吳國(guó)勝 栗 曉

（1.武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司研究院 湖北 武漢：430080；2.武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢：430080）

某公司帶鋼廠單機(jī)架六輥可逆軋機(jī)工作輥近期頻繁出現(xiàn)輥身剝落和粘鋼事故，共造成十幾支工作輥報(bào)廢。據(jù)該廠介紹，此批工作輥均為同一家軋輥廠制造，材質(zhì)為Cr5，較易在軋鋼過程中出現(xiàn)裂紋、爆輥現(xiàn)象，甚至有1支工作輥在磨輥區(qū)域放置時(shí)，突然發(fā)生爆裂，造成該廠工作輥使用和維護(hù)壓力較大。通過到該廠軋輥車間實(shí)地查看工作輥剝落情況、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量剝落工作輥、同批次的待機(jī)工作輥和新工作輥硬度、并對(duì)84工作輥剝落塊進(jìn)行取樣檢驗(yàn)、失效分析，找出了80、84工作輥剝落原因。

1 事故調(diào)查

1.1 使用情況

84工作輥于某年12月底開始上機(jī)使用，至次年4月初在軋鋼時(shí)突然發(fā)生剝落報(bào)廢，整個(gè)服役期不足4個(gè)月。冬季服役，氣溫較低，對(duì)其抗事故性可能會(huì)有點(diǎn)影響，但是剝落時(shí)已經(jīng)是春季，故季節(jié)的因素不是很大。據(jù)車間介紹，該輥共上機(jī)服役22次，正常輥耗僅為2mm，剝落當(dāng)次服役正在軋制其上機(jī)后開始軋制的第1卷鋼。由此可見，該輥平均磨削量偏低，但這是否就是導(dǎo)致該輥發(fā)生此次事故的原因，需要通過取樣、檢驗(yàn)和分析，才能得出結(jié)論。

1.2 斷口分析

1.2.1 84工作輥

84工作輥輥身剝落斷口形態(tài)見圖1，可見其為較明顯的帶狀剝落，其斷口中間有一條明顯的早期裂紋緩慢擴(kuò)展形成的疲勞帶，其斷口較光滑，是由于該輥剝落之前疲勞帶的上、下2個(gè)裂紋面發(fā)生較長(zhǎng)時(shí)間相互摩擦造成的；而其兩側(cè)斷口較粗糙，是由于該疲勞帶擴(kuò)展到一定程度，使得剝落塊部位不再能夠承受其受到的應(yīng)力而發(fā)生瞬時(shí)脫落造成的；疲勞帶及其周圍斷口較光滑，其剝落塊斷口形態(tài)見圖2，其上可見明顯的疲勞裂紋擴(kuò)展留下圓弧狀條紋，其突出處指向即是該疲勞裂紋的擴(kuò)展方向。圖1中左側(cè)碎塊為其斷口中間部位疲勞帶上的剝落塊，也即圖2中左側(cè)碎塊，其厚度約為1mm，寬度約為8mm，斷為2節(jié)，全長(zhǎng)約25mm；該碎塊的2個(gè)斷口面均已被磨光，表明裂紋撕開該碎塊時(shí)較緩慢、以致留下擴(kuò)展痕跡，或者撕開的時(shí)間較早，以致斷口面被磨光。由于在該輥逆疲勞帶裂紋擴(kuò)展方向的輥身表面上沒有發(fā)現(xiàn)裂縫、軟點(diǎn)、或其它肉眼可見缺陷，使得裂紋源的性質(zhì)仍然不清楚，給分析造成該輥剝落的原因帶來一定困難。

圖1 84工作輥輥身剝落斷口形態(tài)

1.2.2 80工作輥

80工作輥剝落斷口形態(tài)見圖3，該輥也是在軋鋼過程中大剝落報(bào)廢。由圖3可見，該輥為典型的帶狀剝落，且由于該疲勞帶位于輥身中部，該疲勞帶形成的應(yīng)力集中能夠同時(shí)向其兩側(cè)釋放，致使其瞬時(shí)撕裂區(qū)像一對(duì)蝴蝶翅膀，故稱蝶型帶狀剝落。這類剝落基本上都是由于軋輥表面因各種原因出現(xiàn)裂紋后未能及時(shí)換輥修磨、或雖然換輥進(jìn)行修磨但裂紋未能消除干凈，從而造成軋輥在繼續(xù)上機(jī)服役過程中發(fā)生剝落事故［1］。這點(diǎn)在80工作輥上也得到證實(shí)：在該輥輥身表面上逆疲勞帶裂紋擴(kuò)展方向追溯，在距離剝落斷口邊緣約300mm處，發(fā)現(xiàn)1條明顯的裂縫，此即是造成該輥剝落的裂紋源。這也說明為什么冷軋工作輥一定不能帶裂紋上機(jī)使用的道理。

圖2 84工作輥剝落塊斷口形態(tài)

1.3 現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)

采用便攜式里氏硬度計(jì)對(duì)上述2支剝落工作輥、若干同批次的待上機(jī)工作輥和新工作輥輥身表面硬度進(jìn)行了檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)所有檢驗(yàn)的工作輥輥身表面硬度范圍為93－96HSD，且硬度均勻性較好，均為3個(gè)HSD。檢驗(yàn)結(jié)果證明這批工作輥輥身表面硬度符合冷軋工作輥常規(guī)技術(shù)要求，說明其最終熱處理工藝比較穩(wěn)定。

圖3 80工作輥剝落斷口形態(tài)

2 試樣和檢驗(yàn)方法

對(duì)圖2所示84工作輥剝落塊進(jìn)行取樣和制樣，并采用儀器分析或化驗(yàn)方法檢驗(yàn)其化學(xué)成分、采用金相顯微鏡檢驗(yàn)其金相組織和夾雜物級(jí)別、采用顯微硬度計(jì)檢驗(yàn)其顯微硬度、以及利用X－射線衍射儀檢驗(yàn)其殘余奧氏體含量，以期找出該輥剝落原因。

3 檢驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 化學(xué)成分

在取到的84工作輥剝落塊上鉆取粉末試樣，并采用儀器分析或化驗(yàn)方法檢驗(yàn)其化學(xué)成分，結(jié)果見表1；表中同時(shí)列出該廠所屬公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q／WG（ZG）01－2012《冷軋五機(jī)架鍛鋼工作輥》中8Cr3MoV和8Cr5MoV材質(zhì)的成分要求，以便作對(duì)比分析。

表1 84工作輥剝落塊試樣化學(xué)成分（%）

由此可見，84工作輥材質(zhì)并非為Cr5，而是為Cr3；且其碳、釩、鉬含量低于8Cr3MoV材質(zhì)的成分要求，氮含量高于8Cr3MoV材質(zhì)的成分要求，表明該輥成分與8Cr3MoV材質(zhì)要求有一定差別。Mo在冷軋工作輥材質(zhì)中的主要用于提高淬硬層深度，并有利于提高抗熱沖擊性能，改善輥身工作層的耐熱裂性能；V在冷軋工作輥材質(zhì)中的主要用于細(xì)化組織和晶粒，且能降低過熱敏感性、提高回火穩(wěn)定性［2］。因此，該輥化學(xué)成分可能對(duì)其抗事故性產(chǎn)生不利影響。

3.2 金相組織

對(duì)上述2個(gè)剝落塊取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，經(jīng)過金相砂輪機(jī)切割、金相鑲樣機(jī)鑲嵌和金相磨樣機(jī)研磨、拋光，2個(gè)試樣被制成金相試樣，然后利用金相顯微鏡檢驗(yàn)其組織、夾雜物和顯微硬度等項(xiàng)內(nèi)容，檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

由檢驗(yàn)結(jié)果可見，84工作輥的夾雜物級(jí)別較低，金相組織和顯微硬度也較好，表明該輥金相檢驗(yàn)結(jié)果符合冷軋工作輥常規(guī)技術(shù)要求；只是2個(gè)試樣的顯微硬度差別較大，經(jīng)過換算，小樣肖氏硬度比大樣高出近4個(gè)HSD值，這可能是由于小樣2面斷口都與輥身基體或輥面剝落塊經(jīng)歷過較長(zhǎng)時(shí)間的相互摩擦、以致被硬化的結(jié)果。

表2 84工作輥小塊剝落塊試樣金相組織、夾雜物和顯微硬度檢驗(yàn)結(jié)果

3.3 殘余奧氏體含量

利用X－射線衍射儀對(duì)圖4所示GH484工作輥表層剝落塊進(jìn)行殘余奧氏體含量測(cè)量，結(jié)果見表3。

表3 84工作輥表層剝落塊殘余奧氏體含量測(cè)量結(jié)果

由此可見，84工作輥4個(gè)部位的殘余奧氏體含量均小于10%，符合冷軋工作輥常規(guī)技術(shù)要求。但是，經(jīng)過對(duì)這4個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析，發(fā)現(xiàn)這4個(gè)數(shù)據(jù)差別還是比較明顯的。

首先，可以認(rèn)為輥身內(nèi)部殘余奧氏體含量為6.5%，應(yīng)該是該輥材料在正常淬火＋低溫回火狀態(tài)下的殘余奧氏體含量；但其表面殘余奧氏體含量為9.7%，可能與該輥曾經(jīng)發(fā)生過事故、從而造成輥面處于二次淬火的高殘余奧氏體含量狀態(tài)有關(guān)；而其次表面殘余奧氏體含量?jī)H為2.6%，則應(yīng)該與該輥面經(jīng)過研磨后、其處于二次淬火狀態(tài)的高殘余奧氏體含量層已經(jīng)被磨去、從而造成其下面的熱影響層被暴露出來有關(guān)—— 即此處輥面處于高溫回火狀態(tài)，故其殘余奧氏體含量很低；至于斷口面的殘余奧氏體含量為3.1%，這與其顯微硬度較高相對(duì)應(yīng)，應(yīng)該與該斷口面較光滑、可能經(jīng)歷過較長(zhǎng)時(shí)間的摩擦、使得其殘余奧氏體相已經(jīng)發(fā)生相變、并導(dǎo)致硬度升高有關(guān)。由前述§1.2可知，84工作輥剝落塊中至少存在2層疲勞裂紋擴(kuò)展痕跡，而該輥此次剝落發(fā)生在其剛剛上機(jī)軋制第1卷鋼時(shí)，故該輥遭受的熱沖擊事故應(yīng)當(dāng)在此次剝落之前。

由此可見，該輥平均磨削量偏低，而且在其整個(gè)服役期間還可能出現(xiàn)過事故，造成該輥的總體磨削量明顯不夠，致使該輥帶著具有高殘余奧氏體含量的受損輥面上機(jī)服役，應(yīng)該是導(dǎo)致該輥發(fā)生此次事故的直接原因。

4 改進(jìn)措施

在各種軋輥剝落形態(tài)中，帶狀剝落事故造成的軋輥損傷具有破壞性，很容易使軋輥報(bào)廢；但因其剝落形態(tài)比較典型、獨(dú)特，其發(fā)生、發(fā)展過程造成其剝落斷口上至少有一條疲勞裂紋緩慢擴(kuò)展形成的光滑疲勞帶，也為預(yù)防帶狀剝落事故的發(fā)生提供可能；只要嚴(yán)格做到避免軋輥帶傷使用，即只要發(fā)現(xiàn)軋輥受損，應(yīng)當(dāng)立即進(jìn)行磨削修復(fù)，是完全有可能做到避免帶狀剝落事故的。

5 結(jié)束語

此次六輥可逆軋機(jī)工作輥在上機(jī)服役過程中頻繁出現(xiàn)剝落事故，可能是由于其輥身表面損傷后未及時(shí)換輥修磨（如80工作輥）或雖然進(jìn)行修磨但未完全消除損傷部位（如84工作輥），造成損傷部位形成疲勞裂紋，進(jìn)而在繼續(xù)上機(jī)服役過程中不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致發(fā)生的帶狀剝落。

［1］吳國(guó)勝.冷連軋機(jī)工作輥剝落失效分析及改進(jìn)措施［J］.理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)，2006，Vol.42（7）：366－368.

［2］文鐵錚.冶金軋輥技術(shù)特性概論［M］.石家莊：河北科學(xué)技術(shù)出版社，1995：172，212.