鞠賢琴，謝晶，王輝

寶鋼軋輥科技有限責(zé)任公司，江蘇常州，213019

0 引言

輥身表面剝落是冷軋工作輥常見(jiàn)的失效形式，引起軋輥剝落的常見(jiàn)的原因有表面缺陷（如裂紋、軟點(diǎn)）、次表層材質(zhì)缺陷及接觸應(yīng)力[1]。按剝落劃分一般可分為表面接觸疲勞剝落和次表層疲勞剝落，其裂紋源的產(chǎn)生主要與軋制事故及修磨使用維護(hù)不當(dāng)有關(guān)[2]。但冷軋中間輥的剝落案例較少，雖然冷軋中間輥的材質(zhì)和熱加工工藝基本相當(dāng)，但硬度水平差距較大；另外中間輥在機(jī)服役周期長(zhǎng)，輥面存在較明顯的接觸疲勞硬化現(xiàn)象，從而中間輥的剝落機(jī)理有所區(qū)別。本文以某冷軋廠(chǎng)5機(jī)架六輥連軋機(jī)中間輥輥身剝落失效為例，探討了中間輥輥身剝落失效機(jī)理。

1 分析對(duì)象

某廠(chǎng)軋機(jī)中間輥在軋制周期內(nèi)發(fā)生在線(xiàn)剝落事故，導(dǎo)致軋機(jī)停機(jī)2個(gè)半小時(shí)，生產(chǎn)評(píng)定為二級(jí)質(zhì)量事故。涉及軋輥規(guī)格為φ545×2100×4800，材質(zhì)為5%Cr，輥身表面硬度為78-82HSD。該輥?zhàn)詈笠淮紊蠙C(jī)直徑為φ496.90、輥位：G1機(jī)架上輥、上機(jī)粗糙度為Ra0.98、輥形凸度0.05，上機(jī)軋制8000噸時(shí)發(fā)生剝落（正常換輥周期為12000噸）。剝落區(qū)裂紋源位置位于操作側(cè)輥身1360mm位置。軋輥輥身表面剝落形貌如圖1所示。

2 軋輥剝落分析

2.1 裂紋擴(kuò)展軌跡分析

起始觀察該輥剝落形貌如圖2（1）所示，可以清晰地看到疲勞裂紋擴(kuò)展痕跡I，方向如紅色箭頭所示，疑似裂紋源位置為紅色線(xiàn)圈A所指向位置。其次，沿疲勞裂紋擴(kuò)展痕跡向上游查找輥面發(fā)現(xiàn)聚集裂紋，如圖2（2）紅色線(xiàn)圈B所在位置。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)了解，客戶(hù)認(rèn)為該輥輥位為上輥，疲勞裂紋擴(kuò)展方向與軋輥工作時(shí)旋轉(zhuǎn)方向一致，因此懷疑該輥次表層可能存在夾雜類(lèi)缺陷導(dǎo)致本次掉皮事故。

為進(jìn)一步探究該輥裂紋擴(kuò)展萌生位置，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)敲擊，將圖2（2）中紅色虛線(xiàn)框內(nèi)已脫空區(qū)域敲下。首先，發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋擴(kuò)展痕跡Ⅱ和Ⅲ，方向如紅色箭頭所示，疲勞裂紋擴(kuò)展痕跡間距較大，擴(kuò)展行程較短，與本次軋輥旋轉(zhuǎn)方向相反，裂紋源與A點(diǎn)并不重合，說(shuō)明在本次軋制周期內(nèi)形成表面裂紋后快速擴(kuò)展而導(dǎo)致失效。其次，發(fā)現(xiàn)原有表面裂紋B點(diǎn)其皮下顯示為擠壓凹坑，說(shuō)明B點(diǎn)表面裂紋產(chǎn)生是由于爆輥過(guò)程中瞬時(shí)擠壓形成。

根據(jù)軋輥表面裂紋擴(kuò)展理論，軋輥表面萌生裂紋后由于軋輥的旋轉(zhuǎn)及軋制力的作用，表面裂紋沿徑向和周向擴(kuò)展，一般擴(kuò)展的方向?yàn)閺较蚺c切向的45°方向，且與軋輥旋轉(zhuǎn)方向相反；當(dāng)裂紋擴(kuò)展至韌性較好的過(guò)渡層時(shí)，由于徑向韌性較好，裂紋不再沿徑向擴(kuò)展，而沿著過(guò)渡層向圓周方向擴(kuò)展，軋輥每旋轉(zhuǎn)一周，裂紋向前擴(kuò)展“一步”，形成的軌跡稱(chēng)為疲勞駐痕；當(dāng)裂紋擴(kuò)展至一定程度，軋輥的強(qiáng)度降至剝落發(fā)生的程度時(shí)便產(chǎn)生剝落。裂紋擴(kuò)展痕跡Ⅱ和Ⅲ該類(lèi)典型表面微裂紋產(chǎn)生后，隨裂紋擴(kuò)展而形成的疲勞駐痕。

通常情況下，輥身表面裂紋沿圓周兩個(gè)方向進(jìn)行擴(kuò)展，可以從軋輥在軋機(jī)中的位置及疲勞裂紋擴(kuò)展痕跡間距等方面進(jìn)行分析。疲勞裂紋擴(kuò)展痕跡I與軋輥旋轉(zhuǎn)方向一致，該類(lèi)裂紋擴(kuò)展形成可能在上一個(gè)軋制周期下輥使用時(shí)產(chǎn)生或在本次軋制過(guò)程中主裂紋擴(kuò)展至失穩(wěn)時(shí)停機(jī)后產(chǎn)生。

2.2 金相組織分析

為進(jìn)一步分析疲勞裂紋擴(kuò)展痕跡I的形成原因，對(duì)圖2（8）中紅色箭頭指示意義圓點(diǎn)進(jìn)行分析，將剝落試塊按圖2（8）中紅色線(xiàn)框割取試樣進(jìn)行金相檢測(cè)分析。試樣經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光等工序，在金相顯微鏡下進(jìn)行分析。從圖3（6）可知，在500倍下觀察，該區(qū)域金相組織無(wú)明顯異常，為回火隱晶馬氏體+粒狀碳化物+少量殘余奧氏體。其次，該區(qū)域存在多條微裂紋，如圖3（4）和（5）所示。將試樣放大至10倍觀察，裂紋平行分布，間距大概為1000um，具有較強(qiáng)的規(guī)律性，可以初步說(shuō)明該位置亦為疲勞裂紋。

如圖3（3）所示，按疲勞裂紋擴(kuò)展間距1000um，結(jié)合軋制速度和軋輥周長(zhǎng)計(jì)算可得知疲勞裂紋擴(kuò)展速率很快。在高疲勞裂紋擴(kuò)展速率基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析疲勞裂紋擴(kuò)展痕跡I，如圖4所示。其中，點(diǎn)a為疲勞裂紋萌生起點(diǎn)，裂紋源應(yīng)在軋輥表面形成。點(diǎn)b區(qū)域疲勞裂紋密集，且沿徑向呈一定角度向下擴(kuò)展，擴(kuò)展時(shí)間短暫，然后裂紋受到一定阻礙，在b的末端產(chǎn)生停頓點(diǎn)；裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，形成c區(qū)擴(kuò)展形貌，疲勞裂紋基本在同一徑向面上，說(shuō)明裂紋已擴(kuò)展至淬硬層與非淬硬層交界區(qū)，裂紋難以進(jìn)一步沿徑向向心部擴(kuò)展；此時(shí)，裂紋沿圓周方向迅速擴(kuò)展形成d區(qū)；由于裂紋擴(kuò)展至d區(qū)末端，該區(qū)域材料的強(qiáng)度已難以支撐軋制力和輥系間接觸擠壓應(yīng)力，該區(qū)域處于嚴(yán)重失穩(wěn)狀態(tài)，裂紋經(jīng)歷短暫擴(kuò)展形成e區(qū)，然后已脫空的區(qū)域在外力作用下剪切至輥身表面，伴隨裂紋兩端撕裂形成大面積剝落。整個(gè)過(guò)程經(jīng)歷時(shí)較為短暫。

從上述軋輥剝落區(qū)形貌特征和擴(kuò)展路徑分析，該輥剝落主因?yàn)樵谳伾肀砻鍭區(qū)附近產(chǎn)生表面微裂紋，在軋制過(guò)程中逆軋制方向沿疲勞裂紋擴(kuò)展痕跡Ⅱ和Ⅲ擴(kuò)展。伴隨裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致軋輥表層失穩(wěn)產(chǎn)生局部剝落后造成停機(jī)反轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生短時(shí)疲勞裂紋擴(kuò)展痕跡I。

2.3 軋輥硬度分析

進(jìn)一步對(duì)輥身沿軸線(xiàn)進(jìn)行硬度檢測(cè)，輥身正常區(qū)域硬度為81HSD左右，在剝落區(qū)域圓周方向輥面硬度為86~87HSD，如圖5輥身硬度測(cè)試曲線(xiàn)，說(shuō)明該區(qū)域加工硬化比較明顯，軋輥在軋制周期內(nèi)已經(jīng)產(chǎn)生了較大的疲勞累積。由于該位置位于軋制帶鋼邊部，且該側(cè)為中間輥竄入一側(cè)，在與更高硬度的工作輥滾動(dòng)接觸時(shí)使得中間輥邊部接觸應(yīng)力顯著增加[3]。其次，中間輥在機(jī)服役時(shí)間長(zhǎng)，且周期內(nèi)采用3~5次工作輥換輥規(guī)程，這樣中間輥的表面層始終保持著很高的接觸應(yīng)力，在高接觸應(yīng)力條件下很容易在中間輥表面萌生應(yīng)力疲勞裂紋。

表面缺陷引發(fā)的剝落的顯著特征是剝落面上存在明顯的疲勞擴(kuò)展條帶，呈海灘型疲勞條紋和扇形斷裂流線(xiàn)，疲勞條帶軌跡可從幾英寸長(zhǎng)到環(huán)繞軋輥幾個(gè)全圈，有時(shí)有一個(gè)亮的（摩擦的）或暗淡（氧化的）的外表，主疲勞裂紋的擴(kuò)展方向一般與軋輥旋轉(zhuǎn)方向相反。查看剝落塊或未剝落區(qū)輥面通常能找到表面裂紋。

3 分析與討論

軋輥表面剝落，主要分為6個(gè)階段[4-5]。階段1-階段3為表面裂紋產(chǎn)生階段。輥面熱沖擊區(qū)及應(yīng)力集中區(qū)均可誘發(fā)表面裂紋的產(chǎn)生。隨著軋輥的每次轉(zhuǎn)動(dòng)，整個(gè)軋輥表面在高拉應(yīng)力與高壓應(yīng)力之間循環(huán)，單點(diǎn)上的任何應(yīng)力集中都會(huì)導(dǎo)致表面裂紋的產(chǎn)生。階段4為裂紋由表及里擴(kuò)展階段。在軋制力的作用下，表面裂紋以30°~45°方向沿徑向和周向擴(kuò)展通過(guò)軋輥淬硬層，在這一階段，出現(xiàn)了明顯的沿徑向和圓周向的疲勞駐痕和“扇形”斷裂流線(xiàn)。階段5為裂紋周向擴(kuò)展階段。裂紋穿過(guò)淬硬層擴(kuò)展至軟硬交界區(qū)后，由于內(nèi)部組織韌性較好，裂紋不再繼續(xù)向內(nèi)部擴(kuò)展而是沿著圓周方向彌散。在第五階段，疲勞軌跡繼續(xù)出現(xiàn)明顯的沿徑向和圓周向的駐痕和“扇形”斷裂流線(xiàn)。階段6為剝落發(fā)生階段。隨著裂紋的持續(xù)擴(kuò)展，當(dāng)基體的屈服強(qiáng)度降到剝落發(fā)生的程度便引發(fā)剝落。根據(jù)軋輥材料的強(qiáng)度和軋制應(yīng)力，第6階段可在階段4和階段5之間的任何時(shí)間發(fā)生。這個(gè)斷裂的最終階段為瞬時(shí)的、脆性的，這可以通過(guò)從剝落面的斷裂流線(xiàn)痕跡看到。

本案例中間輥輥身表面硬度檢測(cè)具有明顯加工硬化特征，輥身硬度從上機(jī)前81HSD上升到86HSD；金相檢測(cè)分析找到了疲勞裂紋萌生起始點(diǎn)和分布特征，因此該輥失效主要與接觸疲勞硬化有關(guān)，這樣會(huì)導(dǎo)致原有表層淬火+回火組織形成微觀區(qū)域退化現(xiàn)象。另一方面，軋輥在機(jī)服役后期，軋機(jī)輥縫中隨著清潔度的下降以及軋制乳化液的沖刷不徹底等問(wèn)題，在軋機(jī)輥系中引入了異質(zhì)點(diǎn)，對(duì)輥身表面產(chǎn)生了局部異常沖擊。在滾動(dòng)接觸疲勞和接觸應(yīng)力疊加作用下，在輥身表面萌生微裂紋，隨著裂紋沿軋輥徑向擴(kuò)展至淬硬層和非淬硬層過(guò)渡區(qū)時(shí)，裂紋的擴(kuò)展受到心部高韌性基體的阻礙開(kāi)始沿圓周方向擴(kuò)展，當(dāng)軋制應(yīng)力超過(guò)淬硬層強(qiáng)度時(shí)表層裂紋擴(kuò)展區(qū)，即瞬時(shí)剝離輥身基體形成大面積的剝落。

在軋輥全生命周期軋制、修磨使用運(yùn)維過(guò)程中可以通過(guò)以下幾個(gè)方法預(yù)防表面缺陷引發(fā)的輥身表面剝落事故[6]。首先，盡量避免與軋制工況有關(guān)的軋輥損傷，諸如：軟點(diǎn)、熱沖擊、熱裂紋、輥印、劃痕或任何可能作為應(yīng)力集中的因素；如果作用在軋輥上的軋制應(yīng)力大于軋輥材料強(qiáng)度，表面裂紋有可能在軋制周期內(nèi)發(fā)生，彌散甚至剝落[5]。其次，可根據(jù)軋制鋼種等級(jí)的不同，在軋制高強(qiáng)鋼、硅鋼等產(chǎn)品時(shí)適當(dāng)縮短軋制周期，做好軋制計(jì)劃安排，這樣可有效降低軋輥表面疲勞程度和損傷機(jī)會(huì)。另外，在上機(jī)之前可在修磨過(guò)程中消除各種引起疲勞剝落的因素；修磨完成后對(duì)每支待上機(jī)軋輥建議都采用渦流+表面波探傷，確保軋輥不帶缺陷上機(jī)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）軋輥剝落失效系輥面局部遭受沖擊導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，在輥身表面A區(qū)附近產(chǎn)生表面微裂紋，在軋制過(guò)程中逆軋制方向沿疲勞裂紋擴(kuò)展痕跡Ⅱ和Ⅲ擴(kuò)展。伴隨裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致軋輥表層失穩(wěn)產(chǎn)生局部剝落后造成停機(jī)反轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生短時(shí)疲勞裂紋擴(kuò)展痕跡I。

（2）金相分析表明軋輥淬火組織為回火隱晶馬氏體+粒狀碳化物+少量殘余奧氏體，未見(jiàn)大塊狀?yuàn)A雜類(lèi)缺陷。

（3）中間輥在機(jī)服役周期較長(zhǎng)，存在較明顯的疲勞硬化現(xiàn)象；在與高硬度工作輥接觸時(shí)使得中間輥邊部接觸應(yīng)力顯著增加。綜合軋輥受力狀態(tài)，中間輥身邊部在高接觸應(yīng)力條件下容易產(chǎn)生應(yīng)力疲勞裂紋，隨著疲勞裂紋的擴(kuò)展最終導(dǎo)致軋輥剝落失效。

（4）在中間輥服役中，可根據(jù)軋制鋼種等級(jí)的不同適當(dāng)調(diào)節(jié)軋制換輥周期，做好軋制排產(chǎn)計(jì)劃，同時(shí)做好與之配對(duì)工作輥下機(jī)表面質(zhì)量監(jiān)測(cè)，進(jìn)行分階段排查，這樣可有效降低中間輥因表層疲勞累積所引發(fā)失效；另外，定期對(duì)軋機(jī)輥縫的清潔度進(jìn)行檢測(cè)，確保軋機(jī)輥縫無(wú)異物或殘鐵等雜質(zhì)咬入輥縫，形成質(zhì)點(diǎn)擠壓應(yīng)力集中，避免軋輥表面瞬時(shí)接觸應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生表面裂紋缺陷。