車輪軋制主輥開(kāi)裂原因

浦 紅, 方 政, 劉學(xué)華, 牟祖茂, 程志遠(yuǎn)

(馬鋼股份有限公司技術(shù)中心 軌道交通關(guān)鍵零部件先進(jìn)制造技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程中心, 馬鞍山 243000)

某廠生產(chǎn)的車輪軋制主輥(以下簡(jiǎn)稱軋輥)在服役不到1 d就發(fā)生了徑向開(kāi)裂。軋輥材料為球墨鑄鋼，軋輥呈環(huán)狀主要用于車輪踏面軋制，服役時(shí)，工作面與紅鋼接觸。

失效軋輥斷裂起源于工作面表面，起裂后迅速向內(nèi)擴(kuò)展，發(fā)生徑向開(kāi)裂。開(kāi)裂面平坦，表面銹蝕呈紅褐色，呈脆性斷裂特征，裂紋快速擴(kuò)展區(qū)占開(kāi)裂面的絕大部分區(qū)域。開(kāi)裂面宏觀形貌如圖1所示。為查找軋輥的開(kāi)裂原因，在軋輥開(kāi)裂處取樣進(jìn)行理化檢驗(yàn)分析。

圖1 軋輥開(kāi)裂面宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of cracking surface of the mill roll

1 理化檢驗(yàn)

1.1 取樣

在軋輥開(kāi)裂處取樣，對(duì)試樣進(jìn)行斷口分析、金相檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、硬度測(cè)試，取樣示意圖如圖2所示。在開(kāi)裂處附近取樣進(jìn)行低倍檢驗(yàn)。

圖2 對(duì)軋輥的取樣示意圖Fig.2 Sampling diagram of the mill roll

1.2 化學(xué)成分分析

軋輥化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1，其化學(xué)成分與廠家提供的成分存在一定差異，鉻、鉬元素低于廠家提供的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)；硅、磷元素高于廠家提供的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)。

表1 軋輥的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the mill roll (mass fraction) %

1.3 硬度測(cè)試

軋輥近工作面斷面硬度平均值為273 HBW，硬度偏軟，硬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 軋輥近工作面的開(kāi)裂面的硬度測(cè)試結(jié)果Tab.2 Hardness test results of cracking surface near working face of the mill roll HBW

1.4 低倍檢驗(yàn)

采用質(zhì)量比為1…1的工業(yè)鹽酸水溶液浸蝕軋輥橫斷面低倍試樣，觀察其低倍形貌，如圖3所示。可見(jiàn)軋輥橫斷面的枝狀晶明顯，為鑄態(tài)組織。

圖3 軋輥橫斷面的低倍形貌Fig.3 Macro morphology of transverse section of the mill roll

1.5 斷口分析

在軋輥工作面處取樣進(jìn)行掃描電鏡(SEM)斷口分析，如圖4所示。可見(jiàn)開(kāi)裂起源于工作面表面，表層疲勞區(qū)最深約0.3 mm，其他區(qū)域?yàn)榱鸭y快速擴(kuò)展區(qū)。斷口上工作面附近可見(jiàn)疏松缺陷，裂紋快速擴(kuò)展區(qū)微觀形貌以準(zhǔn)解理斷裂+沿晶斷裂為主，局部區(qū)域可見(jiàn)韌窩，韌窩處可見(jiàn)顆粒狀碳化物。

圖4 軋輥開(kāi)裂面微觀形貌Fig.4 Micro morphology of cracking surface of the mill roll: a) fracture surface; b) at crack source; c) at loose zone; d) rapid crack propagation zone

1.6 金相檢驗(yàn)

對(duì)斷口試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，檢驗(yàn)面為斷口面，如圖5和圖6所示?？梢?jiàn)試樣上有較多石墨，石墨為不規(guī)則形狀，尺寸大小不一。石墨大小級(jí)別為6級(jí)，球化級(jí)別為5級(jí)。工作面表層有白亮層，試樣顯微組織很不均勻，呈枝晶狀分布，為珠光體+碳化物+石墨。碳化物數(shù)量不多且分布不均勻，枝晶間隙數(shù)量多，枝晶桿處數(shù)量少。碳化物主要呈大塊狀、桿狀、顆粒狀，部分碳化物分布在晶界上呈斷續(xù)網(wǎng)狀。

圖5 軋輥開(kāi)裂面上的石墨微觀形貌Fig.5 Micro morphology of graphite on cracking surface of the mill roll: a) micro morphology 1 of graphite; b) micro morphology 2 of graphite

圖6 軋輥的顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of the mill roll: a) near working surface; b) internal microstructure; c) network carbide; d) large size carbide

2 分析與討論

球墨鑄鋼是近年來(lái)開(kāi)發(fā)出的一種新型工程材料, 用其制造的軋輥具有較長(zhǎng)的使用壽命, 在軋制領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用, 被認(rèn)為是替代冷硬球鐵和合金鍛鋼的優(yōu)良材料。球墨鑄鋼能將普通高碳鋼與球墨鑄鐵的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái), 并改善這兩種材料的不足之處。球墨鑄鋼的化學(xué)成分一般屬于過(guò)共析鋼范圍, 通過(guò)對(duì)鋼液的適當(dāng)球化處理,鑄態(tài)組織中獲得一定數(shù)量的球狀石墨及碳化物，具有良好的強(qiáng)度、抗磨性和熱疲勞性能。鋼液化學(xué)成分控制良好, 是保證得到特定球墨組織和良好性能的基礎(chǔ)。球墨鑄鋼顯微組織主要由珠光體基體+碳化物、石墨第二相組成, 材料成分、孕育、熱處理等均是通過(guò)改變材料組織來(lái)影響材料的耐磨性、熱疲勞性和抗熱裂性。控制碳化物和石墨的數(shù)量、形態(tài)及分布是防止球墨鑄鋼材料開(kāi)裂失效的關(guān)鍵。

該軋輥化學(xué)成分不符合廠家內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)要求。硅、磷元素含量高于廠家內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)要求，鉻、鉬元素含量低于廠家內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)要求。硅元素可降低碳化物的形成傾向，促進(jìn)碳以石墨的形式析出，但量太多時(shí)會(huì)增大基體脆性。磷在球墨鑄鋼中是有害元素，應(yīng)盡可能降低含量。鉻、鉬為碳化物形成元素，含量少會(huì)使球墨鑄鋼中碳化物數(shù)量減少，硬度降低。

該軋輥為未經(jīng)熱處理的鑄態(tài)組織，其顯微組織不佳，存在枝晶偏析嚴(yán)重，石墨尺寸大小不均且球化不良，碳化物數(shù)量少且不均勻，局部碳化物網(wǎng)狀等組織缺陷。碳化物作為硬質(zhì)相能有效抵抗接觸應(yīng)力和低周應(yīng)力, 顯著增加材料強(qiáng)度和耐磨性。石墨相一方面能顯著增加材料的耐磨性, 另一方面石墨作為良導(dǎo)體,可以使軋輥工作時(shí)內(nèi)部溫度梯度變小,減小熱疲勞應(yīng)力, 此外, 其還具有阻止裂紋擴(kuò)展的作用。該軋輥碳化物數(shù)量少會(huì)降低材料的硬度，軋輥石墨球化不良、石墨相多且不均勻、碳化物呈網(wǎng)狀分布會(huì)降低材料強(qiáng)度，易導(dǎo)致裂紋萌生擴(kuò)展。

3 結(jié)論及建議

該開(kāi)裂軋輥化學(xué)成分不符合內(nèi)控要求，并且軋輥組織的顯微組織不佳，工作面附近還存在疏松缺陷。不恰當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)成分、不良的組織狀態(tài)和內(nèi)部缺陷使其抗熱裂性能和抗熱疲勞性能下降，導(dǎo)致軋輥服役極短時(shí)間就發(fā)生失效。

建議通過(guò)恰當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，使軋輥獲得良好的組織狀態(tài)和力學(xué)綜合性能，提高使用壽命?？刹捎酶邷?cái)U(kuò)散退火，消除晶內(nèi)偏析，使成分均勻化，消除網(wǎng)狀碳化物。 采用正火處理，使軋輥的基體組織獲得細(xì)片狀珠光體，改變碳化物的形態(tài)及分布，從而使軋輥具有良好的綜合性能。采用回火處理，消除殘余內(nèi)應(yīng)力，獲得所需的硬度。