UCM 軋機(jī)中間輥接觸疲勞硬化層深度研究

陳 偉 ， 王 輝 ， 徐 錕

（寶鋼軋輥科技有限責(zé)任公司，江蘇 常州 213019）

0 引言

UCM（Universal Crown Mill）軋機(jī)借助于中間輥軸向橫移技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高強(qiáng)度、高精度板材軋制過(guò)程中的板形控制。中間輥橫移可使工作輥的彎輥和壓扁都有所減緩，同時(shí)可消除工作輥在帶材邊部位置的有害接觸，形成高剛度輥縫，提高軋機(jī)的板形控制穩(wěn)定性[1-3]。根據(jù)UCM 軋機(jī)的特點(diǎn)，目前其中間輥主要采用5%Cr 鍛鋼材質(zhì)制造，該材質(zhì)具有良好的耐磨性和抗事故性，軋輥換輥周期也隨之延長(zhǎng)至4000～5000 t；但中間輥的軸向移動(dòng)，在工作輥與中間輥、中間輥與支承輥之間也易出現(xiàn)接觸應(yīng)力尖峰，增加了中間輥的不均勻磨損，若使用維護(hù)不當(dāng)，輕則在其表面會(huì)形成麻點(diǎn)、凹坑等缺陷，重則隨輥系間接觸載荷循環(huán)作用下的疲勞累積會(huì)不斷增加，在軋輥局部表面下會(huì)萌生裂紋并進(jìn)一步擴(kuò)展至表面，導(dǎo)致軋輥在線剝落，造成軋機(jī)停機(jī)，同時(shí)增加輥耗[4-6]；因此，對(duì)該類(lèi)軋機(jī)中間輥在使用過(guò)程中表面疲勞硬化層的研究顯得尤為重要。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于軋輥接觸疲勞硬化層研究主要集中在硬化層金相組織結(jié)構(gòu)演變和接觸應(yīng)力有限元模擬計(jì)算等，對(duì)軋輥接觸疲勞硬化作用深度及硬化程度表征等研究有所欠缺。本研究基于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的跟蹤，重點(diǎn)探討UCM 六輥軋機(jī)中間輥正常使用條件下疲勞硬化層的深度問(wèn)題，并提出對(duì)該類(lèi)軋輥磨削運(yùn)維的建議。

1 研究方法

以國(guó)內(nèi)某條UCM 六輥連軋機(jī)為載體進(jìn)行接觸疲勞硬化程度研究，輥系示意圖如圖1 所示，中間輥示意圖如圖2 所示。中間輥軋制換輥周期為4000 t，軋制周期正常修磨量為直徑方向0.6 mm，軋制工況如表1 所示。該輥系軋輥技術(shù)要求如表2所示。首先，對(duì)中間輥表面接觸形貌進(jìn)行觀察，分析其在軋制過(guò)程中竄輥量及帶鋼寬度等因素對(duì)軋輥表面產(chǎn)生的影響[7-8]；其次，對(duì)軋輥上機(jī)前后的輥面硬度情況進(jìn)行跟蹤檢測(cè)。采用Foresight-HL300 軋輥型里氏硬度計(jì)，按GB/T 13313—2008軋輥肖氏、里氏硬度試驗(yàn)方法，每間隔一定距離測(cè)試軋輥表面硬度并記錄數(shù)據(jù)，繪制輥身表面硬度分布曲線。另外，采用Hertz 提出的兩軸線平行圓柱體接觸疲勞理論計(jì)算中間輥疲勞硬化層深度[7-8]。

圖1 UCM 六輥軋機(jī)輥工作輥與中間輥間接觸受力示意圖Fig.1 Schematic diagram of contact force between working roller and intermediate roller of UCM

圖2 中間輥示意圖Fig.2 Schematic diagram of intermediate roller

表1 軋制工況信息Table 1 Information of rolling conditions

表2 軋輥技術(shù)要求Table 2 Technical requirements of roller

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 軋輥下機(jī)形貌檢測(cè)

圖3a、圖3b 為中間輥操作側(cè)輥身邊部形貌，從圖3a 可知，軋輥邊部有100 mm 未接觸區(qū)，輥面保持原有磨削后形貌。從100 mm 開(kāi)始沿軋輥軸向輥身中部過(guò)渡區(qū)域有多條軋制印痕，如圖3b中Ⅰ區(qū)所示。在傳動(dòng)側(cè)輥身邊部一側(cè)，邊部有30 mm 未接觸區(qū)；在100 mm 附近存在多條明顯擠壓痕跡，如圖3c 中Ⅲ區(qū)所示；在100～150 mm區(qū)間的Ⅱ區(qū)，與操作側(cè)邊部Ⅰ區(qū)相似，存在多條軋制印痕。

圖3 軋輥下機(jī)邊部形貌Fig.3 Morphology of the edge of the roller

2.2 硬度檢測(cè)

對(duì)正常軋制周期下機(jī)后的中間輥輥身表面硬度進(jìn)行檢測(cè)，圖4 為正常軋制下機(jī)后的表面硬度、磨削后輥面硬度及新輥時(shí)表面硬度的對(duì)比曲線。從圖4 可知，該中間輥新輥輥身硬度為HSD 82～84，兩邊部軟帶寬度約50 mm，硬度為HSD 80～81，滿足技術(shù)要求。軋輥正常軋制下機(jī)后，輥身中部硬度值為HSD 85～86，整體提升HSD 1～2，輥身操作側(cè)邊部硬度值與新輥時(shí)相比變化不明顯，而輥身傳動(dòng)側(cè)距端面100～120 mm 位置出現(xiàn)了硬度峰值，硬度達(dá)到了HSD 88～100，提升了HSD 5～6。該輥經(jīng)正常修磨直徑方向0.6 mm 后，整個(gè)輥面硬度又恢復(fù)至新輥硬度的HSD 83～84。

圖4 軋輥表面硬度曲線Fig.4 The curve of roller surface hardness

3 分析討論

3.1 軋輥下機(jī)硬度與輥面形貌關(guān)系

中間輥在軋制4000 t 后，下機(jī)輥面硬度分布呈一定凸度分布，中部硬度提高HSD 1～2，說(shuō)明在軋制過(guò)程中軋制力與輥間循環(huán)接觸應(yīng)力主要集中在中間輥中部，在一定周期內(nèi)該部分輥身表面形成加工硬化，因此使輥身中部硬度得到一定程度的提升。在軋制過(guò)程中，采用中間輥橫移技術(shù)對(duì)帶鋼板形進(jìn)行控制，中間輥操作側(cè)沿軸向竄出，傳動(dòng)側(cè)沿軸向竄入。中間輥在操作側(cè)沿軸向竄出，與工作輥和支承輥之間無(wú)接觸，因此該部位硬度無(wú)明顯變化；而在傳動(dòng)側(cè)中間輥沿軸向竄入，輥身端部Ⅲ區(qū)受工作輥與支承輥雙重?cái)D壓，同時(shí)，該區(qū)域與帶鋼邊部位置相重合，受帶鋼邊部厚度差的影響形成應(yīng)力疊加，接觸疲勞硬化現(xiàn)象顯著提升，因此，在傳動(dòng)側(cè)輥身邊部100 mm 附近形成硬度峰值。另外，從圖3 可以看出，在輥身操作側(cè)Ⅰ區(qū)和傳動(dòng)側(cè)Ⅱ區(qū)出現(xiàn)多條平行印痕，這主要與軋制帶鋼寬度變化，以及中間輥軸向竄動(dòng)對(duì)板形控制機(jī)制有關(guān)，隨軋制周期內(nèi)帶鋼寬度變化，以及中間輥軸向竄動(dòng)，在軋制中心線對(duì)應(yīng)中間輥輥身表面兩側(cè)形成竄輥印，該區(qū)域硬度變化與輥身中部硬度變化趨勢(shì)相同。

如圖2 所示，在中間輥輥身兩側(cè)邊部均設(shè)計(jì)有R4000 mm×100 mm 的端部倒角結(jié)構(gòu)，輥身邊部100 mm 徑向落差為1.25 mm，可有效降低軋制過(guò)程中中間輥軸向竄動(dòng)而形成有害接觸區(qū)疲勞硬化的程度，同時(shí)，這一寬度設(shè)計(jì)也將接觸應(yīng)力的峰值從輥身端部轉(zhuǎn)移至輥身距端部約100 mm 左右位置，可以有效避開(kāi)軋輥端部軟帶區(qū)強(qiáng)度不足而產(chǎn)生邊裂、剝落等失效問(wèn)題。根據(jù)軋制過(guò)程中輥系間接觸受力狀態(tài)，設(shè)計(jì)合理的輥形凸度、倒角結(jié)構(gòu)，可以保證沿整個(gè)中間輥與工作輥、支承輥接觸區(qū)域有一個(gè)均勻的接觸方式，改善中間輥軸向竄輥帶來(lái)的接觸程度。

3.2 疲勞硬化層深度計(jì)算

軋輥接觸疲勞是工作輥與中間輥、中間輥與支承輥表面反復(fù)接觸-脫開(kāi)的過(guò)程中產(chǎn)生的，隨著時(shí)間的不斷延長(zhǎng)接觸疲勞應(yīng)力值會(huì)逐步增加，從而誘發(fā)麻點(diǎn)、凹坑、剝落等軋輥失效現(xiàn)象發(fā)生。為評(píng)價(jià)此類(lèi)接觸疲勞的影響，本節(jié)根據(jù)Hertz 提出的兩軸線平行圓柱體接觸疲勞理論計(jì)算中間輥承受接觸應(yīng)力情況下的疲勞硬化層深度。

圖5 給出了軸線平行的2 個(gè)圓柱體相對(duì)擠壓接觸時(shí)的變形情況及接觸應(yīng)力各分量的分布情況[9-10]。其中，接觸面垂直方向上的接觸壓應(yīng)力為σz，最大值σmax出現(xiàn)在接觸面中間部位，接觸面半寬為b。軋輥之間接觸可視為線性接觸，此時(shí)接觸應(yīng)力與P 的平方根成正比。輥系中軋輥材質(zhì)相近，可視為各項(xiàng)同性材料；在接觸區(qū)域中處于彈性變形狀態(tài)且僅發(fā)生彈性變形，同時(shí)忽略垂直接觸面方向上的摩擦力[11]。在軋輥工作于圖5 所示的接觸應(yīng)力下，接觸點(diǎn)下的次表層同時(shí)受到交變循環(huán)切應(yīng)力和τzy脈動(dòng)循環(huán)切應(yīng)力τ45°的共同作用，其最大值出現(xiàn)在軋輥接觸表面以下的距離分別為0.500b 和0.786b。τzy和τ45°的作用使得裂紋萌生于接觸表面下一定深度處，最后發(fā)生呈倒錐形麻點(diǎn)狀的局部剝落[12-14]。

圖5 Hertz 接觸應(yīng)力理論Fig.5 Hertz contact stress theory

工作輥直徑為545 mm，中間輥直徑為640 mm，軸向線接觸長(zhǎng)度為2000 mm，軋制力為2000 t，帶入式（1）、式（2），計(jì)算中間輥與工作輥之間交變循環(huán)切應(yīng)力τ45°對(duì)應(yīng)軋輥表面下疲勞硬化深度。

其中：b 為接觸面半寬，mm；pmax為作用在軋輥表面壓力；p′為線接觸壓力，kg/mm；d1為工作輥直徑，mm；d2為中間輥直徑，mm；E1、E2為軋輥彈性模量。

通過(guò)計(jì)算得出b1=0.292 mm。按剪切應(yīng)力的最大值發(fā)生于接觸表面以下z=0.786b 處，計(jì)算得出接觸疲勞裂紋萌生于軋輥表面以下z1=0.229 mm位置。同理，將支承輥直徑1525 mm 代入式（1），計(jì)算中間輥與支承輥之間交變循環(huán)切應(yīng)力τ45°對(duì)應(yīng)軋輥表面下疲勞硬化深度，得出b2=0.360 mm，z2=0.283 mm。將工作輥與支承輥對(duì)中間輥輥間交變循環(huán)切應(yīng)力進(jìn)行疊加，中間輥在軋制周期內(nèi)，最大剪切應(yīng)力發(fā)生在表層以下0.3 mm 左右（半徑方向）。

3.3 接觸疲勞硬化層深度與軋輥修磨量設(shè)計(jì)

中間輥在換輥周期較長(zhǎng)的軋制工況下，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期接觸疲勞累積，會(huì)在表面局部區(qū)域產(chǎn)生深度不同的麻點(diǎn)、豆?fàn)畎伎踊蛐K剝落，屬于典型的接觸疲勞失效表現(xiàn)。根據(jù)赫茲接觸應(yīng)力理論，在軋制過(guò)程中，工作輥與中間輥，中間輥與支承輥之間存在一個(gè)局部彈性壓扁區(qū)，最大剪切應(yīng)力位于軋輥表面之下的一定深度位置，當(dāng)赫茲應(yīng)力超過(guò)軋輥屈服極限或疲勞強(qiáng)度時(shí)，在表面以下應(yīng)力最高處會(huì)萌生微裂紋，同時(shí)在軋制過(guò)程中，中間輥承受高硬度工作輥周期接觸及軋制力疊加作用，輥面表層部分出現(xiàn)加工硬化，相應(yīng)的表面硬度隨之提高，從而導(dǎo)致表層此部分塑性和韌性變差，脆性增加，隨后次表層微裂紋在軋制過(guò)程中不斷向表面擴(kuò)展，逐步形成凹坑、麻點(diǎn)和剝落等失效形貌。

通過(guò)Hertz 接觸疲勞理論對(duì)中間輥的滾動(dòng)接觸疲勞硬化深度進(jìn)行計(jì)算分析得出：最大剪切應(yīng)力疊加作用深度在軋輥表面以下0.3 mm 左右（半徑方向）位置；因此，當(dāng)軋輥正常下機(jī)時(shí)直徑方向修磨量為0.6 mm 時(shí)，既可以保證疲勞硬化層有效去除，使軋輥表面硬度恢復(fù)至新輥硬度值，同時(shí)也可以充分轉(zhuǎn)移最大剪切應(yīng)力作用區(qū)，從而有效規(guī)避了軋輥上機(jī)使用的風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)了軋輥使用壽命。

4 結(jié)論

1）UCM 軋機(jī)中間輥在正常軋制周期內(nèi)，輥身表面會(huì)產(chǎn)生疲勞硬化，使輥身中部硬度比新輥使用時(shí)提升HSD 1～2，對(duì)應(yīng)操作側(cè)部分硬度與新輥一致，疲勞硬化程度較輕，對(duì)應(yīng)傳動(dòng)側(cè)部分受軸向竄輥及軋制力的影響，在距輥身端部100 mm 左右位置硬度提升HSD 5～6，疲勞硬化程度較重。

2）通過(guò)Hertz 接觸疲勞理論計(jì)算得出UCM 軋機(jī)中間輥在正常軋制周期內(nèi)最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)在輥身表面以下0.3 mm 左右（半徑方向），當(dāng)設(shè)計(jì)中間輥修磨量設(shè)計(jì)為直徑方向0.6 mm 時(shí)，可有效去除疲勞硬化層，大大降低中間輥失效的風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)軋輥的使用壽命。