛化工艺简单,轧辊毛化后无需零下冷冻镀Cr提高硬度,可直接用于轧机生产。 2.4 激光毛化的主要特点:u  激光毛化淬火在辊面所形成的高硬度区是呈点状均匀分布,降低应力集中和韧性降低现象,延长轧辊寿命。u  轧制过程中,改善辊与板间摩擦(增加摩擦力)和接触条件,有利于增加轧机压下两和轧制速度,减少擦伤和粘连,提高板面质量。u  板材成型过程中,板面微坑有油和冷却作用,改善板与模具的摩擦接触条件(减少摩擦,增加润滑),有利于材料的流动。微坑还可以容纳成型过程中的金属粉末,减少表面刮伤。u  可增强板面对涂层的附着力和提高形成表面涂漆光亮度,增加产品的附加值。钢厂采用激光毛化技术的主要效益体现在:提高轧辊寿命,减少换辊时间；提高轧板速度,使产量提高。激光毛化板质量上档次,在市场上销售好,价格高,工厂效益显著。 下面为激光毛化技术的效果举例:(1)  精密带钢生产(龙腾厂)l  轧辊使用寿命提高1倍以上,轧辊轧制一卷30吨的钢板后,耐磨性下降仅为5%左右。l  有效克服困扰生产的轧板打滑,板卷退火粘连现象。l  轧板速度提高一倍l  改善板形,克服镰刀弯,减少边浪,成材率提高30%以上。(2)  冷轧薄板生产(天津厂)(板宽:0.5*1020, 0.9*1250)l  平整60km以上,板面粗糙度Ra仅下降10%左右。l  克服板卷退火粘连现象,改善板形和板面质量。l  板材性能改善与同类喷丸比较 激光毛化板:屈服强度σ0.2 降低20-30MPa；抗拉强度σb 提高21MPa；  总延伸率σ10 提高约10%以上；激光涂镀性能:磷化层膜厚偏差减少50%,均匀性好,附着力强,电泳底漆厚提高约40%,偏差系数减少50%,面漆光亮提高2-4个点值。  (3)南钢毛化辊调试返回报告:  开始遇到轧辊毛化粗糙度不均匀、表面明显条纹及粗糙度不高等现象,通过调整使轧辊与激光头尽量水平一致,清洁轧辊表面、变换制冷方式及调整毛化参数后毛化机对轧辊的毛化开始稳定,表面条纹消除,粗糙度Ra=1.0-5.0可调。工作辊(130×890×500)的低粗糙(Ra=1.0-3.0)毛化时间20-40分钟/根工作辊(500×450)的高粗糙度(Ra=4.5以上)毛化时间168-208分钟/根。用轧辊轧制的冷轧板的深冲性能和涂镀性能都有很大的提高,轧辊寿命提高至少10%等。  2.5 不同毛化方法的比较轧辊毛化的方式主要有喷砂、电火花、co2激光毛化和