图 1 断裂轧辊的宏观形貌
分享：热连轧高铬铁轧辊断裂原因
轧辊是使金属产生塑性变形的一种生产工具，在实际生产使用中，轧辊处于一种复杂的应力状态下，如轧辊与轧件接触加热、轧辊水冷却引起的周期性热应力，轧制载荷引起的接触应力、剪切应力及残余应力等[1]。轧辊的失效模式有剥落、断裂、辊面损伤等。轧辊断裂是轧辊最严重的一种失效形式，轧辊断裂不但会造成轧辊与轧材损失，还会影响设备和人身安全，事故处理时间长，影响轧机的作业效率。
某热轧厂精轧机组F1工作辊为离心复合浇铸后经热处理的高铬铸铁轧辊，其主要分外层、中间层和辊芯3个部分，其中外层材料为高铬铸铁，中间层和辊芯材料均为球墨铸铁。该轧辊在技改生产调试时，辊身距轧机操作侧710 mm处发生断裂。笔者采用一系列理化检验方法对该轧辊的断裂原因进行分析，以避免该类问题再次发生。
1. 理化检验
1.1 宏观观察
断裂轧辊的宏观形貌如图1所示。由图1可知：轧辊从辊身处横向断裂为两部分，断口较平齐，断裂面均与轴线垂直、较平整，无明显塑性变形，外表面呈块状或大块片状剥落，剥落处沿辊身轴向呈深蓝色，可见较深的网状龟裂纹，断面已生锈，呈黄褐色，轧辊疲劳源区有少许台阶和褶皱，裂纹扩展区呈扁平的贝壳状疲劳条纹线，瞬断区域较大，说明轴断裂前受载荷较大。初步判断该轧辊断裂方式均为疲劳断裂，断裂源位于轧辊外缘。
1.2 化学成分分析
分别在断裂轧辊的外层、中间层和心部取样，对试样进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：断裂轧辊的外层、中间层、心部的化学成分均符合YB/T 4336—2013《冶金用高铬铸铁轧辊技术条件》的要求。
Table 1. 断裂轧辊的外层、中间层和心部化学成分分析结果
| 项目 | 质量分数 | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Ni | V | |
| 外层实测值 | 2.81 | 0.55 | 0.91 | 0.034 | 0.012 | 18.00 | 1.01 | 1.10 | 0.23 |
| 外层标准值 | 2.4~2.8 | 0.3~1.0 | 0.6~1.5 | ≤0.1 | ≤0.05 | 15~19 | 0.6~1.8 | 1.0~1.4 | 0.2~0.5 |
| 中间层实测值 | 1.57 | 2.25 | 0.60 | 0.037 | 0.010 | 0.16 | 0.06 | 0.11 | - |
| 中间层标准值 | 1.3~1.7 | 1.8~2.5 | 0.4~0.7 | ≤0.08 | ≤0.03 | ≤0.2 | ≤0.2 | - | - |
| 心部实测值 | 3.35 | 2.76 | 0.20 | 0.064 | 0.012 | 0.08 | 0.02 | 0.05 | 0.02 |
| 心部标准值 | 2.5~3.5 | 1.4~3.0 | 0.4~1.2 | ≤0.1 | ≤0.03 | ≤1.0 | ≤0.2 | - | - |
1.3 力学性能测试
在断裂轧辊上取样，对试样进行力学性能测试，结果如表2所示。由表2可知：该轧辊的力学性能符合标准YB/T 4336—2013的要求。
Table 2. 断裂轧辊的力学性能测试结果
| 项目 | 抗拉强度/MPa | 硬度/HSD |
|---|---|---|
| 实测值 | 370 | 83，82，83，83，85，82，84，85，84，84，84，85，83，85，83，83，85，83，83，84 |
| 标准值 | 350~600 | 75~81 |
1.4 金相检验
在轧辊断口表面龟裂处截取金相试样，将金相试样进行镶嵌、磨制、抛光和腐蚀处理，并置于光学显微镜下观察，结果如图2所示。由图2可知：轧辊心部、中间层的显微组织分别为珠光体+铁素体+球墨、珠光体+碳化物；轧辊表面试样的碳化物含量增多，存在粗大龟裂纹，试样截面内裂纹粗大，且垂直表面向内扩展，显微组织中存在较多针状马氏体，板片状碳化物较多；外层显微组织为回火索氏体+回火马氏体+马氏体+碳化物。
1.5 扫描电镜（SEM）及能谱分析
用扫描电镜观察金相试样，结果如图3所示。由图3可知：裂纹沿板片状碳化物与基体交界处扩展，未观察到异常夹杂物。
断裂轧辊断口的SEM形貌如图4所示。由图4可知：轧辊从表面起裂，裂纹源区可见明显的网状龟裂纹和大块状、片状剥落，断口可见疲劳辉纹；瞬断区断口可见河流花样，呈解理脆性断裂特征；辊身的工作层内可见比较发达的柱状晶，呈离心浇铸特征；从表面向内，柱状晶区可见大小不等、形状无规则的自由晶面，最大区域尺寸为226 μm×163 μm（长度×宽度）；整个断口未见异常夹杂物，断口呈典型的疲劳断裂特征。对自由晶面进行能谱分析，得到其主要成分为氧元素和铁元素。
轧辊表面龟裂处SEM形貌如图5所示。由图5可知：轧辊表面龟裂纹均呈网状分布，裂纹较深处存在严重氧化，且晶界熔化，呈过热特征。
1.6 X射线衍射（XRD）分析
在轧辊表面龟裂严重处和正常处截取试样，采用X射线衍射仪的Cu靶对试样进行不稳定相残余奥氏体测定，结果如图6所示。由图6可知：轧辊表面龟裂严重处和正常处的残余奥氏体含量相当，质量分数均不大于5%。
2. 综合分析
导致轧辊断裂[2-5]的应力有4种，分别为制造过程中的残余应力，轧制过程中的机械应力，轧制过程中轧辊的组织应力，以及轧辊内外温差造成的热应力。残余应力过大引起的断裂通常发生在新辊上机使用的前几次，而该轧辊已经历下机磨辊，因此可排除残余应力引起的断裂。轧机调试生产低碳钢时，轧制力不会过大，由机械应力产生断裂时先损坏的是传动端辊颈，从实际轧制和断裂情况来看，不是机械应力造成辊身断裂。XRD分析结果显示，高铬铸铁轧辊的辊身工作层中无亚稳定组织残余奥氏体，可排除组织应力引起的辊身工作层剥落和轧辊断裂。轧辊离心铸造过程中的疏松、缩孔等缺陷在工作层呈自由晶面特征，两支轧辊中的自由晶面尺寸很小，可以排除铸造缺陷造成的轧辊断裂。
因此，轧辊断裂的原因为轧制过程中轧辊内外温差产生了热应力。纵向热应力Δσ的计算方法如式（1）所示。
式中：E为弹性模量；μ为泊松比；α为线膨胀系数；Δq为轧辊表面和心部之间的温差。
经过试验测定，高铬铸铁材料的E为21.8×104 MPa，μ为0.35，α为12.5×10−6 ℃-1。
该轧辊断裂发生在热连轧厂技改调试生产期间，操作工接到指令后，精轧机组立即停车并关闭轧机冷却水。由于轧辊与轧材的紧密接触，其表面温度迅速上升，而轧辊心部的温度上升速率较慢，这时轧辊表面和轧辊心部之间出现巨大温差，表层龟裂较严重的试样存在针状马氏体，说明轧辊表面局部存在过热现象。轧辊表面和心部之间的温差应为80 ℃，根据式（1）计算纵向热应力，值为335 MPa，此时轧辊表面网状龟裂纹及剥落处产生应力集中，促进了表面龟裂纹扩展[6-8]，当热应力超过了轧辊心部的强度极限时，轧辊发生断裂。该轧辊断裂方式为疲劳断裂，裂纹源位于轧辊外缘，轧辊表面裂纹源区存在明显的网状龟裂纹和大块状、片状剥落，较深处发生严重氧化和晶界熔化，呈过热特征，轧辊表面试样存在的粗大龟裂纹垂直表面向内扩展，显微组织中存在较多的针状马氏体+板片状碳化物，进一步促进了裂纹扩展。
3. 结论与建议
生产调试的轧机紧急停车并关闭轧机冷却水，轧辊外层表面与心部之间产生巨大温差，形成较大的热应力，热应力超过了轧辊心部的强度极限，最终导致轧辊断裂。
建议正常生产时采用合理的轧辊冷却方式，根据轧辊表面状况及时磨削，提高轧辊的周转效率，降低成本。在生产调试过程中，如果频繁发生停轧，必须及时检查轧辊表面是否有烫伤等缺陷，确认表面无伤后才可以安排继续生产。提高轧辊离心铸造的质量，避免产生疏松、缩孔、夹杂等缺陷。
文章来源——材料与测试网
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