高鉻熱軋軋輥的熱疲勞特性分析*

何沛賢，馬彥峰，尹 強

(國網平涼供電公司，甘肅 平涼 744000)

0 引 言

目前采用熱軋技術的生產工藝有很多，除了傳統的金屬板材的生產，一般的棒材、管材都可以通過軋制得到，鋼球也可以采用熱軋的方式成產，甚至輪胎等這一類橡膠制品的生產過程中一樣需要熱軋。在熱軋過程中，軋輥與加熱后的軋件接觸而溫度迅速升高，然后又被通過軋輥內部的冷卻介質迅速冷卻，進而軋輥在徑向的較陡的溫度梯度會導致熱應力的產生，熱軋過程中熱應力如此循環往復，軋輥表面就會產生疲勞裂紋并擴展甚至斷裂，這種疲勞失效稱之為熱疲勞[1]。熱疲勞導致的裂紋會影響產品的質量，加速了熱軋軋輥的失效。軋輥的質量很大程度上影響著軋件的質量，軋輥的壽命影響著生產效益，據統計，在軋鋼行業中，軋輥的成本最高可以占到整個生產成本的20%，這還不能包括換輥而導致停產帶來的損失。因此，提高軋輥的疲勞壽命是軋制工藝相關行業共同的訴求，并且隨著工業的發展，軋制溫度、速度、負載的復雜性進一步提高，對軋輥的壽命提出了更高的要求[2]。

筆者重點就高鉻鋼和高鉻鐵兩種常見軋輥材料的熱疲勞試驗結果進行了對比分析，通過對比熱疲勞敏感區間和宏觀裂紋長度和深度等參數得出熱疲勞性能的差異性。該研究對提升軋輥疲勞性能的研究提供了重要參考，具有較高實際價值。

1 熱軋軋輥

軋輥在在工業生產中其實是消耗品，是軋機上龐大的耗材。軋輥主要是鐵或鋼材質[3]。鐵質軋輥基本都是通過鑄造的工藝生產，其碳含量超過2.2%。鑄鐵軋輥的質量主要由其成分和鑄造工藝所決定，成分上主要分為一般的冷硬鑄鐵、球墨鑄鐵和高鉻鑄鐵。鑄造工藝大都為離心鑄造，在鑄造過程中，加熱溫度、冷卻速度、是否有后續的熱處理工藝等都決定了軋輥的質量，也是由于質量的差異，使得他們的使用場景也不同。另一類就是鋼軋輥，鋼質軋輥可以鑄造也可以鍛造。因為鍛造軋輥成本較高，所以一般要求較高的軋輥才采用鍛造工藝。鋼質軋輥的材質種類更加豐富，有優質碳素鋼、合金鋼、石墨鋼，還有半鋼輥以及高碳半鋼輥，高鉻鋼、高速鋼輥等[4]。

2 軋輥的熱疲勞失效

在軋制的過程中，軋件和軋輥是直接接觸的，他們之間有力的相互作用，也有熱的傳導，溫度的傳遞使得軋輥溫度升高，進而使得軋輥熱膨脹，軋輥會發生變形如拱起、扭轉等。室溫下的冷軋，當變形量較大時，軋輥和軋件的溫升對疲勞壽命的影響一樣不可忽視。由于力、熱交替作用，并且這種作用可以近似為周期性的，因此軋輥會發生接觸疲勞以及熱疲勞，這也是正常情況下軋輥失效的主要原因。

在過去的研究中，人們主要從軋輥材料的角度來提升軋輥的抗疲勞性能，先后使用了鉬合金冷硬鑄鐵軋輥、合金半鋼軋輥、高鉻鑄鐵軋輥、鍛造高速鋼軋輥[5]。高速鋼軋制的淬透性、耐磨性等都比之前的材質好很多，紅硬性也更高，在熱軋上應用也十分合適，可用于精軋[6]。

如圖1所示是軋制橡膠的軋輥發生斷裂[7]，斷裂縫位于軋輥長的1/3處，兩條裂縫深度大約10 mm。斷裂的原因就是由于復雜彎曲、扭轉等綜合應力導致的交變載荷附加冷卻等過程的熱應力導致的軸向疲勞，最終裂紋擴展直至徑向斷裂，裂紋的萌生點是合金的鑄造缺陷處，是粗大的磷-碳化合物脆性相，對于諸如此類附加冷卻孔的熱軋輥要控制冷卻部分的表面質量。

圖1 軋輥的斷裂裂紋及周邊孔的裂紋擴展

工作輥在熱軋時會因為高溫的軋件作用受到熱應力，也會與支撐輥之間形成循環交變的周期性的接觸應力，這兩種應力的作用都會使工作輥疲勞和磨損[8]，和軋件之間也有變形抗力。此外，高溫作用也使得軋輥容易被氧化而生成黑色的氧化膜，氧化皮脫落也會帶來諸多表面缺陷。

3 軋輥熱應力疲勞的試驗研究

軋輥本身雖然是軋機中的一件“耗材”，但是其成本太高，在實驗研究中一般不會選取實際生產中所使用的的大尺寸的軋輥來進行試驗。一般都是將尺寸縮小幾十倍到很小，或者就多種軋輥材料本身，研究其疲勞特性，經過這樣的試驗再結合有限元分析的結果等，對某種材料的某種尺寸的軋輥的疲勞性能進行綜合評估，并且依據自己生產狀況或者工藝條件選用合適的軋輥，降低成本。

3.1 熱應力疲勞試驗

軋輥所受的冷熱溫度快速變化所導致的熱應力是較為特殊的試驗條件，因此需要依據生產過程的實際條件設計試驗。加熱可以采用電磁感應加熱，更加快捷，并且可以均勻的只加熱表面，這與軋輥的實際工況更加接近，其中頻率約在20～30 kHz之間；冷卻方式選擇水冷卻即可，既節約成本又與實際生產中大部分軋輥冷卻方式一致，并在冷卻系統中增加熱電偶測量試樣的溫度。此外對冷卻和加熱的系統進行微機控制，可以設定加熱溫度、冷卻速度、周期長短、循環次數等。

3.2 試驗結果與分析

兩種常見的軋輥材料高鉻鐵和高鉻鋼的熱疲勞相關研究如下。

3.2.1 高鉻鐵[9]

高鉻鐵軋輥材料采用離心鑄造的方式生產。由于凝固過程中沿著徑向結晶，因此碳化物表現出很強的方向性，在徑向以及弦向兩個方向取樣。

在徑向試樣實驗后產生的細長的裂紋的方向也常沿著徑向，但是如果在弦向取向，裂紋的分布又會變成網格狀。試驗過程中，以循環次數和試驗溫度為變量，微觀上主要測裂紋面積分數、裂紋總長度，宏觀上主要測裂紋的寬度以及深度。表1所列是高鉻鐵在不同溫度循環500次循環后，疲勞裂紋的發展情況，表2是試樣在溫度為600 ℃時，裂紋情況隨循環次數的變化；高鉻鐵試樣微觀裂紋和宏觀裂紋形貌如圖2所示。

圖2 高鉻鐵裂紋在微觀以及宏觀下的形貌

表1 高鉻鐵不同溫度下循環500次高鉻鐵試樣裂紋情況

表2 高鉻鐵600 ℃循環時裂紋情況隨循環次數的變化

在固定循環次數(500次)的試驗條件下，溫度在525 ℃以下都沒有出現裂紋，當試驗溫度升高到550 ℃，高鉻鐵試樣出現了宏觀裂紋。說明在525～550 ℃溫度區間是高鉻鐵疲勞特征區間。同時隨著加熱溫度的升高，裂紋的面積分數和總長度都是增大的，但當產生宏觀裂紋后，加熱溫度和裂紋面積分數和總長度之間就沒有明顯關聯性。當加熱溫度超過熱疲勞特征區后，即使循環100次也會產生宏觀裂紋，說明溫度的影響程度比循環次數的影響更加顯著。同時，隨著循環次數的增大，宏觀裂紋的深度不斷增加。但是裂紋面積分數和總長度并無顯著關聯性。

3.2.2 高鉻鋼

通常在對生產精度和質量要求比較高的場合，軋輥材料更多的選擇高鉻鋼。如上所示的實驗條件下研究高鉻鋼的熱疲勞特性結果如表3、4[9]所列。

表3 高鉻鋼不同溫度下循環500次高鉻鐵試樣裂紋情況

表4 高鉻鋼600 ℃循環時裂紋情況隨循環次數的變化

由表3可以看出相比于高鉻鐵，高鉻鋼的熱疲勞特征區間升高到580～600 ℃區間，同時高鉻鋼在裂紋面積分數和裂紋長度方面都比高鉻鐵小，這也充分說明了高鉻鋼軋輥具有更好的熱疲勞性能。如圖3所示。

圖3 高鉻鋼裂紋在微觀以及宏觀下的形貌

此外也有報道在熱疲勞試驗后試樣的硬度變化以及裂紋數量變化等[10]。對離心鑄造的高鉻鋼表面預制缺口(模擬缺陷等)后進行熱疲勞試驗，初期裂紋沿著試樣預制缺口的方向萌生和沿晶界擴展，形成裂紋，經過不同循環次數后的裂紋形貌如圖4所示。表5為高鉻鋼熱疲勞試驗裂紋情況統計。

圖4 高鉻鋼在不同循環次數后熱疲勞裂紋形貌

表5 高鉻鋼熱疲勞試驗裂紋情況

試樣1在經歷650 ℃循環300次后，其硬度最低，疲勞裂紋生長較快，裂紋長且數目多，并且除主裂紋外的其他裂紋較多，試樣4的加載條件是與1相比峰值溫度降低，但循環次數增加了4倍，在這種熱疲勞試驗條件下，裂紋總數不變但是長度最短。試樣2、3相比較，熱循環上限溫度均為600 ℃，循環次數提高后裂紋的數目和長度都增大，總體看循環次數的影響低于溫度的影響。

有報道研究了不同成分高鉻鋼的熱疲勞性能[11]，高鉻鋼成分如表6所列，試驗結果如圖5所示。

表6 高鉻鋼軋輥成分 /%

圖5 不同成分高鉻鋼試樣熱疲勞循環次數與裂紋長度

由圖可知，1號試樣循環次數最少，3號試樣循環次數相對較高，在相同循環次數時，3號試樣的裂紋長度也小于1號試樣，因此3號含鉻量最高的試樣的熱疲勞性能最好。還有報道研究了添加稀土元素對高鉻鋼軋輥疲勞壽命的影響[12]，得出了添加0.5%～1.0%稀土元素可以得到較好的熱疲勞性能。

4 結 語

軋輥的熱疲勞失效影響軋輥壽命的重要因素，是軋制生產工藝成本控制的難點，給工業生產帶來了較大麻煩。目前解決這一問題的主要方式還是通過改變軋輥的材質、熱處理工藝等來改善軋輥的熱疲勞性能。筆者通過對軋輥材質樣品的熱疲勞試驗可以得到高鉻鋼軋輥的熱疲勞性能優于高鉻鐵軋輥的性能，通過小尺寸樣品的熱疲勞實驗得出可靠結果后，再進行軋輥材料設計可以為高性能軋輥材料的開發節約成本。