軋輥是使金屬產(chǎn)生塑性變形的一種生產(chǎn)工具，在實際生產(chǎn)使用中，軋輥處于一種復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下，如軋輥與軋件接觸加熱、軋輥水冷卻引起的周期性熱應(yīng)力，軋制載荷引起的接觸應(yīng)力、剪切應(yīng)力及殘余應(yīng)力等[1]。軋輥的失效模式有剝落、斷裂、輥面損傷等。軋輥斷裂是軋輥最嚴(yán)重的一種失效形式，軋輥斷裂不但會造成軋輥與軋材損失，還會影響設(shè)備和人身安全，事故處理時間長，影響軋機的作業(yè)效率。 

某熱軋廠精軋機組F1工作輥為離心復(fù)合澆鑄后經(jīng)熱處理的高鉻鑄鐵軋輥，其主要分外層、中間層和輥芯3個部分，其中外層材料為高鉻鑄鐵，中間層和輥芯材料均為球墨鑄鐵。該軋輥在技改生產(chǎn)調(diào)試時，輥身距軋機操作側(cè)710 mm處發(fā)生斷裂。筆者采用一系列理化檢驗方法對該軋輥的斷裂原因進(jìn)行分析，以避免該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

斷裂軋輥的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：軋輥從輥身處橫向斷裂為兩部分，斷口較平齊，斷裂面均與軸線垂直、較平整，無明顯塑性變形，外表面呈塊狀或大塊片狀剝落，剝落處沿輥身軸向呈深藍(lán)色，可見較深的網(wǎng)狀龜裂紋，斷面已生銹，呈黃褐色，軋輥疲勞源區(qū)有少許臺階和褶皺，裂紋擴(kuò)展區(qū)呈扁平的貝殼狀疲勞條紋線，瞬斷區(qū)域較大，說明軸斷裂前受載荷較大。初步判斷該軋輥斷裂方式均為疲勞斷裂，斷裂源位于軋輥外緣。 

圖  1  斷裂軋輥的宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

分別在斷裂軋輥的外層、中間層和心部取樣，對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：斷裂軋輥的外層、中間層、心部的化學(xué)成分均符合YB/T 4336—2013《冶金用高鉻鑄鐵軋輥技術(shù)條件》的要求。 

1.3   力學(xué)性能測試

在斷裂軋輥上取樣，對試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，結(jié)果如表2所示。由表2可知：該軋輥的力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)YB/T 4336—2013的要求。 

1.4   金相檢驗

在軋輥斷口表面龜裂處截取金相試樣，將金相試樣進(jìn)行鑲嵌、磨制、拋光和腐蝕處理，并置于光學(xué)顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：軋輥心部、中間層的顯微組織分別為珠光體+鐵素體+球墨、珠光體+碳化物；軋輥表面試樣的碳化物含量增多，存在粗大龜裂紋，試樣截面內(nèi)裂紋粗大，且垂直表面向內(nèi)擴(kuò)展，顯微組織中存在較多針狀馬氏體，板片狀碳化物較多；外層顯微組織為回火索氏體+回火馬氏體+馬氏體+碳化物。 

圖  2  斷裂軋輥的顯微組織形貌

1.5   掃描電鏡（SEM）及能譜分析

用掃描電鏡觀察金相試樣，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：裂紋沿板片狀碳化物與基體交界處擴(kuò)展，未觀察到異常夾雜物。 

圖  3  金相試樣的SEM形貌

斷裂軋輥斷口的SEM形貌如圖4所示。由圖4可知：軋輥從表面起裂，裂紋源區(qū)可見明顯的網(wǎng)狀龜裂紋和大塊狀、片狀剝落，斷口可見疲勞輝紋；瞬斷區(qū)斷口可見河流花樣，呈解理脆性斷裂特征；輥身的工作層內(nèi)可見比較發(fā)達(dá)的柱狀晶，呈離心澆鑄特征；從表面向內(nèi)，柱狀晶區(qū)可見大小不等、形狀無規(guī)則的自由晶面，最大區(qū)域尺寸為226 μm×163 μm（長度×寬度）；整個斷口未見異常夾雜物，斷口呈典型的疲勞斷裂特征。對自由晶面進(jìn)行能譜分析，得到其主要成分為氧元素和鐵元素。 

圖  4  斷裂軋輥斷口的SEM形貌

軋輥表面龜裂處SEM形貌如圖5所示。由圖5可知：軋輥表面龜裂紋均呈網(wǎng)狀分布，裂紋較深處存在嚴(yán)重氧化，且晶界熔化，呈過熱特征。 

圖  5  軋輥表面龜裂處SEM形貌

1.6   X射線衍射（XRD）分析

在軋輥表面龜裂嚴(yán)重處和正常處截取試樣，采用X射線衍射儀的Cu靶對試樣進(jìn)行不穩(wěn)定相殘余奧氏體測定，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：軋輥表面龜裂嚴(yán)重處和正常處的殘余奧氏體含量相當(dāng)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)均不大于5%。 

圖  6  軋輥表面龜裂嚴(yán)重處和正常處XRD分析結(jié)果

2.   綜合分析

導(dǎo)致軋輥斷裂[2-5]的應(yīng)力有4種，分別為制造過程中的殘余應(yīng)力，軋制過程中的機械應(yīng)力，軋制過程中軋輥的組織應(yīng)力，以及軋輥內(nèi)外溫差造成的熱應(yīng)力。殘余應(yīng)力過大引起的斷裂通常發(fā)生在新輥上機使用的前幾次，而該軋輥已經(jīng)歷下機磨輥，因此可排除殘余應(yīng)力引起的斷裂。軋機調(diào)試生產(chǎn)低碳鋼時，軋制力不會過大，由機械應(yīng)力產(chǎn)生斷裂時先損壞的是傳動端輥頸，從實際軋制和斷裂情況來看，不是機械應(yīng)力造成輥身斷裂。XRD分析結(jié)果顯示，高鉻鑄鐵軋輥的輥身工作層中無亞穩(wěn)定組織殘余奧氏體，可排除組織應(yīng)力引起的輥身工作層剝落和軋輥斷裂。軋輥離心鑄造過程中的疏松、縮孔等缺陷在工作層呈自由晶面特征，兩支軋輥中的自由晶面尺寸很小，可以排除鑄造缺陷造成的軋輥斷裂。 

因此，軋輥斷裂的原因為軋制過程中軋輥內(nèi)外溫差產(chǎn)生了熱應(yīng)力?？v向熱應(yīng)力Δσ的計算方法如式（1）所示。 

式中：E為彈性模量；μ為泊松比；α為線膨脹系數(shù)；Δq為軋輥表面和心部之間的溫差。 

經(jīng)過試驗測定，高鉻鑄鐵材料的E為21.8×104 MPa，μ為0.35，α為12.5×10−6 ℃-1。 

該軋輥斷裂發(fā)生在熱連軋廠技改調(diào)試生產(chǎn)期間，操作工接到指令后，精軋機組立即停車并關(guān)閉軋機冷卻水。由于軋輥與軋材的緊密接觸，其表面溫度迅速上升，而軋輥心部的溫度上升速率較慢，這時軋輥表面和軋輥心部之間出現(xiàn)巨大溫差，表層龜裂較嚴(yán)重的試樣存在針狀馬氏體，說明軋輥表面局部存在過熱現(xiàn)象。軋輥表面和心部之間的溫差應(yīng)為80 ℃，根據(jù)式（1）計算縱向熱應(yīng)力，值為335 MPa，此時軋輥表面網(wǎng)狀龜裂紋及剝落處產(chǎn)生應(yīng)力集中，促進(jìn)了表面龜裂紋擴(kuò)展[6-8]，當(dāng)熱應(yīng)力超過了軋輥心部的強度極限時，軋輥發(fā)生斷裂。該軋輥斷裂方式為疲勞斷裂，裂紋源位于軋輥外緣，軋輥表面裂紋源區(qū)存在明顯的網(wǎng)狀龜裂紋和大塊狀、片狀剝落，較深處發(fā)生嚴(yán)重氧化和晶界熔化，呈過熱特征，軋輥表面試樣存在的粗大龜裂紋垂直表面向內(nèi)擴(kuò)展，顯微組織中存在較多的針狀馬氏體+板片狀碳化物，進(jìn)一步促進(jìn)了裂紋擴(kuò)展。 

3.   結(jié)論與建議

生產(chǎn)調(diào)試的軋機緊急停車并關(guān)閉軋機冷卻水，軋輥外層表面與心部之間產(chǎn)生巨大溫差，形成較大的熱應(yīng)力，熱應(yīng)力超過了軋輥心部的強度極限，最終導(dǎo)致軋輥斷裂。 

建議正常生產(chǎn)時采用合理的軋輥冷卻方式，根據(jù)軋輥表面狀況及時磨削，提高軋輥的周轉(zhuǎn)效率，降低成本。在生產(chǎn)調(diào)試過程中，如果頻繁發(fā)生停軋，必須及時檢查軋輥表面是否有燙傷等缺陷，確認(rèn)表面無傷后才可以安排繼續(xù)生產(chǎn)。提高軋輥離心鑄造的質(zhì)量，避免產(chǎn)生疏松、縮孔、夾雜等缺陷。

文章來源——材料與測試網(wǎng)