毛化冷軋薄鋼板是由表面經毛化處理的軋輥軋制而成的,鋼鐵工業軋輥毛化技術發展經過了三個階段:①六七十年代的噴丸毛化技術( Shot blasting),(圖1.2)所示,使用硬質砂丸高速噴向輥面實現軋輥表面毛化,從而在軋輥表面砸出密密麻麻的小坑。但這種毛化工藝高噪音、大粉塵和高功耗。而且具有軋輥表面區域硬度、噴丸尺寸和衝擊速率以及衝擊角的隨機性、不均勻性、難以控制和重複性不好等缺陷,加之處理成本較高,目前已經在發達國家中被激光毛化技術和電火花毛化技術所取代。②七八十年代電火花毛化技術(Electron-discharge texturing),基本原理是將軋輥和石墨電極浸放在絕緣油中,軋輥旋轉過程中,石墨電極與軋輥之間施加脈衝電壓,在一定條件下,電極與軋輥間發生擊穿放電現象,放電產生的正負離子在電場的加速作用下分別轟擊軋輥表面和電極表面,脈衝轟擊能量使軋輥局部溫度超過其熔點,造成軋輥表面局部熔化或氣化。脈衝間隙,無放電現象發生,原先脈衝放電期間產生的金屬液滴會在從熔坑濺出到絕緣油過程中冷凝,造成軋輥表面形成一系列凹坑。大多數鋼企只是認為其形貌的均勻性、保持性比噴丸毛化好。但此種工藝存在着軋輥使用壽命短、設備維修率高、耗電量大、維修不方便和油污染嚴重等問題③近期才誕生的激光毛化技術(laser texturing),採用高能量密度、高重複頻率的脈衝激光在冷軋輥表面按預定形貌和幾何分布進行熔凝造形,再使用毛化軋輥軋制出高品質的冷軋薄板。激光毛化與噴丸毛化和電火花毛化相比,優點有:軋輥硬度高,延長使用壽命,可提高12.5%以上,如昆鋼冷軋廠的試用表明:以往未經過毛化處理的平整機工作輥平均換輥週期為200頓/對,經激光毛化處理后,使用週期可達600頓/對；軋輥表面粗糙度均勻、可控,能明顯改善毛化板深沖性能和塗鍍性能；激光毛化過程中無噪聲、無污染。 激光毛化在國際毛化領域具有前瞻性和市場前景,國家對這項技術高度重視,早就納入了“八五”時期重點攻關課題。90年代,我國工業、科研及高校分別採用帶有機械調製器的大功率Co2激光設備及帶有調Q開關的大功率YAG激光設備,對軋輥進行表面毛化處理,取得了良好效果。但激光毛化設備還遠沒有達到市場化,部分原因是宣傳的力度不夠,廠商沒有深入和足夠的了解激光毛化相比于傳統毛化工藝的優劣。目前激光毛化已成功應用於我國各類冷軋薄板、精密帶鋼和特殊帶鋼的生產,國內使用激光毛化設備的有寶鋼、武鋼、昆鋼、濟鋼等大型鋼廠,隨着激光毛化市場的成熟,越來越多的中、小型鋼廠將採用激光毛化這一新的工藝。 在冷軋板競爭如此激烈的今天,激光毛化也為很多冷軋薄板廠商指明瞭活路。主要有兩條依據,一是目前世界上激光毛化板的質量最好。美國一批冷軋鋼板公司的資深專家,對下個世紀的冷軋薄板的質量檔次提出了劃分的標準。他們認為:一類產品是激光毛化板,二類產品是電火花毛化板；三類產品是其他類別的板。這個標準的正確性,已經得到武鋼、昆鋼、濟鋼和唐山建龍的証實。廣大客戶也紛紛認為,激光毛化板在包括塗鍍性能、深沖性能在內的質量明顯優于電火花毛化板的質量。依據之二是目前世界上激光毛化板的成本最低, 激光毛化工藝與電火花毛化工藝相比,設備價格以及運行費用都要低得多,每對軋輥的過鋼量增加一倍,降低了軋輥消耗量。因此,採用激光毛化冷軋薄板可為企業降低成本,提升利潤空間。 1.2 冷軋薄板用途?一般冷軋薄板和毛化板的區別? 冷軋板與熱軋板是相對應的,它們之間的區別不在冶煉過程,而是在於軋鋼溫度,或者說軋鋼終止溫度。終軋溫度低於鋼材再結晶溫度就成為冷軋鋼板。熱軋容易軋制,軋鋼效率高,但熱軋條件下鋼材易氧化,產品表面是黑灰暗淡的。冷軋過程為了消除加工硬化要進行中間退火,所以成本高,但冷軋鋼板表面光亮,質量好,尺寸精度高,可以直接用來加工成品。冷軋板帶用途很廣,如汽車製造、電氣產品、機車車輛、航空、精密儀表、食品罐頭等。具有特殊毛化表面形貌的冷軋薄鋼板在製造業中有着廣氾的應用。在沖壓成形過程中,毛化鋼板上的緻密微小凹坑可儲存潤滑劑,改善潤滑條件；同時毛化表面使塗料和鋼板表面的接觸面積增大,增強了對油漆的吸附能力。毛化冷軋鋼板附加價值極高。 2.2 激光毛化的原理  激光的毛化包括軋輥的毛化和鋼板(帶)的毛化2.2.1激光毛化軋輥: 用高能量密度(104-106w/cm2)、高重複頻率(每秒數千次至上萬次)的脈衝激光束聚焦照射到軋輥表面,軋輥表面作旋轉運動,形成若干微小熔池,輔以一定成分和壓力的氣體沿一定角度側吹熔池中的熔融物,使其按一定要求堆積到熔池邊緣,當光脈衝移開工作點后,微坑熔融物靠軋輥自身熱傳導作用迅速冷卻,形成具有一定形貌的表面硬化的微坑和坑邊凸台結構。同時,激光脈衝束以一定速度沿軋輥軸向作勻速運動,速度的快慢可調,在整個輥面形成相變剛性質點(毛化坑和坑邊凸台)。 
  實踐証明該種形貌軋制的鋼板表面形貌得到很大提高。在軋輥表面制備具有一定耐磨性和硬度的微凸體形貌,其關鍵因素在於以下幾個方面。1.  激光功率密度和作用時間微凸體形貌形成的一個前提條件是:必須在表面形成一定的金屬熔池,但激光能量不能過大,以免金屬溶液的對流增加或出現氣化現象,不利於微凸體的形成。一般激光功率密度為33kW/cm2≤ρ≤75kW/cm2  2.  輔助氣體的選擇對要制備的微凸體形貌,氧氣是不利的。輔助氣體應該選擇為難于與熔化金屬發生化學反應的惰性氣體。而且通過輔助氣體的壓力作用,促使金屬向週邊流動。一般採用的惰性氣體為氬氣。3.  熔凝過程金屬的金相結構轉變由於熔化金屬的冷卻速度極快,有利於金屬轉變為馬氏體組織。雖然馬氏體的化學成分與母相的奧氏體化學成分相同,但是二者的體積不一樣,即轉變為馬氏體后產生體積的膨脹,因此在熔池中形成凸起形貌。4.軋輥材料的影響合金元素(Cr)對熔池中溶液的黏度有很大影響。  Co2激光毛化和YAG激光毛化機理是否完全相同?否。在co2 激光毛化中,軋輥表面熔池形成后,凸台和凹坑的形成是靠側吹氣體的作用,使熔融物堆積到熔池邊緣。由於是側吹氣體,凸台沿着熔池沒有對稱分布。在YAG激光毛化中,熔池內金屬的熔化(有小部分氣化),通過光脈衝和同軸氣體吹來的壓力,向熔池週邊流動,在隨後的冷卻過程中,如果發生相變,生成馬氏體組織,體積發生膨脹,硬度提高,加劇了微凸體的形成。在YAG激光毛化中,匹配脈衝激光的各項工藝參數是關鍵,包括脈衝波形、脈衝寬度、脈衝能量、離焦量和激光掃描速度,使得脈衝激光輸入能量的施加時間及空間能量分布得到控制,因此使得軋輥表面金屬在很短時間內熔化和凝固並且有效的抑制金屬的氣化。熔池和相變的概念:如圖2.6所示,熔池的產生是由於高密度能量的激光束照射到軋輥表面,使材料瞬間產生高溫而融化,形成液態的熔池。熔池包括液相區、相變區和熱影響區。相變的解釋如下:金屬有熔點和相變點,當材料被加熱到相變點,材料的內部組織狀態將發生改變,可從一種組織狀態轉換到另一種組織狀態,這樣金屬的性能將發生改變。如鐵被加熱到726℃時,將由室溫狀態下的α鐵轉變為r鐵,因為二者的組織狀態不同,所以性能就不一樣。軋輥表面能量密度不均,在熔池的中心和週圍能量也不均勻,靠近熔池中心的地方高,偏離中心越遠溫度越低,一般熔池的中心部分會熔化,而離中心稍遠金屬溫度下降到相變溫度,發生相變。在熔池邊緣,溫度沒有達到相變點,便成為熱影響區。為什麼激光毛化坑和凸台的硬度較原先高?主要是因為激光的快速加熱和快速冷卻造成的。激光以很高的功率密度使軋輥熔化,隨着工作台和光脈衝的間斷,熔池中的液態金屬通過自身的熱傳導快速冷卻,達到一個自淬火的效果。一般形成的硬化層組織是馬氏體、殘餘奧氏體和小部分的碳化物。所以軋輥的硬度提高延長了使用壽命,也使軋板的質量有很大提高。冷軋對軋輥的要求和軋輥的選材?  軋輥的壽命主要取決于軋輥的內在性能和工作受力,內在性能包括強度和硬度等方面。要使軋輥具有足夠的強度,主要從軋輥材料方面來考慮；硬度通常是指軋輥工作表面的硬度,它決定軋輥的耐磨性,在一定程度上也決定軋輥的使用壽命,通過合理的材料選用和熱處理方式可以滿足軋輥的硬度要求。冷軋輥在工作過程中要承受很大的軋制壓力,加上軋件的焊縫、夾雜、邊裂等問題,容易導致瞬間高溫,使工作輥受到強烈熱衝擊造成裂紋、粘輥甚至剝落而報廢。為了提高軋輥的淬硬層深度、接觸疲勞強度、韌性,延長其使用壽命,從20世紀70年代後期到80年代中期,國內外開始研究使用鉻含量在3%～5%的深淬硬層冷軋工作輥鋼。3%鉻冷軋輥不需重淬,且有效淬硬層深度可達到25～30mm,5%Cr冷軋輥有效淬硬層深度則達到40mm,其耐磨性和抗事故性能也有顯著提高。在這一階段,國內試制了9Cr3MoV鋼。冷軋輥的發展方向將是在進一步提高強度硬度和淬硬層深度的同時,保証一定的韌性。大型冷軋工作輥將普遍採用含釩、鎳等元素的改進型5%Cr鋼製造。為提高材料的淬透性,Cr的含量將進一步增加,如8%～10%Cr及更高鉻的鍛鋼已開始用於實際生產,但含Cr量的增加會導致較差的韌性,因此需要適當平衡C和Cr含量,在較低的溫度下淬火獲得所需要的冷軋輥硬度,從而減少軋輥的斷裂和降低其斷裂敏感性。  2.2.2鋼板的毛化: 是靠毛化了的軋輥的滾軋而成, 軋輥表面上的微坑的硬坑邊凸台壓在鋼板上,使之產生塑變,擠出四週為凹坑、中間為凸台的微粗糙體,鋼板上的微粗糙體形狀並不是軋輥表面上的微粗糙體翻版,而是受着軋制壓力、速度等因素而變化的。由眾多的四週凹坑、中間凸台的微粗糙體形成了毛化的鋼板。輥板轉化率一般為凹坑20%,凸台80%,也就是說軋輥表面的粗糙度值反應到薄板上的粗糙度值,在很大程度上取決于軋輥凸台的高度、強度。  激光毛化具有雙重功能:毛化和硬化。激光照射到輥面金屬材料迅速發生相變和材料融化,形成熔池。在相變硬化區內形成馬氏體、碳化物、殘餘奧氏體等,並由於加工溫度和冷卻速度極快,很大程度上提高了輥面的硬度和耐磨性。而熔池內的溶解物在側吹氣體作用下按熔池邊緣並通過急速冷凝形成有序的硬度極高的凹坑和凸台。對於給定方向、流量、壓力的側吹氣體具有以下功能:①防氧化:避免軋輥表面熱加工過程中與空氣中的氧發生作用。②保護鏡片:避免在融化凝固過程中對鏡片造成傷害。③防等離子體屏蔽:避免在激光融化過程中產生的過量等離子體形成屏蔽,消弱激光的入射強度。 2.3激光毛化的分類目前應用於軋輥激光毛化的裝備有CO2激光毛化系統和YAG激光毛化系統,其主體結構主要包括激光器、高重頻脈衝調製器、軋輥支撐機床、輔助氣體側吹裝置和總控系統。 2.3.1 CO2激光毛化系統目前已在工業生產中使用的CO2激光毛化系統均採用大功率基模CO2連續激光器,普遍使用的是2～3kw輸出功率的快速軸流CO2激光系統,以保証小尺寸微坑直徑和高的毛化速度。光脈衝的形成主要使用機械斬波器。輔助氣體噴嘴的直徑小於1mm。與輥面夾角在30°～60°範圍。CO2激光波長10.6μm,輥面對光的直接吸收率為5﹪左右,為增加輥面對光的吸收,可先對輥面進行黑化或噴粉處理。由於CO2光脈衝能量大,作用時間長,熱沉積明顯,輥面毛化后硬度只有HV=550～650左右。為提高軋輥耐磨性,國外將毛化輥再在液氮或乾冰中零下冷處理3h,以促使毛化后凸台的部分奧氏體向馬氏體轉化,然後再鍍Cr處理,是輥面硬度達到HV=950～1050。 2.3.2 YAG激光毛化系統YAG激光的優勢主要是波長短1.06μm,軋輥表面對YAG激光的吸收率比對CO2激光的吸收率高約一個量級,可有效降低對激光器的輸出功率要求,生產無需像CO2那樣要對輥面作提高光吸收的塗層處理。YAG激光波長短,理論上光斑聚焦直徑極限要比CO2激光小得多,一般均勻的多模YAG激光器光束聚焦后就可達到80～150μm毛化坑的要求,無需像CO2那樣必須用高質量大功率基模激光器才能實現。已有成熟的聲-光調Q開關可用來對連續YAG激光器進行高重頻調製。聲-光調Q開關可方便採用電信號控制,光脈衝可控性比CO2激光毛化慣性斬波方法好。因此,YAG激光毛化技術具有可按需要改變輥面微坑不同分布狀態的能力,這對開發理想的各向同性的毛化板極為有利。

兩種激光毛化方法的比較:由於YAG激光波長是CO2激光波長的1/10,因此兩種激光毛化從裝置的結構、脈衝成形技術和加工工藝都有明顯的不同,主要表現在:

在生產使用中,YAG激光毛化的突出優點表現在以下方面:(1)可控性好,軋輥毛化后表面粗糙度高Ra均勻,用電信號控制脈衝形成,便於開發其它加工技術(如圖形刻蝕)。(2)由於YAG激光波長短,輥面吸收好,加之YAG脈衝脈寬較窄,輥面毛化后表面硬度較高,使用壽命長。(3)YAG激光毛化裝備可以使用CCD同軸攝像對焦系統,監控合一,便於生產人員操作。(4)YAG激光器功率較小,軋輥機床可採用車床結構,整體價格低,便於中、小型各類冷軋薄板(帶)廠採用。(5)YAG激光毛化工藝簡單,軋輥毛化后無需零下冷凍鍍Cr提高硬度,可直接用於軋機生產。 2.4 激光毛化的主要特點:u  激光毛化淬火在輥面所形成的高硬度區是呈點狀均勻分布,降低應力集中和韌性降低現象,延長軋輥壽命。u  軋制過程中,改善輥與板間摩擦(增加摩擦力)和接觸條件,有利於增加軋機壓下兩和軋制速度,減少擦傷和粘連,提高板面質量。u  板材成型過程中,板面微坑有油和冷卻作用,改善板與模具的摩擦接觸條件(減少摩擦,增加潤滑),有利於材料的流動。微坑還可以容納成型過程中的金屬粉末,減少表面刮傷。u  可增強板面對塗層的附着力和提高形成表面塗漆光亮度,增加產品的附加值。鋼廠採用激光毛化技術的主要效益體現在:提高軋輥壽命,減少換輥時間；提高軋板速度,使產量提高。激光毛化板質量上檔次,在市場上銷售好,價格高,工廠效益顯著。 下面為激光毛化技術的效果舉例:(1)  精密帶鋼生產(龍騰廠)l  軋輥使用壽命提高1倍以上,軋輥軋制一卷30噸的鋼板后,耐磨性下降僅為5%左右。l  有效克服困擾生產的軋板打滑,板卷退火粘連現象。l  軋板速度提高一倍l  改善板形,克服鐮刀彎,減少邊浪,成材率提高30%以上。(2)  冷軋薄板生產(天津廠)(板寬:0.5*1020, 0.9*1250)l  平整60km以上,板面粗糙度Ra僅下降10%左右。l  克服板卷退火粘連現象,改善板形和板面質量。l  板材性能改善與同類噴丸比較 激光毛化板:屈服強度σ0.2 降低20-30MPa；抗拉強度σb 提高21MPa；  總延伸率σ10 提高約10%以上；激光塗鍍性能:磷化層膜厚偏差減少50%,均勻性好,附着力強,電泳底漆厚提高約40%,偏差係數減少50%,面漆光亮提高2-4個點值。  (3)南鋼毛化輥調試返回報告:  開始遇到軋輥毛化粗糙度不均勻、表面明顯條紋及粗糙度不高等現象,通過調整使軋輥與激光頭儘量水平一致,清潔軋輥表面、變換制冷方式及調整毛化參數后毛化機對軋輥的毛化開始穩定,表麵條紋消除,粗糙度Ra=1.0-5.0可調。工作輥(130×890×500)的低粗糙(Ra=1.0-3.0)毛化時間20-40分鐘/根工作輥(500×450)的高粗糙度(Ra=4.5以上)毛化時間168-208分鐘/根。用軋輥軋制的冷軋板的深沖性能和塗鍍性能都有很大的提高,軋輥壽命提高至少10%等。  2.5 不同毛化方法的比較軋輥毛化的方式主要有噴砂、電火花、co2激光毛化和