摘"要：軋輥是鋼材軋制過程中主要的消耗部件，其制備工藝復雜、價格昂貴、失效率高。通過對幾種在實際生產過程中常見的失效形式以及軋輥的修復技術進行分析研究，對延長軋輥壽命、提高鋼材軋制生產效率、提高產品質量和產量，以及減少資源和能源浪費等具有重大意義，可為軋輥的二次利用提供參考。

關鍵詞：軋輥；失效形式；修復方法；研究進展

中圖分類號：TG333.17""文獻標志碼：A""文章編號：1671-5276（2024）02-0071-04

Research Progress on Failure Forms and Repair Methods of Roll

ZHANG Junpeng， WU Jiyu， XUE Shubing， LI Xue

（School of Materials and Metallurgy，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China）

Abstract：Roll is the main consumption part in the process of steel rolling， and its preparation process， howerver， is complex， expensive and high failure rate. To address the problems， this paper analyzes and studies several common failure forms in actual production process and roller repair technology， which is significant for prolonging the life of rolls， improving the efficiency of steel rolling， enhancing the product quality and output and reducing the waste of resources and energy， and can provide good references for secondary utilization of rolls.

Keywords：roll；failure mode；repair method；research progress

0"引言

鋼在熱軋過程中要承受多種應力，如接觸應力、剪切應力、軋制應力以及冷卻不良導致的熱應力等。高溫環(huán)境時的摩擦力和冷卻時的溫差造成的熱疲勞力使得工作條件變得極其惡劣。目前，熱軋所用的軋輥一般使用的是復合軋輥，軋輥內部使用的是球墨鑄鐵等強度較高的材料，外部用高速鋼包裹。這種軋輥表面粗糙度好，有很高的耐磨性［1］、強度、硬度以及韌性，抗熱性能和穩(wěn)定性好，同時有很好的淬透性、紅硬性以及抗粗糙性。通過近幾十年的發(fā)展，高速鋼軋輥已經成為實際生產中最為重要的軋輥材質。在軋制生產過程中，由于軋制工藝條件的不同，導致軋輥在連續(xù)生產過程中失效的形式不同。因此針對不同的失效形式需要采用不同的表面修復方法。本文主要介紹了軋輥在軋制生產中產生的幾種失效形式以及表面的修復技術，通過對軋輥進行修復以減少資源和能源的浪費。

1"軋輥的失效形式

1.1"軋輥剝落

精軋時，鋼坯溫度迅速下降，其變形抗力變強，需要軋輥施加更大的壓力，這容易造成應力集中導致軋輥持續(xù)疲勞從而發(fā)生剝落。有研究表明［2］，接觸疲勞導致的剝落是高速鋼軋輥失效的主要原因。西南交通大學的楊川等［3］發(fā)現(xiàn)，在生產軋輥的離心鑄造過程中，合金元素偏析有時會在軋輥表面產生一些白色區(qū)域，由于熱裂紋的作用會在這些白色區(qū)域內產生剝落。這些剝落主要表現(xiàn)為軋輥的輥頸肩部脫落、馬鞍狀疲勞剝落、軋輥表面和內部的金屬結合層疲勞脫落、擠壓導致的斷裂剝落和條帶狀疲勞剝落等。當軋機的兩軋輥相互接觸時，會在軋輥間產生壓應力以及相對應的交變剪應力。在生產過程中隨著周期性的循環(huán)加熱和冷卻會造成軋輥的溫度場發(fā)生變化，導致應力分布不均勻，進而形成具有周期性質的熱應力。最終導致熱裂紋的產生并產生軟點，隨著裂紋的不斷擴張，在軋輥表面產生海灘紋和扇形紋的特征性裂紋使得軋輥的強度變低，從而引起軋輥剝落，導致軋輥失效。［4］

1.2"軋輥斷裂

軋輥斷裂是軋輥報廢的主要形式。它主要發(fā)生在軋輥的輥身、輥頸、輥頭等部位。由于軋輥的材質不同，生產條件不同，因此斷裂的位置也各不相同。有多種因素可以造成軋輥斷裂，可能是一瞬間造成的，或是裂紋過多導致疲勞斷裂，也可能是輥身與輥頸和輥頭的直徑搭配不當或者輥身與輥頸之間過渡圓弧太小產生應力尖峰導致軋輥斷裂。但其中主要是由于應力過載導致軋輥斷裂［5］。張海臣等［6］提出，在實際生產中造成軋輥斷裂共有４種應力：第1種是殘余應力，主要是軋輥在軋制后仍留在體內的自相平衡的內應力；第2種是軋制應力；第3種是熱應力，是由于冷卻效果不好而引起的；第4種是組織應力，是軋制過程中由于軋輥的內部發(fā)生馬氏體相變而產生的。

在實際生產過程中，軋輥斷裂還有著內部和外部兩種因素之分。

內因：在軋制過程中，軋輥內存在大量的殘余奧氏體引起馬氏體相變，從而生成大的組織應力超過材料本身的抗拉強度；同時軋輥芯部組織中會產生因為鑄造缺陷而生成的未能融合的孔洞，導致力學性能降低，使得軋制后殘余應力過大導致裂紋延伸而產生斷裂。因此，軋輥發(fā)生斷裂的主要原因是軋輥芯部組織發(fā)生相變和鑄造缺陷導致力學性能降低所導致。

外因：對于外部因素有兩個方面可以造成軋輥斷裂，一是簡單的機械過載，在生產過程中，轉矩超出輥頸的設計載荷，應力過高導致軋輥突然斷裂，且斷面是平齊的；二是疲勞裂紋導致，由于超負荷的工作或者軋制力以及各應力疊加產生疲勞源頭和受力面積內裂紋的富集。在這種情況的作用下，外部應力引起機械性持續(xù)疲勞從而導致斷裂。在實際生產過程中，孫向陽等［7］發(fā)現(xiàn)，在軋輥上線初期，進行超高速軋制就會導致軋輥表面的溫度迅速升高，產生相對較大的軋制熱應力，會直接使軋輥外層和中間層結合部位的金屬硬度降低。在軋制力的影響下，將會在薄弱的部位形成初始裂紋，造成斷輥。因此，軋輥發(fā)生斷裂主要是由軋制熱應力過大和冷卻效果不良而引起的。

1.3"磨損

軋輥磨損是最重要的損耗和失效形式。軋輥與軋件之間相互接觸時，會產生摩擦力而導致軋輥磨損。在軋制過程中，因為軋輥和工件相對運動會發(fā)生材料的遷移和黏著，使得軋輥材料的軟化和接觸區(qū)之間的黏結力變差，當應力值大于此區(qū)域中材料的抗拉強度極限時，會在軋輥表面發(fā)生剪切裂紋導致軋輥失效［8］。軋輥的磨損也是軋輥表面形成的氧化膜與摩擦損失之間的動態(tài)平衡過程。在熱軋過程中，高速鋼軋輥的表面與熱軋鋼材在接觸時會瞬間產生分布均勻的氧化膜。由于氧化膜的存在，降低了軋輥與鋼材之間的摩擦沖突，減少產生的熱裂紋向軋輥的輥體擴張，進而緩解了軋輥在軋制帶鋼時的沖擊。隨著軋制的不斷進行，摩擦造成裂紋會不斷地增加，使得軋輥的表面變得更加粗糙，導致軋輥表面變得不平整。氧化膜分布不均勻或當氧化膜的厚度過厚時，它的力學性能將會降低，并且在機械應力和熱應力的作用下，使得軋輥表面的氧化膜磨損迅速增加甚至大片脫落。因此防止氧化膜的脫落對延長軋輥的壽命有著重要意義。王暢等［9］在2019年提出了通過控制熱軋過程中帶鋼的表面溫度來防止或者減少軋輥形成瘤狀的氧化膜，避免在熱軋過程中，軋輥會因為溫度過高發(fā)生膨脹導致溫度不能均勻地分布在軋輥上，使得氧化膜脫落，從而達到防止氧化膜剝落的目的。

1.4"熱疲勞

軋輥在反復的冷卻和加熱生產中，產生的具有周期性的熱應力是造成高速鋼軋輥熱疲勞的主要原因。熱疲勞裂紋在軋制過程中會產生未熔化的塊狀共晶碳化物［10］，這種未熔化的共晶碳化物在沿著碳化物或者碳化物和基體之間的界面延伸時，會在很大程度上降低軋輥的抗冷和抗熱疲勞性，從而導致軋輥的使用性能降低，最終產生熱疲勞。

2"軋輥表面修復技術

為了延長軋輥壽命，提高產品產量，避免軋輥報廢，軋輥的修復和再次利用有著非常重要的作用，這里介紹了近幾年來的軋輥表面修復技術。

2.1"堆焊技術

堆焊實際上是指使用具有一定合金性能的材料在電極熱源的作用下，使軋輥的表面熔覆一層具有特殊使用性能的合金層的方法。傳統(tǒng)的埋弧堆焊熱輸入較大，容易造成元素的燒損，而且稀釋率相對較高，往往需要多層堆焊才能滿足其性能要求［11］。到目前為止，埋弧焊均采用自動焊接的方法，這種方法生產效率高，生產質量好，更加容易滿足軋輥修復后對性能的要求。使用埋弧焊修復軋輥時，首先要對軋輥進行粗加工，其次利用超聲波進行探傷并確定位置，在焊接時要先進行預熱，焊接完成后對修補位置進行焊后的熱處理，熱處理后對軋輥進行精加工，再進行超聲波探傷，檢查合格后裝機使用。在修補軋輥時要注意，預熱、堆焊以及焊后的熱處理是其中最為關鍵的步驟，不可出現(xiàn)任何差錯，否則軋輥要重新修復或者報廢。在近幾年的實際生產中，埋弧焊已經有了巨大的進步。2018年，牛犇等［12］在Cr5鋼板上使用新型的藥芯焊絲進行堆焊修復，這種新型焊絲在焊接完成后焊縫的表面沒有焊渣。在堆焊完成后的耐磨實驗中，修復完成后的位置磨損面相對光滑，沒有出現(xiàn)金屬粘黏、撕裂等現(xiàn)象，表現(xiàn)出了極為優(yōu)秀的耐磨性［13］。甚至在焊接后的堆焊層也沒有出現(xiàn)裂紋、飛濺、咬邊等不利缺陷，焊道表面也相對平整美觀。2018年，石秋紅等［14］提出了使用不銹鋼焊絲 H2Cr13 搭配低錳高硅型的焊劑 HJ260對650軋機軋輥進行埋弧焊修復，這種修復方法滿足了軋輥孔型表面堆焊層金屬對高溫耐磨性、抗裂性、硬度的要求，并且因為堆焊材料較高的硬度和耐磨性使得對軋輥的使用壽命擴大了近一倍。這極大的節(jié)約了金屬材料，降低了維護成本。

對于埋弧焊修復軋輥來說，新型焊劑的使用以及新方法的出現(xiàn)使得軋輥的壽命、強度等大大提高，而且修復方法更加趨于自動化、快速化和安全化，為軋輥的自動化修復提供了寶貴的經驗。

2.2"激光熔覆技術

激光技術包括激光焊接、激光切割、激光熔覆等快速成型的技術。在軋輥的修復方面，激光熔覆技術是近幾年應用范圍最廣，也是最有前景的表面修復技術［15］。它的實質就是利用激光產生的巨大能量加熱事先選定好的熔覆材料，使其在軋輥表面形成具有良好合金性質的熔覆層。激光熔覆具有結合強度好、組織致密度高、稀釋率低等多個優(yōu)點［16］，能夠使軋輥得到更好的使用，避免經濟損失。在正常情況下，激光熔覆材料一般是粉末狀［17］，它通過預置粉末或者同步送粉的方式作用在軋輥的表面，并且通過激光熔覆加工搭載平臺來保證修復的順利進行。近幾年來，激光熔覆技術越來越多地被應用于實踐中。2019年，上海交通大學的任嘉［18］使用304 不銹鋼、Ni25 鎳基合金、F321不銹鋼、Stellite6鈷基合金等多種材料作為激光的涂層材料來對球墨鑄鐵軋輥進行修復，對不同的方案進行了實驗研究對比。建立計算機仿真模型，利用多種理論得出，不同的激光熔覆材料，不同的激光熱源，甚至不同的激光效率都對軋輥有著不同的影響。由此得出，相對于其他材料，使用Ni25 鎳基合金修復后，軋輥的熔覆層更加平整，致密度也高。由于Ni25 鎳基合金的硬度與球墨鑄鐵基體相差不大，而且其基體的熱影響區(qū)過渡帶相對較寬，可以在一定程度上緩解因硬度升高而造成的裂紋缺陷，是一種比較理想的激光熔覆材料。2020年，新疆大學的韓晨陽等［19］使用YLS－2000光纖激光器對不銹鋼軋輥進行修復。使用熔覆材料為 Ni60自熔性合金粉末，在進行大量單道熔覆實驗后，得到修復后軋輥的最高硬度為7 814.80HV0.2，比基材硬度提升約450.00HV0.2，它的平均硬度為617.65HV0.2。在經歷耐磨實驗后，它的熔覆層微觀形貌良好，失重率僅為0.016 5%，這大大地促進了激光熔覆技術對修復軋輥的進程。通過對上述幾個研究進行分析發(fā)現(xiàn)，激光熔覆技術在軋輥軋制方面有著得天獨厚的條件。修復后軋輥結合強度更高、組織更加致密等。相較于其他修復技術，激光熔覆修復技術更能適應軋輥材質，修復的質量更好。但激光修復相較于其他方法來說，它的成本較高，目前更適合應用在微小位置的修復。但隨著激光器的進一步研究和發(fā)展，激光技術將更多地應用在軋輥修復方面。

3"結語

為了提高生產效率，延長軋輥壽命，減少資源的浪費，研究軋輥的失效形式以及失效的原因有著非常重要的意義。本文論述軋輥在軋制生產中常見的幾種失效形式以及軋輥表面的修復技術。就目前的發(fā)展來看，激光熔覆技術在軋輥修復方面應用的范圍最為廣闊，也是最有前景的技術。相信在未來會有更多更好的技術來修復軋輥，使其更安全、可靠，使用壽命也更長。

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收稿日期：20220906