冷軋軋輥表面剝落原因與改進(jìn)分析

王榮和

摘 要 以1420酸軋機(jī)組工作輥表面剝落為例，通過對(duì)軋輥輥面剝落塊取樣進(jìn)行分析，采用金相顯微鏡對(duì)剝落塊的微觀組織、裂紋形態(tài)進(jìn)行觀察，從剝落面斷口形貌分析、裂紋擴(kuò)展分析等多角度進(jìn)行綜合分析研究，對(duì)剝落輥表面裂紋由表及里擴(kuò)展引發(fā)剝落的過程進(jìn)行了揭示，找到了表面裂紋產(chǎn)生原因，提出了減少及預(yù)防此類剝落事故的措施。

關(guān)鍵詞 冷軋輥;表面裂紋;裂紋擴(kuò)展;疲勞剝落

引言

冷軋是冷帶鋼生產(chǎn)中的一個(gè)重要工序，熱軋帶鋼經(jīng)過一定程度的冷軋變形獲得了厚度很薄、尺寸精確、表面光潔的冷硬狀態(tài)帶鋼產(chǎn)品。在冷軋生產(chǎn)過程中，軋輥至關(guān)重要，軋輥是軋鋼生產(chǎn)中與帶鋼直接接觸、參與軋制變形的重要工具，軋輥的表面質(zhì)量的高低直接影響冷軋產(chǎn)品的質(zhì)量，在冷軋軋制過程中，軋輥處于復(fù)雜的受力狀態(tài)，需要承受極高的軋制力、輥系間接觸的剪應(yīng)力以及帶鋼軋制變形過程產(chǎn)生的摩擦力。在軋制過程中軋輥的損傷失效是普遍存在的問題，磨損、裂紋和剝落是冷軋輥常見的失效形式，其中工作層剝落是最常見的失效形式[1]。

軋輥剝落的起因與許多因素有關(guān)，包括軋輥的制造質(zhì)量 、軋制負(fù)荷、軋輥的磨削維護(hù)以及突發(fā)軋制事故等。按剝落的表現(xiàn)形式劃分，冷軋輥的剝落失效可分為表面損傷引起剝落和內(nèi)部缺陷引起剝落。

隨著冷軋產(chǎn)品的強(qiáng)度越來越高、產(chǎn)品規(guī)格越來越薄、精度控制要求越來越高，對(duì)軋輥軋制過程穩(wěn)定性要求越來越高，軋輥在上機(jī)使用過程中不可避免地受到輥面損傷，若未及時(shí)下機(jī)更換和修磨消除缺陷，將會(huì)產(chǎn)生裂紋、剝落甚至斷輥事故，對(duì)生產(chǎn)造成較大的影響。因此，對(duì)軋輥剝落失效進(jìn)行全面、深入的分析，有助于總結(jié)在軋輥使用和維護(hù)方面的經(jīng)驗(yàn)，降低軋輥的事故性損耗，同時(shí)也有利于優(yōu)化軋輥的選材和制造工藝，使軋輥更加符合產(chǎn)品和工藝的發(fā)展需求。

本文研究的剝落輥設(shè)計(jì)規(guī)格為Φ435mm×1480mm×3900mm，

材質(zhì)為MC5D，主要技術(shù)要求：輥身表面硬度93～97HSD，淬硬層深度》25mm，其余調(diào)質(zhì)45-52HSD。

1概述

某廠1420mm酸軋產(chǎn)線5機(jī)架6輥軋機(jī)F1機(jī)架上工作輥，在軋制生產(chǎn)過程中突然發(fā)生輥面剝落，造成軋機(jī)斷代停機(jī)。軋制板材為CQ料，入口厚度為2.8mm。該軋輥失效前累計(jì)正常使用15個(gè)月，共計(jì)軋制公里數(shù)為32191km，爆輥前上機(jī)軋制時(shí)長(zhǎng)約12.6h，軋制帶鋼長(zhǎng)度55km，當(dāng)前輥身直徑為397.42mm（正常報(bào)廢輥徑385mm），還有6mm的有效工作層。剝落發(fā)生在輥身中部區(qū)域，剝落中心區(qū)域在輥身端部700～800mm之間。

2原因分析

2.1 形貌分析

剝落面的中心區(qū)域可見明顯的“貓舌”狀疲勞駐痕，系裂紋擴(kuò)展的“腳印”，根據(jù)疲勞駐痕的寬度可見裂紋擴(kuò)展過程中逐漸變寬，疲勞駐痕反映了裂紋擴(kuò)展的方向。當(dāng)裂紋擴(kuò)展至軋輥強(qiáng)度不能滿足軋制載荷時(shí)發(fā)生剝落，剝落塊瞬時(shí)撕裂在疲勞條帶周邊形成“撕裂嶺”形貌。

區(qū)別于心部材質(zhì)缺陷導(dǎo)致的疲勞剝落形貌特征，剝落發(fā)生后整個(gè)剝落面會(huì)打開，可見“同心圓”疲勞擴(kuò)展痕跡，同心圓的圓心處一般為缺陷所在，如大塊夾渣等（一般可見異物），同時(shí)同心圓疲勞擴(kuò)展導(dǎo)致剝落所形成的撕裂嶺也是圍繞同心圓擴(kuò)展帶外圍產(chǎn)生。

2.2 溯源分析

在本例中，為進(jìn)一步追溯疲勞裂紋源，在剝落塊上可見明顯的裂紋擴(kuò)展軌跡，將剝落塊敲開后，可見剝離面上的裂紋（厚度面上）存在三處，推測(cè)裂紋在擴(kuò)展過程中可能存在分層擴(kuò)展現(xiàn)象，逆著疲勞軌跡追溯裂紋源可見在其中一條疲勞擴(kuò)展帶的逆向存在一處明顯的凹坑。

通過上述檢測(cè)觀察，可見該剝落面上存在3條疲勞擴(kuò)展條帶，三條條帶排布緊密并列，打開剝落后可見三條裂紋，這種情況可能系三處裂紋源擴(kuò)展或裂紋在擴(kuò)展過程中出現(xiàn)分層，但是三處裂紋集中排列，推測(cè)裂紋源區(qū)域應(yīng)集中在同一區(qū)域，逆著疲勞條帶追溯裂紋源位置應(yīng)位于剝落塊表面區(qū)域，追溯至剝落塊輥面可見在對(duì)應(yīng)區(qū)域存在一處凹坑，疑似裂紋源，進(jìn)一步對(duì)表面進(jìn)行著色探傷，發(fā)現(xiàn)該凹坑已經(jīng)明顯開裂，根據(jù)顯像情況裂紋已經(jīng)深入，且周邊已出現(xiàn)開口情況，凹坑寬度約2mm，底部隱約可見開裂，使用100X放大鏡進(jìn)一步觀察該裂紋，可見，在該部位凹坑底部已經(jīng)出現(xiàn)了細(xì)密的多條裂紋，裂紋形態(tài)呈現(xiàn)軸向分布網(wǎng)狀相連，結(jié)合宏觀形貌特征，推測(cè)該區(qū)域應(yīng)受到了較大的堅(jiān)硬異物擠壓，壓潰形成了表面裂紋。

根據(jù)現(xiàn)有分析材料可見，軋輥的剝落是裂紋疲勞擴(kuò)展所致，逆著擴(kuò)展帶找到輥面存在輥印凹坑，凹坑底部可見壓潰裂紋，該區(qū)域疑似裂紋源，裂紋由裂紋源向內(nèi)部疲勞擴(kuò)展，然后分成三條疲勞擴(kuò)展帶擴(kuò)展，之后裂紋進(jìn)一步加寬、加長(zhǎng)，疲勞擴(kuò)展區(qū)加大，在軋制過程中，軋輥內(nèi)應(yīng)力重新分布，引起瞬時(shí)失穩(wěn)，向四周及輥面快速擴(kuò)展，造成軋輥表面爆輥剝落。

上述過程符合典型的表面裂紋引發(fā)剝落過程，包含四個(gè)典型步驟：表面裂紋形成、裂紋向內(nèi)擴(kuò)展至淬硬層、疲勞裂紋沿淬硬層面延伸、形成撕裂脆性剝落。

3結(jié)束語

本文從剝落面斷口形貌分析、裂紋擴(kuò)展分析等角度對(duì)該剝落失效軋輥進(jìn)行了較為深入的分析研究，從而明確該軋輥表面剝落為疲勞裂紋擴(kuò)展所致，裂紋源是軋制過程中機(jī)架內(nèi)異物掉落軋入形成壓痕從而導(dǎo)致了輥面裂紋。

隨著板帶產(chǎn)品的強(qiáng)度越來越高，軋輥在上機(jī)使用過程中不可避免地受到輥面沖擊損傷，為更好地面對(duì)此類問題?？梢詮娜缦聨追矫骈_展工作：

完善軋輥維護(hù)制度，對(duì)下機(jī)更換的軋輥進(jìn)行全輥面檢查，一旦發(fā)現(xiàn)異常必須暫停使用，分析其產(chǎn)生原因或者通過修磨工藝消除缺陷，使軋輥恢復(fù)到正常狀態(tài)。

使用具有更好抗事故性能的軋輥，能夠在一定程度上抵御軋制事故，做到不產(chǎn)生輥面裂紋或產(chǎn)生裂紋后擴(kuò)展速度慢，最大程度降低輥面剝落等惡性事故的發(fā)生，比如半高速鋼軋輥、高速鋼軋輥等抗事故輥的使用。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫桂芳，劉常升，陳歲元，等.軋輥的失效及其修復(fù)技術(shù)[J].材料導(dǎo)報(bào)，2007，21（6）：106-109.