■ 王春祥，曹文娟，任曉光

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一、概述

電池極片軋機工作輥是電池極片輥壓機上的重要零件，近年來，隨著我國綠色、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，目前在我國廣東、河北、湖南等地區(qū)已經(jīng)形成較大的極片輥壓機生產(chǎn)規(guī)模。

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

為確保大鋰電池使用安全可靠，電池極片軋機工作輥各項技術(shù)指標(biāo)不斷提高，設(shè)計結(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、大型電池極片軋機工作輥的研制

2003年，我公司開始研制φ600mm常規(guī)電池極片軋機工作輥，輥面長度600mm，硬度要求92～96HSD。2015年以來，隨著大型電池極片軋機工作輥的不斷涌現(xiàn)，材質(zhì)由Cr2升級至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

高精度大型電池極片軋機工作輥軋制的極片板面質(zhì)量要求非常高，類似鏡面，無任何針孔、凹坑等缺陷，以確保鋰電池在使用過程中的安全性和使用壽命。大型電池極片軋機工作輥對鋼錠生產(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）油壓機經(jīng)過多次鐓拔等一系列工藝方案，通過試驗研究，開發(fā)了XT-Cr3、XT-Cr5兩種新材質(zhì)（化學(xué)成分見附表），為研制大型電池極片軋機工作輥奠定了基礎(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，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、屈服強度和抗拉強度，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)量分數(shù)） （%）

圖1 XT-Cr3材質(zhì)預(yù)備熱處理后金相組織

圖2 淬火加熱過程示意

2. 輥坯鍛后熱處理

主要為消除鍛造應(yīng)力，細化晶粒；提高鍛件的超聲波無損檢測性能，使鍛件內(nèi)部缺陷能夠通過無損檢測清楚地顯示出來；降低鍛件中的氫含量，防止和消除白點等質(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+保溫透燒后進行快速冷卻，再進行600～660℃保溫透燒的高溫回火，輥頸硬度達到電池極片工作輥技術(shù)要求35～50HSD，同時輥身、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)上我公司進行了一系列淬火工藝試驗和工藝改進。

（1）雙頻電源的選定 研究移動式低頻感應(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，達到提高輥面硬度和淬硬層深度的目的。從原來的稍高頻率（200Hz/1000Hz）雙中頻改為較低頻率（50～100Hz/250～400Hz）的移動式感應(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）電源進行淬火加熱。為降低淬火應(yīng)力，采取爐中低溫（200～350℃）長時間整體預(yù)熱的方式，保證過渡層平緩、淬火過程中表層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，同時保留部分未溶碳化物。淬火溫度過高會導(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；淬火溫度過低會導(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，我公司開展了多種淬火溫度試驗，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 淬火過程中增加奧氏體化時間，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，同時使用兩個感應(yīng)器，極片工作輥輥身下端從上感應(yīng)器上沿開始加熱，至下感應(yīng)器，再運行至噴水器，整個移動淬火加熱過程為：加熱升溫→保溫→稍降5~25℃→再升溫→再保溫→稍降淬火。淬火移動速度較常規(guī)慢14 mm/min，奧氏體化時間為常規(guī)時間的2倍。淬火加熱曲線如圖2所示。

（4）淬火過程自動測溫監(jiān)控與反饋控制 淬火過程采用自動檢測和自動化控溫技術(shù)，軋輥勻速轉(zhuǎn)動（15～35r/min）、勻速漸進式淬火，下感應(yīng)器既是保溫又是對上感應(yīng)器加熱散失熱量的補充，不僅保證了輥身各點溫度均勻一致，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（共4臺）測溫儀測溫，及時監(jiān)控、反饋感應(yīng)器內(nèi)輥面的實際溫度，避免過熱。

（5）淬火水量控制及深冷處理 改進后的噴水器增加激冷高度，水量較改進前增加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99～101HSD，淬火組織為細隱針馬氏體+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，我公司進行了不同冷處理溫度、不同處理時間的冷處理試驗，確定了合理的殘留奧氏體轉(zhuǎn)變工藝參數(shù)，在淬火后進行-60～-150℃冷處理工序，保證了深冷處理后輥身硬度達到100～103HSD。

（6）回火去應(yīng)力及淬火效果 為及時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℃長時間低溫回火，保證輥面高硬度95～100HSD和淬硬層深度。

對大型電池極片軋機試驗工作輥進行淬硬層解剖，結(jié)果如圖3、圖4所示。

（7）金相檢測 選取部分產(chǎn)品進行應(yīng)力檢測，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工作輥的高硬度和耐磨性。XT-Cr3材質(zhì)大型電池極片軋機工作輥淬火、回火后金相組織：細隱針馬氏體+碳化物，晶粒度10.5～11級。金相照片如圖5所示。

輥面應(yīng)力及殘留奧氏體檢測結(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. 輥頸強化

某些用戶反饋，大型電池極片軋機工作輥在裝配過程中輥頸易出現(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，與用戶達成了一致意見，將輥頸硬度提高至大于78HSD。

大型電池極片軋機工作輥的輥頸較粗，直徑為360～450mm，淬火硬度較高，強化層深度較深3～5mm，強化難度較大。為此我公司設(shè)計制作了較大規(guī)格強化感應(yīng)器，并進行了中頻感應(yīng)淬火機床強化試驗，通過多次調(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)格工作輥的強化工藝參數(shù)，經(jīng)920～1000℃強化及較高溫度回火后輥頸硬度達到81～85HSD。

6. 加工

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

三、結(jié)語

通過大型電池極片軋機工作輥的研制，我公司制訂了工藝規(guī)范和操作標(biāo)準，并鍛煉了職工隊伍。目前中鋼邢機研制開發(fā)的直徑為750mm～1200mm的大型電池極片軋機工作輥已有近千只，經(jīng)國內(nèi)外數(shù)十家用戶的生產(chǎn)實踐表明，其軋制的電池極片精度達到0.001～0.003mm、極片厚度誤差達到0.001～0.0015mm，使用性能各項指標(biāo)均達到國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進水平。