70Cr3NiMo支承輥剝落事故分析及處理

王大鵬，趙席春，郭 峰

支承輥的主要失效形式分為以下三種：裂紋、剝落、斷輥。其中，剝落是支承輥?zhàn)畛Ｒ姷氖问健．a(chǎn)生剝落的原因分為內(nèi)因、外因及兩者的共同作用。國內(nèi)外很多文獻(xiàn)對(duì)軋輥剝落的原因已做過細(xì)致的分析，但當(dāng)剝落發(fā)生時(shí)，軋輥生產(chǎn)廠家及用戶往往有兩種不同的觀點(diǎn)，用戶往往認(rèn)定是軋輥本身存在質(zhì)量問題，而生產(chǎn)廠家則認(rèn)為是用戶操作不當(dāng)，雙方從維護(hù)各自的經(jīng)濟(jì)利益出發(fā)致使下判斷時(shí)都不夠客觀。因此本文嘗試從實(shí)際出發(fā)對(duì)一起支承輥剝落事故進(jìn)行客觀分析，并提出相應(yīng)的處理方案。

1 大型鍛件缺陷概述

大型鍛件因尺寸較大、生產(chǎn)工序較復(fù)雜、實(shí)際生產(chǎn)中很多變量難以控制，加之對(duì)鍛件質(zhì)量的影響因素又較多，所以鍛件內(nèi)部往往同時(shí)存在著不同類型的缺陷。

分析表明，大型鍛件中的缺陷主要來自兩個(gè)方面，一方面是冶金缺陷，另一方面為處理缺陷。冶金缺陷主要在鋼水的冶煉及鋼錠的澆注過程中產(chǎn)生，具體包括非金屬夾雜、縮孔及疏松等；處理缺陷產(chǎn)生于鍛造、熱處理及后續(xù)加工等階段，具體包括裂紋、白點(diǎn)、晶粒粗大等。

1.1 非金屬夾雜

非金屬夾雜物主要有兩個(gè)來源，一是原材料（如造渣劑、氧化劑、還原劑、） 中帶來的硫化物、氧化物、硅酸鹽等；二是在熔煉過程中各種反應(yīng)產(chǎn)生的硫化物、氧化物等。這些非金屬夾雜物的形態(tài)、含量、分布與冶煉過程有關(guān)。我公司目前采用的冶煉澆注方法為雙真空法，即真空除氣+真空澆注法，該方法可以將非金屬夾雜控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。而且檢驗(yàn)證明事故支承輥夾雜物含量在規(guī)定范圍內(nèi)。

1.2 疏松和縮孔

疏松和縮孔均產(chǎn)生于鋼液的凝固過程中，因局部鋼液凝固收縮不均勻而形成，此類缺陷屬于空隙型缺陷，數(shù)量過多也將會(huì)破壞材料的連續(xù)性，形成應(yīng)力集中、產(chǎn)生裂紋源，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的使用壽命，屬于不允許存在的缺陷。

1.3 空洞[1]

空洞是大型鍛件的主要冶金缺陷之一。鍛造過程中空洞的尺寸形狀和體積變化與控制的研究難度在于：大型鍛件內(nèi)部空洞的尺寸與其本身的尺寸相差極為懸殊，難于采用數(shù)值計(jì)算方法和已有的塑性力學(xué)分析方法；大型鍛件的尺寸形狀各異，難以得到對(duì)生產(chǎn)具有廣泛指導(dǎo)意義的結(jié)果。文獻(xiàn)[2]針對(duì)鋼錠內(nèi)部空洞缺陷的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于本身尺寸的特點(diǎn)，依據(jù)圣維南原理，將各種空洞缺陷的形狀假設(shè)為數(shù)學(xué)上可處理的橢球形。由于大型鍛件的鍛造是在高溫下進(jìn)行的，材料具有粘性流動(dòng)的特征，再利用損傷力學(xué)中的遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力與物體內(nèi)部微觀損傷的力學(xué)關(guān)系，得到了鍛造過程中外載荷與內(nèi)部空洞體積變化的解析式，進(jìn)而得到了空洞缺陷閉合的條件。此條件表明應(yīng)力狀態(tài)將影響空洞的閉合方式，而三向壓應(yīng)力是空洞閉合的最佳應(yīng)力狀態(tài)。該條件可直接根據(jù)鍛造水壓機(jī)的在線載荷與壓下量計(jì)算鍛件內(nèi)部空洞缺陷的閉合情況。

1.4 裂紋

裂紋是大型鍛件最危險(xiǎn)的缺陷之一，在鍛造、熱處理、加工過程中，如工藝不當(dāng)或執(zhí)行工藝過程中操作不當(dāng)?shù)染鶗?huì)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，而裂紋的存在會(huì)直接導(dǎo)致產(chǎn)品壽命降低，甚至?xí)?dǎo)致嚴(yán)重事故的發(fā)生。裂紋的產(chǎn)生有很多因素，如因鋼錠缺陷引起的鍛造裂紋，由應(yīng)力與氫作用產(chǎn)生的氫裂，鋼中有害雜質(zhì)沿晶界析出引起的裂紋，第二相析出引起的裂紋以及在熱處理過程中因組織應(yīng)力及熱應(yīng)力過大產(chǎn)生的裂紋等。對(duì)于支承輥來說，由于在軋制過程中軋輥承受著較大的交變應(yīng)力及接觸應(yīng)力，裂紋更是致命的缺陷，微小的裂紋即能導(dǎo)致剝落甚至斷輥事故的發(fā)生。因此軋輥使用廠家在使用軋輥時(shí)一定確保上機(jī)支承輥表面及內(nèi)部無裂紋存在。

2 軋輥剝落概況

發(fā)生剝落事故的精軋支承輥材質(zhì)為70Cr3NiMo（見表1）。其生產(chǎn)工序?yàn)椋簾掍摚ㄕ婵杖蹮?真空澆注）→鍛造→鍛后熱處理→粗加工→探傷→調(diào)質(zhì)→半精加工→差溫噴淬→精加工。軋輥直徑?1 250 mm，輥身長(zhǎng)度1 700 mm，重23.9 t。該支承輥總共上機(jī)6次，總軋制量91 597 km，目前直徑為?1 188.94 mm，在最后一次下機(jī)修磨時(shí)發(fā)現(xiàn)輥面有小面積剝落，用戶自行人工打磨后缺陷面積增大。

表1 支承輥化學(xué)成分

3 現(xiàn)場(chǎng)勘察

3.1 缺陷形貌

剝落部位距輥身端部150 mm，為軋制過程中接觸應(yīng)力較大位置，也是剝落發(fā)生頻率較高位置。由于缺陷部位已經(jīng)過打磨，并未看清原始剝落形貌。用小錘輕輕敲擊缺陷附近區(qū)域產(chǎn)生的聲音與敲擊其它部位明顯不同，推測(cè)缺陷附近存在空殼區(qū)。由于在軋制過程中不可能產(chǎn)生空殼，初步判定為原始缺陷（見圖1）。

圖1 支承輥剝落形貌

3.2 硬度檢測(cè)結(jié)果

對(duì)缺陷周圍進(jìn)行硬度檢測(cè)發(fā)現(xiàn)缺陷周圍硬度最高值為75.1 HSD，最低值為68.5 HSD，其余硬度均在72 HSD左右，硬度分布較均勻（見圖2）。由此排除因軋制事故熱沖擊引起剝落的可能性。

圖2 剝落區(qū)附近硬度

依據(jù)是熱沖擊通常會(huì)剝落區(qū)附近引發(fā)硬度起伏現(xiàn)象。因此本次剝落事故非由熱沖擊引起。

3.3 打磨后形貌

對(duì)缺陷部位進(jìn)行進(jìn)一步打磨至?150 mm時(shí)，缺陷仍無法去除，并且在缺陷邊部發(fā)現(xiàn)70 mm長(zhǎng)的裂紋。目測(cè)缺陷尺寸至少?300 mm（見圖3）。因用戶允許使用缺陷范圍僅為?100 mm，所以局部打磨現(xiàn)已無法滿足用戶使用要求。

圖3 打磨后剝落形貌

4 剝落原因分析及處理

4.1 原因分析及預(yù)防措施

（1） 淺層剝落

軋制過程中卡鋼、甩尾等生產(chǎn)事故會(huì)導(dǎo)致軋輥表面形成網(wǎng)狀或蜂窩狀裂紋，若不經(jīng)處理繼續(xù)使用，會(huì)導(dǎo)致裂紋不斷擴(kuò)展、連通，最后連通部位就容易發(fā)生剝落，形成小面積掉肉（見圖4）。

圖4 淺層剝落

預(yù)防這種剝落形式的方法為制定合理的換輥周期，軋輥修復(fù)時(shí)確保表面裂紋清除干凈。

（2） 大面積剝落[3]

大面積剝落事故的產(chǎn)生原因有兩種，一是軋輥內(nèi)部原因引起的，二是來自表面裂紋的擴(kuò)展，擴(kuò)展過程中的主要特征就是在原始缺陷處沿著與軋輥旋轉(zhuǎn)方向反向發(fā)展。

內(nèi)部原因引起的剝落 內(nèi)部原因主要包括結(jié)合層缺陷、工作層缺陷和加工殘余應(yīng)力過大等。結(jié)合層缺陷通常表現(xiàn)為結(jié)合不良 (氣泡、夾渣等)、分層等，工作層缺陷包括夾雜等。工作層分層的缺陷在使用過程中很容易發(fā)展，當(dāng)發(fā)展到工作層不足以承擔(dān)軋制力時(shí)就會(huì)發(fā)生大面積剝落，造成軋輥完全報(bào)廢。對(duì)于結(jié)合層氣泡、夾渣、工作層內(nèi)夾雜等，有一部分在使用過程中容易在缺陷周圍產(chǎn)生裂紋，當(dāng)裂紋沿軋輥周向擴(kuò)展超過一定的限度后，就發(fā)生大面積剝落。

表面裂紋引起的剝落 表面裂紋由于磨削不徹底而殘留，在周期性疲勞應(yīng)力作用下，裂紋沿一定的角度向輥身內(nèi)部發(fā)展至工作層的某一深度后再沿周向與平行于輥面弧線的方向快速擴(kuò)展延伸，形成一定寬度和長(zhǎng)度的平坦帶狀分層，嚴(yán)重時(shí)纏繞輥身幾圈，當(dāng)強(qiáng)度不足承受較大的軋制力時(shí)，就會(huì)發(fā)生大面積瞬間脆性破裂剝落。雖然此類事故的破壞性很大，但可通過預(yù)防裂紋產(chǎn)生來防止發(fā)生；若在檢測(cè)時(shí)一旦發(fā)現(xiàn)具有此類特性的裂紋，應(yīng)立即將軋輥停止使用、判廢。

4.2 本次剝落事故原因及處理

通過上文可知軋輥在生產(chǎn)過程的缺陷處往往產(chǎn)生應(yīng)力集中，軋制過程中在交變應(yīng)力的作用下，當(dāng)應(yīng)力超過材料極限強(qiáng)度時(shí)便產(chǎn)生裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致剝落。

綜合分析，本次剝落事故是由支承輥內(nèi)部缺陷造成。

因缺陷尺寸?300 mm已經(jīng)超出用戶允許使用的最大尺寸?100 mm，故此支承輥現(xiàn)狀無法上機(jī)。處理方法為將輥身缺陷整體車掉，之后對(duì)表面進(jìn)行著色及表面波探傷，確保無缺陷后再上機(jī)使用。

5 結(jié)語

建議支承輥生產(chǎn)廠家對(duì)支承輥的每個(gè)制造環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制、檢測(cè)與監(jiān)督，杜絕帶缺陷產(chǎn)品出廠。建議支承輥使用廠家制定合理的換輥、磨削制度，引進(jìn)較先進(jìn)的檢測(cè)手段（如表面波、渦流等），如發(fā)現(xiàn)問題立即與廠家聯(lián)系，以便客觀的分析事故原因并制定解決措施。

[1]趙俊偉,陳學(xué)文,史宇麟,張琪.大型鍛件鍛造工藝及缺陷控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).綜述.2009,4.

[2]任運(yùn)來，聶紹珉.大型鍛件內(nèi)部空洞缺陷修復(fù)的力學(xué)條件研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2006，42（8） :215-219.

[3]王蕊,馬,侯紅娟.軋輥失效原因分析及預(yù)防措施.太原科技大學(xué)學(xué)報(bào).2006,27(9):1673-2057.