鍛鋼冷軋輥是軋機(jī)的重要部件,隨著材料的不斷優(yōu)化,軋輥的制造技術(shù)也在逐步更新,使軋輥具有更高的硬度和更好的耐磨性,但同時(shí)對(duì)軋制產(chǎn)品的需求也在不斷增加。更大的軋制力、更快的軋制速率也使得軋輥在使用過程中偶爾發(fā)生表面剝落問題,造成冷軋板帶降級(jí),甚至導(dǎo)致軋機(jī)的長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)。 

某冷軋廠鍛鋼冷軋工作輥在正常服役一段時(shí)間后發(fā)生表面剝落現(xiàn)象,筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、硬度測(cè)試、超聲檢測(cè)、金相檢驗(yàn)等方法分析冷軋輥表面剝落原因,以防止該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

剝落位置距離操作側(cè)700～1 040 mm,其宏觀形貌如圖1所示。 

圖  1  表面剝落軋輥宏觀形貌

剝落斷面宏觀形貌如圖2所示,剝落區(qū)域中心存在1條典型的“海灘痕”裂紋擴(kuò)展軌跡,裂紋擴(kuò)展方向與軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反,同時(shí)在該條帶兩邊區(qū)域存在典型的撕裂區(qū)。該種有“海灘痕”條帶及撕裂區(qū)的剝落由裂紋擴(kuò)展引起[1－2]。 

圖  2  剝落斷面宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀對(duì)剝落塊進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：該材料的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。 

1.3   硬度測(cè)試

根據(jù)GB 13313—2008 《軋輥肖氏、里氏硬度試驗(yàn)方法》,采用里氏硬度計(jì)對(duì)軋輥表面硬度進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如表2所示。由表2可知：材料的硬度略低于技術(shù)要求(855～875 HLD)。 

1.4   超聲檢測(cè)

對(duì)剝落塊及軋輥表面進(jìn)行超聲檢測(cè),結(jié)果表明：未剝落區(qū)域無(wú)異常,而剝落塊表面有明顯的缺陷波。 

1.5   金相檢驗(yàn)

剝落塊斷口有明顯的裂紋擴(kuò)展痕,在剝落塊上截取金相試樣。 

將試樣磨拋后置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖3所示,由圖3可知：試樣表面存在大量裂紋,裂紋由表面向內(nèi)擴(kuò)展,裂紋周圍無(wú)夾雜、夾渣等其他明顯缺陷,裂紋逐步延伸至剝落面；將試樣腐蝕后置于光學(xué)顯微鏡下觀察,裂紋明顯沿晶界擴(kuò)展,顯微組織為正常的回火隱晶馬氏體＋點(diǎn)狀和粒狀碳化物＋少量殘余奧氏體。 

圖  3  剝落塊試樣微觀形貌

在軋輥表面可以發(fā)現(xiàn)幾處凹坑及裂紋,正常區(qū)域硬度為64.5～65.5 HRC(808～820 HLD),凹坑區(qū)域硬度為66.5～67.2 HRC(830～840 HLD)。 

2.   綜合分析

表面裂紋引起剝落的過程如圖4所示,剝落過程大致可分為6個(gè)階段。在第1～3階段,軋輥表面產(chǎn)生裂紋。該裂紋可能是由輥印、劃痕、異物壓入、熱沖擊等應(yīng)力集中、組織變化產(chǎn)生的；在第4階段,隨著軋輥的每次轉(zhuǎn)動(dòng),裂紋在軋制力作用下,沿著軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)的反方向擴(kuò)展,其擴(kuò)展方向一般與輥面成約45°傾斜角；在第5階段,裂紋逐步擴(kuò)展至整個(gè)淬硬層后,開始沿徑向和圓周向彌散,同時(shí)出現(xiàn)明顯的沿徑向和圓周向的駐痕和“扇形”斷裂流線；在第6階段,軋輥強(qiáng)度不足以支撐其運(yùn)轉(zhuǎn),最終使軋輥發(fā)生斷裂剝落,這個(gè)斷裂的最終階段為瞬時(shí)、脆裂性的,所以可以看到明顯撕裂區(qū)域[3]。 

圖  4  表面裂紋引起剝落的過程示意

從金相檢驗(yàn)結(jié)果可以判定,試樣內(nèi)無(wú)明顯冶金缺陷,且顯微組織正常,同時(shí)化學(xué)成分、輥面硬度均符合設(shè)計(jì)要求,所以可排除原材料缺陷或者熱處理異常導(dǎo)致剝落的原因。 

冷軋輥表面缺陷和次表層夾雜是導(dǎo)致軋輥剝落的根本原因。軋輥表面微裂紋在接觸應(yīng)力和摩擦力的作用下,裂紋向軋輥內(nèi)部擴(kuò)展至次表層深度,在主剪應(yīng)力和交變剪應(yīng)力的共同作用下,裂紋繼續(xù)擴(kuò)直至表面發(fā)生疲勞剝落[4],根據(jù)超聲檢測(cè)結(jié)果,可以判斷裂紋是在軋輥表面產(chǎn)生的。 

剝落塊整體硬度下降明顯,但從檢測(cè)結(jié)果可以看出,裂紋周圍及凹坑區(qū)域的硬度明顯高于其他區(qū)域。凹坑是由使用過程中,輥面受到異常擠壓變形造成的,而產(chǎn)生異常擠壓的原因是翹皮缺陷在后道工序仍然存在,經(jīng)過酸洗、軋制以及鍍鋅后不能有效將其去除[5]。 

綜上所述,在使用過程中,軋輥受異物壓入的影響,輥面產(chǎn)生數(shù)個(gè)凹坑,凹坑區(qū)域受擠壓力作用產(chǎn)生應(yīng)力集中,使得局部硬度升高,并在相應(yīng)區(qū)域萌生裂紋,裂紋未能在磨削過程中去除,而是在軋制力的作用下緩慢向內(nèi)沿晶界擴(kuò)展,最終導(dǎo)致其表面發(fā)生剝落。