導(dǎo)電輥輥軸斷裂原因

張小群,李 明,賀 強

(上海金藝檢測技術(shù)有限公司,上海 201900)

導(dǎo)電輥是冷軋電鍍機(jī)組工藝段中的重要設(shè)備,其與一般鋼輥類似,都是由輥軸、輥筒和幅板構(gòu)成[1]。在電鍍機(jī)組的電鍍段、軟熔段和化學(xué)處理段,輥筒與帶鋼接觸,輥軸通電,完成帶鋼表面鍍層工序。導(dǎo)電輥要求具有高導(dǎo)電性、良好的耐磨性和耐腐蝕性。在服役過程中,導(dǎo)電輥輥筒表面的鍍鉻層會發(fā)生磨損[2],影響帶鋼鍍層的質(zhì)量。因此,每使用一段時間,導(dǎo)電輥將下線,對其輥筒表面進(jìn)行修磨和鍍層再處理。某導(dǎo)電輥在運行一段時間后,其輥軸和輥筒結(jié)合層發(fā)生斷裂,造成經(jīng)濟(jì)損失。筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、硬度測試、力學(xué)性能測試、金相檢驗、掃描電鏡(SEM)和能譜分析等方法對導(dǎo)電輥斷裂原因進(jìn)行分析,以避免該類事故再次發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

導(dǎo)電輥結(jié)構(gòu)如圖1所示,其包括兩側(cè)輥軸和中間輥筒。斷裂導(dǎo)電輥各部分材料均為SUS304鋼,該輥軸與輥筒內(nèi)軸徑段為一體,其通過焊接工藝與輥筒結(jié)合,再對焊接表面進(jìn)行機(jī)械打磨處理,圖2為未斷裂導(dǎo)電輥宏觀形貌。現(xiàn)場檢查該導(dǎo)電輥的焊接部位,其接頭根部區(qū)域表面凹凸不平,且可見黑色物質(zhì)布滿整個圓周,如圖2中箭頭所指區(qū)域。

圖1 導(dǎo)電輥結(jié)構(gòu)示意

圖2 未斷裂導(dǎo)電輥宏觀形貌

斷裂導(dǎo)電輥靠近輥筒端的斷面宏觀形貌如圖3所示,由圖3可知:斷口表面平坦,未見其在斷裂前發(fā)生明顯塑性變形,周向存在較多臺階條紋;斷口側(cè)面可見大部分的焊接圓弧,斷裂發(fā)生在焊接接頭的根部,靠近斷口的圓弧表面呈現(xiàn)黑色凹凸不平的形貌。

圖3 斷裂導(dǎo)電輥靠近輥筒端的斷面宏觀形貌

斷裂導(dǎo)電輥靠近輥軸端的斷口側(cè)面宏觀形貌如圖4所示,由圖4可知:靠近斷面區(qū)域可見少量焊接圓弧,但呈現(xiàn)環(huán)形黑色凹凸不平的條帶形貌;遠(yuǎn)離斷面的無圓弧區(qū)域相對較光滑,呈現(xiàn)暗灰色形貌。

圖4 斷裂導(dǎo)電輥靠近輥軸端的斷口側(cè)面宏觀形貌

斷裂導(dǎo)電輥靠近輥軸端的斷面宏觀形貌如圖5所示,由圖5可知:在1點鐘方向和3～9點鐘方向的軸周向表面存在較多臺階條紋,并向中心孔擴(kuò)展。大部分?jǐn)嗝婀饣教?僅在中心出現(xiàn)小塊粗糙斷面,為瞬斷區(qū),如圖5箭頭所示區(qū)域。該斷口呈多源疲勞斷裂特征,由于各個裂紋源不在同一平面,隨著裂紋的擴(kuò)展,形成了軸周向的疲勞臺階。疲勞臺階越多,說明該區(qū)域所受的應(yīng)力集中越嚴(yán)重[3]。

圖5 斷裂導(dǎo)電輥靠近輥軸端的斷面宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

使用直讀光譜儀對導(dǎo)電輥輥軸段進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1 所示,由表1 可知,結(jié)果符合GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學(xué)成分》的要求,該材料為奧氏體不銹鋼。

表1 導(dǎo)電輥軸徑段化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 硬度測試和力學(xué)性能測試

使用布氏硬度計測試了靠近斷口區(qū)域輥軸段截面從表面到心部的布氏硬度,硬度分別為179,169,162,157,158,162,170 HBW。

將導(dǎo)電輥輥軸段制成標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形拉伸試樣和夏比沖擊試樣,分別在拉伸試驗機(jī)和金屬擺錘式?jīng)_擊試驗機(jī)上進(jìn)行拉伸和沖擊試驗,得到拉伸試樣的屈服強度為299 MPa,抗拉強度為641 MPa,斷后伸長率為60.5%。沖擊試樣的尺寸(長×寬×高)為10 mm×10 mm×55 mm,沖擊吸收能量為299 J,所得結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.4 金相檢驗

在導(dǎo)電輥輥軸徑段上截取金相試樣,將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,試樣截取位置如圖6所示。

圖6 試樣截取位置示意

4號試樣夾雜物微觀形貌如圖7所示。按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》,將夾雜物評為A類細(xì)系1.5級、B類細(xì)系2.0級。

圖7 4號試樣夾雜物微觀形貌

1號和2號試樣外表面可見嚴(yán)重的晶間腐蝕形貌,并形成了凹坑,特別是有圓弧區(qū)域,腐蝕嚴(yán)重處深度約為1.1～1.2 mm,無圓弧區(qū)域表面腐蝕相對較淺。靠近外表面的斷面也可見晶間腐蝕形貌,遠(yuǎn)離外表面的斷面未見明顯腐蝕形貌,1號試樣和2號試樣的斷面及外表面微觀形貌如圖8,9所示。

圖8 1號試樣斷面及外表面微觀形貌

圖9 2號試樣斷面及外表面微觀形貌

2號試樣和6號試樣的顯微組織形貌如圖10,11所示,顯微組織均為奧氏體+少量高溫鐵素體,6號試樣中部高溫鐵素體含量多于2號試樣表面。2號試樣奧氏體晶粒度約為5級,6號試樣晶粒度約為4級。

圖10 2號試樣的顯微組織形貌

圖11 6號試樣的顯微組織形貌

1.5 SEM 和能譜分析

截取試樣,將試樣置于SEM 下觀察,結(jié)果如圖12所示。由圖12可知:裂紋源位于軸周向外表面,可見較多臺階條紋,且臺階條紋附近均存在明顯的金屬缺損,該金屬缺損為晶間腐蝕造成;在擴(kuò)展區(qū)可以清晰地看到疲勞輝紋。

圖12 斷口裂紋源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)的SEM 形貌

將1號試樣重新磨拋后,使用能譜儀對其進(jìn)行分析,結(jié)果如圖13所示。由圖13可知:晶界間黑色物質(zhì)主要為鐵的氧化物,即腐蝕產(chǎn)物。對晶界附近和晶粒內(nèi)部的成分進(jìn)行分析,結(jié)果如圖14所示,由圖14可知,晶界附近(譜圖1,2)Cr元素含量略低于晶粒內(nèi)部(譜圖3,4)。說明在焊接過程中,晶界附近的部分Cr元素已擴(kuò)散到晶界參與反應(yīng)。

圖13 1號試樣能譜分析結(jié)果

圖14 晶界附近能譜分析結(jié)果

2 綜合分析

該斷裂輥軸成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求,硬度和力學(xué)性能也符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求,其顯微組織為奧氏體+少量高溫鐵素體,也未見明顯異常。

輥軸斷口平坦,軸周向外表面可見較多臺階條紋,擴(kuò)展區(qū)微觀形貌中疲勞輝紋明顯,為多源疲勞導(dǎo)致的斷裂,裂紋源均在軸周向的外表面。斷口區(qū)域外表面存在嚴(yán)重的晶間腐蝕,并形成凹坑,嚴(yán)重處凹坑深度約為1.1～1.2 mm。由于該斷裂區(qū)域位于輥軸和輥筒交界處,截面積急劇變化導(dǎo)致應(yīng)力集中,該處的腐蝕坑起到微觀缺口的作用,進(jìn)一步提高了局部應(yīng)力水平,成為疲勞裂紋的形核位置。

由于不銹鋼焊接過程中熱輸入量大,焊接熱影響區(qū)可能發(fā)生“敏化”現(xiàn)象。奧氏體內(nèi)過飽和碳元素會向晶界擴(kuò)散,在晶界附近與鉻元素結(jié)合形成鉻的碳化物,而鉻元素在奧氏體中的擴(kuò)散速率遠(yuǎn)小于碳元素,晶界附近鉻元素得不到補充,造成奧氏體晶界“貧鉻”[4]。晶粒內(nèi)部與晶界兩側(cè)鉻元素含量不同,在腐蝕介質(zhì)中構(gòu)成原電池,晶界作為陽極優(yōu)先被腐蝕。根據(jù)委托方信息,該導(dǎo)電輥工作時處于電解液中,而電解液中含有HF酸等強腐蝕性溶液。這兩方面的原因共同造成了該導(dǎo)電輥輥軸與輥筒焊接熱影響區(qū)的嚴(yán)重晶間腐蝕。

3 結(jié)語與建議

(1)導(dǎo)電輥輥軸發(fā)生多源疲勞斷裂,斷裂發(fā)生在輥截面積急劇變化區(qū)域,且外表面(焊縫區(qū)域)嚴(yán)重的晶間腐蝕為疲勞裂紋產(chǎn)生原因。

(2)導(dǎo)電輥工作時處在含有HF酸等強腐蝕性的電解液中,是造成焊縫區(qū)域嚴(yán)重晶間腐蝕的外部原因。

(3)導(dǎo)電輥焊接熱影響區(qū)發(fā)生“敏化”現(xiàn)象,這可能是造成晶間腐蝕的內(nèi)因。建議從焊接材料和焊接工藝上進(jìn)行優(yōu)化,并在導(dǎo)電輥每次下線進(jìn)行輥筒表面修磨和鍍層處理時,關(guān)注該焊接區(qū)域的腐蝕情況,并進(jìn)行相應(yīng)的處理。