鍛鋼冷軋工作輥表面裂紋擴展引起的剝落分析

張林超

(日照鋼鐵控股集團有限公司，山東 日照 276800)

冷軋工作輥剝落是冷軋生產(chǎn)線最常見的軋輥失效形式，占工作輥正常失效的50%以上。冷軋工作輥剝落按原因可分為表面接觸疲勞剝落和次表層疲勞剝落。而裂紋源的萌發(fā)與冶金制造缺陷、軋鋼時的異常事故與軋輥的維護不到位有關(guān)。一般情況下，由表面裂紋擴展導致的剝落，通過剝落區(qū)可以觀察到較為明顯的蛇形疲勞擴展通道。但當剝落面未完全剝離時，則呈“橋式”形貌，用硬物敲擊，內(nèi)部存在空洞音。通過對一支剝落工作輥的剝落勘查、金相檢測、線切割解剖等方式的研究，詳細闡述了輥面裂紋從擴展到最終剝落的過程，并對裂紋產(chǎn)生原因進行分析，提出預防性措施，為避免此類事故的發(fā)生提供實證借鑒和指導。本文研究的剝落工作輥為Cr5材質(zhì)，輥身淬火硬度要求89～92HSD。

1 概述

該輥上機使用共8次，剝落區(qū)域距非字端輥身端面0～1000 mm范圍。剝落區(qū)域存在肉眼可見的疲勞擴展通道，通道中心距非字端輥身端面約500 mm處，周向已剝落開區(qū)域約250 mm。在剝落區(qū)域附近還存在一處裂紋區(qū)域，剝落區(qū)域與裂紋區(qū)域相通，周向總長約320 mm。剝落區(qū)域最深約35 mm。該輥新輥時直徑450 mm，淬硬層要求50 mm，剝落時直徑448.28 mm，最后一次上機軋制48.32 t時發(fā)生剝落。剝落軋輥形貌見圖1。

圖1 剝落軋輥形貌Figure 1 Appearance of peeling roll

2 剝落過程研究

2.1 硬度檢測情況

該輥輥身硬度要求89～92HSD，硬度檢測情況見表1。

表1 硬度檢測數(shù)據(jù)Table 1 Testing data of hardness

以上硬度檢測在每個區(qū)域(區(qū)域直徑在10 mm以內(nèi))取五點，檢五點硬度后取平均值。硬度檢測自字端到非字端。該輥輥身未進行磨削，為下機后狀態(tài)，區(qū)域1與區(qū)域5為非過鋼區(qū)硬度，區(qū)域2、3、4為過鋼區(qū)。通過表1硬度檢測結(jié)果可知，非過鋼區(qū)與過鋼區(qū)硬度相當，輥身平均硬度在技術(shù)要求范圍內(nèi)，并處于上限，表明軋輥輥身硬度無異常。因輥身剝落區(qū)域無法檢測硬度，而裂紋區(qū)域由于應力已釋放，導致硬度下降失真，故均未進行硬度檢測。

2.2 裂紋擴展過程分析

剝落區(qū)域形貌如圖2所示。由圖2可見，剝落區(qū)域內(nèi)存在肉眼可見的疲勞紋路，方向由下向上。

對現(xiàn)場剝落塊進行觀察，發(fā)現(xiàn)其中最大一塊剝落塊上有一處眼肉可見的軸向裂紋，如圖3所示。

圖2 剝落區(qū)域形貌Figure 2 Peeling area morphology

圖3 軸向裂紋形貌Figure 3 Axial crack appearance

圖4 剝落塊內(nèi)部形貌Figure 4 Inner appearance of peeling block

將該剝落塊翻轉(zhuǎn)180°的內(nèi)部形貌如圖4所示。圖4中有明顯的內(nèi)眼可見疲勞擴展通道，方向由上向下。經(jīng)比對，與剝落區(qū)域的疲勞擴展通道吻合。此外，圖4剝落塊存在一處筆直的棱臺。在實驗室采用斜探頭進行檢測，發(fā)現(xiàn)該處已分層，分層延伸至圖4所示的輥面裂紋處，因此分析該處是剝落塊上的表面裂紋向下擴展時的經(jīng)過之處。由此可以推斷，該剝落塊上表面裂紋即為此次剝落的裂紋源頭，在軋制力與軋輥內(nèi)應力的共同作用下，裂紋向輥身內(nèi)部擴展，最終形成剝落。為了進一步研究擴展過程，對裂紋原處進行切割取樣，如圖5所示。

切割后對試塊切割面進行磁粉檢測，發(fā)現(xiàn)存在裂紋。結(jié)合斜探頭檢測，發(fā)現(xiàn)切割面上的這條裂紋為表面裂紋擴展過程中的通過之處，如圖6所示。

沿圖6中的切割面裂紋中心垂直線再次進行切割，以對裂紋源的擴展過程進行深入觀察，如圖7所示。

采用硝酸酒精對該條裂紋進行腐蝕，在100倍顯微鏡下觀察裂紋擴展形貌，腐蝕后的金相檢測照片如圖8所示。

圖5 切割剝落塊區(qū)域Figure 5 Cutting location of peeling block

圖6 切割塊上的裂紋Figure 6 Crack of cut block

圖7 表面裂紋走向Figure 7 Tendency of surface crack

圖8 腐蝕后的裂紋擴展形貌Figure 8 Extension appearance of corrosive crack

通過圖8，可以清晰看到裂紋走向和最初的擴展過程。

對裂紋源處進行金相檢測，未發(fā)現(xiàn)異常，組織為隱針、細針馬氏體+碳化物，殘奧量14.5%。裂紋源處金相組織見圖9。

圖9 裂紋源處金相組織Figure 9 Metallographic structure at crack source

通過以上檢測和觀察可以發(fā)現(xiàn)，裂紋形成后，最初擴展通道角度較小，屬于表面裂紋擴展的萌芽階段。裂紋擴展萌芽階段結(jié)束后，擴展通道角度變大。試樣在實驗室腐蝕后，表面裂紋源附近腐蝕后顏色較其他位置偏暗，判斷該處存在沖擊損傷，并形成損傷裂紋。腐蝕后顏色較其他位置偏暗的原因是沖擊損傷產(chǎn)生高溫，超過了軋輥的最終回火溫度而產(chǎn)生自回火，導致耐腐蝕性變差。

2.3 討論

通過上述研究和分析，可以確定該輥是由表面沖擊損傷裂紋擴展所導致的剝落。由于現(xiàn)場缺乏有效檢測手段，造成軋輥磨削后表面損傷裂紋未磨凈而再次上機，在使用過程中，表面損傷裂紋受軋制力與軋輥內(nèi)應力的共同作用發(fā)生擴展，并最終導致剝落事故發(fā)生。

3 結(jié)語

(1)該輥存在明顯的疲勞擴展通道，通過勘查、各項檢測及分析，可以明確擴展通道源頭為輥身表面損傷裂紋。表面損傷裂紋從輥身表面起始向輥身內(nèi)部擴展，屬于典型的輥身表面裂紋引發(fā)的帶狀剝落。

(2)對裂紋源進行金相檢測，組織正常，未發(fā)現(xiàn)冶金缺陷，可以確定裂紋的產(chǎn)生與軋輥冶金質(zhì)量無關(guān)。

(3)現(xiàn)場缺乏有效檢測手段，結(jié)合金相檢測結(jié)果，分析裂紋產(chǎn)生原因是輥面受到異常沖擊形成的。

(4)軋輥磨削后進行相應的無損檢測，可以有效地避免軋輥帶傷上機和由此所造成的剝落事故。鍛鋼冷軋工作輥的檢測手段主要采用渦流和2 MHz表面波相結(jié)合的方式。