鍛鋼冷軋工作輥表面剝落原因

張大偉, 張 青, 陳榮偉

(寶鋼軋輥科技有限責任公司, 常州 213019)

鍛鋼冷軋輥是軋機的重要部件,隨著材料的不斷優化,軋輥的制造技術也在逐步更新,使軋輥具有更高的硬度和更好的耐磨性,但同時對軋制產品的需求也在不斷增加。更大的軋制力、更快的軋制速率也使得軋輥在使用過程中偶爾發生表面剝落問題,造成冷軋板帶降級,甚至導致軋機的長時間停機。

某冷軋廠鍛鋼冷軋工作輥在正常服役一段時間后發生表面剝落現象,筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、硬度測試、超聲檢測、金相檢驗等方法分析冷軋輥表面剝落原因,以防止該類問題再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

剝落位置距離操作側700～1 040 mm,其宏觀形貌如圖1所示。

圖1 表面剝落軋輥宏觀形貌

剝落斷面宏觀形貌如圖2所示,剝落區域中心存在1條典型的“海灘痕”裂紋擴展軌跡,裂紋擴展方向與軋輥轉動方向相反,同時在該條帶兩邊區域存在典型的撕裂區。該種有“海灘痕”條帶及撕裂區的剝落由裂紋擴展引起[1-2]。

圖2 剝落斷面宏觀形貌

1.2 化學成分分析

采用直讀光譜儀對剝落塊進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知:該材料的化學成分符合標準要求。

表1 剝落塊的化學成分分析結果 %

1.3 硬度測試

根據GB 13313—2008 《軋輥肖氏、里氏硬度試驗方法》,采用里氏硬度計對軋輥表面硬度進行測試,結果如表2所示。由表2可知:材料的硬度略低于技術要求(855～875 HLD)。

表2 軋輥表面硬度測試結果 HLD

1.4 超聲檢測

對剝落塊及軋輥表面進行超聲檢測,結果表明:未剝落區域無異常,而剝落塊表面有明顯的缺陷波。

1.5 金相檢驗

剝落塊斷口有明顯的裂紋擴展痕,在剝落塊上截取金相試樣。

將試樣磨拋后置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖3所示,由圖3可知:試樣表面存在大量裂紋,裂紋由表面向內擴展,裂紋周圍無夾雜、夾渣等其他明顯缺陷,裂紋逐步延伸至剝落面;將試樣腐蝕后置于光學顯微鏡下觀察,裂紋明顯沿晶界擴展,顯微組織為正常的回火隱晶馬氏體+點狀和粒狀碳化物+少量殘余奧氏體。

圖3 剝落塊試樣微觀形貌

在軋輥表面可以發現幾處凹坑及裂紋,正常區域硬度為64.5～65.5 HRC(808～820 HLD),凹坑區域硬度為66.5～67.2 HRC(830～840 HLD)。

2 綜合分析

表面裂紋引起剝落的過程如圖4所示,剝落過程大致可分為6個階段。在第1～3階段,軋輥表面產生裂紋。該裂紋可能是由輥印、劃痕、異物壓入、熱沖擊等應力集中、組織變化產生的;在第4階段,隨著軋輥的每次轉動,裂紋在軋制力作用下,沿著軋輥轉動的反方向擴展,其擴展方向一般與輥面成約45°傾斜角;在第5階段,裂紋逐步擴展至整個淬硬層后,開始沿徑向和圓周向彌散,同時出現明顯的沿徑向和圓周向的駐痕和“扇形”斷裂流線;在第6階段,軋輥強度不足以支撐其運轉,最終使軋輥發生斷裂剝落,這個斷裂的最終階段為瞬時、脆裂性的,所以可以看到明顯撕裂區域[3]。

圖4 表面裂紋引起剝落的過程示意

從金相檢驗結果可以判定,試樣內無明顯冶金缺陷,且顯微組織正常,同時化學成分、輥面硬度均符合設計要求,所以可排除原材料缺陷或者熱處理異常導致剝落的原因。

冷軋輥表面缺陷和次表層夾雜是導致軋輥剝落的根本原因。軋輥表面微裂紋在接觸應力和摩擦力的作用下, 裂紋向軋輥內部擴展至次表層深度,在主剪應力和交變剪應力的共同作用下,裂紋繼續擴展直至表面發生疲勞剝落[4],根據超聲檢測結果,可以判斷裂紋是在軋輥表面產生的。

剝落塊整體硬度下降明顯,但從檢測結果可以看出,裂紋周圍及凹坑區域的硬度明顯高于其他區域。凹坑是由使用過程中,輥面受到異常擠壓變形造成的,而產生異常擠壓的原因是翹皮缺陷在后道工序仍然存在,經過酸洗、軋制以及鍍鋅后不能有效將其去除[5]。

綜上所述,在使用過程中,軋輥受異物壓入的影響,輥面產生數個凹坑,凹坑區域受擠壓力作用產生應力集中,使得局部硬度升高,并在相應區域萌生裂紋,裂紋未能在磨削過程中去除,而是在軋制力的作用下緩慢向內沿晶界擴展,最終導致其表面發生剝落。