70Cr3NiMo支承輥剝落事故分析及處理

王大鵬，趙席春，郭 峰

支承輥的主要失效形式分為以下三種：裂紋、剝落、斷輥。其中，剝落是支承輥最常見的失效形式。產(chǎn)生剝落的原因分為內(nèi)因、外因及兩者的共同作用。國內(nèi)外很多文獻對軋輥剝落的原因已做過細致的分析，但當剝落發(fā)生時，軋輥生產(chǎn)廠家及用戶往往有兩種不同的觀點，用戶往往認定是軋輥本身存在質量問題，而生產(chǎn)廠家則認為是用戶操作不當，雙方從維護各自的經(jīng)濟利益出發(fā)致使下判斷時都不夠客觀。因此本文嘗試從實際出發(fā)對一起支承輥剝落事故進行客觀分析，并提出相應的處理方案。

1 大型鍛件缺陷概述

大型鍛件因尺寸較大、生產(chǎn)工序較復雜、實際生產(chǎn)中很多變量難以控制，加之對鍛件質量的影響因素又較多，所以鍛件內(nèi)部往往同時存在著不同類型的缺陷。

分析表明，大型鍛件中的缺陷主要來自兩個方面，一方面是冶金缺陷，另一方面為處理缺陷。冶金缺陷主要在鋼水的冶煉及鋼錠的澆注過程中產(chǎn)生，具體包括非金屬夾雜、縮孔及疏松等；處理缺陷產(chǎn)生于鍛造、熱處理及后續(xù)加工等階段，具體包括裂紋、白點、晶粒粗大等。

1.1 非金屬夾雜

非金屬夾雜物主要有兩個來源，一是原材料（如造渣劑、氧化劑、還原劑、） 中帶來的硫化物、氧化物、硅酸鹽等；二是在熔煉過程中各種反應產(chǎn)生的硫化物、氧化物等。這些非金屬夾雜物的形態(tài)、含量、分布與冶煉過程有關。我公司目前采用的冶煉澆注方法為雙真空法，即真空除氣+真空澆注法，該方法可以將非金屬夾雜控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。而且檢驗證明事故支承輥夾雜物含量在規(guī)定范圍內(nèi)。

1.2 疏松和縮孔

疏松和縮孔均產(chǎn)生于鋼液的凝固過程中，因局部鋼液凝固收縮不均勻而形成，此類缺陷屬于空隙型缺陷，數(shù)量過多也將會破壞材料的連續(xù)性，形成應力集中、產(chǎn)生裂紋源，嚴重影響產(chǎn)品的使用壽命，屬于不允許存在的缺陷。

1.3 空洞[1]

空洞是大型鍛件的主要冶金缺陷之一。鍛造過程中空洞的尺寸形狀和體積變化與控制的研究難度在于：大型鍛件內(nèi)部空洞的尺寸與其本身的尺寸相差極為懸殊，難于采用數(shù)值計算方法和已有的塑性力學分析方法；大型鍛件的尺寸形狀各異，難以得到對生產(chǎn)具有廣泛指導意義的結果。文獻[2]針對鋼錠內(nèi)部空洞缺陷的尺寸遠遠小于本身尺寸的特點，依據(jù)圣維南原理，將各種空洞缺陷的形狀假設為數(shù)學上可處理的橢球形。由于大型鍛件的鍛造是在高溫下進行的，材料具有粘性流動的特征，再利用損傷力學中的遠場應力與物體內(nèi)部微觀損傷的力學關系，得到了鍛造過程中外載荷與內(nèi)部空洞體積變化的解析式，進而得到了空洞缺陷閉合的條件。此條件表明應力狀態(tài)將影響空洞的閉合方式，而三向壓應力是空洞閉合的最佳應力狀態(tài)。該條件可直接根據(jù)鍛造水壓機的在線載荷與壓下量計算鍛件內(nèi)部空洞缺陷的閉合情況。

1.4 裂紋

裂紋是大型鍛件最危險的缺陷之一，在鍛造、熱處理、加工過程中，如工藝不當或執(zhí)行工藝過程中操作不當?shù)染鶗е铝鸭y的產(chǎn)生，而裂紋的存在會直接導致產(chǎn)品壽命降低，甚至會導致嚴重事故的發(fā)生。裂紋的產(chǎn)生有很多因素，如因鋼錠缺陷引起的鍛造裂紋，由應力與氫作用產(chǎn)生的氫裂，鋼中有害雜質沿晶界析出引起的裂紋，第二相析出引起的裂紋以及在熱處理過程中因組織應力及熱應力過大產(chǎn)生的裂紋等。對于支承輥來說，由于在軋制過程中軋輥承受著較大的交變應力及接觸應力，裂紋更是致命的缺陷，微小的裂紋即能導致剝落甚至斷輥事故的發(fā)生。因此軋輥使用廠家在使用軋輥時一定確保上機支承輥表面及內(nèi)部無裂紋存在。

2 軋輥剝落概況

發(fā)生剝落事故的精軋支承輥材質為70Cr3NiMo（見表1）。其生產(chǎn)工序為：煉鋼（真空熔煉+真空澆注）→鍛造→鍛后熱處理→粗加工→探傷→調質→半精加工→差溫噴淬→精加工。軋輥直徑?1 250 mm，輥身長度1 700 mm，重23.9 t。該支承輥總共上機6次，總軋制量91 597 km，目前直徑為?1 188.94 mm，在最后一次下機修磨時發(fā)現(xiàn)輥面有小面積剝落，用戶自行人工打磨后缺陷面積增大。

表1 支承輥化學成分

3 現(xiàn)場勘察

3.1 缺陷形貌

剝落部位距輥身端部150 mm，為軋制過程中接觸應力較大位置，也是剝落發(fā)生頻率較高位置。由于缺陷部位已經(jīng)過打磨，并未看清原始剝落形貌。用小錘輕輕敲擊缺陷附近區(qū)域產(chǎn)生的聲音與敲擊其它部位明顯不同，推測缺陷附近存在空殼區(qū)。由于在軋制過程中不可能產(chǎn)生空殼，初步判定為原始缺陷（見圖1）。

圖1 支承輥剝落形貌

3.2 硬度檢測結果

對缺陷周圍進行硬度檢測發(fā)現(xiàn)缺陷周圍硬度最高值為75.1 HSD，最低值為68.5 HSD，其余硬度均在72 HSD左右，硬度分布較均勻（見圖2）。由此排除因軋制事故熱沖擊引起剝落的可能性。

圖2 剝落區(qū)附近硬度

依據(jù)是熱沖擊通常會剝落區(qū)附近引發(fā)硬度起伏現(xiàn)象。因此本次剝落事故非由熱沖擊引起。

3.3 打磨后形貌

對缺陷部位進行進一步打磨至?150 mm時，缺陷仍無法去除，并且在缺陷邊部發(fā)現(xiàn)70 mm長的裂紋。目測缺陷尺寸至少?300 mm（見圖3）。因用戶允許使用缺陷范圍僅為?100 mm，所以局部打磨現(xiàn)已無法滿足用戶使用要求。

圖3 打磨后剝落形貌

4 剝落原因分析及處理

4.1 原因分析及預防措施

（1） 淺層剝落

軋制過程中卡鋼、甩尾等生產(chǎn)事故會導致軋輥表面形成網(wǎng)狀或蜂窩狀裂紋，若不經(jīng)處理繼續(xù)使用，會導致裂紋不斷擴展、連通，最后連通部位就容易發(fā)生剝落，形成小面積掉肉（見圖4）。

圖4 淺層剝落

預防這種剝落形式的方法為制定合理的換輥周期，軋輥修復時確保表面裂紋清除干凈。

（2） 大面積剝落[3]

大面積剝落事故的產(chǎn)生原因有兩種，一是軋輥內(nèi)部原因引起的，二是來自表面裂紋的擴展，擴展過程中的主要特征就是在原始缺陷處沿著與軋輥旋轉方向反向發(fā)展。

內(nèi)部原因引起的剝落 內(nèi)部原因主要包括結合層缺陷、工作層缺陷和加工殘余應力過大等。結合層缺陷通常表現(xiàn)為結合不良 (氣泡、夾渣等)、分層等，工作層缺陷包括夾雜等。工作層分層的缺陷在使用過程中很容易發(fā)展，當發(fā)展到工作層不足以承擔軋制力時就會發(fā)生大面積剝落，造成軋輥完全報廢。對于結合層氣泡、夾渣、工作層內(nèi)夾雜等，有一部分在使用過程中容易在缺陷周圍產(chǎn)生裂紋，當裂紋沿軋輥周向擴展超過一定的限度后，就發(fā)生大面積剝落。

表面裂紋引起的剝落 表面裂紋由于磨削不徹底而殘留，在周期性疲勞應力作用下，裂紋沿一定的角度向輥身內(nèi)部發(fā)展至工作層的某一深度后再沿周向與平行于輥面弧線的方向快速擴展延伸，形成一定寬度和長度的平坦帶狀分層，嚴重時纏繞輥身幾圈，當強度不足承受較大的軋制力時，就會發(fā)生大面積瞬間脆性破裂剝落。雖然此類事故的破壞性很大，但可通過預防裂紋產(chǎn)生來防止發(fā)生；若在檢測時一旦發(fā)現(xiàn)具有此類特性的裂紋，應立即將軋輥停止使用、判廢。

4.2 本次剝落事故原因及處理

通過上文可知軋輥在生產(chǎn)過程的缺陷處往往產(chǎn)生應力集中，軋制過程中在交變應力的作用下，當應力超過材料極限強度時便產(chǎn)生裂紋，裂紋不斷擴展，最終導致剝落。

綜合分析，本次剝落事故是由支承輥內(nèi)部缺陷造成。

因缺陷尺寸?300 mm已經(jīng)超出用戶允許使用的最大尺寸?100 mm，故此支承輥現(xiàn)狀無法上機。處理方法為將輥身缺陷整體車掉，之后對表面進行著色及表面波探傷，確保無缺陷后再上機使用。

5 結語

建議支承輥生產(chǎn)廠家對支承輥的每個制造環(huán)節(jié)進行嚴格的質量控制、檢測與監(jiān)督，杜絕帶缺陷產(chǎn)品出廠。建議支承輥使用廠家制定合理的換輥、磨削制度，引進較先進的檢測手段（如表面波、渦流等），如發(fā)現(xiàn)問題立即與廠家聯(lián)系，以便客觀的分析事故原因并制定解決措施。

[1]趙俊偉,陳學文,史宇麟,張琪.大型鍛件鍛造工藝及缺陷控制技術的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.綜述.2009,4.

[2]任運來，聶紹珉.大型鍛件內(nèi)部空洞缺陷修復的力學條件研究[J].機械工程學報，2006，42（8） :215-219.

[3]王蕊,馬,侯紅娟.軋輥失效原因分析及預防措施.太原科技大學學報.2006,27(9):1673-2057.