某20輥軋機二中間輥碎裂原因分析

王 永， 王 輝

(寶鋼軋輥科技有限責任公司，江蘇 常州 213019)

1 概 述

森吉米爾軋機是一種用于軋制不銹鋼、硅鋼、精密帶材的多輥軋機，其基本結構如圖1所示，軋機使用的軋輥包括工作輥2支(上、下各1支)，一中間輥4支(上、下各2支)，二中間輥6支(上、下各3支)和背襯軸承8支(上、下各4支)，合計共20支，所以又稱為20輥軋機[1]。

國內某冷軋廠的20輥軋機主要用于軋制硅鋼，軋機由DMS公司設計，設計軋制速度為600～800 m/min，軋制力為450～600 t。2017年8月，1支編號為MD776的二中間輥在第二次上機使用過程中發生碎裂，本文對碎裂輥進行分析研究，探討其碎裂原因，以采取有效的措施避免該類事故的再次發生。

圖1 20輥軋機輥系圖和二中間輥結構圖(單位：mm)

2 試驗材料與方法

本次碎裂的二中間輥材質為5H12，為熱作模具鋼，規格為Φ236 mm×1450 mm×1750 mm，二中間輥的制造工藝流程為：電弧爐煉鋼—鑄造—電渣重熔(ESR)—鍛造—鍛后熱處理—調質—整體淬、回火至圖紙硬度要求—精加工(車+磨)至成品—成品檢測(硬度、探傷、尺寸等)。該產品技術要求整體淬火至硬度58～60HRC。

利用線切割切取斷裂輥試樣，采用XRF-1800型X射線熒光光譜儀對碎裂輥進行化學成分定量分析。采用MEF-4型金相顯微鏡觀察顯微組織，浸蝕劑為4%硝酸酒精。采用HR-150A洛氏硬度計對切取的樣品由表及里進行硬度檢測。

3 結果分析與討論

3.1 碎裂輥的宏觀形貌

由于MD776的二中間輥已經碎裂成多塊，經嘗試復原但未能成功，如圖2所示。圖3所示為碎裂宏觀形貌，可以看到碎裂面存在多條筆直的裂紋擴展痕跡，這說明碎裂前已存在大量裂紋擴展跡象[2]，裂紋擴展至一定程度后，在軋制力和扭轉力的共同作用下，導致最后瞬間的碎裂，形成大量碎裂片。

圖2 端頭碎裂形貌

圖3 碎裂典型特征

3.2 碎裂輥的化學成分和硬度

采用XRF-1800型X射線熒光光譜儀對碎裂輥進行化學成分定量分析，分析結果如表1所示，從檢測值和要求值的對比可以看出，碎裂輥的化學成分符合設計要求。

采用HR-150A洛氏硬度計對碎裂輥由表及里的切片進行了硬度檢測，檢測碎裂輥由表及里的硬度分布情況，檢測結果如表2所示，結果顯示：硬度符合圖紙技術要求。

表1 碎裂輥化學成分

表2 碎裂輥由表及里硬度檢測結果

3.3 碎裂輥的顯微組織

碎裂輥的材質為5H12，為熱作模具鋼。為分析碎裂輥的熱處理組織是否存在異常，切取了由表及里的試樣進行顯微組織觀察，切取的試樣如圖4所示。

圖4 顯微組織檢測樣品

樣品經磨削腐蝕后，由表及里進行組織觀察，結果顯示由表及里的顯微組織均為回火馬氏體+點、顆粒狀碳化物+殘余奧氏體，但表層的馬氏體針較內部略粗，組織為粗針馬氏體+顆粒狀碳化物+殘余奧氏體，如圖5所示。對試樣進一步做深腐蝕，觀察碳化物分布，結果表明：橫向試面未觀察到明顯網狀碳化物，如圖6所示。非金屬夾雜物檢測C類1級、B類1.5級、DS類1級，均符合輥坯技術條件要求。

圖5 不同深度橫向截面顯微組織

圖6 碳化物分布情況

圖7 第一次上機前渦流檢測結果

3.4 碎裂輥使用維護情況調查分析

對碎裂輥的使用情況調查得知，該輥為第二次上機使用，第一次新輥上機前對其進行了渦流探傷檢測，檢測結果如圖7所示，裂紋值為0.24，軟點值為0.28，同時進行了表面超聲波檢測，未發現缺陷波存在。上機后使用了10天，因出現斷帶事故而將該輥換下重新修磨，修磨0.4 mm后目視表面無缺陷，渦流探傷檢測裂紋和軟點信號偏高，裂紋值為1.7，軟點值為1.09，如圖8所示；同時進行了表面超聲波檢測未發現裂紋，考慮到渦流探傷檢測結果影響因素過多，表面超聲波發現裂紋的靈敏度高于渦流，于是決定第二次上機使用，使用15天后發生了在線碎裂。

圖8 第二次上機前渦流檢測結果

3.5 碎裂輥碎裂原因分析與預防措施探討

首先，從碎裂輥的化學成分、硬度、超聲波探傷等檢測結果分析，該輥均滿足設計和圖紙要求，未見明顯的異常；其次，從該輥的顯微組織分析，其由表及里的顯微組織均為回火馬氏體+點、顆粒狀碳化物+殘余奧氏體，這種顯微組織是5H12材質軋輥的理想組織，但同時我們也發現，碎裂輥的表面晶粒度略大，存在粗針狀馬氏體組織，結合該輥整體淬火的熱處理工藝分析，可能是由于表面升溫快，高溫保溫時間較長致奧氏體晶粒長大，在后續的淬火過程中，粗大奧氏體轉變成粗針馬氏體；粗針馬氏體的存在會降低材料的塑韌性和抗裂紋擴展能力，一旦有裂紋萌生，裂紋會迅速擴展；最后，從該支碎裂輥的使用維護調查結果看，該輥在第二次上機前渦流探傷檢測裂紋和軟點值明顯偏高，但表面超聲波探傷未發現裂紋存在，因為表面超聲波發現裂紋的能力優于渦流，可以認為該輥輥面確實無裂紋存在，但需注意的是，表面超聲波探傷只能發現已形成的裂紋，對于發生軋制事故后存在的熱影響區卻無法檢測出。所謂熱影響區是指軋輥在使用過程中如果發生軋制事故，軋輥會因事故而受到熱沖擊，熱沖擊如果很嚴重，一般會在輥面形成熱裂紋，但熱裂紋的形成往往伴隨著表層以下熱影響區的形成，這個區域因熱沖擊溫度未達到產生裂紋的臨界值，但卻已經超過了軋輥制造過程中的回火溫度，從而在該區域形成了二次回火現象，二次回火不會形成裂紋，但顯微組織狀態已經發生變化，該區域如果未能通過磨削完全去除，在后續的使用過程中會成為裂紋萌生的薄弱區，在反復的交變應力下，萌生裂紋并擴展。

結合該碎裂輥的使用記錄看，該輥第一次使用時出現斷帶事故，重新修磨后渦流探傷檢測結果裂紋值和軟點值也明顯高于第一次上機使用前，其中的軟點值偏高就是對熱影響區的信號反饋，也就是說渦流檢測設備是能夠對熱影響區進行檢測并反饋信號的，但表面超聲波卻無法檢測熱影響區，渦流的裂紋值信號是由于軟點值偏高而影響了裂紋值的顯示，該輥第二次上機前應不存在表面裂紋，如果存在，該輥不可能使用15天后才發生碎裂。

綜上所述，該輥的失效是由于表面裂紋萌生并迅速擴展后導致的瞬間碎裂，表面裂紋是由于第一次使用過程中的軋制事故產生的熱影響區未完全消除，在第二次使用過程中，裂紋在熱影響區首先萌生并擴展至整個輥身，而輥身表面粗大的馬氏體組織也為裂紋的快速擴展提供了有力的條件，加速了該輥的碎裂。

為避免上述問題的再次發生，一方面需深入理解渦流檢測設備和超聲波檢測設備的優、缺點，科學結合使用；其次需要科學化事故輥的處置流程，完善對事故軋輥的處置；最后，該類材質的熱處理工藝可以進一步優化，避免輥身表面粗大馬氏體針的存在。

4 結束語

經對碎裂輥的化學成分、硬度、顯微組織的分析，結合碎裂輥的使用維護記錄，可以得出該輥的碎裂是由于前期軋制事故造成的軋輥熱影響區未完全消除而導致的，熱影響區在使用過程中成為裂紋萌生的薄弱區，在反復的交變應力下微裂紋形成并擴展至整個輥身，輥身表面存在的粗針狀馬氏體為裂紋的快速擴展提供了有利條件。為避免該類問題的再次發生，需在軋輥熱處理工藝、檢測設備、事故輥處置等方面做更多的研究。