φ400mm驅(qū)動(dòng)輥斷裂原因分析

沈靜雯，陳華

驅(qū)動(dòng)輥是立式連鑄生產(chǎn)線拉矯機(jī)單元的重要部件，材質(zhì)為德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)21CrMoV5-11，其常規(guī)制造工藝流程為：冶煉→鍛造→退火→粗車→調(diào)質(zhì)→半精車→堆焊→除應(yīng)力→精加工→磨削。某鋼廠立式連鑄機(jī)驅(qū)動(dòng)輥在投入使用早期發(fā)生斷裂，斷裂處為輥頸與輥身過(guò)渡圓弧處（見(jiàn)圖1）。通過(guò)對(duì)斷輥的輥頸、輥身進(jìn)行理化檢驗(yàn)，分析斷裂原因，為后續(xù)21CrMoV5-11材質(zhì)驅(qū)動(dòng)輥質(zhì)量的穩(wěn)定提供了有效保障。

1.理化檢驗(yàn)

（1）化學(xué)成分分析 對(duì)斷輥輥頸與輥身取樣并進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表1，材料各元素含量滿足技術(shù)要求。

（2）力學(xué)性能測(cè)試 在輥頸、輥身分別取樣進(jìn)行常溫拉伸、彎曲、常溫沖擊等性能檢測(cè)，得出較高的抗拉強(qiáng)度及較低的沖擊值，見(jiàn)表2。

圖1

圖2

圖3

（3）金相檢驗(yàn) 斷口處（見(jiàn)圖2、圖3）經(jīng)電子顯微鏡觀察后為準(zhǔn)解理斷口，類屬于解理斷裂，為脆性斷裂的一種。對(duì)斷裂處即輥頸與輥身圓弧過(guò)渡存在環(huán)狀裂紋處進(jìn)行觀察（見(jiàn)圖2），裂紋深度方向觀察到圓弧處存在多處腐蝕坑，裂紋起源于這些腐蝕坑之一（見(jiàn)圖3）。

分別將輥頸（φ200mm）、輥身（φ400mm）切片取樣，經(jīng)1:1工業(yè)鹽酸熱蝕后，按GB/T1979—2001中的評(píng)級(jí)圖三評(píng)定輥頸一般疏松為1.5級(jí)，在低倍試片上取樣做高倍分析（見(jiàn)圖4）；按評(píng)級(jí)圖四評(píng)定輥身一般疏松為1.5級(jí)，并且整個(gè)試面存在粗晶現(xiàn)象，在粗晶較嚴(yán)重部位取樣做高倍分析（見(jiàn)圖5）。

對(duì)輥頸、輥身低倍試片上所取試樣做高倍分析。經(jīng)磨制、拋光后觀察，夾雜物情況正常；經(jīng)4%硝酸酒精浸蝕后觀察組織，輥頸組織分布略不均勻，組織為回火索氏體（見(jiàn)圖6、圖7）；輥身組織較粗且組織粗細(xì)分布極不均勻，組織為回火索氏體（見(jiàn)圖8、圖9）。

2.斷裂原因分析

輥身與輥頸圓弧過(guò)渡處為驅(qū)動(dòng)輥應(yīng)力集中區(qū)，該區(qū)域表面粗糙度、內(nèi)部組織、力學(xué)性能的任何缺陷都將可能導(dǎo)致輥頸斷裂失效的發(fā)生。

理化檢測(cè)結(jié)果表明：該斷輥輥頸化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織均合格，但輥身的沖擊吸收能量低，抗拉強(qiáng)度較高，組織粗細(xì)極不均勻；由宏觀檢查分析，解理斷裂在金屬斷裂事故中是經(jīng)常遇到的，多是由于工藝不正確或在運(yùn)行中的環(huán)境、溫度不適當(dāng)都有可能使材料變脆發(fā)生斷裂。

由此，斷裂原因主要由于輥身強(qiáng)度太高，韌性較低，形成原因如下：

圖4

圖5

圖6 輥頸組織（200×）

圖7 輥頸組織（500×）

表1 斷輥化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 斷輥力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

（1）熱加工不當(dāng) 在軋制過(guò)程中，未能將粗大晶粒破碎或加熱溫度過(guò)高，高溫區(qū)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，以及鍛軋變形量不夠等原因，都會(huì)造成粗晶。原奧氏體晶粒對(duì)材料的工藝性能、力學(xué)性能及熱處理有重大影響，粗大奧氏體晶粒冷卻后獲得粗大的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，其塑性、韌性都會(huì)變差。

（2）淬火加熱溫度過(guò)高或保溫時(shí)間太長(zhǎng) 淬火加熱溫度過(guò)高及保溫時(shí)間長(zhǎng)都會(huì)導(dǎo)致奧氏體晶粒長(zhǎng)大，后續(xù)給組織造成遺留問(wèn)題，回火后組織保留粗大組織形態(tài)，導(dǎo)致材料抗拉強(qiáng)度偏高，相對(duì)脆性加大，沖擊韌度降低。

（3）使用環(huán)境差 驅(qū)動(dòng)輥圓弧過(guò)渡處存在多處腐蝕坑，說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)有腐蝕物質(zhì)對(duì)該處進(jìn)行作用。

（4）產(chǎn)品設(shè)計(jì)欠缺 作為輥?zhàn)又幸仔纬蓱?yīng)力集中的部位，過(guò)渡圓角的大小也直接影響到輥?zhàn)拥氖褂脡勖?/p>

3.結(jié)論與建議

（1）對(duì)原材料進(jìn)行金相檢驗(yàn)，避免原始組織遺留問(wèn)題。

（2）在熱處理過(guò)程中降低淬火溫度，縮短保溫時(shí)間。

（3）確保驅(qū)動(dòng)輥使用環(huán)境，例如在過(guò)渡圓弧處涂抹防銹油劑等方法。

（4）確保設(shè)計(jì)的合理性，加大輥身與輥頸過(guò)渡圓弧，以減少因設(shè)計(jì)不當(dāng)而造成的應(yīng)力集中。

圖8 輥身組織（200×）

圖9 輥身組織（500×）