鍛鋼支承輥剝落失效分析

劉義杰 趙席春 郭 峰

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

支承輥是各種軋機(jī)中的重要部件，其使用性能的優(yōu)劣直接影響軋板產(chǎn)品的質(zhì)量。支承輥的制造方法主要有鑄造和鍛造，其性能對(duì)比如表1所示。隨著軋機(jī)向高速化、高性能化、自動(dòng)化方向發(fā)展，對(duì)支承輥的性能要求也越來越高，雖然鑄鋼支承輥價(jià)格較低，但鍛鋼支承輥的強(qiáng)度和延展性更高，疲勞壽命更長，成為先進(jìn)軋機(jī)的主流配置。復(fù)雜的使用條件使支承輥不時(shí)發(fā)生各種類型的失效，尤其以輥身剝落最為普遍。本文主要研究支承輥輥身剝落典型失效類型、失效原因和機(jī)理，提出補(bǔ)救和預(yù)防措施，提高支承輥的使用效率。

表1 鍛鋼和鑄鋼支承輥材料典型性能對(duì)比Table 1 The typical properties of backup roll of forged steel and cast steel

1 使用性能分析

支承輥的使用要求是：在保持表面粗糙度和輥型的前提下，在軋制周期內(nèi)確保支承輥的完整使用，實(shí)現(xiàn)軋材質(zhì)量和產(chǎn)量的最大化[1]。

支承輥的性能要求為：良好的強(qiáng)韌性；較高的硬度和耐磨性；高的抗接觸疲勞和抗剝落性；足夠的硬化層和過渡層深度；良好的冶金質(zhì)量。其中有些性能是無法兼顧的，例如輥身硬度在一定范圍內(nèi)數(shù)值越高耐磨性越好，但隨著硬度進(jìn)一步提高，耐磨性也許還會(huì)升高，但韌性會(huì)下降，同時(shí)殘余應(yīng)力也會(huì)增大，抗剝落性開始下降，抗事故性也會(huì)明顯降低。這就要求制造商綜合考慮實(shí)際因素和前期使用效果，制定適合于不同軋機(jī)的技術(shù)要求。

支承輥使用性能的優(yōu)劣與生產(chǎn)、使用和維護(hù)都有很大的關(guān)系。材料表面及內(nèi)部質(zhì)量、軋機(jī)類型、軋制方法、機(jī)架、軋制品種、放置位置、軋輥設(shè)計(jì)、檢測(cè)方法、使用周期等多達(dá)20多種因素都會(huì)影響支承輥的單次上機(jī)和總體使用壽命。

在選擇支承輥時(shí)，除滿足基本的技術(shù)要求外，必須綜合考慮軋機(jī)特性、操作條件和軋輥的維修設(shè)施后再確定規(guī)格、材質(zhì)、硬度等參數(shù)，這樣才能獲得符合軋機(jī)要求的、具有最佳使用性能的支承輥[1]。

2 典型失效類型

支承輥在使用中的失效主要有剝落、斷裂和表面痕跡三種形式，其中輥身剝落出現(xiàn)的機(jī)率最高，是支承輥失效的主要形式，所以很有必要對(duì)剝落的失效類型進(jìn)一步進(jìn)行分析。

2.1 邊部崩碎性剝落

如圖1所示，邊部崩碎性剝落的典型特征是輥身邊部(一般從端面至400 mm區(qū)域)表面有不連續(xù)的凹坑，坑內(nèi)表面很不平整，凹坑較淺，且近表面磨得有些平滑。不連續(xù)的剝落坑周圍常伴有變形痕跡，一些小的縱向裂紋通常會(huì)出現(xiàn)在剝落坑的邊緣，因此其外形比后面介紹的疲勞剝落的外形要粗糙。

圖1 支承輥邊部崩碎性剝落形貌Figure 1 The edge flaking appearance of back-up roll

支承輥在工作中，主要承受摩擦力和接觸應(yīng)力，其中接觸應(yīng)力對(duì)輥身的剝落影響最大，深度較深。接觸應(yīng)力的反復(fù)作用使輥身形成一個(gè)疲勞硬化層，當(dāng)接觸應(yīng)力超過此時(shí)材料臨界強(qiáng)度，一些小的次表面裂紋會(huì)在疲勞層的底部形成。使用中疲勞層硬度升高越多，其剝落的機(jī)率就越大。在磨削后，如果輥身硬度比提供的原始軋輥硬度高出一定值，上機(jī)后也可能會(huì)出現(xiàn)這類剝落。

綜上所述，支承輥在使用后，必須進(jìn)行足夠的磨削，將疲勞硬化損傷層充分磨削掉，恢復(fù)表面初始的硬度和冶金條件。可根據(jù)單位軋制壓力的大小和軋制周期的長短來估量磨削深度。恢復(fù)初始硬度檢測(cè)的方法快捷簡(jiǎn)便，能夠指導(dǎo)磨削的深度。較好的方法是使用對(duì)損傷層檢驗(yàn)靈敏度高的設(shè)備，如渦流和表面超聲波探傷，檢測(cè)表面質(zhì)量以確定磨削深度。

2.2 表面裂紋衍生疲勞剝落

其主要特征是輥身表面大面積剝落脫離，如圖2所示。剝落的底部有環(huán)圓周方向的光滑的疲勞軌跡面，形貌為疲勞痕(海灘痕)或“扇形”裂紋流線。圖中黑色箭頭指示的是疲勞痕跡擴(kuò)展方向，與軋輥旋轉(zhuǎn)方向相反，其逆指方向指向疲勞源，有時(shí)可根據(jù)逆指方向追蹤到表面的初始裂紋。

通常認(rèn)為，在支承輥材料性能正常的條件下，此類剝落大都是使用因素造成的。裂紋源為軋輥表面或近表面的熱裂紋(軋制事故引起)或機(jī)械力引發(fā)的輥身痕跡(如裂紋、劃傷、軟點(diǎn)等)[3]。如未磨凈上機(jī)，在后續(xù)軋制中這些缺陷會(huì)引發(fā)應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋，并滲入到工作層和基體的硬度過渡帶，此區(qū)域材料的斷裂韌性明顯升高，將裂紋擴(kuò)展的低能途徑限制在該臨界斷裂韌性值之下的輥身一定深度，所以裂紋變?yōu)榍邢颦h(huán)圓周擴(kuò)展，到一定程度后引發(fā)大面積剝落。

圖2 支承輥表面裂紋擴(kuò)展疲勞剝落Figure 2 The fatigue flaking of backup roll due to surface crack expand

為避免此類失效，可采取如下措施：

(1)規(guī)范使用和維護(hù)。避免與軋機(jī)事故有關(guān)的軋輥損傷，諸如：軟點(diǎn)、裂紋、輥印、劃痕或任何可能作為應(yīng)力集中的因素，如有事故立即下機(jī)處理直至缺陷消除才可上機(jī)。

(2)勿超期使用。如周期過長，表面裂紋有可能在軋制周期內(nèi)產(chǎn)生、擴(kuò)展甚至剝落，所以縮短軋制周期，可以降低表面剝落的機(jī)會(huì)。

(3)充分去除疲勞層，防止損傷積累。上機(jī)之前用硬度檢測(cè)、渦流和表面超聲波檢測(cè)磨削，去除可能導(dǎo)致剝落的表面痕跡；如條件不具備，可加大磨削量，消除表面隱患。

2.3 肩部剝落

支承輥肩部剝落的特征為在較靠近輥身的邊部剝落，俗稱“掉肩”，如圖3所示。一般剝落內(nèi)表面顯示有疲勞痕跡，如可見管狀裂紋和擴(kuò)展通道。此種剝落通常認(rèn)為是有過高的應(yīng)力作用于端部導(dǎo)致的，它可能是由于擠壓、碰撞、滑痕、震顫、碎裂、倒角不足或軋輥磨損而產(chǎn)生的裂紋引起的剝落。大多數(shù)肩部剝落與工作輥磨損有關(guān)，小塊邊部剝落則與倒角不夠有關(guān)。由于工作輥和支承輥的不均勻磨損，在工作中，支承輥輥型逐漸變?yōu)閮蛇吀?，中間低，肩部壓力遠(yuǎn)高于其他工作區(qū)域(高達(dá)3倍)，所以如果倒角不夠、過量軋制或者工作輥輥型不佳都會(huì)導(dǎo)致肩部剝落[3]。采用合適的倒角尺寸、減少不均勻磨損的情況、控制單周軋制量等可使肩部剝落不再發(fā)生。

以上三種是支承輥的典型輥身剝落形式，除此之外還有軋制事故直接造成的輥身剝落、輥身硬度不合格等其他材料質(zhì)量引起的輥身剝落等。

圖3 因肩部倒角不當(dāng)造成的肩部剝落Figure 3 The shoulder flaking due to improper chamfer angle

3 預(yù)防與改進(jìn)措施

產(chǎn)品質(zhì)量和使用技術(shù)都可能造成支承輥的失效，在失效分析中，兩者相輔相成，缺一不可。因此需要生產(chǎn)方和用戶建立并保持良好、有效的溝通，共同攜手，才能找出失效的具體原因。

生產(chǎn)者要加強(qiáng)質(zhì)量管理，需采取如下措施：

(1)嚴(yán)格控制冶煉、鑄造、鍛造工藝的關(guān)鍵參數(shù)，減少凝固后聚集夾雜物、皮下氣泡等超標(biāo)缺陷存在的機(jī)會(huì)。

(2)制定合理的熱處理工藝，提高輥身表面硬度的均勻性，通過殘余應(yīng)力的檢測(cè)控制回火次數(shù)，避免殘余應(yīng)力過大。

使用方要規(guī)范使用，需遵守如下規(guī)范：

(1)根據(jù)軋機(jī)屬性、使用環(huán)境等實(shí)際情況制定合適的支承輥技術(shù)要求。

(2)嚴(yán)格按照支承輥使用規(guī)程操作，避免支承輥超期或違規(guī)使用。

(3)必須對(duì)支承輥的使用和修磨嚴(yán)格量化。

其中，支承輥上機(jī)前的維護(hù)尤為重要，其具體要求為：

(1)磨掉輥身上機(jī)造成的磨損痕跡和任何可視損傷(摩擦痕跡、裂紋等)。

(2)沿整個(gè)輥身長度進(jìn)行肖氏硬度檢測(cè)，如果平均值或個(gè)別區(qū)域超過入廠硬度3HSD，就要再次修磨一定量后重新檢測(cè)；如果增加值在3HSD以內(nèi)，則可以不必重磨，但要適當(dāng)降低上機(jī)周期。

(3)在常規(guī)的磨削完畢后，使用渦流探傷和表面超聲波探傷儀檢測(cè)輥身表面質(zhì)量，以確保輥身不存在任何超過規(guī)定值的表面和次表面損傷。

(4)磨削過程中，將支承輥的兩側(cè)修磨成應(yīng)力較小的倒角，防止倒角處首先破壞。

4 總結(jié)

介紹了輥身剝落的三種典型失效類型與失效機(jī)理，并提出了預(yù)防措施。對(duì)鍛鋼支承輥的生產(chǎn)和使用提出了一系列建議，能夠從一定程度上避免支承輥的失效，提高支承輥的使用效率。

[1] 王義棟，楊生田.提高軋機(jī)支承輥使用壽命的探討[J].鞍鋼技術(shù)，2001，1(6)：36-39.

[2] 吳國勝.武鋼冷軋廠支承輥剝落失效特征分析[J].武鋼職工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，1(13)：10-17.

[3] 馬葉紅，郭繼友.熱連軋支承輥剝落的原因分析[K].2006中國鑄造活動(dòng)周論文合集，2006：461-464.