冷軋軋輥表面剝落原因與改進分析

王榮和

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

關鍵詞 冷軋輥;表面裂紋;裂紋擴展;疲勞剝落

引言

冷軋是冷帶鋼生產中的一個重要工序，熱軋帶鋼經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帶鋼產品。在冷軋生產過程中，軋輥至關重要，軋輥是軋鋼生產中與帶鋼直接接觸、參與軋制變形的重要工具，軋輥的表面質量的高低直接影響冷軋產品的質量，在冷軋軋制過程中，軋輥處于復雜的受力狀態，需要承受極高的軋制力、輥系間接觸的剪應力以及帶鋼軋制變形過程產生的摩擦力。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，包括軋輥的制造質量 、軋制負荷、軋輥的磨削維護以及突發軋制事故等。按剝落的表現形式劃分，冷軋輥的剝落失效可分為表面損傷引起剝落和內部缺陷引起剝落。

隨著冷軋產品的強度越來越高、產品規格越來越薄、精度控制要求越來越高，對軋輥軋制過程穩定性要求越來越高，軋輥在上機使用過程中不可避免地受到輥面損傷，若未及時下機更換和修磨消除缺陷，將會產生裂紋、剝落甚至斷輥事故，對生產造成較大的影響。因此，對軋輥剝落失效進行全面、深入的分析，有助于總結在軋輥使用和維護方面的經驗，降低軋輥的事故性損耗，同時也有利于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。

本文研究的剝落輥設計規格為Φ435mm×1480mm×3900mm，

材質為MC5D，主要技術要求：輥身表面硬度93～97HSD，淬硬層深度》25mm，其余調質45-52HSD。

1概述

某廠1420mm酸軋產線5機架6輥軋機F1機架上工作輥，在軋制生產過程中突然發生輥面剝落，造成軋機斷代停機。軋制板材為CQ料，入口厚度為2.8mm。該軋輥失效前累計正常使用15個月，共計軋制公里數為32191km，爆輥前上機軋制時長約12.6h，軋制帶鋼長度55km，當前輥身直徑為397.42mm（正常報廢輥徑385mm），還有6mm的有效工作層。剝落發生在輥身中部區域，剝落中心區域在輥身端部700～800mm之間。

2原因分析

2.1 形貌分析

剝落面的中心區域可見明顯的“貓舌”狀疲勞駐痕，系裂紋擴展的“腳印”，根據疲勞駐痕的寬度可見裂紋擴展過程中逐漸變寬，疲勞駐痕反映了裂紋擴展的方向。當裂紋擴展至軋輥強度不能滿足軋制載荷時發生剝落，剝落塊瞬時撕裂在疲勞條帶周邊形成“撕裂嶺”形貌。

區別于心部材質缺陷導致的疲勞剝落形貌特征，剝落發生后整個剝落面會打開，可見“同心圓”疲勞擴展痕跡，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），同時同心圓疲勞擴展導致剝落所形成的撕裂嶺也是圍繞同心圓擴展帶外圍產生。

2.2 溯源分析

在本例中，為進一步追溯疲勞裂紋源，在剝落塊上可見明顯的裂紋擴展軌跡，將剝落塊敲開后，可見剝離面上的裂紋（厚度面上）存在三處，推測裂紋在擴展過程中可能存在分層擴展現象，逆著疲勞軌跡追溯裂紋源可見在其中一條疲勞擴展帶的逆向存在一處明顯的凹坑。

通過上述檢測觀察，可見該剝落面上存在3條疲勞擴展條帶，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展或裂紋在擴展過程中出現分層，但是三處裂紋集中排列，推測裂紋源區域應集中在同一區域，逆著疲勞條帶追溯裂紋源位置應位于剝落塊表面區域，追溯至剝落塊輥面可見在對應區域存在一處凹坑，疑似裂紋源，進一步對表面進行著色探傷，發現該凹坑已經明顯開裂，根據顯像情況裂紋已經深入，且周邊已出現開口情況，凹坑寬度約2mm，底部隱約可見開裂，使用100X放大鏡進一步觀察該裂紋，可見，在該部位凹坑底部已經出現了細密的多條裂紋，裂紋形態呈現軸向分布網狀相連，結合宏觀形貌特征，推測該區域應受到了較大的堅硬異物擠壓，壓潰形成了表面裂紋。

根據現有分析材料可見，軋輥的剝落是裂紋疲勞擴展所致，逆著擴展帶找到輥面存在輥印凹坑，凹坑底部可見壓潰裂紋，該區域疑似裂紋源，裂紋由裂紋源向內部疲勞擴展，然后分成三條疲勞擴展帶擴展，之后裂紋進一步加寬、加長，疲勞擴展區加大，在軋制過程中，軋輥內應力重新分布，引起瞬時失穩，向四周及輥面快速擴展，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剝落過程，包含四個典型步驟：表面裂紋形成、裂紋向內擴展至淬硬層、疲勞裂紋沿淬硬層面延伸、形成撕裂脆性剝落。

3結束語

本文從剝落面斷口形貌分析、裂紋擴展分析等角度對該剝落失效軋輥進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展所致，裂紋源是軋制過程中機架內異物掉落軋入形成壓痕從而導致了輥面裂紋。

隨著板帶產品的強度越來越高，軋輥在上機使用過程中不可避免地受到輥面沖擊損傷，為更好地面對此類問題。可以從如下幾方面開展工作：

完善軋輥維護制度，對下機更換的軋輥進行全輥面檢查，一旦發現異常必須暫停使用，分析其產生原因或者通過修磨工藝消除缺陷，使軋輥恢復到正常狀態。

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，做到不產生輥面裂紋或產生裂紋后擴展速度慢，最大程度降低輥面剝落等惡性事故的發生，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

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