曹明輝，柴達(dá)明

（中冶華天南京工程技術(shù)有限公司 江蘇南京 210019 ；河北鑫達(dá)集團(tuán)500H型鋼廠 河北唐山 063000）

0 引言

軋輥的磨損對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量及軋輥本身的使用壽命具有重要影響。不同類(lèi)型軋機(jī)軋輥的磨損規(guī)律不同，型鋼采用帶孔型軋制，輥間變形更為復(fù)雜。針對(duì)目前型鋼軋機(jī)軋輥孔型內(nèi)部的磨損問(wèn)題，結(jié)合磨損機(jī)理，探索其磨損規(guī)律。

1 磨損機(jī)理

在型鋼軋制車(chē)間，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員一般根據(jù)軋輥的單槽過(guò)鋼量（單個(gè)軋槽軋制的坯料噸數(shù)）判斷是否更換軋槽或軋輥下線修磨。期間，由于軋件與軋輥相互接觸摩擦，且二者之間存在前滑、后滑等相對(duì)滑動(dòng)現(xiàn)象，致使軋輥產(chǎn)生磨損。按照磨損機(jī)理，磨損通常可分為粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損、沖蝕磨損、微動(dòng)磨損和沖擊磨損[1]。影響磨損的因素十分復(fù)雜，包括工況條件（載荷、速度、運(yùn)動(dòng)方式等）、環(huán)境因素（濕度、溫度和周?chē)鷼夥盏龋?、介質(zhì)因素、潤(rùn)滑條件，軋輥材料的成分、金相組織以及軋輥表面的物理、化學(xué)、機(jī)械性能等。其中任何因素稍有變化都可能使磨損機(jī)理發(fā)生改變[2]。

軋輥的磨損往往是幾種機(jī)理共同作用的結(jié)果[3]。在某一工況條件下，一種機(jī)理起主要作用，同時(shí)還會(huì)引起其他機(jī)理的作用。當(dāng)工況條件改變時(shí)，起主要作用的機(jī)理可能發(fā)生變化，導(dǎo)致其他與之伴隨產(chǎn)生的機(jī)理也發(fā)生變化。實(shí)際工況中，一方為高溫軋件，另一方為強(qiáng)制水冷的軋輥。兩者相互接觸過(guò)程中，由于高溫軋件和冷卻水形成的氧化性氣氛，使金屬鍵的結(jié)合力相對(duì)較弱，很容易使材料從軋件轉(zhuǎn)移到軋輥上，形成松脫磨粒。隨軋制時(shí)間的延長(zhǎng)，軋輥的磨損加劇，表面粗糙度增長(zhǎng)很快，這是腐蝕磨損的先決條件。長(zhǎng)時(shí)間承受周期性機(jī)械載荷和大幅度溫度波動(dòng)作用，接觸疲勞磨損在所難免[4-6]。軋件與軋輥之間的磨損形式以粘著磨損和腐蝕磨損為主。型鋼軋輥磨損量通常用軋制一定重量的坯料后，徑向尺寸的最大變化量表示，即最大磨損量。最大磨損量計(jì)算一般使用Archard磨損模型[6]，見(jiàn)公式（1）。

式中V——磨損體積，mm3

Ks——磨損系數(shù)

P——軋制力，N

S——相對(duì)滑動(dòng)距離，mm

H——軋輥洛氏硬度，HRC

由公式（1）可以看出，軋輥的磨損量與接觸載荷成正比，與硬度成反比。

2 磨損規(guī)律

圖1為某型鋼車(chē)間軋制槽鋼軋機(jī)配輥圖。圖中不同規(guī)格的槽鋼軋輥孔型內(nèi)部的磨損情況表明，軋輥孔型磨損呈現(xiàn)很大的不均勻性。圖1a中減小的方向表示測(cè)點(diǎn)沿側(cè)壁逐漸深入孔型內(nèi)部,明顯可見(jiàn)磨損呈增大趨勢(shì)；圖1b中軋輥直徑增大的方向表示測(cè)點(diǎn)沿孔型底部不斷移向中央位置,其磨損逐漸減小,但變化的幅度不像側(cè)壁那么大?？傮w來(lái)說(shuō),磨損峰值點(diǎn)位于孔型拐角處。由于軋件規(guī)格、孔型尺寸和軋制數(shù)量不同,每支軋輥的磨損量不盡相同。圖1c軋輥的磨損量明顯比圖1a大,從軋輥磨損前后外形曲線可看出軋輥磨損量的總變化趨勢(shì)：孔型內(nèi)部磨損的極大值出現(xiàn)在孔型拐角處；底部的磨損值普遍大于側(cè)壁處,而且底部外圓的磨損均勻程度也好于側(cè)表面。

圖1 軋輥孔型及磨損

3 孔型表面磨損不均勻原因分析

3.1 金屬滑動(dòng)

軋制異型斷面軋件時(shí)，軋件的各個(gè)部位不同時(shí)與軋輥接觸。在出口處，軋件各部位也并非都有正前滑。上輥軋槽底部拐角處（圖2中A點(diǎn)）軋輥直徑最小，圓周速度最小,因此前滑最大。隨著軋輥直徑增大（A→B，A→C），圓周速度加快，前滑值減小。在輥徑一定的條件下，軋輥輥面線速度與軋件速度相等,前滑為零。當(dāng)上輥直徑繼續(xù)增大時(shí)，軋輥的圓周速度超過(guò)軋件的出輥速度，軋件出輥時(shí)出現(xiàn)后滑。不同的前滑速度導(dǎo)致孔型周邊產(chǎn)生不同的摩擦力，使孔型形成不均勻磨損[7]。最大磨損發(fā)生在摩擦力最大的部位，因而孔型底部拐角處的絕對(duì)磨損量最大，且孔型底部的磨損量遠(yuǎn)大于側(cè)壁。

3.2 輥面硬度不均勻

新軋輥制造過(guò)程中都要進(jìn)行熱處理，以保證輥面形成深（50～60）mm的工作層。不但表面硬度較高，而且硬度均勻性較好，即沿整個(gè)輥面的硬度差很小。由于型鋼軋機(jī)用軋輥表面都帶有幾十厘米深的孔型，軋輥使用后會(huì)導(dǎo)致孔型尺寸不滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，需要新車(chē)削軋輥車(chē)，隨著車(chē)削次數(shù)的增加，軋輥冷硬層減少，只有一部分孔型處于耐磨強(qiáng)度高的冷硬層中，而孔型的基本部分卻切入過(guò)渡層中?？仔椭饾u更深地切入過(guò)渡層,導(dǎo)致軋輥表面硬度分布更不均勻，同時(shí)軋輥與1000℃高溫軋件接觸，會(huì)使軋輥表層組織發(fā)生變化。因此軋輥表面出現(xiàn)較大的硬度差,加劇孔型內(nèi)部磨損的不均勻性[7]。

圖2 上輥孔型圖

3.3 軋件溫度不均勻軋制過(guò)程中，不同溫度區(qū)域所需要的軋制力不同。軋件溫度與軋件的變形抗力存在負(fù)指數(shù)關(guān)系[8]。見(jiàn)公式（2）。

式中K——軋件變形抗力，N

T——軋件溫度，℃

M，m——取決于金屬本身特性的常數(shù)

變形抗力的差異導(dǎo)致不同的軋制負(fù)荷,因而軋件與軋輥接觸面之間的摩擦力自然不同，由此造成輥面磨損程度不同。

H形鋼與槽鋼的表面溫度分布存在相似規(guī)律,即翼緣端部與翼緣根部、整個(gè)翼緣部與腹板部的溫度存在差異,通常約為幾十?dāng)z氏度。溫度差異導(dǎo)致變形抗力的差異,從而對(duì)軋件變形產(chǎn)生影響。由于軋件腹板部溫度比翼緣部高得多,因此前者的變形抗力小于后者。同樣,軋件翼緣端部的變形抗力大于根部。因此從溫度分布的影響來(lái)說(shuō),軋輥孔型磨損呈現(xiàn)從腹板到翼緣對(duì)應(yīng)位置逐漸增大的趨勢(shì)。

3.4 金屬變形不均勻

軋件在孔型內(nèi)發(fā)生三維塑性變形,因而其變形過(guò)程不應(yīng)像板帶一樣采用單一的壓下率。首先,軋件翼緣與腹板的壓下率不同?？紤]到軋件的整體限制,即延伸大的部位受延伸小的部位的牽制,作用于前者的是縱向壓應(yīng)力,后者則是縱向拉應(yīng)力。附加拉應(yīng)力的存在改變了金屬原來(lái)的流向,使軋件內(nèi)部變形復(fù)雜化[9]。其次,即便在軋件整個(gè)腹板或翼緣方向上,壓下率也有差別,而且壓下率的微小差別會(huì)引起軋制力的很大波動(dòng)，這是導(dǎo)致軋輥孔型各部位磨損量不同的一個(gè)重要因素。

4 結(jié)論

型鋼軋機(jī)軋輥磨損的獨(dú)特性：孔型底部磨損值大于側(cè)壁，而且軋輥磨損出現(xiàn)明顯的不均勻性。由于型鋼軋制的特殊性，軋輥孔型內(nèi)三維變形導(dǎo)致軋件不同部位的滑動(dòng)速度存在差異，軋件出現(xiàn)不均勻變形。軋輥材料及生產(chǎn)工藝的差異使輥面硬度分布不均勻；冷卻條件的差異又使軋件表面溫度分布不均勻,這些因素的綜合作用導(dǎo)致型鋼軋機(jī)軋輥磨損不均勻。因此，型鋼軋機(jī)用軋輥的表面強(qiáng)化工藝可以結(jié)合輥面的磨損特征制訂。