大規(guī)格冷軋輥輥徑缺陷分析研究

王曉明 閆崇榜 張 帥 王 剛 宮國峰 張學(xué)美

(天津賽瑞機(jī)器設(shè)備有限公司，天津300301)

關(guān)鍵字：大規(guī)格軋輥；無損檢測；碳化物

隨著我國高端制造業(yè)的發(fā)展，冷軋輥也在不斷地升級(jí)換代。鉻含量的提高是高碳鉻鉬冷軋工作輥發(fā)展的基本特征。經(jīng)過十幾年的不斷發(fā)展，Cr含量為5%～6%的冷軋工作輥成為主流。隨著大型冷軋機(jī)的不斷發(fā)展，常用冷軋工作輥的規(guī)格也在不斷增大。目前，輥身直徑在?450～?650 mm之間的冷軋工作輥規(guī)格最為常見，但是隨著產(chǎn)品規(guī)格的增大，生產(chǎn)難度也有明顯增加。

1 問題描述

冷軋輥在軋機(jī)上與軋件直接接觸，在軋機(jī)工作時(shí)要承受非常大的應(yīng)力，而且工作環(huán)境較為惡劣，制造質(zhì)量要求很高，表面要有很高的強(qiáng)度，同時(shí)心部要有較高的韌性，最主要的是不能有超標(biāo)缺陷。所以，冷軋輥在制造過程中必須進(jìn)行超聲檢測，如果發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，必須報(bào)廢處理。公司生產(chǎn)的某批冷軋工作輥坯在無損檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)存在超標(biāo)缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)品最終報(bào)廢。此批次軋輥輥身規(guī)格為?650 mm，輥徑規(guī)格?300 mm。在進(jìn)行超聲檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)在輥徑中心位置存在大于?4 mm的連續(xù)缺陷。通過超聲波波形初步判斷，缺陷性質(zhì)應(yīng)為裂紋性缺陷。

2 問題分析

出現(xiàn)問題的冷軋工作輥的生產(chǎn)工藝路線為：電渣冶煉→鍛造→超聲檢測→粗加工→熱處理→精加工→成品。該缺陷在鍛造后進(jìn)行超聲檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)，故可判斷，缺陷產(chǎn)生在電渣冶煉和鍛造這兩道工序中。因冷軋工作輥合金含量較高，特別是Cr含量，可以達(dá)到6%，在電渣冶煉工序中容易產(chǎn)生成分偏析。同時(shí)合金元素的存在，使C曲線右移，在鋼錠凝固過程中一次碳化物析出傾向會(huì)增大。由于一次碳化物邊界較為尖銳，且相較于基體來說較硬。在鍛造過程中，一次碳化物的周邊容易應(yīng)力集中，應(yīng)力達(dá)到一定程度后會(huì)撕裂基體，鍛造后極易出現(xiàn)輥坯內(nèi)部超聲檢測超標(biāo)的情況。另外，鋼錠中不可避免地會(huì)存在非金屬夾雜物，非金屬夾雜物在鍛造過程中對輥坯基體的影響與一次碳化物類似，可能導(dǎo)致夾雜性裂紋缺陷的產(chǎn)生[1]。為研究產(chǎn)生無損檢測缺陷的原因，對報(bào)廢軋輥進(jìn)行了解刨，在缺陷位置處取樣進(jìn)行高倍檢驗(yàn)，按GB/T 10561—2005中ASTM標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖對非金屬夾雜物進(jìn)行評(píng)定，按GB/T 1299—2014第二級(jí)別圖對網(wǎng)狀碳化物進(jìn)行評(píng)定，按GB/T 18254—2002標(biāo)準(zhǔn)對液析碳化物進(jìn)行評(píng)定。具體檢驗(yàn)評(píng)定結(jié)果如表1所示。

表1 冷軋工作輥高倍檢驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Microscopic test data of cold rolling work roll

通過檢驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，缺陷處鋼錠的純凈度很高，但還是存在非金屬夾雜。這是因?yàn)殡娫睙掃^程雖然通過渣洗，有改善鋼錠純凈度的作用，能夠使得外來夾雜物的含量降到很低，但鋼中的O、N、P、S和其它有害元素在鋼錠凝固過程中，難免會(huì)形成內(nèi)生夾雜。由于內(nèi)生夾雜物是鋼的組成部分，冶金和凝固等特性決定了鋼錠內(nèi)部不可避免的存在夾雜物。為了確定缺陷性質(zhì)，將缺陷處基體切割下來，制成金相試樣，使用金相顯微鏡對缺陷進(jìn)行分析，缺陷處的形貌如圖1所示。通過100倍和500倍的金相觀察，可以確定缺陷性質(zhì)為裂紋性缺陷，裂紋邊界處存在一次碳化物及少量的非金屬夾雜，具體形貌如圖2所示。

圖1 低倍缺陷照片F(xiàn)igure 1 The photo of macroscopic test defects

圖2 高倍裂紋照片F(xiàn)igure 2 The photo of microscopic crack

由上述結(jié)果可知，缺陷性質(zhì)為裂紋性缺陷，產(chǎn)生裂紋的直接原因?yàn)殇撝写嬖谝淮翁蓟锖头墙饘賷A雜，一次碳化物和非金屬夾雜物對于基體來說是雜質(zhì)，在鍛造過程中不能隨著基體材料的變形而變形。輥坯在鍛造變形過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。但通過高倍檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果可知，液析碳化物的評(píng)級(jí)很低，即使產(chǎn)生了裂紋，也不會(huì)使無損檢測超標(biāo)，而且研究表明，此類裂紋可以通過高溫?cái)U(kuò)散進(jìn)行修復(fù)[2]。為此，將此批工作輥進(jìn)行了高溫?cái)U(kuò)散處理，處理后的結(jié)果如表2所示。

表2 冷軋工作輥高溫?cái)U(kuò)散前后無損檢測情況對比Table 2 Comparison of NDT results before and after high temperature diffusion of cold rolling roll

通過表2無損檢測前后數(shù)據(jù)對比，可以看出，此批工作輥進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散后，缺陷沒有明顯變小，特別是編號(hào)為3和4的工作輥，缺陷還有變大的趨勢。因此判斷，導(dǎo)致此批工作輥無損檢測缺陷超標(biāo)的原因可能有一次碳化物和非金屬夾雜物對基體的影響，但不是主要的原因，應(yīng)該還有其他原因。確定了裂紋缺陷產(chǎn)生在鍛造階段，進(jìn)一步對鍛造過程進(jìn)行分析。

目前各冷軋輥制造廠家的鍛造工藝過程大體相同，都是采用鐓粗聯(lián)合拔長的變形工藝。這種工藝通過鐓粗能達(dá)到較大的鍛造比，高溫階段大壓下量拔長，壓實(shí)鋼錠中的孔隙性缺陷，同時(shí)打碎鑄態(tài)組織，得到較為細(xì)化的基體組織。公司同樣使用此種鍛造工藝生產(chǎn)冷軋工作輥，具體分析鍛造工藝過程對輥坯產(chǎn)生的影響。首先通過缺陷產(chǎn)生的部位進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)缺陷都產(chǎn)生在工作輥的輥徑，輥身上都沒有缺陷。輥徑所用的料在鋼錠的頭尾端，鋼錠的頭尾部的冶金質(zhì)量不如錠身，一次碳化物和非金屬夾雜在此處更容易聚集，高倍檢驗(yàn)結(jié)果也印證了這個(gè)觀點(diǎn)。其次，輥身與輥頸的臺(tái)階差較大。輥身的直徑為650 mm，裂紋端輥頸直徑只有300 mm，臺(tái)階差350 mm。這會(huì)導(dǎo)致變形過程中有兩個(gè)問題，第一個(gè)問題是下圓弧砧的圓弧大，擊打輥頸時(shí)，近似于平砧，即料側(cè)面未受力。若送進(jìn)量過大，對于輥頸而言，軸向拔長就變成了徑向展寬，即應(yīng)力狀態(tài)為軸心徑向拉應(yīng)力，容易在薄弱處產(chǎn)生軸心縱向裂紋，如圖3所示；第二個(gè)問題是，因輥身與輥頸的臺(tái)階差大，操作時(shí)壓下量過大，造成心部變形量過大。因液析碳化物和非金屬夾雜的存在，降低了輥坯的塑性，也會(huì)產(chǎn)生微裂紋，加之徑向拉應(yīng)力和鍛造應(yīng)力過大就會(huì)導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展。

圖3 輥徑鍛造過程Figure 3 Forging process of roll diameter

3 控制措施

3.1 在電渣冶煉方面的控制措施

在電渣冶煉方面，應(yīng)從提高電渣錠頭、尾部的冶金質(zhì)量，即提高鋼的純凈度和控制液析碳化物析出的角度出發(fā)，改善冶煉條件，提高頭尾部的可鍛性。具體可從以下幾方面入手：

(1)合理控制電渣錠的重熔速度

電渣重熔過程中，自耗電極的熔化速度是重要的目標(biāo)參數(shù)之一，首先，合理的熔化速度，決定著電渣冶煉過程中渣洗的效果，是保證鋼純凈度的重要前提。另外，熔化速度間接地影響著熔池形狀，從而影響著電渣錠凝固過程中偏析的發(fā)生。所以說將電渣過程中的熔速控制在一個(gè)平穩(wěn)且合理的范圍，是提高鋼水純凈度及減少電渣錠偏析的主要控制方法。

(2)重熔過程平穩(wěn)性控制

保證電渣重熔過程中的平穩(wěn)性，也是減少偏析產(chǎn)生的主要手段。所以，在正常冶煉過程中，應(yīng)盡量減少電流、電壓等工藝參數(shù)的調(diào)整。在保證電流缺陷平穩(wěn)波動(dòng)的情況下，本著多觀察、少干預(yù)的原則進(jìn)行控制，進(jìn)而保證電渣冶煉過程的平穩(wěn)性。

(3)交換電極位置的控制

隨著產(chǎn)品規(guī)格的不斷增加，為了保證鋼錠重量，電渣重熔過程交換電極操作是在所難免的。但是交換電極過程需要斷電操作，有電流電壓的過渡階段。這樣的過程都容易使電渣錠產(chǎn)生偏析。所以，在不能實(shí)現(xiàn)單支臂重熔的情況下，應(yīng)該通過合理計(jì)劃電極坯料重量，盡量減少電極坯交換電極的次數(shù)。將交換電極的位置排在軋輥大身以外，且避開易產(chǎn)生無損檢測不合格的位置。進(jìn)而減少因?yàn)榻粨Q電極產(chǎn)生偏析導(dǎo)致無損檢測不合格情況的發(fā)生。

3.2 在鍛壓方面的控制措施

在鍛壓方面，應(yīng)從應(yīng)力狀態(tài)和減小錘擊力出發(fā)，即避免產(chǎn)生軸心徑向拉應(yīng)力和減小變形程度的方面做控制，避免裂紋的產(chǎn)生。

(1)嚴(yán)格控制鍛造變形過程中的送進(jìn)量及壓下量

鍛造過程中應(yīng)嚴(yán)格控制壓下量，尤其是鍛造輥頸時(shí)，送進(jìn)量應(yīng)限制在坯料直徑的0.5～0.8倍之間，避免拔長輥頸時(shí)出現(xiàn)徑向展寬現(xiàn)象，既提高了拔長效率，又避免軸心的徑向拉應(yīng)力。另外，限制送進(jìn)量，并選擇合適的壓下量，以減輕心部的變形程度。兩方面入手，以避免裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展。

(2)提高鍛造效率、降低鍛造時(shí)長

軋輥類鍛件為臺(tái)階軸類鍛件，生產(chǎn)過程中鍛工及操作手應(yīng)熟練操作并默契配合，盡量提高鍛造效率，降低鍛造時(shí)長，進(jìn)而使大變形量處于鍛件塑性較好的時(shí)期。這樣也能減少鍛造過程中鍛件芯部和表面裂紋的產(chǎn)生，進(jìn)而提高產(chǎn)品的合格率。

4 結(jié)論

(1)大規(guī)格冷軋輥輥坯的超聲檢測缺陷性質(zhì)為裂紋性缺陷，液析碳化物和非金屬夾雜物的存在是產(chǎn)生裂紋性缺陷的誘因。

(2)因?yàn)榇笠?guī)格冷軋輥的輥徑與輥身的臺(tái)階差相差較大，在鍛造過程中，送進(jìn)量及壓下量過大會(huì)導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展。

(3)提高電渣錠的冶煉質(zhì)量及控制鍛造輥徑時(shí)的送進(jìn)量和壓下量，可以避免冷軋輥輥徑缺陷的產(chǎn)生。