鍛鋼冷軋支承輥失效案例分析

宿發彬

摘要：本文通過分析一起典型的鍛鋼支承輥失效案例，剖析支承輥失效原因和機理，提出預防措施，降低支承輥失效情況的發生。

關鍵詞：鍛鋼支承輥；失效；預防措施

一、前言

支承輥是軋機設備中的重要組成部分，屬于耗材件，正常情況下，支承輥可以一直使用到報廢直徑。良好的現場管理及使用規范，能有效的提高支承輥的利用率。本文通過一起典型的鍛鋼支承輥失效案例，剖析支承輥失效原因和機理，并如何加強支承輥的使用管理及維護，提出預防措施，有效降低支承輥失效情況的發生。

二、現場情況

失效的支承輥材質為45Cr4NiMoV，原始直徑為φ1050mm，使用軋機為單機架六輥冷軋機，每次下機支承輥磨削量直徑在1.5mm左右，磨削后進行渦流及超聲波檢測，但沒有探傷記錄。在最后一次下機磨削后發現輥身存在裂紋，用戶方將裂紋打磨后發現裂紋無法完全去除。磨削記錄不全，無軋制記錄及本支支承輥的上機記錄。硬度檢測采用不定期抽查檢測，沒有硬度檢測記錄。根據現場仔細勘察、測量，非字端輥身邊部剝落斷面整體呈扇形（圖1），距端面最大距離350mm，周向1400mm，斷面最深120mm。剝落面上的宏觀形貌相對比較平滑，沒有局部區域遍布裂紋的碎裂痕跡。結合支承輥邊部剝落斷口形貌及超聲檢測，斷口的裂紋起源是發生在該處輥面（圖2），在其他部位未發現肉眼看見的夾雜及裂紋源擴展的缺陷存在，探傷結果輥身內部質量良好。

裂紋擴展呈輕微放射性，沿裂紋擴展方向延伸過來一個平滑的帶狀區域，該區域兩側有一個分界線，分界線及外側較為粗糙，是一種脆性裂紋快速擴展的疲勞條帶形貌，疲勞條帶上可以看到部分不太明顯的疲勞擴展條紋，分布著比較經典的一圈一圈的“貝殼狀”疲勞擴展條紋，貝殼狀條紋指向的裂紋源為輥面。只有疲勞裂紋擴展，擴展速率相對較慢，且張開裂紋的兩個側面經過反復碾壓才會產生光滑的開裂表面。支承輥淬硬層部分屬于脆性材料，快速

二次擴必然導致邊界線附近以及疲勞條帶兩側的粗糙形貌。

我公司對一小剝落崩塊進行了組織、夾雜檢測。檢測結果：組織為回火馬氏體、碳化物，部分碳化物呈長條狀、較粗大，沿原奧氏體晶界有碳化物聚集；夾雜D（球狀氧化物）1.0、DS（單顆粒球狀）1.5。雖然《JB/T 4120-2006 大型鍛造合金鋼支承輥》里未對組織及夾雜物有要求，但根據檢測結果可以判定組織正常、夾雜物不超標。同時新炸裂的斷口均無“魚眼”紋路，可以看出支承輥組織良好、無缺陷。

三、原因分析

支承輥的表面裂紋誘發帶狀疲勞導致大面積剝落的現象是一種典型的支承輥失效形式。該失效形式形成過程在聯合電鋼的一篇研究文獻中做過討論。該文獻將裂紋擴展過程分成了六個階段。

前3個階段描述的是由表面劃痕和軟點誘發疲勞裂紋的形成過程。但是，文獻認為疲勞裂紋源的形成比較隨機，劃痕、工作時局部位置超過了回火溫度導致出現軟點、磨削時沒有將軋鋼時形成的表面疲勞裂紋除干凈等任何會導致出現局部表面應力集中的因素，均可能誘發早期疲勞裂紋的出現。

疲勞裂紋一旦形成，受軋輥軋制運動的影響，會向輥身內部擴展的同時，沿軋輥周向擴展。軋輥淬硬層內部材料的組織、硬度、性能都比較均勻，裂紋擴展的擴展方向大致沿直線或平滑的曲線（第4階段）。一旦裂紋擴展到淬硬層底部，該區域材料的性質變化較大，外部淬硬層材料較硬，而內部相對較軟，韌性有所提高并可以容納較大塑性變形而不開裂，從而阻礙裂紋繼續向深度方向擴展（第5階段）。最后，第6階段，隨著裂紋的擴展，軋輥開裂區域的承載能力必然逐漸降低，最終導致強度不夠產生大面積剝落。

需要指出的是，這種疲勞失效方式在剝落區域通常呈現為帶狀的形貌，帶狀區域較為光滑，常可以看到擴展的疲勞條紋，而帶狀區域外側屬于后期裂紋快速擴展的表面，比較粗糙，通常可以看到較為明顯的分界。在理想的情況下，這種帶狀區域可以沿周向延伸很遠。

在國內中鋼集團的一篇關于冷軋輥使用維護檢測的文獻中也提到了關于表面裂紋擴展引發大面積剝落的現象，具體文獻可從https：//wenku.baidu.com/view/1636da72a8956bec0875e305.html獲得。

支承輥長期與工作輥滾動接觸，容易在輥面產生疲勞微裂紋。在剝落掉塊發生以前，這種微裂紋在支承輥使用過程中很難被發現，也看不到裂紋的擴展情況。如果無輔助的探傷手段，僅靠目視無法檢測這些微裂紋，同時僅靠硬度檢查，無法確保每次下機磨削是否完全去除疲勞硬化損傷層。在支承輥下線修磨時沒有發現和去除，再次使用時裂紋會急速擴展，造成剝落掉塊。本次事故的裂紋擴展形貌反映出裂紋擴展時間不會太短，因此假如在最后幾次上機前采用超聲探傷手段排查一次工作層內的裂紋，應該可以提前探測到該裂紋。

由此結合斷面判斷，確認裂紋從輥面處萌生，主要是邊部應力太大產生的疲勞裂紋，疲勞裂紋在頻繁的交變沖擊載荷作用下誘發的裂紋，引起支承輥局部剪切應力增大而屈服，最終導致強度不夠而開裂，所引起裂紋在剪切應力作用下，急速擴展至組織過渡的淬硬層底部，裂紋在淬硬層底部擴展方向轉為周向，沿周向擴展到一定程度發生大面積剝落。裂紋擴展形貌具備典型的帶狀疲勞特征，基于以上，可以認定本次剝落事故的性質屬于表面疲勞裂紋擴展導致大剝落。

經查閱該支承輥質量檔案及生產記錄，該支承輥符合技術要求，并未發現質量問題。現場探傷檢測剝落區與其他位置無缺陷的結果，也確認了這一點。因此，一重認為此輥的剝落應為軋制過程中或存在異常情況，或者由于疲勞層未除凈所造成的裂紋，在每次下機磨削后沒有完全消除表面裂紋，使裂紋逐步向內擴展所致。

四、預防措施

1.建立健全支撐輥的上機制度，加強支承輥的日常維護及使用。

2.提高無損檢測人員的業務水平，及時發現支承輥磨削后未消除的表面或淺層裂紋。

參考文獻

[1]中國機械工程學會材料學會.疲勞失效分析. 北京：機械工業出版社，1987

[2]傅祥炯.結構疲勞與斷裂.西北工業大學出版社，1995

[3]鐘群鵬，田永江.失效分析基礎與應用.北京：機械工業出版社，2005

（作者單位：中國第一重型機械股份公司）