表面裂紋引起的冷軋輥剝落機制研究

王佳怡 韋習成

(1.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444； 2.寶鋼工程技術集團有限公司，上海 201999)

冷軋工作輥的服役環境非常復雜，不僅承受高的軋壓力、摩擦力和扭轉應力，而且在高速帶鋼、乳化液的作用下，還承受包括跑偏、斷帶、粘鋼、打滑等軋制事故而引起的非平衡載荷和非平衡熱作用[1-2]。冷軋工作輥在使用過程中經常發生失效，一旦發生失效，輕則停機換輥，重則整根軋輥報廢，甚至軋機等相關設備損壞，這不僅影響生產的順利進行，還影響軋輥周轉并增加輥耗，從而造成嚴重的經濟損失。目前，冷軋輥消耗約占軋鋼生產成本的10%，其中非生產性軋輥事故又占總輥耗的20%以上。因此，通過對冷軋輥典型失效案例的分析，可以摸清冷軋輥早期失效的原因及內在機制，從而提出有效控制和應對軋輥事故的對策，進而指導軋輥的制造和使用，以避免同類事故再次發生，最終降低軋鋼成本和提高生產效率。

剝落是冷軋輥典型的失效形式之一。冷軋輥的剝落大致可分為兩類：一類是因輥面缺陷誘發的剝落，輥面缺陷引發裂紋從表面萌生并向內擴展，最終導致軋輥表層剝落，大多數冷軋輥的失效是由輥面缺陷造成的；另一類是因軋輥內部缺陷引起的剝落，內部缺陷引發裂紋從內向外擴展而導致軋輥表層剝落[3-4]。近年來，采用爐外精煉、電渣重熔等先進冶金工藝生產冷軋輥鍛坯，并進行超聲波無損探傷，冷軋輥工作層內缺陷、夾雜物等得到了嚴格控制，因冷軋輥內部缺陷導致剝落的占比不斷減小。但隨著軋材產品強度的不斷提升，軋制工況更加惡劣，因表面損傷導致的剝落不斷增加[5-9]。同時，越來越高的板帶產品強度導致軋制過程的穩定性變差，軋輥在上機使用過程中不可避免地出現輥面損傷，如未及時下機更換和修磨消除表面缺陷，會產生裂紋、剝落甚至斷輥等軋制事故，從而影響生產。但目前有關軋輥表面裂紋萌生和擴展機制的研究較少。因此，本文通過化學成分分析、顯微組織觀察、顯微硬度測試等方法，對某產線冷軋輥表面的典型剝落原因進行了分析，總結了軋輥使用和維護方面的經驗，以降低軋輥事故性損耗，優化軋輥的選材和制造工藝，使軋輥更加符合產品和工藝的發展需求。

1 試驗材料及方法

某產線冷軋G2機架下工作輥靠近操作側660～680 mm處輥面發生剝落，剝落面軸向長度達490 mm，周向覆蓋了近1/3圓周，剝落最深處距輥面15 mm，如圖1所示。該軋輥材料為含5%Cr(質量分數)的冷作模具鋼，正常報廢時的軋輥直徑約385 mm，而該軋輥直徑為403.7 mm，推算尚有約18 mm厚的有效工作層。

圖1 表面剝落冷軋輥Fig.1 Cold mill roll whose surface spalled

采用PDA-5500S型直讀光譜儀對軋輥剝落部位的化學成分進行分析。從軋輥的剝落區域與未剝落區域分別取樣，經研磨、拋光和體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，采用LSM-5 Pascal型光學顯微鏡觀察試樣的顯微組織。采用TMVS-1000XY型顯微硬度計沿軋輥徑向測量剝落區域的截面硬度，試驗力為10 N，保載時間為10 s，測量間隔為1 mm。采用磁粉探傷顯示輥面剝落區子顯微域的裂紋形貌，然后用S-4200型冷場發射掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)觀察裂紋形貌。

2 結果分析與討論

2.1 剝落塊形貌

軋輥剝落塊形貌如圖2所示，呈不規則形狀，軋輥斷口主要呈脆性斷裂特征。主斷口中可見疲勞裂紋擴展區、瞬斷區等。疲勞裂紋擴展區表面平滑，有疲勞裂紋擴展條紋，瞬斷區存在清晰的裂紋擴展放射線。根據疲勞擴展弧線特征，裂紋源位于弧線反向的圓心區，即箭頭所示區域。

圖2 剝落塊及其斷口宏觀形貌Fig.2 Appearance of the spalled piece and its fracture

2.2 化學成分

冷軋輥剝落區域的化學成分見表1，可見與常規冷軋輥用8Cr5MoV鋼(參照GB/T 13314—2008《鍛鋼冷軋工作輥 通用技術條件》)的成分基本一致，但前者的Ni、Mo含量偏低，處于下限。Ni與C不形成碳化物，它是形成和穩定奧氏體的主要合金元素，添加Ni元素可以細化組織，隨著Ni含量的增加，冷軋輥的淬透性、硬度和耐磨性都得到一定程度的提高。但Ni屬于稀缺和戰略物質，價值較高，軋輥中添加量一般較低。Mo元素一部分溶于基體形成固溶體，一部分存在于碳化物中。當Mo含量較低時，與Fe、Cr及C形成復合碳化物;當Mo含量較高時，則形成Mo2C、(Mo,Fe)6C等特殊碳化物。Mo能提高鋼的淬透性和熱強性，有效抑制滲碳體在高的回火溫度下聚集，增強鋼的抗回火軟化性能，即提高鋼的回火穩定性。因此，這些合金元素含量偏低可能對冷軋輥的淬透性、耐磨性等造成影響。

表1 冷軋輥剝落區域和8Cr5MoV鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical compositions of the spalling area in cold mill roll and 8Cr5MoV steel (mass fraction) %

2.3 顯微組織

冷軋輥的剝落區域與未剝落區域的顯微組織見圖3。可以看出，未剝落區域的組織基本由回火馬氏體基體和彌散分布的顆粒狀碳化物組成，組織較均勻細小；剝落區域與未剝落區域的組織無明顯差異，均屬正常的顯微組織。

圖3 冷軋輥的未剝落區域(a)和剝落區域(b)的顯微組織 Fig.3 Microstructures of the non-spalling area (a) and spalling area (b) of cold mill roll

2.4 硬度和淬硬層深度

冷軋輥剝落區域的截面硬度分布如圖4所示。可知，淬硬層硬度在750～765 HV1之間，隨著與輥面距離的增加而略微降低，該冷軋輥工作層硬度和淬硬層深度均滿足軋輥技術要求。

圖4 冷軋輥剝落區域的截面硬度分布Fig.4 Section hardness distribution of the spalling area of cold mill roll

2.5 表面裂紋形貌

冷軋輥表面剝落區域的裂紋形貌如圖5所示。裂紋呈尖角狀，長度0.5～1.0 mm。該裂紋可能是軋鋼過程中冷軋輥表面抗沖擊性能和韌性不足所致，也是軋輥剝落的主要裂紋源。

圖5 冷軋輥剝落區域裂紋的宏觀和SEM形貌Fig.5 Macrographs and SEM morphology of cracks on spalling area of cold mill roll

在冷軋輥表面裂紋附近取塊狀斷口試樣，對其進行逐層切割以逼近表面裂紋，在截面發現了裂紋從表面萌生、擴展至剝落面的痕跡。將其制成金相試樣后，用體積分數為4%的硝酸酒精溶液輕微腐蝕，然后在光學顯微鏡下觀察裂紋的萌生與擴展形貌，如圖6所示。可以看出，該裂紋從軋輥表面萌生并擴展至斷口表面，擴展方向復雜。

圖6 冷軋輥裂紋萌生與擴展形貌Fig.6 Morphology of initiation and growth of cracks in cold mill roll

用機械法將所取厚約3 mm的斷口試樣沿裂紋擴展方向分開，采用體視顯微鏡和SEM觀察斷口形貌， 如圖7所示。斷口的不同區域都呈現疲勞裂紋擴展特征，但擴展間距存在較大差異。位置A處于裂紋擴展初期，裂紋擴展間距較小；B處于裂紋穩定擴展階段，裂紋擴展形貌呈現一定規律性，且在大軋制節奏區間(如軋完一卷帶鋼)，裂紋會出現一個小轉向；C和D處于裂紋快速擴展階段，裂紋擴展速率加快， 擴展間距增大，且每經過一次軋制區裂紋都會產生一次轉向。

圖7 冷軋輥斷口的整體形貌和不同區域的表面形貌Fig.7 Overall morphologies and surface morphologies of different areas in fracture of cold mill roll

通過觀察和分析圖7中斷口各部位的裂紋擴展形貌，可以得出冷軋輥剝落區域的裂紋擴展路徑，并判斷出主裂紋和二次裂紋，如圖8所示。冷軋輥因表面缺陷導致剝落包括3個步驟：(1)軋輥表面產生裂紋，該裂紋可能由機械撞擊產生，也可能是輥印導致的應力集中產生的。在軋制過程中，輥面承受的拉壓交變應力作用導致裂紋擴展。(2)軋輥每旋轉一周，裂紋便在淬硬層內以疲勞模式呈圓周擴展，此時軋輥中出現了沿圓周擴展的疲勞裂紋帶，斷口上存在沙灘狀疲勞條紋和扇形撕裂棱。(3)當疲勞擴展區域的強度降低到一定程度后便發生了剝落。剝落發生的時間取決于軋輥材料的強度和軋制應力大小及狀態。斷口呈瞬間撕裂特征，且斷口表面可見由疲勞源區延伸的纖維狀撕裂棱。

圖8 冷軋輥裂紋擴展路徑Fig.8 Crack growth path in cold mill roll

3 討論與分析

通過對現場冷軋輥典型剝落失效實例的分析，可判斷出該軋輥大面積剝落失效為裂紋疲勞擴展所致，裂紋源可能為軋鋼過程中冷軋輥表面所產生的尖角狀裂紋。近期軋線高強鋼(抗拉強度780 MPa以上)的生產比例大幅度提高，由之前每月的300～400 t增加到2 000～4 000 t，軋制負荷顯著提升；同時板帶產品的強度越來越高，軋制工況日趨復雜，過程穩定性越來越差，導致軋輥在上機使用過程中不可避免地受到輥面沖擊損傷。因此，如何更好地面對此類問題將是軋輥使用技術的重要研究方向。建議從以下3個方面開展工作。

(1)監測軋制過程的穩定性。從帶鋼表面質量信息、軋制工藝實際過程數據來回溯、甄別和判斷軋制過程中的微小事故，為軋輥創造一個相對安全的使用環境。

(2)完善軋輥維護制度。對下機更換的軋輥進行全輥面檢查，確認軋輥在機服役的損傷情況，通過修磨工藝消除缺陷，使軋輥恢復到正常狀態。

(3)研發和使用具有更好抗事故性能的軋輥。在研發新型軋輥材料和制造工藝的基礎上，精確分析軋輥在軋制不同強度級別冷軋帶產品時的應力狀態和大小，有針對性地控制淬硬層深度和確保淬硬層硬度的均勻性，可在一定程度上預防軋制事故；盡可能避免產生輥面裂紋的工藝和管理因素，實現軋輥材料硬度和韌性的優化匹配，從而降低裂紋產生后的擴展速率，進而最大限度地降低輥面剝落等惡性事故的發生。

4 結論

(1)該冷軋輥表面大面積剝落屬于輥面裂紋疲勞擴展導致的失效；裂紋源可能是軋鋼過程中冷軋輥表面所產生的裂紋。

(2)應從監測軋制過程的穩定性、完善軋輥維護制度以及研發和使用具有更好抗事故性能的軋輥等方面降低輥面剝落等惡性事故的發生。