表面裂紋引起的冷軋輥剝落機(jī)制研究

王佳怡 韋習(xí)成

(1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444； 2.寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海 201999)

冷軋工作輥的服役環(huán)境非常復(fù)雜，不僅承受高的軋壓力、摩擦力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，而且在高速帶鋼、乳化液的作用下，還承受包括跑偏、斷帶、粘鋼、打滑等軋制事故而引起的非平衡載荷和非平衡熱作用[1-2]。冷軋工作輥在使用過程中經(jīng)常發(fā)生失效，一旦發(fā)生失效，輕則停機(jī)換輥，重則整根軋輥報(bào)廢，甚至軋機(jī)等相關(guān)設(shè)備損壞，這不僅影響生產(chǎn)的順利進(jìn)行，還影響軋輥周轉(zhuǎn)并增加輥耗，從而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。目前，冷軋輥消耗約占軋鋼生產(chǎn)成本的10%，其中非生產(chǎn)性軋輥事故又占總輥耗的20%以上。因此，通過對(duì)冷軋輥典型失效案例的分析，可以摸清冷軋輥早期失效的原因及內(nèi)在機(jī)制，從而提出有效控制和應(yīng)對(duì)軋輥事故的對(duì)策，進(jìn)而指導(dǎo)軋輥的制造和使用，以避免同類事故再次發(fā)生，最終降低軋鋼成本和提高生產(chǎn)效率。

剝落是冷軋輥典型的失效形式之一。冷軋輥的剝落大致可分為兩類：一類是因輥面缺陷誘發(fā)的剝落，輥面缺陷引發(fā)裂紋從表面萌生并向內(nèi)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致軋輥表層剝落，大多數(shù)冷軋輥的失效是由輥面缺陷造成的；另一類是因軋輥內(nèi)部缺陷引起的剝落，內(nèi)部缺陷引發(fā)裂紋從內(nèi)向外擴(kuò)展而導(dǎo)致軋輥表層剝落[3-4]。近年來(lái)，采用爐外精煉、電渣重熔等先進(jìn)冶金工藝生產(chǎn)冷軋輥鍛坯，并進(jìn)行超聲波無(wú)損探傷，冷軋輥工作層內(nèi)缺陷、夾雜物等得到了嚴(yán)格控制，因冷軋輥內(nèi)部缺陷導(dǎo)致剝落的占比不斷減小。但隨著軋材產(chǎn)品強(qiáng)度的不斷提升，軋制工況更加惡劣，因表面損傷導(dǎo)致的剝落不斷增加[5-9]。同時(shí)，越來(lái)越高的板帶產(chǎn)品強(qiáng)度導(dǎo)致軋制過程的穩(wěn)定性變差，軋輥在上機(jī)使用過程中不可避免地出現(xiàn)輥面損傷，如未及時(shí)下機(jī)更換和修磨消除表面缺陷，會(huì)產(chǎn)生裂紋、剝落甚至斷輥等軋制事故，從而影響生產(chǎn)。但目前有關(guān)軋輥表面裂紋萌生和擴(kuò)展機(jī)制的研究較少。因此，本文通過化學(xué)成分分析、顯微組織觀察、顯微硬度測(cè)試等方法，對(duì)某產(chǎn)線冷軋輥表面的典型剝落原因進(jìn)行了分析，總結(jié)了軋輥使用和維護(hù)方面的經(jīng)驗(yàn)，以降低軋輥事故性損耗，優(yōu)化軋輥的選材和制造工藝，使軋輥更加符合產(chǎn)品和工藝的發(fā)展需求。

1 試驗(yàn)材料及方法

某產(chǎn)線冷軋G2機(jī)架下工作輥靠近操作側(cè)660～680 mm處輥面發(fā)生剝落，剝落面軸向長(zhǎng)度達(dá)490 mm，周向覆蓋了近1/3圓周，剝落最深處距輥面15 mm，如圖1所示。該軋輥材料為含5%Cr(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的冷作模具鋼，正常報(bào)廢時(shí)的軋輥直徑約385 mm，而該軋輥直徑為403.7 mm，推算尚有約18 mm厚的有效工作層。

圖1 表面剝落冷軋輥Fig.1 Cold mill roll whose surface spalled

采用PDA-5500S型直讀光譜儀對(duì)軋輥剝落部位的化學(xué)成分進(jìn)行分析。從軋輥的剝落區(qū)域與未剝落區(qū)域分別取樣，經(jīng)研磨、拋光和體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，采用LSM-5 Pascal型光學(xué)顯微鏡觀察試樣的顯微組織。采用TMVS-1000XY型顯微硬度計(jì)沿軋輥徑向測(cè)量剝落區(qū)域的截面硬度，試驗(yàn)力為10 N，保載時(shí)間為10 s，測(cè)量間隔為1 mm。采用磁粉探傷顯示輥面剝落區(qū)子顯微域的裂紋形貌，然后用S-4200型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)觀察裂紋形貌。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 剝落塊形貌

軋輥剝落塊形貌如圖2所示，呈不規(guī)則形狀，軋輥斷口主要呈脆性斷裂特征。主斷口中可見疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)等。疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)表面平滑，有疲勞裂紋擴(kuò)展條紋，瞬斷區(qū)存在清晰的裂紋擴(kuò)展放射線。根據(jù)疲勞擴(kuò)展弧線特征，裂紋源位于弧線反向的圓心區(qū)，即箭頭所示區(qū)域。

圖2 剝落塊及其斷口宏觀形貌Fig.2 Appearance of the spalled piece and its fracture

2.2 化學(xué)成分

冷軋輥剝落區(qū)域的化學(xué)成分見表1，可見與常規(guī)冷軋輥用8Cr5MoV鋼(參照GB/T 13314—2008《鍛鋼冷軋工作輥 通用技術(shù)條件》)的成分基本一致，但前者的Ni、Mo含量偏低，處于下限。Ni與C不形成碳化物，它是形成和穩(wěn)定奧氏體的主要合金元素，添加Ni元素可以細(xì)化組織，隨著Ni含量的增加，冷軋輥的淬透性、硬度和耐磨性都得到一定程度的提高。但Ni屬于稀缺和戰(zhàn)略物質(zhì)，價(jià)值較高，軋輥中添加量一般較低。Mo元素一部分溶于基體形成固溶體，一部分存在于碳化物中。當(dāng)Mo含量較低時(shí)，與Fe、Cr及C形成復(fù)合碳化物;當(dāng)Mo含量較高時(shí)，則形成Mo2C、(Mo,Fe)6C等特殊碳化物。Mo能提高鋼的淬透性和熱強(qiáng)性，有效抑制滲碳體在高的回火溫度下聚集，增強(qiáng)鋼的抗回火軟化性能，即提高鋼的回火穩(wěn)定性。因此，這些合金元素含量偏低可能對(duì)冷軋輥的淬透性、耐磨性等造成影響。

表1 冷軋輥剝落區(qū)域和8Cr5MoV鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical compositions of the spalling area in cold mill roll and 8Cr5MoV steel (mass fraction) %

2.3 顯微組織

冷軋輥的剝落區(qū)域與未剝落區(qū)域的顯微組織見圖3?？梢钥闯?，未剝落區(qū)域的組織基本由回火馬氏體基體和彌散分布的顆粒狀碳化物組成，組織較均勻細(xì)??；剝落區(qū)域與未剝落區(qū)域的組織無(wú)明顯差異，均屬正常的顯微組織。

圖3 冷軋輥的未剝落區(qū)域(a)和剝落區(qū)域(b)的顯微組織 Fig.3 Microstructures of the non-spalling area (a) and spalling area (b) of cold mill roll

2.4 硬度和淬硬層深度

冷軋輥剝落區(qū)域的截面硬度分布如圖4所示?？芍?，淬硬層硬度在750～765 HV1之間，隨著與輥面距離的增加而略微降低，該冷軋輥工作層硬度和淬硬層深度均滿足軋輥技術(shù)要求。

圖4 冷軋輥剝落區(qū)域的截面硬度分布Fig.4 Section hardness distribution of the spalling area of cold mill roll

2.5 表面裂紋形貌

冷軋輥表面剝落區(qū)域的裂紋形貌如圖5所示。裂紋呈尖角狀，長(zhǎng)度0.5～1.0 mm。該裂紋可能是軋鋼過程中冷軋輥表面抗沖擊性能和韌性不足所致，也是軋輥剝落的主要裂紋源。

圖5 冷軋輥剝落區(qū)域裂紋的宏觀和SEM形貌Fig.5 Macrographs and SEM morphology of cracks on spalling area of cold mill roll

在冷軋輥表面裂紋附近取塊狀斷口試樣，對(duì)其進(jìn)行逐層切割以逼近表面裂紋，在截面發(fā)現(xiàn)了裂紋從表面萌生、擴(kuò)展至剝落面的痕跡。將其制成金相試樣后，用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液輕微腐蝕，然后在光學(xué)顯微鏡下觀察裂紋的萌生與擴(kuò)展形貌，如圖6所示?？梢钥闯觯摿鸭y從軋輥表面萌生并擴(kuò)展至斷口表面，擴(kuò)展方向復(fù)雜。

圖6 冷軋輥裂紋萌生與擴(kuò)展形貌Fig.6 Morphology of initiation and growth of cracks in cold mill roll

用機(jī)械法將所取厚約3 mm的斷口試樣沿裂紋擴(kuò)展方向分開，采用體視顯微鏡和SEM觀察斷口形貌， 如圖7所示。斷口的不同區(qū)域都呈現(xiàn)疲勞裂紋擴(kuò)展特征，但擴(kuò)展間距存在較大差異。位置A處于裂紋擴(kuò)展初期，裂紋擴(kuò)展間距較?。籅處于裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，裂紋擴(kuò)展形貌呈現(xiàn)一定規(guī)律性，且在大軋制節(jié)奏區(qū)間(如軋完一卷帶鋼)，裂紋會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小轉(zhuǎn)向；C和D處于裂紋快速擴(kuò)展階段，裂紋擴(kuò)展速率加快， 擴(kuò)展間距增大，且每經(jīng)過一次軋制區(qū)裂紋都會(huì)產(chǎn)生一次轉(zhuǎn)向。

圖7 冷軋輥斷口的整體形貌和不同區(qū)域的表面形貌Fig.7 Overall morphologies and surface morphologies of different areas in fracture of cold mill roll

通過觀察和分析圖7中斷口各部位的裂紋擴(kuò)展形貌，可以得出冷軋輥剝落區(qū)域的裂紋擴(kuò)展路徑，并判斷出主裂紋和二次裂紋，如圖8所示。冷軋輥因表面缺陷導(dǎo)致剝落包括3個(gè)步驟：(1)軋輥表面產(chǎn)生裂紋，該裂紋可能由機(jī)械撞擊產(chǎn)生，也可能是輥印導(dǎo)致的應(yīng)力集中產(chǎn)生的。在軋制過程中，輥面承受的拉壓交變應(yīng)力作用導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展。(2)軋輥每旋轉(zhuǎn)一周，裂紋便在淬硬層內(nèi)以疲勞模式呈圓周擴(kuò)展，此時(shí)軋輥中出現(xiàn)了沿圓周擴(kuò)展的疲勞裂紋帶，斷口上存在沙灘狀疲勞條紋和扇形撕裂棱。(3)當(dāng)疲勞擴(kuò)展區(qū)域的強(qiáng)度降低到一定程度后便發(fā)生了剝落。剝落發(fā)生的時(shí)間取決于軋輥材料的強(qiáng)度和軋制應(yīng)力大小及狀態(tài)。斷口呈瞬間撕裂特征，且斷口表面可見由疲勞源區(qū)延伸的纖維狀撕裂棱。

圖8 冷軋輥裂紋擴(kuò)展路徑Fig.8 Crack growth path in cold mill roll

3 討論與分析

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)冷軋輥典型剝落失效實(shí)例的分析，可判斷出該軋輥大面積剝落失效為裂紋疲勞擴(kuò)展所致，裂紋源可能為軋鋼過程中冷軋輥表面所產(chǎn)生的尖角狀裂紋。近期軋線高強(qiáng)鋼(抗拉強(qiáng)度780 MPa以上)的生產(chǎn)比例大幅度提高，由之前每月的300～400 t增加到2 000～4 000 t，軋制負(fù)荷顯著提升；同時(shí)板帶產(chǎn)品的強(qiáng)度越來(lái)越高，軋制工況日趨復(fù)雜，過程穩(wěn)定性越來(lái)越差，導(dǎo)致軋輥在上機(jī)使用過程中不可避免地受到輥面沖擊損傷。因此，如何更好地面對(duì)此類問題將是軋輥使用技術(shù)的重要研究方向。建議從以下3個(gè)方面開展工作。

(1)監(jiān)測(cè)軋制過程的穩(wěn)定性。從帶鋼表面質(zhì)量信息、軋制工藝實(shí)際過程數(shù)據(jù)來(lái)回溯、甄別和判斷軋制過程中的微小事故，為軋輥創(chuàng)造一個(gè)相對(duì)安全的使用環(huán)境。

(2)完善軋輥維護(hù)制度。對(duì)下機(jī)更換的軋輥進(jìn)行全輥面檢查，確認(rèn)軋輥在機(jī)服役的損傷情況，通過修磨工藝消除缺陷，使軋輥恢復(fù)到正常狀態(tài)。

(3)研發(fā)和使用具有更好抗事故性能的軋輥。在研發(fā)新型軋輥材料和制造工藝的基礎(chǔ)上，精確分析軋輥在軋制不同強(qiáng)度級(jí)別冷軋帶產(chǎn)品時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)和大小，有針對(duì)性地控制淬硬層深度和確保淬硬層硬度的均勻性，可在一定程度上預(yù)防軋制事故；盡可能避免產(chǎn)生輥面裂紋的工藝和管理因素，實(shí)現(xiàn)軋輥材料硬度和韌性的優(yōu)化匹配，從而降低裂紋產(chǎn)生后的擴(kuò)展速率，進(jìn)而最大限度地降低輥面剝落等惡性事故的發(fā)生。

4 結(jié)論

(1)該冷軋輥表面大面積剝落屬于輥面裂紋疲勞擴(kuò)展導(dǎo)致的失效；裂紋源可能是軋鋼過程中冷軋輥表面所產(chǎn)生的裂紋。

(2)應(yīng)從監(jiān)測(cè)軋制過程的穩(wěn)定性、完善軋輥維護(hù)制度以及研發(fā)和使用具有更好抗事故性能的軋輥等方面降低輥面剝落等惡性事故的發(fā)生。