軋輥服役損傷行為及失效機制研究

陳　星，劉新靈，陶春虎，李志忠

(1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2. 航空工業(yè)失效分析中心，北京 100095；3.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095；4.材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095；5.安徽威龍再制造科技股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

0　引言

軋輥是軋鋼機上的關(guān)鍵零件，采用成對或成組軋棍模式，利用滾動時產(chǎn)生的擠壓力來軋碾或軋制鋼材。工作時主要承受軋制時溫度變化、動靜載荷和磨損的影響。目前，一般軋輥工作溫度為600～800 ℃，在約450 MPa應(yīng)力的工作環(huán)境下連續(xù)工作，每2年進行一次大修，修理期為20 d，每年進行一次中修，修理期為10 d。每次長時間的維修所需的費用巨大，大大影響生產(chǎn)效率和浪費資源，并影響生產(chǎn)進度并嚴重影響經(jīng)濟效益，與國外有些軋輥能使用10年之久相比相差甚遠。

一方面軋輥長時與加熱扎材接觸，需承受加熱扎材循環(huán)的加熱和冷卻，承受較大的由于冷熱引起的熱疲勞作用；另一方面，軋制零件對軋輥的反作用力，使得軋輥承受巨大軋制力和摩擦力。因此，對軋輥的要求主要表現(xiàn)為熱膨脹系數(shù)低、抗氧化性高、耐磨等特點。外場使用結(jié)果和大量文獻顯示，軋輥的主要失效模式為剝落與開裂紋。各工況下的失效模式均會使得軋輥大大縮短壽命，無法保證軋材生產(chǎn)質(zhì)量，甚至引發(fā)災(zāi)難性后果。導(dǎo)致軋輥失效的因素眾多，涉及到軋輥從設(shè)計到維修的全過程，因此，結(jié)合軋輥服役損傷行為研究，分析其損傷失效機制，給出軋輥失效的主要影響因素，對工程上研究軋輥的失效形式對優(yōu)化成分、控制顯微組織、降低成本、延長維修周期、維修評價等有重要的意義[1-3]。

1　軋輥結(jié)構(gòu)、使用工況和工作原理

軋鋼是通過旋轉(zhuǎn)軋輥間改變鋼錠形狀的加工形式，不僅可獲得需要的形狀，還可通過變形改善鋼材的內(nèi)部質(zhì)量，如各種鋼板、鋼筋、汽車板、鍋爐鋼等。

軋輥的形狀通常為圓柱形，輥面表面粗糙度Ra為0.4～0.6，軋輥使用周期(24 h連續(xù)生產(chǎn))為3～24個月，軋輥軋制產(chǎn)量為20～45萬t。軋輥的直徑為300～1 500 mm，長度為300～2 800 mm。軋輥材料為鍛鋼，通常材質(zhì)為9Cr2Mo、Cr12MoV、9CrW、42CrMo、Cr15等高硬度不銹鋼，質(zhì)量為0.5～20 t。輥面與輥頸不相連接，輥面與輥邊需進行(3～10)mm×(3～10)mm×45°倒角處理。輥頸與輥邊進行圓角處理，圓角半徑10～25 mm。

軋輥工作溫度600～800 ℃，在約450 MPa應(yīng)力的工作環(huán)境下連續(xù)工作，載荷(自重)約20 t。每年進行一次修理期為10 d的中修，每2年進行一次修理期為20 d的大修。平均軋制5 000 t更換一次軋輥，更換時間2 h，之后調(diào)試需要30 min。軋輥軋鋼生產(chǎn)工藝流程：鋼坯→加熱→粗軋→切頭→中軋→切頭→預(yù)精軋→切頭→精軋→水冷→集卷→質(zhì)檢→入庫。

2　軋輥的服役損傷行為

根據(jù)軋輥服役過程及原理，其使用過程中經(jīng)歷高溫、大摩擦應(yīng)力、振動等工況，失效的主要形式有[1-3]：1)剝落：軋輥首要損壞形式為剝落，大量的軋輥損壞、甚至報廢都是由剝落引起的。軋制過程中，軋輥輥面局部大應(yīng)力和升溫，使得被軋制金屬與軋輥表面發(fā)生焊合，裂紋首先發(fā)生在次表面，然后以大面積的沿晶或穿晶形式進入硬化層，在后續(xù)軋制條件下逐漸擴展、延伸，形成大面積的剝落坑或掉塊，造成剝落損傷，隨后又發(fā)生碾壓磨損[4-5]。2)裂紋：軋輥裂紋最多表現(xiàn)為表面或淺層裂紋，往往是由于溫度循環(huán)產(chǎn)生的熱交變應(yīng)力所造成的破壞。軋制時當溫度較高時，表現(xiàn)為燒蝕或高溫沿晶開裂。當軋輥承受冷熱交替的交變應(yīng)力時，輥面產(chǎn)生應(yīng)變變形，在熱循環(huán)應(yīng)力及塑性應(yīng)變的綜合作用下產(chǎn)生熱疲勞裂紋，并在應(yīng)力作用下發(fā)生擴展[1-7]。3)斷裂：軋輥的斷裂事故往往猝不及防，有些疲勞斷裂毫無征兆，缺乏有效監(jiān)測手段，此時帶來的不僅是軋輥發(fā)生斷裂，其配套設(shè)備也可能隨之損壞，軋輥斷裂部位主要集中在輥身、輥頸處，輥身側(cè)面與輥頸交界圓弧過渡處。因軋制鋼的品種和表面處理差異，斷裂部位和表現(xiàn)形式所占比例也不盡相同。斷裂失效模式主要包括過載斷裂和疲勞斷裂。除了以上主要的失效形式外，當防護效果較差時，腐蝕也不可避免發(fā)生，當外載荷突然增大時，軋輥也會發(fā)生彎曲變形或過載斷裂。

3　軋輥棍面剝落失效機理

良好的軋制工藝在軋輥表面形成一層銀灰色或淺藍色較薄的保護輥面氧化膜，對于提高軋件表面質(zhì)量十分重要，在軋制力的反復(fù)作用下，造成氧化膜沿碳化物周圍產(chǎn)生微裂紋；當軋輥冷卻能力不足時，輥面很難形成致密的氧化膜，即使形成氧化膜也會很快惡化。當軋制工藝不合理時，其氧化膜在生成過程中迅速被破壞直至脫落，在輥面留下帶狀流星斑等缺陷，造成輥面粗糙度升高甚至存在高差，磨損量增大[1-3]。輥面損傷主要包括疲勞剝落、表面裂紋、異常磨損等[4,6]。一般來說，軋輥靠中間主承力部分為主要接觸區(qū)域，對應(yīng)的磨損量也更大，而兩端的磨損量相對較小，當磨損到一定量時，輥身兩端的局部接觸應(yīng)力最大，造成兩端由于接觸剪切應(yīng)力的異常增加，在交變應(yīng)力的反復(fù)作用下，局部材料損傷弱化，形成微裂紋不斷擴展。該種情況為軋制應(yīng)力起主要作用，造成支撐輥兩端發(fā)生剝落。以應(yīng)力主導(dǎo)的剝落起源分為表面起源或次表面起源，取決于應(yīng)力大小、表面粗糙度或雜質(zhì)引入等，次表面起源的疲勞剝落實質(zhì)是接觸疲勞剝落。當疊加溫度的影響，且溫度還占主導(dǎo)作用時，首先在棍面上產(chǎn)生網(wǎng)狀沿晶裂紋，若后期未能得到及時打磨消除，在巨大的軋制壓力和摩擦力作用下，微裂紋迅速擴展，輥身材料被擠碎，形成輥面掉渣，在淬火層與軋輥內(nèi)部金屬交界面處分離，則發(fā)生剝落或爆皮[8-9]。圖1給出了典型的剝落裂紋及剝落形貌。

圖1　典型剝落裂紋及剝落形貌Fig.1　Typical appearances of fatigue flaking

引起軋輥剝落主要原因為內(nèi)部原因、表面裂紋、表面硬度、表面粗糙度、軋制應(yīng)力、冷卻效果等。

1)內(nèi)部原因主要包括結(jié)合層缺陷和加工殘余應(yīng)力過大等。結(jié)合層缺陷通常表現(xiàn)為結(jié)合不良、分層、夾渣、夾雜、脆性相等。對于結(jié)合層內(nèi)部存在缺陷時，特別當缺陷離表層較近或缺陷尺寸較大時，此時缺陷局部存在應(yīng)力集中或應(yīng)變不協(xié)調(diào)，往往成為剝落疲勞源，進而產(chǎn)生微裂紋，并沿軋輥周向擴展，當擴展超過一定限度后，就發(fā)生大面積剝落。軋輥表面工作層的淬火殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，殘余應(yīng)力越大，在工作應(yīng)力不變的前提下，應(yīng)力比值越大，裂紋就越容易擴展而引起疲勞剝落，殘余應(yīng)力的產(chǎn)生在生產(chǎn)中必然存在，主地要預(yù)防措施是在軋輥制造過程中控制加工變形量和熱處理后的奧氏體含量，將熱處理后的軋輥應(yīng)力控制在安全范圍內(nèi)[8-9]。某高速軋鋼機軋輥在離心鑄造過程中存在嚴重的成分偏析[7]，在隨后熱處理過程中形成孔洞及裂紋等缺陷，并在工作過程中發(fā)生了剝落(圖2)[8]。2)表面裂紋。軋輥表面裂紋由于磨削不徹底而殘留(圖3)，在疲勞應(yīng)力作用下，裂紋沿一定的角度向輥身內(nèi)部發(fā)展直至一定深度，隨后沿周向與平行于輥面弧線的方向擴展，形成一定寬度和長度的平坦帶狀分層，當強度不足以承受較大的軋制力時發(fā)生剝落。此類事故的破壞性很大，若檢出應(yīng)立即停止軋輥使用。3)表面硬度、表面粗糙度。當軋輥表面硬度較低時，該區(qū)域抗磨損性能降低，對應(yīng)的磨損程度加重，逐漸發(fā)展成應(yīng)力集中區(qū)，從低硬度區(qū)域萌生裂紋并擴展，直至碎屑剝落，與軸承或齒輪表面磨削燒傷的后續(xù)失效現(xiàn)象和機理類似。軋輥表面粗糙度存在異常時，對應(yīng)的摩擦接觸面積不均，粗糙度大的軋輥表面接觸面積小，承受的應(yīng)力較大，也容易成為剝落的疲勞源區(qū)。4)軋制應(yīng)力和冷卻效果。影響金屬表面接觸疲勞的兩個重要因素為接觸應(yīng)力和冷卻效果，例如軸承接觸疲勞剝落也是如此。在接觸表面正壓力和摩擦力的作用下，產(chǎn)生局部塑性變形，使得表面塑性區(qū)及其周圍溫度升高，當金屬表面油膜發(fā)生破壞，兩物體表面接觸不連續(xù)，冷卻效果不良時，弱化金屬表面的力學性能，降低其疲勞強度，導(dǎo)致金屬構(gòu)件的接觸疲勞裂紋的萌生和擴展，當裂紋逐漸擴展直至斷裂產(chǎn)生薄片狀磨屑[9]。

摩擦學可理解軋輥磨損為宏、微觀尺寸的變化。磨損失效表面狀態(tài)較差，像磁粉或熒光檢測效果一般較差。目前，針對磨損度的檢測方法主要有超聲檢測和渦流檢測。測量精度上均可達到工程要求，但在線檢測受環(huán)境的影響其可靠度和精度受到較大的影響。目前，開發(fā)高靈敏度、抗干擾和在線智能化的軋輥磨損度檢測技術(shù)前景廣闊。軋輥磨損損傷模型可通過統(tǒng)計大量的外場損傷數(shù)據(jù)，擬合獲得典型的損傷計算方法，給出軋輥服役過程中實際的磨損量及磨損量沿輥身的分布。結(jié)合實際軋輥使用參數(shù)進行修正，從理論和實際上提供磨損的數(shù)據(jù)，為制造和調(diào)整軋輥表面耐磨性及表面硬度范圍提供依據(jù)，甚至可以對后續(xù)的剩余壽命反推提供支持[8-9]。

圖2　軋輥局部成分偏析[8]Fig.2　Local composition segregation of rollers

圖3　磨削裂紋導(dǎo)致后續(xù)的剝落Fig.3 Fatigue flaking resulting from grinding cracks

4　軋輥斷裂失效機理研究

軋輥結(jié)構(gòu)為中間粗兩端細，過渡處存在圓弧過渡。軋輥常見的斷裂位置有軋輥輥頸兩側(cè)的接軸端處，輥身與輥頸的圓弧過渡區(qū)處，輥頸鍵槽根部處，甚至在棍身也發(fā)生過斷裂等。目前統(tǒng)計服役軋輥斷裂性質(zhì)主要分為過載和疲勞。影響軋輥斷裂的因素很多，其中包括軋輥材料的組織缺陷、鑄造缺陷、設(shè)計缺陷，以及軋制力、傳動力矩、沖擊載荷超過軋輥承受極限等。輥頸作為軋輥最薄弱的環(huán)節(jié)，是軋輥最大的應(yīng)力集中位置，軋制力和軋制力矩過大是軋輥輥頸根部疲勞和扭斷斷裂的主要原因。輥頸根部斷裂，也可能是由于軋輥根部圓角半徑過小、直徑變化突然造成應(yīng)力集中，或是軸承溫度過高所致。當輥頸發(fā)生扭斷斷口呈45°或平齊斷口，則更多的是由于所傳遞的扭矩超出工作輥輥頸的設(shè)計載荷。組合軋輥同時從輥頸處斷裂的原因則是由于軋輥承受了超負荷的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。軋輥斷裂可從內(nèi)因、外因分別進行分析。1)內(nèi)因：軋輥芯部和表面組織不正常(滲碳層脆性大、局部偏析、折疊、疏松等)，存在組織缺陷，導(dǎo)致機械性能降低，在熱應(yīng)力作用下，當所受軋制應(yīng)力超過材料抗拉強度時，在近表面或內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋和裂紋擴展，最終軋輥發(fā)生斷裂。表面或近表面的冶金缺陷往往會成為疲勞裂紋的萌生點，在軋制應(yīng)力和溫度的環(huán)境下，沿最大主應(yīng)力方向擴展直至斷裂。當軋輥內(nèi)部殘余應(yīng)力和晶粒直徑較大時，易發(fā)生脆性斷裂。因此，軋輥發(fā)生斷裂的內(nèi)因主要是其內(nèi)部組織異常。雖然目前服役軋輥表現(xiàn)出的斷裂失效模式主要為過載和疲勞，但由于軋輥均為高硬度不銹鋼，其氫脆和應(yīng)力腐蝕的敏感性也相應(yīng)提高。因此，在軋輥的生產(chǎn)過程中，避免一味追求高強度、高硬度的材料，而引發(fā)其他一些不必要的故障和損失。2)外因：軋輥在高于疲勞極限或抗拉強度的情況下工作，會發(fā)生疲勞斷裂和過載斷裂。當軋輥承受較大載荷，疊加熱應(yīng)力的作用，會直接形成疲勞源或首先形成大面積的小裂紋，在后續(xù)的生產(chǎn)過程中主要是承受交變應(yīng)力作用發(fā)生機械疲勞斷裂。在實際生產(chǎn)中，只有當軋機發(fā)生事故、軋制力異常增大等情況下，才可能出現(xiàn)瞬間斷裂，其斷口呈周向剪切特點，斷口邊緣可能存在塑性變形，磨損較重，微觀呈剪切韌窩特征，瞬斷區(qū)位于構(gòu)件的中部，微觀往往呈等軸韌窩。因此，軋輥斷裂的外因主要是軋制應(yīng)力和冷卻效果[8-9]。

軋輥使用4年時在根部圓角R處發(fā)生斷裂(國外件一般使用20年)[8]，斷口上有多個疲勞源，疲勞源位于軋輥的表面或次表面。結(jié)果表明，軋輥在較大的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下，疲勞裂紋從軋輥軸徑過渡圓角處等應(yīng)力集中區(qū)域開始萌生和擴展，軋輥材料部分元素(Cr、Mo)含量超標，軋輥表面硬度比標準規(guī)定的低(表面硬度為HRC 34，遠低于正常硬度HRC 48)，材料中存在較多彌散分布的Al2O3、MnS等夾雜，夾雜物嚴重超標(圖4)。

圖4　軋輥輥頸斷口及內(nèi)部夾雜物形貌Fig.4　Fracture of roller neck and appearance of internal inclusions

5　軋輥棍面裂紋失效機理研究

支撐輥與工作輥接觸寬度處于兩端，當冷卻效果較好時，支承輥的溫差反映不明顯。而工作輥主要與高溫軋件接觸，工作時其棍面溫度可升高到600～800 ℃，當冷卻水循環(huán)加入時，棍面溫度又迅速下降到150 ℃以下。在周期性的冷熱循環(huán)作用下將產(chǎn)生溫度交變應(yīng)力，此時再疊加軋制壓力、軋制壓力引起的彎曲變形，在以上因素的綜合作用下，棍面表面在塑性變形區(qū)域產(chǎn)生微裂紋，當微裂紋延伸至軋輥表面，即形成可見的表面熱裂紋。這種裂紋萌生以網(wǎng)狀形式分布于整個軋輥表面，深度較淺，通常不足2 mm，斷口表現(xiàn)高溫沿晶特征，斷面有時可見典型的棕色或黃色。在后續(xù)的軋制工作過程中，如果不及時采取措施進行維護，大量的表面淺裂紋將成為疲勞源，在機械力、熱應(yīng)力等多種作用力的綜合影響下超過材料的疲勞極限，微裂紋會繼續(xù)擴展，往基體內(nèi)部延伸，直至導(dǎo)致軋輥斷裂，因而需要采取對應(yīng)的措施進行控制。針對引起棍面表面裂紋的影響因素，降低熱裂紋的出現(xiàn)概率，一方面從控制冷卻水量、合理分布冷卻水等方面進行改進，另一方面從降低接觸應(yīng)力方面進行優(yōu)化，例如控制軋輥表面殘余應(yīng)力、接觸面的幾何形狀、調(diào)整支承輥和工作輥間距等[5-6]。當然，對軋輥本身由于磨削引起的材質(zhì)弱化、軋制材質(zhì)特性引起的裂紋，也應(yīng)加以控制。同時要嚴格控制軋輥的使用周期，避免軋制量過多而引起的超壽命使用[8-9]。除了以上典型的網(wǎng)狀熱裂紋外，軋輥表面還存在其他形式的裂紋，如在軋制時因打滑、粘鋼等現(xiàn)象的發(fā)生，造成輥面局部溫度升高而產(chǎn)生熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，及軋輥表面發(fā)生滑動摩擦和粘著磨損，此時相對運動的棍面金屬發(fā)生材料轉(zhuǎn)移和粘連，材料軟化和粘連區(qū)域結(jié)合力較差，當應(yīng)力值超過粘連區(qū)域材料強度極限時便產(chǎn)生剪切裂紋，在輥身表面局部形成有一定深度和寬度的剪切過載裂紋[1-9]。

6　軋輥服役損傷預(yù)防措施

針對軋輥的服役損傷特點，其表現(xiàn)形式主要包括斷裂、剝落和裂紋，且各失效模式互相之間還存在較多的關(guān)聯(lián)性，可從材料、使用工況、檢測等方面進行預(yù)防和控制[10-12]。1)在軋輥基體與硬化層之間采用過渡層，緩沖軋制應(yīng)力，嚴禁出現(xiàn)沖擊載荷；選用與基體材料相適應(yīng)的抗腐蝕、耐磨損材料作為輥面硬化層；對輥面硬化層進行有效的熱處理，保證輥面硬化層的硬度和厚度；對輥筒側(cè)面與輥頸交接處進行圓角處理[13-15]；2)調(diào)整軋制厚度與速度，保證軋制均勻性；保證軋制溫度，減少軋制溫度波動；減少開機啟動次數(shù)，保證生產(chǎn)軋制連續(xù)性[16-18]；3)軋輥作為關(guān)鍵零件，對表面或近表面裂紋和缺陷較為敏感，使用之前的渦流檢測是必要的，除此之外，渦流檢測還可作判斷軋輥合格以后的臨界值標尺，在后續(xù)工作過程中作為軋輥能否使用的一個判據(jù)。軋輥維修磨削后需進行詳細檢測，除了渦流檢測外，還可采用超聲波表面波探傷、相控陣、巴克豪森法、甚至酸洗燒傷檢查等，以確定是否存在燒傷區(qū)。工作時，一旦發(fā)生卡鋼、粘鋼等事故后須立即停止工作，檢測兩側(cè)軋輥的表面狀況，若存在異常，需將帶裂紋或損傷區(qū)域打磨掉后再工作，避免帶裂紋工作，影響生產(chǎn)質(zhì)量，降低軋輥使用壽命[19-21]；4)一般軋輥維修采用焊接或等離子噴涂層等方式，見圖5。為了提高軋輥表面涂層的抗熱沖擊性能、延長其高溫條件下的使用壽命，采用CO2激光器對軋輥表面等離子噴涂熱障涂層進行重熔處理，經(jīng)激光重熔后，涂層孔隙、裂紋明顯減少，涂層質(zhì)量明顯提高[22-24]。

圖5　軋輥修理前后形貌Fig.5　Before and after repair of roller

7　結(jié)束語

軋輥服役損傷失效行為主要有剝落、裂紋、斷裂，各損傷失效機制均為制造、使用以及兩者綜合作用的結(jié)果。其中，剝落是由局部大應(yīng)力和升溫所導(dǎo)致，微裂紋產(chǎn)生于次表面并擴展形成剝落坑；裂紋是熱循環(huán)應(yīng)力及塑性應(yīng)變等因素作用的結(jié)果；斷裂大多是承受較大外載荷作用，并在軸頸應(yīng)力集中處發(fā)生的失效。針對軋輥的不同失效機制分別進行工藝改進和制定合理維修周期，采用科學有效的檢測手段，為有效使用軋輥、提高軋輥使用壽命提供了依據(jù)。

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