熱軋高速鋼軋輥失效分析

張宇光，王 飛，劉 嘉

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司 安徽馬鞍山 243000)

熱軋軋輥在生產(chǎn)時(shí)如果發(fā)生失效會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量缺陷，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致生產(chǎn)停機(jī)。某廠在正常生產(chǎn)無(wú)取向硅鋼時(shí)發(fā)生軋輥剝落導(dǎo)致堆鋼事故。利用硬度計(jì)和光學(xué)顯微鏡對(duì)微觀組織進(jìn)行硬度檢測(cè)和顯微組織檢測(cè)，分析失效原因。

1 理化性能檢測(cè)

1.1 新輥驗(yàn)收結(jié)果

新輥入廠結(jié)果顯示輥身硬度均勻度、工作層、結(jié)合層檢測(cè)合格，輥身、輥頸硬度超技術(shù)協(xié)議要求下限(-4HSC)。

1.2 宏觀形貌檢測(cè)

該輥剝落面最深處有裂紋擴(kuò)展通道，通過對(duì)該通道區(qū)域進(jìn)行超聲波探傷發(fā)現(xiàn)，剝落面的反面發(fā)現(xiàn)一處裂紋，裂紋通道從剝落面由寬至窄，由深至淺到表面，具體位置如圖1所示。同時(shí)對(duì)相配套的軋輥FW30513進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，相對(duì)應(yīng)的區(qū)域也發(fā)現(xiàn)一處裂紋。

圖1 FW30514與FW30513工作輥裂紋宏觀形貌

FW30514裂紋分布在I限(剝落面為III限)，裂紋距離工作側(cè)端部910 mm，長(zhǎng)度為20 mm。FW30513裂紋分布在III限，裂紋距離工作側(cè)端部900 mm，長(zhǎng)度為20 mm。

該類型的裂紋形成的可能原因主要為：(1)軋輥使用過程中熱循環(huán)熱疲勞和接觸應(yīng)力的作用，軋輥表面出現(xiàn)不同程度的軟化現(xiàn)象而形成；(2)軋輥軋制時(shí)有異物壓入；(3)該軋輥熱處理不充分，殘余奧氏體含量高、表面組織碳化物分布不均勻、碳化物含量占比過大。

1.3 硬度檢測(cè)

對(duì)該輥斷口附近(如圖2所示)進(jìn)行硬度檢測(cè)，結(jié)果如表1所示。位置3為裂紋所在區(qū)域，硬度顯著偏低。

圖2 硬度檢測(cè)位置示意圖

表1 硬度檢測(cè)結(jié)果(HSC)

1.4 化學(xué)成分分析

對(duì)工作層取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)，化學(xué)分析結(jié)果如表2 所示。工作層Mn含量低于技術(shù)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)下限要求，C含量接近協(xié)議下限要求。

表2 軋輥工作層和芯部化學(xué)成分(wt%)

1.5 金相組織分析

對(duì)該輥斷口進(jìn)行金相組織檢測(cè)，取樣位置如圖3所示，芯部石墨球化形貌尚可，石墨化評(píng)級(jí)4～6級(jí)。

圖3 金相檢測(cè)位置圖：1、裂紋表面；2、剝落面(20 mm深度)；3、裂紋通道最深處； 4、剝落面(30 mm)；

基體組織如圖4所示。位置1處為回火馬氏體+貝氏體+碳化物，裂紋末端附近回火馬氏體呈塊狀聚集。位置2處為回火馬氏體+貝氏體+碳化物，碳化物分布不均勻。位置3處為珠光體+粗條狀滲碳體+網(wǎng)狀滲碳體+鐵素體。位置4處為回火馬氏體+貝氏體+碳化物，碳化物分布不均勻，且占比較高。

圖4 裂紋周圍組織 (200X)1、位置1；2、位置2；3、位置3；4、位置4

2 分析

芯部組織(位置3)顯示球化欠佳，這樣材料內(nèi)應(yīng)力增大，力學(xué)性能下降1,2。其基體組織為回火馬氏體+貝氏體+碳化物。工作層顯微組織為回火馬氏體+碳化物+少量殘余奧氏體。碳化物有兩種形式，沿原奧氏體晶粒析出的網(wǎng)狀碳化物和晶內(nèi)析出的顆粒狀碳化物，網(wǎng)狀碳化物在局部呈聚集狀。沿晶界析出的網(wǎng)狀碳化物顯示出原奧氏體晶粒并不粗大，因此碳化物不是裂紋萌生的主要原因。根據(jù)實(shí)物照片可知，該輥剝落由表面裂紋向內(nèi)延伸至工作層而發(fā)生剝落。從金相組織可觀察到回火馬氏體呈塊狀聚集，在受熱應(yīng)力和軋制應(yīng)力作用下容易形成裂紋；工作層組織碳化物分布不均且碳化物含量高也屬于異常組織；芯部組織(位置3)球化欠佳使材料內(nèi)應(yīng)力增大，力學(xué)性能下降加速了相關(guān)剝落面的擴(kuò)展。

3 結(jié)論

剝落軋輥在新輥驗(yàn)收時(shí)，輥身、輥頸硬度檢測(cè)不符合技術(shù)協(xié)議要求(低于下限)，存在質(zhì)量隱患。剝落軋輥工作層中Mn含量不符合技術(shù)協(xié)議要求(低于下限)，C含量也是接近技術(shù)協(xié)議下限要求，這是影響軋輥硬度不足的原因之一。

軋輥工作層剝落的裂紋源為軸向微細(xì)裂紋，該裂紋產(chǎn)生的根本原因是由于輥身硬度較低，在軋制過程中因軋制力使輥面塑性變形，導(dǎo)致微裂紋萌生并擴(kuò)展，最終造成工作層大面積剝落。