高鉻鑄鐵軋輥輥身中間斷裂原因分析

張 杰，李紅宇

（唐山鋼鐵集團重型機械裝備有限公司，河北唐山 063000）

我公司為唐山港陸鋼鐵板帶鋼1250線生產(chǎn)的-支F2精軋機架φ653×1 450離心鑄造高鉻鐵軋輥在上機使用軋制第二塊鋼時發(fā)生斷裂見圖1，斷裂位置位于輥身中間靠近上輥徑位置，斷口如圖2所示。經(jīng)過了解，此生產(chǎn)線當時正在軋制普通板材Q195L，發(fā)生事故時軋輥直徑為φ649 mm，報廢直徑為φ603 mm，斷裂軋輥為上輥，斷輥位置位于輥身中間靠近上輥徑位置，斷口不規(guī)則，組織致密均勻，無縮孔、夾渣等鑄造缺陷。

為了找出軋輥斷裂的原因，一方面對生產(chǎn)工藝、檢驗的各個環(huán)節(jié)做了認真調(diào)查，均未發(fā)現(xiàn)異常；另一方面對該輥進行了比較全面的理化檢驗分析及金相對比。根據(jù)斷裂宏觀特征，未發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋擴展區(qū)，也未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋起源，故拉回從本體取樣，做化學成分分析及金相檢測，重點看化學成分、夾雜物、金相組織有無異常。

圖1 斷裂軋輥

圖2 斷裂軋輥斷面

1 軋輥生產(chǎn)

1.1 軋輥工藝

軋輥在生產(chǎn)過程中要有指導生產(chǎn)的文件，也就是軋輥工藝，通過規(guī)定各個環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)控制指標，可以更好地指導生產(chǎn)，便于生產(chǎn)出質(zhì)量合格的產(chǎn)品，表1為軋輥在生產(chǎn)過程需要達到的工藝參數(shù)要求，是指導生產(chǎn)的關(guān)鍵指標。

1.2 過程參數(shù)

表2為過程參數(shù)，是在實際生產(chǎn)過程中記錄的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，便于對整個生產(chǎn)過程進行把控，同時在出現(xiàn)質(zhì)量問題的時候還可以作為分析問題的依據(jù)，是軋輥生產(chǎn)過程中比較關(guān)鍵的一環(huán)。從過程參數(shù)控制情況看，均符合工藝要求。

2 取樣檢驗結(jié)果

2.1 輥身部位化學成分及硬度

在輥身部位取試樣，做光譜分析，成分如表3所示。對輥身部位硬度檢測結(jié)果見表4.從表3可以看出，化學成分都在要求范圍內(nèi)；從表4可以看出，輥身部位硬度也符合要求。

2.2 金相組織

在輥身部位取試樣做金相組織分析，圖3為未浸蝕的外層金相照片，圖4為浸蝕外層金相照片，圖5為浸蝕后中間層金相照片，圖6為浸蝕后內(nèi)層金相照片。從圖4、圖5、圖6可以看出高鉻鑄鐵軋輥外層金相組織為索氏體+馬氏體+二次碳化物+殘余奧氏體，中間層金相組織為索氏體+少量珠光體+少量碳化物+少量石墨，芯部組織為珠光體+鐵素體+球狀石墨，組織情況良好，芯部由于存在一定數(shù)量的鐵素體，強度可以保證。

表1 大離心復合軋輥鑄造工藝卡

表2 過程參數(shù)

表3 軋輥化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

表4 軋輥硬度檢測情況

軋輥外層非金屬夾雜物符合規(guī)定，并達到2級以下，并無異常。

圖3 外層金相照片（X100未浸蝕）

圖4 外層金相照片（X100浸蝕）

圖5 中間層金相照片（X100浸蝕）

圖6 內(nèi)層金相照片（X100浸蝕）

2.3 抗拉強度

從廠家拉回的斷輥下輥頸取抗拉試棒，按《GB 6397金屬拉伸試樣試驗》標準準備試樣，按《GB/T 228-2002金屬拉伸試驗法》進行拉伸試驗，拉3支，取平均值，抗拉強度470 MPa，符合廠家要求。

2.4 輥身殘余奧氏體和殘余應(yīng)力

用X射線應(yīng)力測定儀對輥身殘余奧氏體和殘余應(yīng)力進行測定，測定結(jié)果見圖7.

圖7 殘奧報告殘余奧氏體和殘余應(yīng)力分析報告

圖7 表明輥身殘余奧氏體含量在1.1%以下，完全滿足外層小于等于3%的要求，殘余應(yīng)力也不高，在+200 MPa到-400 MPa之間，說明軋輥經(jīng)過斷裂后殘余應(yīng)力有一定的釋放。

2.5 軋輥切片及過渡層金相檢測

對斷裂軋輥輥身、中間層、芯部進行切片，做150×20×20試塊，如圖8所示，通過對比發(fā)現(xiàn)中間層寬度基本在50 mm左右，而工藝設(shè)計40 mm，外層設(shè)計工作層厚度76.5 mm，實際40 mm～45 mm，回熔量在31.5 mm～36.5 mm之間，芯部熔中間層在13.5 mm～18.5 mm之間，說明中間層熔外層較多，通過手持式光譜儀測試成分，外層Cr的質(zhì)量分數(shù)為17.6%，中間層Cr的質(zhì)量分數(shù)為10%左右，芯部Cr的質(zhì)量分數(shù)為0.3%左右，說明芯部含Cr正常。

圖8 軋輥試塊

軋輥輥身、中間層、芯部標準金相圖如圖9、圖10、圖11所示。對斷裂軋輥輥身做連續(xù)金相，如圖12所示。可以看出：中間層與芯部過渡區(qū)無明顯貧碳區(qū)，由于芯部碳比較高，與中間層石墨鋼混溶后隨含碳量升高，碳化物有一個明顯的聚集區(qū)，碳化物大面積析出，隨著碳的減少，緊接著有一個明顯的貧碳區(qū)分布，但從圖12金相上看，不明顯。

從標準金相上來看，圖9結(jié)合情況最好，在結(jié)合部位有一個明顯的貧碳區(qū)分布，而圖10、圖11在貧碳區(qū)存在著大量的碳化物，所以會造成結(jié)合部位強度低，圖12是實際生產(chǎn)軋輥的結(jié)合層情況，基本介于結(jié)合良和結(jié)合差之間，說明結(jié)合不好，回溶過多。

2.6 軋輥的熱處理

軋輥的熱處理采用低溫退火熱處理，分兩段處理，可以比較完全地削除在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，通過殘余應(yīng)力分析也可以看出，軋輥的殘余應(yīng)力并不高。

3 軋輥斷裂原因分析

此支軋輥是在使用前期發(fā)生斷裂，剩余軋輥直徑比較大，從斷口情況看，組織良好，無縮松縮孔及夾渣缺陷，排除因存在缺陷造成使用過程中應(yīng)力集中裂紋擴展造成斷裂的可能。查化學成分及現(xiàn)場記錄均無異常，金相組織良好，硬度及抗拉強度指標符合廠家要求。通過對斷裂軋輥切片做實驗室金相，發(fā)現(xiàn)中間層較設(shè)計厚10 mm，設(shè)計40 mm，實際50 mm，中間層對外層回溶較大，達到了30 mm以上，按理論設(shè)計回溶應(yīng)控制在20 mm左右，通過手持式光譜，測外層、中間層、內(nèi)層，確實存在中間層滲Cr過多的情況，通過與標準金相圖譜對比發(fā)現(xiàn)，中間結(jié)合部位金相介于圖10與圖11，說明結(jié)合一般，此種接合會造成中間層滲Cr過多，形成大量的碳化物，造成中間層強度的降低，在軋鋼過程中中間層結(jié)合部位由于受到熱應(yīng)力、機械應(yīng)力的作用超過強度極限率先產(chǎn)生裂紋，裂紋擴展后瞬間產(chǎn)生斷開。

圖9 結(jié)合優(yōu)

圖10 結(jié)合良

圖11 結(jié)合差

圖12 軋輥實際結(jié)合情況

4 改進措施

1）將填中間層石墨鋼水時間延長5 min;

2）將中間層的澆注溫度降低10℃，控制回溶量。

通過工藝改進，回溶量由過去的30 mm，降低到20 mm左右，芯部滲Cr情況明顯好轉(zhuǎn)，通過后期的上機試驗，軋輥強度明顯提高，未出現(xiàn)軋輥斷裂情況。

5 結(jié)論

1）高鉻鐵軋輥斷裂的主要原因是中間層結(jié)合強度低；

2）結(jié)合強度低主要是由于中間層對外層的回溶量過大，造成外層C r向中間層、芯部滲入過多，造成碳化物量偏大，強度有余而韌性不足；

3）在高鉻鐵軋輥生產(chǎn)中應(yīng)嚴格控制回溶量，使其不大于20 mm.