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2018年 第7期热加工
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感应加热
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王春祥，曹文娟，任晓光
摘要：介绍了中钢邢机公司成功研制出直径为750～1200mm 大型极片轧机工作辊的研究思路和取得的经验。关键词：电池极片轧机工作辊；研制；高硬度；高精度
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一、概述
电池极片轧机工作辊是电池极片辊压机上的重要零件，近年来，随着我国绿、环保、节能、减排新能源政策的大力倡导和推广，新能源锂电池作为国家高新技术产业其产量得到大幅提高，目前在我国广东、河北、湖南等地区已经形成较大的极片辊压机生产规模。
常规电池极片轧机工作辊直径为400～600mm ，辊面长度为450～600mm 。近年来，电池极片辊压机正朝着大直径、宽幅面、高硬度、高精度和自动控制方向发展，大型电池极片轧机工作辊品种、数量不断增多，直径为750～1200mm 、辊面长度800～1500mm 等。
为确保大锂电池使用安全可靠，电池极片轧机工作辊各项技术指标不断提高，设计结构较常规复杂，孔、螺纹孔、键槽多部位分布，制造难度不断加大：辊身硬度95～100HSD 、硬度均匀性≯2H S D 、淬硬层深
度15～25m m ；主轴颈调质硬度35～50H S D 、部分辊颈硬度≥78H S D ；辊身、辊颈同轴度≯0.002mm 。除此之外，大型电池极片轧机工作辊辊面还要有较高的耐磨性和耐蚀性。
二、大型电池极片轧机工作辊的研制
2003年，我公司开始研制
φ600m m 常规电池极片轧机工作辊，辊面长度600m m ，硬度要求92～96H S D 。2015年以来，随
着大型电池极片轧机工作辊的不断涌现，材质由C r 2升级至C r3、C r5，规格增大至
φ750～φ1200m m ，硬度提高至96～100H S D(66～68H R C)，硬度均匀性≯2H S D ；同轴度≯0.002mm ，辊面表面粗糙度提高至Ra 0.05～0.2m m 。为此我公司组织技术攻关，取得了突破。
1. 毛坯设计
高精度大型电池极片轧机工作辊轧制的极片板面质量要求非常高，类似镜面，无任何针
孔、凹坑等缺陷，以确保锂电池在使用过程中的安全性和使用寿命。大型电池极片轧机工作辊对钢锭生产、电渣重熔及锻造等工序都提出了挑战。高硬度、高硬度均匀性以及高表面质量要靠化学成分配比和冶炼、锻造工艺来保证，如提高钢液纯净度、降低微量有害元素及夹杂物含量、提高辊坯化学成分均匀性等都是必须解决的技术难题。为此我公司制订了LF/VD 真空精炼、铸造电极锭、E S R 电渣重熔、8000t （80MN ）油压机经过多次镦拔等一系列工艺方案，通过试验研究，开发了XT-Cr3、XT-Cr5两种新材质（化学成分见附表），为研制大型电池极片轧机工作辊奠定了基础。
C r 是冷轧辊钢中含量最多的合金元素，其主要作用是提高淬透性、耐磨性和耐蚀性，它是较强的碳化物形成元素，其含量不同，形成的碳化物类型也不同。钢中w C r ＞2.5%时，将生成
M 7C 3复杂合金碳化物，随含铬量增加，碳化物硬度提高；M o玻璃纤维防火布
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是碳化物形成元素，其作用是细化晶粒、提高钢的淬透性和回火稳定性；Si 显著提高钢的弹性极限、屈服强度和抗拉强度，其与M o 、C r 等结合，有提高耐蚀性作用。
2. 辊坯锻后热处理
主要为消除锻造应力，细化晶粒；提高锻件的超声波无损检测性能，使锻件内部缺陷能够通过无损检测清楚地显示出来；降低锻件中的氢含量，防止和消除白点等质量缺陷，降低锻件表面硬度，提高切
削加工性能。锻后热处理工艺：正火+球化退火+扩氢退火。
3. 预备热处理
为最终热处理提供良好的淬火组织准备，提高轧辊的综合力学性能，采取的预备热处理为高温淬火+高温回火，工艺为：870～950℃均温+保温透烧后进行快速冷却，再进行600～660℃保温透烧的高温回火，辊颈硬度达到电池极片工作辊技术要求35～50HSD ，同时辊身、辊颈获得回火索氏体+弥散均匀分布的碳化物金相组织。XT-Cr3材质大型电池极片轧机工作辊预备热处理后金相组织如图1所示。 4. 辊身感应淬火
辊身淬硬层深度取决于加热层深度、淬火温度、冷却速度及材料本身淬透性等因素，为了达到电池极片工作辊淬硬层深
度、高硬度及硬度均匀性的要求，依据感应加热电流透入深度 δ=500/f 1/2
(mm)，在原电源基础
上我公司进行了一系列淬火工艺试验和工艺改进。
（1）双频电源的选定 研究移动式低频感应加热淬火法的适用性，增大加热深度，大幅度改善淬硬层深度，制订优化双频淬火工艺方案，达到提高辊面硬度和淬硬层深度的目的。从原来的稍高频率（200H z/1000H z ）双中频改为较低频率（50～100H z/250～400H z ）的移动式感应加热淬火方式，即采取加热透入深度较深的双频（低频+中频）电源进行淬火加热。为降低淬火应力，采取炉中低温（200～350℃）长时间整体预热的方式，保证过渡层平缓、淬火过程中表层30m m 深度范围不低于表面温度。
防喷器试压
（2）淬火温度的选定 为达到电池极片工作辊辊面高硬度和高耐磨性要求，必须保证钢中合金元素和碳元素充分溶解，同时保留部分未溶碳化物。淬火温度过高会导致马氏体组织及晶
粒粗大，磨削性能和使用性能变差，辊面硬度偏低；淬火温度过低会导致合金元素和碳元素溶解偏少，辊面硬度偏低，耐磨性差。为保证辊面高硬度和耐磨性要求，我公司开展了多种淬火温度试验，确定了XT-Cr3、XT-Cr5两种材质的最佳淬火温度分别为885～920℃、925～955℃。
（3）感应器的选择 淬火过程中增加奥氏体化时间，有利于充分溶解碳与合金元素，提高淬火硬度。我公司选定的双频感应器高度为常规感应器高度的1.5倍，同时使用两个感应器，极片工作辊辊身下端从上感应器上沿开始加热，至下感应器，再运行至喷水器，整个移动淬火加热过程为：加热升温→保温→稍降5~25℃→再升温→再保温→稍降淬火。淬火移动速度较常规慢14 mm/min ，奥氏体化时间为常规时间的2倍。淬火加热曲线如图2所示。
（4）淬火过程自动测温监控与反馈控制 淬火过程采用自动检测和自动化控温技术，轧辊匀速转动（15～35r/m i n ）、匀速渐进式淬火，下感应器既是保温又是对上感应器加热散失热量的补充，不仅保证了辊身各点温度均匀一致，硬度均匀性
两种新材质化学成分（质量分数） （%）
材质代号C
Si
复合膜袋
Mn
P 、Speepm
Ni
Cr
Mo
Cu
XT-Cr30.78～0.980.2～0.60.2～0.5≤0.015≤0.252.5～3.50.2～0. 6≤0.15XT-Cr5
0.75～0.950.5～0.90.2～
0.5≤0.015≤
0.254.8～5.80.2～0.6≤0.15
火石轮图1 XT-Cr3材质预备热处理后金相组织图2 淬火加热过程示意
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≯2H S D ，而且使轧辊心部温升不至于过高，从而避免了轧辊心部残余拉应力峰值。上下感应器各2台（共4台）测温仪测温，及时监控、反馈感应器内辊面的实际温度，避免过热。
（5）淬火水量控制及深冷处理 改进后的喷水器增加激冷高度，水量较改进前增加1/3，冷却速度快，淬火组织中淬火马氏体在90%以上，淬火硬度达99～101HSD ，淬火组织为细隐针马氏体+碳化物+少量残留奥氏体。
Cr 含量较高的轧辊淬火后，淬火组织中存在少量残留奥氏体，其对硬度、硬度均匀性及组织稳定性均有不同程度的影响。为了使其继续转变为马氏体，我公司进行了不同冷处理温度、不同处理时间的冷处理试验，确定了合理的残留奥氏体转变工艺参数，在淬火后进行-60～-150℃冷处理工序，保证了深冷处理后辊身硬度达到100～103HSD 。
（6）回火去应力及淬火效果 为及时消除电池极片工作辊淬火冷处理后存在的组织应力和热应力，采取110～120℃长时间低温回火，保证辊面高硬度95～100HSD 和淬硬层深度。
对大型电池极片轧机试验工作辊进行淬硬层解剖，结果如图3、图4所示。
（7）金相检测 选取部分
自平衡两轮车产品进行应力检测，结果表明轧辊表面获得了良好的淬火组织，淬火应力消除充分，表面处于较高的
压应力状态，保证了大型电池极片轧机工作辊的高硬度和耐磨性。XT-Cr3材质大型电池极片轧机工作辊淬火、回火后金相组织：细隐针马氏体+碳化物，晶粒度10.5～11级。金相照片如图5所示。
辊面应力及残留奥氏体检测结果：σ1为－800～－950MPa 、σ2为－980～－1050M P a ，A'为 8%～9.5% 。表明该种工作辊具备较稳定的应力状态。
5. 辊颈强化
某些用户反馈，大型电池极片轧机工作辊在装配过程中辊颈易出现磨损，影响极片轧制精度。我公司深入研究用户的装配和使用情况，提出提高辊颈硬度的建议，与用户达成了一致意见，将辊颈硬度提高至大于78HSD 。
大型电池极片轧机工作辊的辊颈较粗，直径为360～450mm ，淬火硬度较高，强化层深度较深3～5m m ，强化难度较大。为此
我公司设计制作了较大规格强化感应器，并进行了中频感应淬火机床强化试验，通过多次调整电源电压、电流及频率等相匹配的数据，摸索出较大直径不同规格工作辊的强化工艺参数，经920～1000℃强化及较高温度回火后辊颈硬度达到81～85HSD 。
6. 加工
经过后续精车、精磨及辊面抛光等工序，大型电池极片轧机工作辊的同轴度达到0.001～0.002mm ，抛光后辊面表面粗糙度值达到Ra 0.01m m ，满足用户对于精度及辊身镜面的要求。
三、结语
通过大型电池极片轧机工作辊的研制，我公司制订了工艺规范和操作标准，并锻炼了职工队伍。目前中钢邢机研制开发的直径为750mm ～1200mm 的大型电池极片轧机工作辊已有近千只，经国内外数十家用户的生产实践表明，其轧制的电池极片精度达到0.001～0.003mm 、极片厚度误差达到0.001～0.0015mm ，使用性能各项指标均达到国内外同类产品的先进水平。
参考文献：
[1] 康大韬，叶国斌. 大型锻件材
料及热处理[M]. 北京：龙门书局，1998.
[2] 刘云旭. 金属热处理原理[M].
北京：机械工业出版社，1981.
作者简
介
：王春祥、
曹文娟、任晓光，中钢集团邢台机械
轧辊有限公司。
图3 XT-Cr3 极片工作辊辊身淬硬层曲线
图4 XT-Cr5 极片工作辊辊身淬硬层曲线
图5 XT-Cr3材质淬火、回火后金相组织
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