70Cr3Mo大型鍛件支承輥輥身剝落原因分析

■ 王志平

支承輥是軋鋼生產(chǎn)中的重要部件，使用過程中存在失效現(xiàn)象。支承輥在使用中的失效主要有剝落、斷裂和表面裂紋三種形式，其中輥身剝落出現(xiàn)的概率最高，是支承輥失效的主要形式。支承輥因輥身局部剝落僅失去少量工作層而失效，如果直接報廢不但造成資源浪費(fèi)，也使鋼廠輥耗居高不下，生產(chǎn)成本上升。所以很有必要對支承輥輥身剝落失效進(jìn)行分析研究。

國內(nèi)某鋼廠厚板可逆式3800軋機(jī)支承輥，輥面直徑2200mm，輥面有效工作長度3700mm，輥體材質(zhì)70Cr3Mo，重量154t，其中一端輥面嚴(yán)重掉塊剝離，最大剝離深度約300mm，掉塊軸向長度最大約1650mm，周向長度最大約3000mm。經(jīng)研究，中信重工決定對支承輥進(jìn)行堆焊修復(fù)，此規(guī)格是當(dāng)時國內(nèi)堆焊修復(fù)的最大規(guī)格的支承輥，修復(fù)風(fēng)險非常大。本文采用多種試驗分析手段從剝落形態(tài)、硬度、化學(xué)成分、內(nèi)部組織等方面對該支承輥輥身剝落掉塊問題進(jìn)行分析，為其堆焊修復(fù)工藝的研究做理論支撐。

1. 剝落塊宏觀形貌

支承輥原始剝落狀況如圖1所示，輥?zhàn)颖砻娲竺娣e與輥?zhàn)颖倔w分層剝落，采用機(jī)械加工的方式去除掉快部分，對剝落面進(jìn)行解剖。

支承輥整體剝落斷口宏觀形貌照片如圖1所示。

圖1 原始剝落輥面

從圖2剝落斷口宏觀形貌可以看出，斷面出現(xiàn)呈彎曲并相互平行的溝槽狀花樣，與裂紋擴(kuò)展方向垂直，是裂紋擴(kuò)展時留下的微觀痕跡，屬于明顯弧形疲勞輝紋，其反向指向裂紋源（A區(qū)域），疲勞裂紋從A區(qū)域向B方向擴(kuò)展，形成一個疲勞擴(kuò)展帶（AB），與此同時AB裂紋兩側(cè)向C方向擴(kuò)展，最終導(dǎo)致大面積剝落，疲勞擴(kuò)展帶見圖2中光滑的氧化區(qū)域所示。從剝落斷口宏觀形貌進(jìn)行分析得出，剝落裂紋的起始位置處于支承輥淬硬層厚度位置，然后沿著剪切應(yīng)力方向擴(kuò)展，直至剝落。因此，該支承輥失效形式屬典型的疲勞剝落失效。剝落是從支承輥次表層開始，由疲勞裂紋順著剪切面擴(kuò)展而形成。

2. 理化分析

圖2 剝落斷口宏觀形貌

根據(jù)支承輥圖樣和使用記錄，該支承輥硬化層厚度100mm，失效時表面已磨損掉約10mm。在剝落的輥體掉塊上取樣分析，取樣位置如圖3所示，在剝落塊的方框線位置處取樣，對支承輥表面剝落原因進(jìn)行分析。

圖3 取樣位置

（1）低倍分析 將低倍試片磨制后進(jìn)行熱酸蝕，放置一定時間后觀察。其低倍組織形貌如圖4所示。試片上未見縮孔、夾雜、分層、裂紋、氣泡及白點(diǎn)等可能致裂的缺陷，按標(biāo)準(zhǔn)GB/T15547—2012《鍛鋼冷軋輥輥坯》標(biāo)準(zhǔn)要求對低倍試片進(jìn)行評級，評級結(jié)果如表1所示，各檢測項目結(jié)果良好，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 剝落塊低倍試片形貌

表1 低倍試樣評級結(jié)果

（2）硬度檢測 對剝落塊從表面到內(nèi)部檢測，為減小測量誤差，采用多次測量取平均值的方法，每個區(qū)域測量5點(diǎn)。該支承輥低倍試片從原始工作表面到剝落斷口面最大距離約70mm，將低倍試片放置在洛氏硬度計上進(jìn)行硬度檢測，檢測位置沿著圖4硬度檢測線所示，同時將洛氏硬度檢測結(jié)果查表轉(zhuǎn)化為肖氏硬度，檢測結(jié)果如表2所示。

從表2檢測數(shù)據(jù)分析可知，支承輥表面硬度及有效淬硬層深度滿足JB/T4120—2006《大型鍛造合金鋼支承輥》標(biāo)準(zhǔn)要求。標(biāo)準(zhǔn)要求：輥身表面硬度50～60HS；支承輥有效淬硬層深度，是指從輥身精加工表面至低于訂貨圖樣要求下限5HS的深度。當(dāng)輥身表面硬度為50～60H S時，有效淬硬層深≥65mm。

（3）化學(xué)成分分析 在剝落塊的低倍試片上從表面、中部、內(nèi)部分別取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果及70Cr3Mo鋼的標(biāo)準(zhǔn)成分如表3所示。

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，該支承輥試樣化學(xué)成分中的碳含量較標(biāo)準(zhǔn)值稍低，雖然不符合JB/T4120—2006《大型鍛造合金鋼支承輥》標(biāo)準(zhǔn)中70Cr3Mo鋼的成分要求，但碳含量基本接近標(biāo)準(zhǔn)的下限值，不是導(dǎo)致支承輥剝落掉塊的主要原因。

（4）金相分析 非金屬夾雜物。在剝落塊的低倍試片上從表面、中部、內(nèi)部分別切取金相試樣，將其經(jīng)磨制、拋光后，在金相顯微鏡下進(jìn)行觀察，按照GB/T 10561—2005進(jìn)行夾雜物評級，評級結(jié)果如表4所示。從表4中可以看出，夾雜物不超標(biāo)，滿足GB/T15547—2012《鍛鋼冷軋輥輥坯》標(biāo)準(zhǔn)要求。

金相組織分析。取樣試片經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，在金相顯微鏡下進(jìn)行觀察，掉塊表面、中部和內(nèi)部的金相組織均為保持馬氏體位向的回火屈氏體+針狀貝氏體+殘留奧氏體，針狀組織粗大，分別如圖5、圖6、圖7所示。金相組織未發(fā)現(xiàn)異常。

圖5 表面組織 500×

圖6 中部組織 500×

表2 硬度檢測結(jié)果

表3 支承輥剝落塊化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 非金屬夾雜物評級結(jié)果

圖7 內(nèi)部組織 500×

3. 結(jié)語

金屬結(jié)構(gòu)在變動應(yīng)力和應(yīng)變長期作用下，由于累積損傷引起的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞，該支承輥的剝落失效情況吻合該現(xiàn)象。關(guān)于支承輥表面剝落的原因，由以上各項理化檢驗結(jié)果分析，得出以下結(jié)論：

（1）該支承輥剝落塊低倍、硬度合格，有效硬化層度深正常，夾雜物不超標(biāo)，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）該支承輥剝落塊中碳元素含量較標(biāo)準(zhǔn)值偏低，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，含碳量的適當(dāng)降低，可以通過采用合理的熱處理工藝來提高支承輥的綜合使用性能，但不是導(dǎo)致輥面剝落掉快的主要原因。

（3）輥面出現(xiàn)疲勞裂紋后未及時處理，支承輥帶著裂紋缺陷長時間使用，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展形成分層，是導(dǎo)致最終出現(xiàn)剝落掉塊的原因，支承輥失效形式屬典型的疲勞剝落失效。