冷軋工作輥裂紋及剝落原因及預(yù)防

（本鋼浦項冷軋薄板有限責(zé)任公司，遼寧 本溪 117000）

0 引言

冷軋機工作輥在高溫、高速、重載、大沖擊等惡劣環(huán)境下長時間使用，其產(chǎn)生裂紋、剝落等事故在所難免。軋輥采購費用在生產(chǎn)成本中占有較大比重，是影響軋制成本的重要因素。準(zhǔn)確判斷軋輥裂紋和剝落原因，并采取合理措施，是提高軋輥使用壽命，降低生產(chǎn)成本的有效手段。

該文通過對軋輥裂紋及剝落原因進(jìn)行分析和研究，制定出防范措施，降低了軋輥事故率和非生產(chǎn)性消耗比例，進(jìn)而減少了軋輥的使用成本，延長了軋輥的使用壽命，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。

1 冷軋工作輥常見裂紋形式

裂紋是冷軋工作輥軋使用過程一種常見的失效形式之一，工作輥經(jīng)常在惡劣的環(huán)境下使用，工作層表面和其它接觸部位容易產(chǎn)生裂紋，如果處理不及時不得當(dāng)，很可能使裂紋迅速擴大，導(dǎo)致軋輥工作層損失甚至剝落，下面對常見的幾種裂紋形式進(jìn)行分析。

1.1 接觸疲勞裂紋

接觸疲勞是作用在軋輥表面的接觸壓應(yīng)力超過軋輥本身抗壓力強度，產(chǎn)生的表面疲勞破損情形。軋輥接觸疲勞多發(fā)生在輥面邊部，一般呈凹坑。如果不及時處理，嚴(yán)重時可能引起表皮剝落或輥身大剝落（圖1 所示）。有時因粘輥打滑突然停車等原因也會出現(xiàn)在輥身。

圖1 接觸疲勞

接觸疲勞裂紋的預(yù)防措施有7 種。1）避免軋輥對焊料的咬入，造成最大剪切應(yīng)力大于軋輥的抗壓疲勞強度。2）磨削完成后對每個軋輥上采用雙晶探頭進(jìn)行超聲波檢測，確保上機的每一支軋輥沒有表面和表皮里的裂紋和缺陷。3）在磨削過程中，根據(jù)實際情況，加大磨削量，磨掉軋輥表面的裂紋。4）根據(jù)生產(chǎn)軋制情況，適當(dāng)縮短在機軋制時間，降低應(yīng)力作用時間。5）適當(dāng)降低軋制力。6）合理設(shè)計軋輥輥型，確保接觸面受力均勻。7）合理設(shè)計各輥輥身邊部的導(dǎo)角，以減少輥身邊部的應(yīng)力集中。

1.2 熱裂紋

在生產(chǎn)過程中由于輥面局部溫升快，最高溫度超過軋輥材質(zhì)熱處理工藝的最終回火溫度，冷卻后相當(dāng)于再次回火，表面硬度下降形成軟點區(qū)，由于其與周邊熱膨脹系數(shù)不同，這部分應(yīng)力疊加，導(dǎo)致薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生細(xì)小的網(wǎng)狀裂紋[1]。一般情況下網(wǎng)狀裂紋深度較淺，約1.2 mm 以下（如圖2 所示）。雖然這些裂紋深度淺，但是如果不及時處理和維護(hù)，在后期的生產(chǎn)軋制中，受到外力、熱應(yīng)力等綜合影響，很容易發(fā)展成為如輥面粗化、輥面小掉肉等缺陷，嚴(yán)重時會引起輥面剝落或斷輥，所以一旦發(fā)現(xiàn)該類缺陷，在使用過程中重點關(guān)注并及時處理。

圖2 熱裂紋

預(yù)防熱裂紋的措施有4 個。1）根據(jù)所生產(chǎn)的帶鋼規(guī)格、材質(zhì)合理分配冷卻水量，以便于控制裂紋的產(chǎn)生和擴大。2）盡量減少產(chǎn)生軟點的條件或?qū)е聼嵴鸬臈l件， 減少在軋輥表面形成熱裂的可能性。3）軋輥剛上機時要進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)熱，避免內(nèi)外溫度不均。4）根據(jù)所軋材質(zhì)、規(guī)格的不同，合理控制換輥周期，避免過量軋制。

1.3 機械裂紋

機械裂紋是軋輥由于軋制中輥面局部受到?jīng)_擊，例如勒輥、過載和打滑等造成的，大部分機械裂紋產(chǎn)生的面積較小（如圖3 所示），經(jīng)過磁粉檢測會發(fā)現(xiàn)磁痕比較明顯，裂紋呈環(huán)狀向內(nèi)部擴展，因為是發(fā)生軋制事故時由于直接沖擊導(dǎo)致的，所以擴展快、危害較大。

一般情況下，打滑、粘鋼等軋制事故，會引起輥身一條母線上或者輥身局部區(qū)域內(nèi)深度和開口都較大的裂紋，一旦發(fā)生該類事故，則必須馬上停止軋制，將軋輥換下，并對事故輥進(jìn)行嚴(yán)格的超聲波、渦流探傷和磨削處理，必須保證表面裂紋完全消除，并利用超聲波探傷，檢測軋輥內(nèi)部的情況。

圖3 機械裂紋

預(yù)防機械裂紋的措施有3 個。1）確保帶鋼表面清潔無異物，減少雜物介入。2）提高軋材表面質(zhì)量，減少氧化皮殘留。3）加強乳化液檢測系統(tǒng)和平衡過濾系統(tǒng)的點檢。總之，通過控制酸洗原料、乳化液指標(biāo)、軋輥冷卻等，可以減少軋制過程中出現(xiàn)打滑、輥印、局部熱擦傷等缺陷，提高板材表面質(zhì)量，減少軋機事故停機，同時降低輥耗。

1.4 磨削燒傷裂紋

磨削燒傷是指軋輥在磨削過程中，由于磨削區(qū)域溫度瞬間升高到相變溫度以上時，使軋輥組織發(fā)生變化，并在表面形成氧化變色，使軋輥表面強度和硬度降低，并伴有殘余應(yīng)力，甚至出現(xiàn)微裂紋的現(xiàn)象。

磨削燒傷裂紋的預(yù)防措施有3 個。 1）根據(jù)軋輥實際磨削情況進(jìn)行試驗和摸索，選擇合適的砂輪類型。2）適當(dāng)減少砂輪的給進(jìn)量。3）改善磨削冷卻條件。

2 冷軋工作輥的剝落形式

軋輥剝落主要分為3 種。1）表層裂紋引起的疲勞剝落。2）皮下缺陷引起的剝落。3）接觸疲勞引起的剝落。

2.1 表層疲勞剝落

表層疲勞剝落是軋輥使用中最常見的失效形式 ，它起源于軋輥表面的疲勞裂紋，通常可根據(jù)裂紋面的肉眼可見的軌跡來分辨。疲勞軌跡的明顯特征是海灘狀疲勞痕（如圖4 所示），或在剝落表面上有類似扇面形狀裂紋線[2]。疲勞軌跡范圍可長可短，有的甚至可環(huán)繞軋輥幾個圈，表面鑒別點一般伴有熱裂紋或機械引發(fā)的裂紋痕跡。裂紋增長痕跡方向同軋輥轉(zhuǎn)動的方向相反。

表層疲勞剝落的預(yù)防措施有4 種。1）如果作用在軋輥表面的接觸壓應(yīng)力超過軋輥本身抗壓力強度，時間長就會導(dǎo)致剝落。合理控制軋輥在機時間期，可以減少或杜絕剝落發(fā)生。2）盡可能避免由軋機原因帶來的軋輥損傷，例如裂紋、軟點、表面劃痕等。3）磨削作業(yè)時要徹底除掉軋輥表面損傷。4）對每支磨削完成的軋輥采用渦流探傷或表波探傷進(jìn)行檢測，要確保每支要上機的軋輥不存在任何導(dǎo)致疲勞剝落的可能性。

圖4 表層裂紋引起的剝落 海灘痕

2.2 材質(zhì)缺陷引發(fā)的剝落

在制造軋輥的過程中，一些不規(guī)則的材料在坯料內(nèi)有可能成為軋輥內(nèi)部殘留的夾雜物。這些夾雜物可能是耐火材料、殘渣，也可能是坯料本身的的局部偏析和孔隙等[3]。這些內(nèi)部缺陷，在軋輥使用過程中，都可能成為應(yīng)力集中的根源，最終將導(dǎo)致軋輥輥身剝落嚴(yán)重，甚至?xí)霈F(xiàn)斷輥。軋輥表層下缺陷引發(fā)的剝落，大部分在斷裂面上呈現(xiàn)出類似魚眼紋，很容易進(jìn)行辨別，如圖5 所示。可以看出該疲勞是從單點開始蔓延的，并產(chǎn)生波浪狀近似橢圓形的疲勞痕跡。這種疲勞痕跡只有內(nèi)部材料缺陷引發(fā)的跡象，并沒有任何其它剝落的源頭。

圖5 缺陷引起輥身剝落

材質(zhì)缺陷預(yù)防措施如下。1）盡可能減少鋼錠中的摻雜物。2）軋輥磨削完成后，對每支軋輥采用超聲波檢驗，如果發(fā)現(xiàn)表皮下的缺陷要通過磨削加工徹底清除。

2.3 接觸疲勞剝落

高周期疲勞接觸剝落一般分為輥身剝落和輥身邊部剝落。1）輥身剝落：由于工作輥的硬度很高，長時間作用在輥面上的點負(fù)荷會導(dǎo)致在軋輥輥身上產(chǎn)生周期接觸應(yīng)力疲勞。這個點負(fù)荷可能是軋輥咬入鐵削，焊渣或任何可能在軋輥輥身上導(dǎo)致點狀應(yīng)力集中的異物。如果這個應(yīng)力大于軋輥材料本身的抗壓強度，就可能使軋輥表面以疲勞方式引發(fā)彌散的微小裂紋，如果不能及時發(fā)現(xiàn)和處理，最終將造成軋輥輥身剝落。2）輥身邊部剝落：軋輥在軋制帶鋼產(chǎn)品過程時，帶鋼邊部、各軋輥邊部的接觸區(qū)，會成為應(yīng)力集中的區(qū)域。伴隨著軋輥的每一次轉(zhuǎn)動，如果最大的殘余剪切應(yīng)力正好位于軋輥表皮下，超過材料的抗壓強度，裂紋就會在這個位置產(chǎn)生。軋輥的不停轉(zhuǎn)動，會使裂紋向表面擴散，隨后在輥身邊部會發(fā)生剝落。

預(yù)防措施有4 種。1）優(yōu)化輥型，合理設(shè)計輥身邊部的導(dǎo)角，以減少輥身邊部的應(yīng)力集中。2）磨削過程中全面去除每支軋輥表面的裂紋和缺陷。磨削完畢后配合渦流、超聲波探傷進(jìn)行檢驗，確保返回到軋機上的每支軋輥不會帶病上機。3）避免磨料或焊料被軋輥咬入，造成最大剪切應(yīng)力大于軋輥的抗壓疲勞強度。4）根據(jù)實際情況，適當(dāng)縮短換輥周期時間，減小軋制量，減少軋輥承受應(yīng)力的周期數(shù)。5）合理設(shè)計輥身邊部的導(dǎo)角，減少輥身邊部接觸點處應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3 結(jié)語

隨著市場競爭的日益激烈，客戶對冷軋產(chǎn)品的要求越來越嚴(yán)格，冷軋生產(chǎn)向著高質(zhì)量、高產(chǎn)量、高強度、連續(xù)化和自動化發(fā)展，這樣對軋輥使用和維護(hù)就提出了更高的要求，軋輥質(zhì)量的好壞以及能否正確使用和維護(hù)軋輥，直接關(guān)系著生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣。因此，如何有效地做好軋輥日常管理和維護(hù)，及時準(zhǔn)確地判斷和避免各種缺陷的產(chǎn)生，軋輥生產(chǎn)方怎樣提高軋輥生產(chǎn)質(zhì)量是對軋輥供需雙方提出的共同挑戰(zhàn)。