轧辊镀铬的新进展

     ■黄岳

    摘要：根据冷轧辊的工作特点，研究了镀铬层层区结构及晶核形成过程，进而探索轧辊镀铬的最佳工艺和方法，使得冷轧平整机组工作辊的轧制量达到在45万米以上，并能稳定批量生产，在冷轧工作辊镀硬铬技术方面取得新的进展。
    关键词：轧辊镀铬结构晶核耐磨
    1概述
    在冷轧钢板生产线上，轧辊是关键设备。为了延长轧辊使用寿命，减少换辊次数，提高生产效率，除了选用优质的锻钢材料、合理的热处理工艺外，就是进行表面增硬加工-电镀硬铬。
    轧辊镀铬在我国始于九十年代末，近几年来随着电镀技术的不断提高，电镀设备也在更新换代，特别是各种硬铬添加剂的开发应用，逐渐形成适合冷轧辊工况条件的特殊镀铬工艺，使得轧辊镀铬新技术层出不穷。
    2轧辊的工作特点
    轧辊由优质合金钢锻制而成，根据使用工况条件不同，表面加工成不同的粗糙度，主要可以分成两大类：光面辊和砂面辊（毛化辊）。
    冷轧工艺是将热轧基板在非加热状态下轧制成不同厚度的薄板，冷轧辊要承受巨大的压力和剧烈的摩擦力。由于普通冷轧工作辊使用寿命不长，换辊频繁，轧制钢板表面质量差。为了从根本上改变这种生产状况，所以才发展出轧辊镀硬铬技术。采用表面镀硬铬后的轧辊其使用寿命可以提高几倍乃至十几倍。普通不镀铬的轧辊工作时，通常采用先轧宽的产品，再轧狭的产品。如果先轧狭的产品，由于钢板边缘应力集中、摩擦大，容易在轧辊上产生划伤和不均匀压痕，因而无法再轧制较宽的产品，必须换辊。所以，在安排生产时必须先宽后狭，给实际生产带来诸多不便。
    镀铬后的轧辊表面组织发生了变化，不仅增加了硬度和耐磨性，因为铬的润滑性能及导热性能优良，提高了轧辊的在线使用时间和轧制率，有望实现自由轧制。虽然镀铬会增加一定的生产成本，但与其提高轧制效率相比，总的来说还是会带来巨大经济效益。
    由于轧辊使用的特殊性，在设计制造轧辊时它的直径留有一定变化量（依据轧机的调整范围），因此轧辊一般可以进行多次修磨使用。每次修磨为了彻底去除表面疲劳微裂纹以及达到规定的粗糙度，均需要一定的磨削量，这是造成轧辊消耗的一个主要原因。经表面电镀硬铬后，可有效减少表面微裂纹的产生，进而减少每次的磨削量，明显提高轧辊的总体使用寿命。
    3利用铬的特性，提高轧制量

    铬具有很高的硬度和良好的耐磨性，这是镀铬轧辊能够获得高轧制量的关键因素。铬的硬度接近金刚石，莫氏硬度达9。图1所示为各种金属莫氏硬度值的比较，电镀层硬度常用维氏（HV）硬度表示。一般标准镀铬液中，在最佳条件下镀铬层硬度HV＜950。我们是采取控制铬层区结构形式，使镀到轧辊表面的铬层与基底金属牢固结合，可以适应巨大的轧制压力和摩擦力，在连续轧制时防止铬层剥落。

    轧钢厂对轧辊使用情况进行考核评估时常采用轧制量来衡量，轧制量一般是指：轧辊在线的轧制时间、轧制吨位、轧制公里数等。如轧制公里数是轧辊在线可轧制钢板的总长度，它主要取决于轧辊表面质量（是否镀铬）、被轧材料性质、被轧板材厚度等。如图2所示为几种金属表面相互摩擦的摩擦系数比较，铬几乎是已知金属材料中摩擦系数最低的，其高润滑性能给钢板通过创造有利条件，轧辊镀铬后与被轧钢板之间在压力下连续摩擦时不会咬住、摩擦或相互压接，再加上镀铬层优异的耐磨性能，使得轧制量可以几倍甚至十几倍的增加。影响轧制量的主要因素有以下八点。
    3.1表面微观组织要适应轧辊工作特性
    3.1.1增加表面面积
    表面积的增加对提高镀层结合强度和轧制薄板保持表面均匀组织有利，目前增加表面积的方法常采用表面毛化处理技术，通常所说的"毛化"就是采用喷砂、电火花、激光等技术在光辊表面上适当增加粗糙度的方法。粗糙度（Ra）是金属加工表面微观组织的不平度，用取样长度内轮廓偏距绝对值的算术平均值表示。采用电脉冲加工（EDT），能够在轧辊表面产生组织均匀致密的凹坑，但在轧制过程中由于轧辊磨损，造成薄板表面的粗糙度也随之波动。所以，普通冷轧工作辊轧制一定长度薄板后要达到规定凸峰数是困难的，只好更换。采用镀铬的工作辊可采用电化学方法增加凸峰，硬而耐磨，寿命增加几倍。减少了换辊次数，提高了生产效率。
    凸峰数取决于"毛化"，提高凸峰数可利用电极过程的电化学处理。毛化形成的尖峰不是孤立的，是互相交叉的点状组织。选用合适的工艺条件和电流密度可使凸峰尖端微小的毛刺除去。辊表面凸起点电流比凹点高，先除去尖峰，再平整不规则的轮廓，这些重叠凹凸点轮廓清晰暴露，凸点增加。通以正向电流后，铬牢固的沉积在峰面上，达到一定厚度时，便可获得极高的轧制量。
    3.1.2消除辊面色差
    色差是指在视觉上深浅不一现象，冶金工作者叫"色差"，也有人称明暗度不一样。色差是由粗糙度变化和点数不均匀引起的，较粗的表面易吸收光线，看上去颜色深一些；粗糙度低（数值小）的表面易反射光线，看上去色淡一些。轧辊上一旦有色差存在，轧出的薄板也会有相似的现象产生，这是轧制高质量薄板时产生缺陷的根源。电镀之前轧辊表面粗糙度必须均匀、无磨削刀痕是消除色差的基础；毛化时将粗糙度和密度（PC）调整均匀也有利于消除这种现象。如EDT毛化时选用的电压、时间、距离变化也会引起色差。吸附的电极分解物可以在前处理中除去，但被铬层掩盖的微观表面粗糙度差异隐约可见，再暴露色差的影印，将会严重影响轧制量。
    3.1.3控制铬层结晶形成及层区结构
    控制铬镀层晶核的形成及生长，层区结构符合轧辊表面高硬度耐磨的需要，可以改变工艺获得铬的点状沉积层，因而使得轧制钢板表面细致，光洁。最具实用价值的铬层应是光亮细洁具有微裂纹，其金相组织如图3所示，而不是白色或乳白色的镀层。

    镀铬层应力大，本身抗拉强度小、延伸率低，镀到一定厚度，当沉积层应力超过抗拉强度时，镀层产生裂纹。裂纹使应力释放，镀层生长，工艺改变可使晶核结构发生变化。镀层应有固定的裂纹数量，在温度和电流密度一定时，电解液中CrO3和H2SO4的比值决定裂纹数。在比率为100=1.1～1.2时，裂纹在80条/㎜，铬层硬度在HV950～1100，此时可获得最佳的轧制效果。
    控制CrO3/H2SO4的比值，对轧辊镀铬极为重要。比值改变会影响微裂纹铬层区的尺寸。镀液中CrO3=H2SO4为100=1.1～1.2时，裂纹间铬层区小、硬度高，其层区结构如图4A所示。
    CrO3=H2SO4比值提高，裂纹间铬层区尺寸增加。当CrO3=H2SO4比例为125:1时，裂纹间铬层区结构增大、应力变化增大、铬层变软。其铬层区结构如图4B所示。

    控制镀铬液温度，是影响铬层区的关键因素。改变几度温度所产生的影响比改变少量CrO3浓度大得多，电解液应设有自动温度控制系统，温度控制在±1度内。低压空气搅拌使溶液均匀可帮助控制温度，电流通过电解液时温度开始上升，5000升电解液中每升通过1.5A电流10分钟可升高1度。
    3.2基体加工表面的质量对镀铬层的影响
    光洁均匀的基体加工表面，经镀前处理后才能显现它的结晶组织，镀铬后看起来更加清晰，镀铬层能显现基体的表面缺陷，镀铬层本身无整平作用。因此，要获得均匀的铬层必须从无缺陷的基体上开始，没有一种镀铬工艺能克服基体金属上已存在的缺陷；也没有一种镀铬电解液能填充或克服不适当的无芯磨削、腐蚀等基体金属引起的缺陷。如划伤、色差、刀痕等，镀铬后会更明显。基体金属的表面处理是镀铬的基础，电镀工作者应因材施镀。
    3.3良好的镀前处理和适合轧辊的电镀工艺
    这里所说的镀前处理包含了除油脂、除锈和表面活化。轧辊大而重，行车吊来吊去很不方便，工艺必须连贯、紧凑、可靠。对于硬度和耐磨性来讲，电解液中CrO3、H2SO4的比值以及相适应的操作条件起到决定作用，它将控制和调节镀层结构和应力，以适应轧钢时高应力环境的千变万化。
    3.4轧辊镀铬的厚度
    镀铬层的厚度不是越厚越好，有试验证明当轧辊镀铬层厚度在13μm以上时剥落趋向增大。笔者认为随着镀铬层厚度的增大而增大的内应力与轧制时极大的轧制压力和摩擦力产生的应力不适应，是造成铬层剥落的主要决定因素。此时铬镀层的裂纹及裂纹间层区结构将起决定作用，厚度与应力相适应，铬层就不会剥落。在冷轧工作辊实践中将铬层厚度控制在8～9um获得了最大轧制量，可以稳定控制在45万米左右，而无铬层剥落现象发生。
    用电化学方法，调整应力形变区尺寸，加厚铬镀层，使Ra磨损速度再迟后，轧制量将继续增加。
    4不断开拓完善轧辊镀铬体系:
    轧辊镀铬是电镀工业中的一种特种电镀工艺，目前已初步形成完整体系，本文仅介绍轧辊镀铬的设备、典型工艺、轧辊镀铬专用添加剂和容易出现的质量问题控制。
    4.1水平和垂直电镀设备
    一根轧辊重达几吨，直径可达近1千毫米，镀硬铬的设备和车间必须与轧辊的进出相适应，可以采用立式槽或卧式槽生产。
    垂直镀的镀槽通常设于地下，是全浸式的镀铬槽。凡是镀件重量、轴颈、长度可放入槽内的选用垂直镀。电流利用率高，整个辊面可同时镀铬；垂直镀槽深、阳极长易变形弯曲，应用镀锡钢筋作为嵌件浇注时嵌在Pb/Sn合金极板内，以增加其强度和导电性。
    水平镀是半浸式的电镀槽。电镀时，卧式槽内工件在转动，仿形阳极架在槽体上。车间必须有一定长度来安装水平镀槽及为其服务的机械传动、排风、过滤系统及附加装置，如一个十米的镀槽，它的附加装置也要3米。水平镀的优点是轧辊二端均可承受力和导电，还可将镀槽建于地面上或部分建于地面下。水平镀槽工作起来不方便，轧辊要二端安装、固定、导电；溶液要大容量储槽及输液系统，投资大，成本高，只有在垂直槽不能满足时才选用水平槽。水平槽温度控制系统是保证镀铬质量的基础，应控制在±10℃内。
    水平镀和垂直镀均应设置阴极转动系统，使工件线速度在1～2m/min，保证镀铬层细致均匀。过滤系统可帮助提高镀层质量，镀液应及时进行过滤处理。轧辊镀铬必须有强大的直流电源保证，一般垂直镀需要20000A/0～12V整流器，并需要一定量的换向电流，采用几台整流器并联最实用。如下图所示为水平和垂直电镀设备示意图：

    4.2典型的轧辊镀铬工艺
    以冷轧连退平整机工作辊为例，根据轧辊结构采用垂直镀的主要工艺流程：
    除油→清洗→表面检查→上夹具→精除油→清洗→酸洗→清洗→保温→纯水洗→入槽→二次保温→活化→冲击电镀→正镀→出槽清洗→干燥→质量检查→包装。
    4.3新型轧辊镀铬专用添加剂的研究应用
    由于普通电镀液电镀后铬的硬度较低，只有HV600~900，且电流效率较低在20%以下。因此，近年来国内外广泛开展镀铬添加剂的研究开发，在电镀液中添加一定量的添加剂，它可使铬的电沉积速度加快，提高电流效率，且使镀层结晶细化、光亮度增加，铬层硬度可以高达HV1100以上；并且改善镀层表面结构，使镀层呈现微裂纹，数量可达400~1000条/cm2，明显改善镀铬层的耐磨性能。
    目前，电镀行业中使用的添加剂种类较多，进口与国产、使用条件、用途等不同，其电镀液的配制也不同，例如：
    （1）普来得公司生产的SPL-298镀铬添加剂，其工艺规范要求：    
铬酸（CrO3）                         250（160~320）g/l
硫酸（H2SO4）                        2.7(2.0~3.8) g/l
SPL298添加剂                        8(6~8)ml/l
电流密度                            60(30~80)A/dm2
温度                                60(55~65)℃
阴极面积比                          1:2~1:3
补加SPL-298                         2~4ml/KAH
    （2）德国维恩公司生产的Vop-Cr873镀铬添加剂，其工艺规范要求：
铬酸（CrO3）                         250（220~280）g/l
Vop-Cr873添加剂                     20(20~25) ml/l
电流密度                            20~60A/dm2
温度                                55(50~60)℃
沉积速率                            约1µm/min（55A/dm2）
 （3）江苏永泰公司生产的CA-2000镀铬添加剂，其工艺规范要求：
铬酸（CrO3）                        250（210~280）g/l
硫酸（H2SO4）                        2.7(2.4~3.5) g/l
CA-2000添加剂                       20ml/l
电流密度                            60(30~75)A/dm2
温度                                57(55~60)℃
    所以，根据镀铬镀件的不同要求,应选用不同的电镀液添加剂，以达到良好的使用效果。目前针对轧辊的特殊使用环境，研究开发专用添加剂是势在必行的。
    4.4轧辊镀硬铬中容易出现质量问题的控制
    4.4.1除油和清洗：
    轧辊表面有机油和凡士林保护，在电镀前必须彻底将油脂除去。方法是用清洗剂将油脂揩除。先溶解油脂，用干布揩干。至表面清洁时，进行轧辊表面质量预检。主要检查是否有划伤、色差、振动纹等机加工造成的毛病，并测量粗糙度Ra。再用专用白布浸除油清洗剂揩辊表面，清洗至水不裂开止。如果在除油和水洗后工件表面仍出现不连续水膜，即水流在工件表面形成水滴，说明工件表面仍有油污，但它是逐渐渗入污点下面的。污物是碱性的，会发生碱酸反应，与其它表面相比将受到不同强度的腐蚀，如此时取出清洗观察，污点的底金属表面是灰色的。镀铬后重现了表面状态。虽然与镀层结合可以，但色泽上暗谈是一种缺陷，必须引以为戒。
    4.4.2酸洗：
    轧辊表面可以采用盐酸或硫酸清洗，盐酸清洗效果较好，便于水洗。但因为CL-1带入槽内会造成镀液污染，一般不建议采用。如要用HCL酸洗，必须用碱中和除去可能吸附的CL-1。通常多采用5%H2SO4进行酸洗。
    4.4.3阳极处理和阴极活化：
    将工件连接于带正电的阳极上，通过一定电流，使其表面得到的微观腐蚀，保证铬层与基体良好结合的方法，我们称为阳极腐蚀或阳极处理，也有人称反向刻蚀，它对轧辊镀铬极为重要。
    阳极腐蚀一般在含CrO3200g/l的腐蚀槽中进行，通过的电流为正镀的50%。它的槽温与镀铬槽一致。如在镀铬槽中进行阳极腐蚀，将会缩短槽液寿命，因为带H2SO4镀铬槽工件放在阳极上的腐蚀速度比不带H2SO4腐蚀槽速度增加七倍。工件上腐蚀下来的铁等金属将污染电解液。
    阳极腐蚀要根据工件材料和表面状况来定，不恰当的电流密度、时间会造成过腐蚀，工件表面镀铬后将变得粗糙，基体上碳微粒暴露在外，碳上的铬层将会脱落，影响轧辊寿命。含铬、含镍、含锰合金钢不进行阳极处理，可在阴极3.5V下电解数分钟，逐步增加电流到正常值。
    4.4.4温度和电流密度：
    在电解液组分确定后，控制温度和电流密度就控制了电镀层的质量和速度。温度和电流密度互相配合，互相影响。对轧辊镀铬，需要着重控制镀层结构，如裂纹数和裂纹间层区尺寸。图5是在加有添加剂的轧辊镀铬层镀层区组织。镀层光洁细致就可获得高的硬度和耐磨性。

    在不加添加剂的镀铬槽电镀时，电流可控制在25A/dm2，温度51±1℃。加有添加剂的镀铬槽，可使用较高的温度和电流密度，如50A/dm2，55±1℃。
    4.4.5电解液中有害杂质的去除：
    电解液中Cu2+、Fe3+、Ni2+、AL3+、Cr3+等杂质均有害，它们以电阻形式起作用，需以较高的电压通过阻力，消耗电能。对这些杂质要用离子交换树脂处理，当金属杂质达到6.2g/l就得稀释镀液或处理，才能继续工作。
    Cr3+是镀铬液中必要成分，含有2～3g/lCr3+可提高镀铬层光亮度和复盖能力，并可防止铬层发朦。Cr3+也是镀铬液中危害最大的杂质，它比其它金属杂质危害大一倍。当Cr3+浓度超过4g/l时镀铬将难以正常进行。产生Cr3+的因素为（1）阳极面积小于阴极面积；（2）镀液中有还原性物质，如油等。
    Cr3+可用大面积阳极电解除去，大面积阳极将镀液中的Cr3+氧化成Cr6+。阳极面积:阴极面积的比值为27:1为最理想，在实际使用中常采用10:1，电压为6V，温度为54℃，进行电解24小时才能把Cr3+降为痕迹量。
    Cl-的活性比F-大得多，当镀铬液中含有0.019g/lCl-就会引起故障,它能使阳极受到腐蚀，引起针孔缺陷；阴极也会受到侵蚀，并使镀铬层图案受到影响，形成无光泽面，所以严禁把Cl-带入镀槽。除去Cl-可用银盐，添加4g/l.Ag2O可除去1g/lCl-。高温、高电流电解也能取得良好效果。
    4.4.6镀后清洗和包装：
    镀铬停止后，轧辊出槽时应用蒸馏水冲洗，将辊表面的镀铬液流回槽内。出槽后用水清洗至无剩余的电解液，再用蒸馏水冲洗、干燥。这时，观察辊面如有色差、刀花痕、振动纹等表面缺陷将会一目了然。
    镀铬层有洁白、美丽的外观，那怕是一滴水滴在辊面上干了就是讨厌的痕迹。特别是经EDT加工的表面，不可触及，否则有损"面容"。这种痕迹，短时间内可用蒸馏水洗去，时间长了碱水才能洗净。包装时，必须戴手套操作，否则汗水会腐蚀铬层。包装时，先涂一层防锈油，再复一层防锈纸或牛皮纸，外复一层0.3mm的PE薄膜。对及时使用的轧辊，可不涂防锈油。但不能碰到水滴和受潮。运输过程中，应有防水包装。
    5结论
    5.1本文介绍了冷轧辊使用的工况条件，全面分析其失效原因。
    5.2研究探讨金属铬的各项特性以及镀铬层提高轧制量的基本原理。
    5.3通过电化学方法对镀层层区结构和晶核形成过程进行微观调控，有效控制铬层微裂纹在80条/mm，硬度在HV950～1100
    5.4采用特殊工艺和轧辊镀铬专用添加剂生产的冷轧平整机轧辊，其上机使用轧制量达到45万米以上。
    5.5详细介绍了轧辊镀铬体系以及出现质量问题的预防控制。
    6展望
    随着汽车制造业、家电生产以及建筑用板材等领域的迅猛发展，也必将推动冷轧带钢生产的全面发展，而任何轧钢生产都离不开各类轧辊的应用，因此全面提高轧辊的制造水平、延长轧辊的使用寿命、减少换辊频率对轧钢生产意义重大。广泛采用轧辊镀铬新技术是提高轧制量的有效方法之一，在此基础上不断探索轧辊表面处理新技术、新工艺、新方法必将带动轧钢生产乃至整个冶金行业的发展，其发展前景十分广阔。

   资料来源：http://www.pf.hc360.com/