高鉻熱軋軋輥的熱疲勞特性分析*

何沛賢，馬彥峰，尹 強(qiáng)

(國(guó)網(wǎng)平?jīng)龉╇姽?，甘肅 平?jīng)?744000)

0 引 言

目前采用熱軋技術(shù)的生產(chǎn)工藝有很多，除了傳統(tǒng)的金屬板材的生產(chǎn)，一般的棒材、管材都可以通過(guò)軋制得到，鋼球也可以采用熱軋的方式成產(chǎn)，甚至輪胎等這一類(lèi)橡膠制品的生產(chǎn)過(guò)程中一樣需要熱軋。在熱軋過(guò)程中，軋輥與加熱后的軋件接觸而溫度迅速升高，然后又被通過(guò)軋輥內(nèi)部的冷卻介質(zhì)迅速冷卻，進(jìn)而軋輥在徑向的較陡的溫度梯度會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生，熱軋過(guò)程中熱應(yīng)力如此循環(huán)往復(fù)，軋輥表面就會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋并擴(kuò)展甚至斷裂，這種疲勞失效稱(chēng)之為熱疲勞[1]。熱疲勞導(dǎo)致的裂紋會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量，加速了熱軋軋輥的失效。軋輥的質(zhì)量很大程度上影響著軋件的質(zhì)量，軋輥的壽命影響著生產(chǎn)效益，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在軋鋼行業(yè)中，軋輥的成本最高可以占到整個(gè)生產(chǎn)成本的20%，這還不能包括換輥而導(dǎo)致停產(chǎn)帶來(lái)的損失。因此，提高軋輥的疲勞壽命是軋制工藝相關(guān)行業(yè)共同的訴求，并且隨著工業(yè)的發(fā)展，軋制溫度、速度、負(fù)載的復(fù)雜性進(jìn)一步提高，對(duì)軋輥的壽命提出了更高的要求[2]。

筆者重點(diǎn)就高鉻鋼和高鉻鐵兩種常見(jiàn)軋輥材料的熱疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，通過(guò)對(duì)比熱疲勞敏感區(qū)間和宏觀裂紋長(zhǎng)度和深度等參數(shù)得出熱疲勞性能的差異性。該研究對(duì)提升軋輥疲勞性能的研究提供了重要參考，具有較高實(shí)際價(jià)值。

1 熱軋軋輥

軋輥在在工業(yè)生產(chǎn)中其實(shí)是消耗品，是軋機(jī)上龐大的耗材。軋輥主要是鐵或鋼材質(zhì)[3]。鐵質(zhì)軋輥基本都是通過(guò)鑄造的工藝生產(chǎn)，其碳含量超過(guò)2.2%。鑄鐵軋輥的質(zhì)量主要由其成分和鑄造工藝所決定，成分上主要分為一般的冷硬鑄鐵、球墨鑄鐵和高鉻鑄鐵。鑄造工藝大都為離心鑄造，在鑄造過(guò)程中，加熱溫度、冷卻速度、是否有后續(xù)的熱處理工藝等都決定了軋輥的質(zhì)量，也是由于質(zhì)量的差異，使得他們的使用場(chǎng)景也不同。另一類(lèi)就是鋼軋輥，鋼質(zhì)軋輥可以鑄造也可以鍛造。因?yàn)殄懺燔堓伋杀据^高，所以一般要求較高的軋輥才采用鍛造工藝。鋼質(zhì)軋輥的材質(zhì)種類(lèi)更加豐富，有優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金鋼、石墨鋼，還有半鋼輥以及高碳半鋼輥，高鉻鋼、高速鋼輥等[4]。

2 軋輥的熱疲勞失效

在軋制的過(guò)程中，軋件和軋輥是直接接觸的，他們之間有力的相互作用，也有熱的傳導(dǎo)，溫度的傳遞使得軋輥溫度升高，進(jìn)而使得軋輥熱膨脹，軋輥會(huì)發(fā)生變形如拱起、扭轉(zhuǎn)等。室溫下的冷軋，當(dāng)變形量較大時(shí)，軋輥和軋件的溫升對(duì)疲勞壽命的影響一樣不可忽視。由于力、熱交替作用，并且這種作用可以近似為周期性的，因此軋輥會(huì)發(fā)生接觸疲勞以及熱疲勞，這也是正常情況下軋輥失效的主要原因。

在過(guò)去的研究中，人們主要從軋輥材料的角度來(lái)提升軋輥的抗疲勞性能，先后使用了鉬合金冷硬鑄鐵軋輥、合金半鋼軋輥、高鉻鑄鐵軋輥、鍛造高速鋼軋輥[5]。高速鋼軋制的淬透性、耐磨性等都比之前的材質(zhì)好很多，紅硬性也更高，在熱軋上應(yīng)用也十分合適，可用于精軋[6]。

如圖1所示是軋制橡膠的軋輥發(fā)生斷裂[7]，斷裂縫位于軋輥長(zhǎng)的1/3處，兩條裂縫深度大約10 mm。斷裂的原因就是由于復(fù)雜彎曲、扭轉(zhuǎn)等綜合應(yīng)力導(dǎo)致的交變載荷附加冷卻等過(guò)程的熱應(yīng)力導(dǎo)致的軸向疲勞，最終裂紋擴(kuò)展直至徑向斷裂，裂紋的萌生點(diǎn)是合金的鑄造缺陷處，是粗大的磷-碳化合物脆性相，對(duì)于諸如此類(lèi)附加冷卻孔的熱軋輥要控制冷卻部分的表面質(zhì)量。

圖1 軋輥的斷裂裂紋及周邊孔的裂紋擴(kuò)展

工作輥在熱軋時(shí)會(huì)因?yàn)楦邷氐能埣饔檬艿綗釕?yīng)力，也會(huì)與支撐輥之間形成循環(huán)交變的周期性的接觸應(yīng)力，這兩種應(yīng)力的作用都會(huì)使工作輥疲勞和磨損[8]，和軋件之間也有變形抗力。此外，高溫作用也使得軋輥容易被氧化而生成黑色的氧化膜，氧化皮脫落也會(huì)帶來(lái)諸多表面缺陷。

3 軋輥熱應(yīng)力疲勞的試驗(yàn)研究

軋輥本身雖然是軋機(jī)中的一件“耗材”，但是其成本太高，在實(shí)驗(yàn)研究中一般不會(huì)選取實(shí)際生產(chǎn)中所使用的的大尺寸的軋輥來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。一般都是將尺寸縮小幾十倍到很小，或者就多種軋輥材料本身，研究其疲勞特性，經(jīng)過(guò)這樣的試驗(yàn)再結(jié)合有限元分析的結(jié)果等，對(duì)某種材料的某種尺寸的軋輥的疲勞性能進(jìn)行綜合評(píng)估，并且依據(jù)自己生產(chǎn)狀況或者工藝條件選用合適的軋輥，降低成本。

3.1 熱應(yīng)力疲勞試驗(yàn)

軋輥所受的冷熱溫度快速變化所導(dǎo)致的熱應(yīng)力是較為特殊的試驗(yàn)條件，因此需要依據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)際條件設(shè)計(jì)試驗(yàn)。加熱可以采用電磁感應(yīng)加熱，更加快捷，并且可以均勻的只加熱表面，這與軋輥的實(shí)際工況更加接近，其中頻率約在20～30 kHz之間；冷卻方式選擇水冷卻即可，既節(jié)約成本又與實(shí)際生產(chǎn)中大部分軋輥冷卻方式一致，并在冷卻系統(tǒng)中增加熱電偶測(cè)量試樣的溫度。此外對(duì)冷卻和加熱的系統(tǒng)進(jìn)行微機(jī)控制，可以設(shè)定加熱溫度、冷卻速度、周期長(zhǎng)短、循環(huán)次數(shù)等。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

兩種常見(jiàn)的軋輥材料高鉻鐵和高鉻鋼的熱疲勞相關(guān)研究如下。

3.2.1 高鉻鐵[9]

高鉻鐵軋輥材料采用離心鑄造的方式生產(chǎn)。由于凝固過(guò)程中沿著徑向結(jié)晶，因此碳化物表現(xiàn)出很強(qiáng)的方向性，在徑向以及弦向兩個(gè)方向取樣。

在徑向試樣實(shí)驗(yàn)后產(chǎn)生的細(xì)長(zhǎng)的裂紋的方向也常沿著徑向，但是如果在弦向取向，裂紋的分布又會(huì)變成網(wǎng)格狀。試驗(yàn)過(guò)程中，以循環(huán)次數(shù)和試驗(yàn)溫度為變量，微觀上主要測(cè)裂紋面積分?jǐn)?shù)、裂紋總長(zhǎng)度，宏觀上主要測(cè)裂紋的寬度以及深度。表1所列是高鉻鐵在不同溫度循環(huán)500次循環(huán)后，疲勞裂紋的發(fā)展情況，表2是試樣在溫度為600 ℃時(shí)，裂紋情況隨循環(huán)次數(shù)的變化；高鉻鐵試樣微觀裂紋和宏觀裂紋形貌如圖2所示。

圖2 高鉻鐵裂紋在微觀以及宏觀下的形貌

表1 高鉻鐵不同溫度下循環(huán)500次高鉻鐵試樣裂紋情況

表2 高鉻鐵600 ℃循環(huán)時(shí)裂紋情況隨循環(huán)次數(shù)的變化

在固定循環(huán)次數(shù)(500次)的試驗(yàn)條件下，溫度在525 ℃以下都沒(méi)有出現(xiàn)裂紋，當(dāng)試驗(yàn)溫度升高到550 ℃，高鉻鐵試樣出現(xiàn)了宏觀裂紋。說(shuō)明在525～550 ℃溫度區(qū)間是高鉻鐵疲勞特征區(qū)間。同時(shí)隨著加熱溫度的升高，裂紋的面積分?jǐn)?shù)和總長(zhǎng)度都是增大的，但當(dāng)產(chǎn)生宏觀裂紋后，加熱溫度和裂紋面積分?jǐn)?shù)和總長(zhǎng)度之間就沒(méi)有明顯關(guān)聯(lián)性。當(dāng)加熱溫度超過(guò)熱疲勞特征區(qū)后，即使循環(huán)100次也會(huì)產(chǎn)生宏觀裂紋，說(shuō)明溫度的影響程度比循環(huán)次數(shù)的影響更加顯著。同時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)的增大，宏觀裂紋的深度不斷增加。但是裂紋面積分?jǐn)?shù)和總長(zhǎng)度并無(wú)顯著關(guān)聯(lián)性。

3.2.2 高鉻鋼

通常在對(duì)生產(chǎn)精度和質(zhì)量要求比較高的場(chǎng)合，軋輥材料更多的選擇高鉻鋼。如上所示的實(shí)驗(yàn)條件下研究高鉻鋼的熱疲勞特性結(jié)果如表3、4[9]所列。

表3 高鉻鋼不同溫度下循環(huán)500次高鉻鐵試樣裂紋情況

表4 高鉻鋼600 ℃循環(huán)時(shí)裂紋情況隨循環(huán)次數(shù)的變化

由表3可以看出相比于高鉻鐵，高鉻鋼的熱疲勞特征區(qū)間升高到580～600 ℃區(qū)間，同時(shí)高鉻鋼在裂紋面積分?jǐn)?shù)和裂紋長(zhǎng)度方面都比高鉻鐵小，這也充分說(shuō)明了高鉻鋼軋輥具有更好的熱疲勞性能。如圖3所示。

圖3 高鉻鋼裂紋在微觀以及宏觀下的形貌

此外也有報(bào)道在熱疲勞試驗(yàn)后試樣的硬度變化以及裂紋數(shù)量變化等[10]。對(duì)離心鑄造的高鉻鋼表面預(yù)制缺口(模擬缺陷等)后進(jìn)行熱疲勞試驗(yàn)，初期裂紋沿著試樣預(yù)制缺口的方向萌生和沿晶界擴(kuò)展，形成裂紋，經(jīng)過(guò)不同循環(huán)次數(shù)后的裂紋形貌如圖4所示。表5為高鉻鋼熱疲勞試驗(yàn)裂紋情況統(tǒng)計(jì)。

圖4 高鉻鋼在不同循環(huán)次數(shù)后熱疲勞裂紋形貌

表5 高鉻鋼熱疲勞試驗(yàn)裂紋情況

試樣1在經(jīng)歷650 ℃循環(huán)300次后，其硬度最低，疲勞裂紋生長(zhǎng)較快，裂紋長(zhǎng)且數(shù)目多，并且除主裂紋外的其他裂紋較多，試樣4的加載條件是與1相比峰值溫度降低，但循環(huán)次數(shù)增加了4倍，在這種熱疲勞試驗(yàn)條件下，裂紋總數(shù)不變但是長(zhǎng)度最短。試樣2、3相比較，熱循環(huán)上限溫度均為600 ℃，循環(huán)次數(shù)提高后裂紋的數(shù)目和長(zhǎng)度都增大，總體看循環(huán)次數(shù)的影響低于溫度的影響。

有報(bào)道研究了不同成分高鉻鋼的熱疲勞性能[11]，高鉻鋼成分如表6所列，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

表6 高鉻鋼軋輥成分 /%

圖5 不同成分高鉻鋼試樣熱疲勞循環(huán)次數(shù)與裂紋長(zhǎng)度

由圖可知，1號(hào)試樣循環(huán)次數(shù)最少，3號(hào)試樣循環(huán)次數(shù)相對(duì)較高，在相同循環(huán)次數(shù)時(shí)，3號(hào)試樣的裂紋長(zhǎng)度也小于1號(hào)試樣，因此3號(hào)含鉻量最高的試樣的熱疲勞性能最好。還有報(bào)道研究了添加稀土元素對(duì)高鉻鋼軋輥疲勞壽命的影響[12]，得出了添加0.5%～1.0%稀土元素可以得到較好的熱疲勞性能。

4 結(jié) 語(yǔ)

軋輥的熱疲勞失效影響軋輥壽命的重要因素，是軋制生產(chǎn)工藝成本控制的難點(diǎn)，給工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了較大麻煩。目前解決這一問(wèn)題的主要方式還是通過(guò)改變軋輥的材質(zhì)、熱處理工藝等來(lái)改善軋輥的熱疲勞性能。筆者通過(guò)對(duì)軋輥材質(zhì)樣品的熱疲勞試驗(yàn)可以得到高鉻鋼軋輥的熱疲勞性能優(yōu)于高鉻鐵軋輥的性能，通過(guò)小尺寸樣品的熱疲勞實(shí)驗(yàn)得出可靠結(jié)果后，再進(jìn)行軋輥材料設(shè)計(jì)可以為高性能軋輥材料的開(kāi)發(fā)節(jié)約成本。