鍛鋼冷軋支承輥失效案例分析

宿發(fā)彬

摘要：本文通過分析一起典型的鍛鋼支承輥失效案例，剖析支承輥失效原因和機理，提出預(yù)防措施，降低支承輥失效情況的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：鍛鋼支承輥；失效；預(yù)防措施

一、前言

支承輥是軋機設(shè)備中的重要組成部分，屬于耗材件，正常情況下，支承輥可以一直使用到報廢直徑。良好的現(xiàn)場管理及使用規(guī)范，能有效的提高支承輥的利用率。本文通過一起典型的鍛鋼支承輥失效案例，剖析支承輥失效原因和機理，并如何加強支承輥的使用管理及維護，提出預(yù)防措施，有效降低支承輥失效情況的發(fā)生。

二、現(xiàn)場情況

失效的支承輥材質(zhì)為45Cr4NiMoV，原始直徑為φ1050mm，使用軋機為單機架六輥冷軋機，每次下機支承輥磨削量直徑在1.5mm左右，磨削后進行渦流及超聲波檢測，但沒有探傷記錄。在最后一次下機磨削后發(fā)現(xiàn)輥身存在裂紋，用戶方將裂紋打磨后發(fā)現(xiàn)裂紋無法完全去除。磨削記錄不全，無軋制記錄及本支支承輥的上機記錄。硬度檢測采用不定期抽查檢測，沒有硬度檢測記錄。根據(jù)現(xiàn)場仔細勘察、測量，非字端輥身邊部剝落斷面整體呈扇形（圖1），距端面最大距離350mm，周向1400mm，斷面最深120mm。剝落面上的宏觀形貌相對比較平滑，沒有局部區(qū)域遍布裂紋的碎裂痕跡。結(jié)合支承輥邊部剝落斷口形貌及超聲檢測，斷口的裂紋起源是發(fā)生在該處輥面（圖2），在其他部位未發(fā)現(xiàn)肉眼看見的夾雜及裂紋源擴展的缺陷存在，探傷結(jié)果輥身內(nèi)部質(zhì)量良好。

裂紋擴展呈輕微放射性，沿裂紋擴展方向延伸過來一個平滑的帶狀區(qū)域，該區(qū)域兩側(cè)有一個分界線，分界線及外側(cè)較為粗糙，是一種脆性裂紋快速擴展的疲勞條帶形貌，疲勞條帶上可以看到部分不太明顯的疲勞擴展條紋，分布著比較經(jīng)典的一圈一圈的“貝殼狀”疲勞擴展條紋，貝殼狀條紋指向的裂紋源為輥面。只有疲勞裂紋擴展，擴展速率相對較慢，且張開裂紋的兩個側(cè)面經(jīng)過反復(fù)碾壓才會產(chǎn)生光滑的開裂表面。支承輥淬硬層部分屬于脆性材料，快速

二次擴必然導(dǎo)致邊界線附近以及疲勞條帶兩側(cè)的粗糙形貌。

我公司對一小剝落崩塊進行了組織、夾雜檢測。檢測結(jié)果：組織為回火馬氏體、碳化物，部分碳化物呈長條狀、較粗大，沿原奧氏體晶界有碳化物聚集；夾雜D（球狀氧化物）1.0、DS（單顆粒球狀）1.5。雖然《JB/T 4120-2006 大型鍛造合金鋼支承輥》里未對組織及夾雜物有要求，但根據(jù)檢測結(jié)果可以判定組織正常、夾雜物不超標。同時新炸裂的斷口均無“魚眼”紋路，可以看出支承輥組織良好、無缺陷。

三、原因分析

支承輥的表面裂紋誘發(fā)帶狀疲勞導(dǎo)致大面積剝落的現(xiàn)象是一種典型的支承輥失效形式。該失效形式形成過程在聯(lián)合電鋼的一篇研究文獻中做過討論。該文獻將裂紋擴展過程分成了六個階段。

前3個階段描述的是由表面劃痕和軟點誘發(fā)疲勞裂紋的形成過程。但是，文獻認為疲勞裂紋源的形成比較隨機，劃痕、工作時局部位置超過了回火溫度導(dǎo)致出現(xiàn)軟點、磨削時沒有將軋鋼時形成的表面疲勞裂紋除干凈等任何會導(dǎo)致出現(xiàn)局部表面應(yīng)力集中的因素，均可能誘發(fā)早期疲勞裂紋的出現(xiàn)。

疲勞裂紋一旦形成，受軋輥軋制運動的影響，會向輥身內(nèi)部擴展的同時，沿軋輥周向擴展。軋輥淬硬層內(nèi)部材料的組織、硬度、性能都比較均勻，裂紋擴展的擴展方向大致沿直線或平滑的曲線（第4階段）。一旦裂紋擴展到淬硬層底部，該區(qū)域材料的性質(zhì)變化較大，外部淬硬層材料較硬，而內(nèi)部相對較軟，韌性有所提高并可以容納較大塑性變形而不開裂，從而阻礙裂紋繼續(xù)向深度方向擴展（第5階段）。最后，第6階段，隨著裂紋的擴展，軋輥開裂區(qū)域的承載能力必然逐漸降低，最終導(dǎo)致強度不夠產(chǎn)生大面積剝落。

需要指出的是，這種疲勞失效方式在剝落區(qū)域通常呈現(xiàn)為帶狀的形貌，帶狀區(qū)域較為光滑，常可以看到擴展的疲勞條紋，而帶狀區(qū)域外側(cè)屬于后期裂紋快速擴展的表面，比較粗糙，通?？梢钥吹捷^為明顯的分界。在理想的情況下，這種帶狀區(qū)域可以沿周向延伸很遠。

在國內(nèi)中鋼集團的一篇關(guān)于冷軋輥使用維護檢測的文獻中也提到了關(guān)于表面裂紋擴展引發(fā)大面積剝落的現(xiàn)象，具體文獻可從https：//wenku.baidu.com/view/1636da72a8956bec0875e305.html獲得。

支承輥長期與工作輥滾動接觸，容易在輥面產(chǎn)生疲勞微裂紋。在剝落掉塊發(fā)生以前，這種微裂紋在支承輥使用過程中很難被發(fā)現(xiàn)，也看不到裂紋的擴展情況。如果無輔助的探傷手段，僅靠目視無法檢測這些微裂紋，同時僅靠硬度檢查，無法確保每次下機磨削是否完全去除疲勞硬化損傷層。在支承輥下線修磨時沒有發(fā)現(xiàn)和去除，再次使用時裂紋會急速擴展，造成剝落掉塊。本次事故的裂紋擴展形貌反映出裂紋擴展時間不會太短，因此假如在最后幾次上機前采用超聲探傷手段排查一次工作層內(nèi)的裂紋，應(yīng)該可以提前探測到該裂紋。

由此結(jié)合斷面判斷，確認裂紋從輥面處萌生，主要是邊部應(yīng)力太大產(chǎn)生的疲勞裂紋，疲勞裂紋在頻繁的交變沖擊載荷作用下誘發(fā)的裂紋，引起支承輥局部剪切應(yīng)力增大而屈服，最終導(dǎo)致強度不夠而開裂，所引起裂紋在剪切應(yīng)力作用下，急速擴展至組織過渡的淬硬層底部，裂紋在淬硬層底部擴展方向轉(zhuǎn)為周向，沿周向擴展到一定程度發(fā)生大面積剝落。裂紋擴展形貌具備典型的帶狀疲勞特征，基于以上，可以認定本次剝落事故的性質(zhì)屬于表面疲勞裂紋擴展導(dǎo)致大剝落。

經(jīng)查閱該支承輥質(zhì)量檔案及生產(chǎn)記錄，該支承輥符合技術(shù)要求，并未發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題?，F(xiàn)場探傷檢測剝落區(qū)與其他位置無缺陷的結(jié)果，也確認了這一點。因此，一重認為此輥的剝落應(yīng)為軋制過程中或存在異常情況，或者由于疲勞層未除凈所造成的裂紋，在每次下機磨削后沒有完全消除表面裂紋，使裂紋逐步向內(nèi)擴展所致。

四、預(yù)防措施

1.建立健全支撐輥的上機制度，加強支承輥的日常維護及使用。

2.提高無損檢測人員的業(yè)務(wù)水平，及時發(fā)現(xiàn)支承輥磨削后未消除的表面或淺層裂紋。

參考文獻

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[2]傅祥炯.結(jié)構(gòu)疲勞與斷裂.西北工業(yè)大學出版社，1995

[3]鐘群鵬，田永江.失效分析基礎(chǔ)與應(yīng)用.北京：機械工業(yè)出版社，2005

（作者單位：中國第一重型機械股份公司）