楊 萍陳先毅黨淑娥

(1.中國第二重型機械集團公司大型鑄鍛件研究所，四川618013; 2.太原科技大學材料科學與工程學院，山西030024)

3 500 mm爐卷軋機支承輥斷裂原因分析

楊 萍1陳先毅1黨淑娥2

(1.中國第二重型機械集團公司大型鑄鍛件研究所，四川618013; 2.太原科技大學材料科學與工程學院，山西030024)

采用低倍酸洗、金相檢查、掃描電鏡、能譜分析等手段，對使用初期斷裂的3 500 mm爐卷軋機支承輥斷口進行分析。結果表明，較大的殘余應力與各類夾雜物及碳化物聚集分布是造成該件特大支承輥斷裂的主要原因。

支承輥;斷裂;夾雜物;碳化物聚集

事故輥為3 500 mm爐卷軋機支承輥，第2次上機，安裝在下輥位。在進行軋機彈跳的調試過程中突然發(fā)出巨大異響，檢查發(fā)現(xiàn)下支承輥斷裂。斷裂時每側軋制力為26.36 MN(進行軋機彈跳調試的要求值為每側29.4 MN)。此軋機彈跳操作過程為全自動操作程序，程序無異常。

支承輥材質為 3%CrMoV，輥身尺寸為?1 950mm×3 450 mm，成品重量115.25 t，鋼錠重227 t。成品超聲檢測合格。

為找出事故輥斷裂的原因，對殘輥進行解剖分析。

圖1 斷口形貌Figure 1 Fracture appearance

1 事故輥宏觀斷口觀察

支承輥在距離操作側(非印記端)輥身端面約1 315 mm處斷裂。斷裂面接近垂直于輥身軸向，斷口比較平直，見圖1。起始斷裂源距心部約305 mm，見圖2。

圖2 原始斷裂源與圓心的距離Figure 2 Distance between the original fracture source and center

2 事故輥生產工藝

支承輥的實際生產工藝流程為:電爐粗煉→真空精煉→真空澆注→鍛造→鍛后熱處理→粗加工及超聲檢測→最終熱處理→精加工及超聲檢測→包裝、發(fā)運。

3 事故輥解剖試驗分析

3.1 斷面低倍檢查

利用其中一段斷輥的斷面，加工成厚度為50 mm的低倍試片，做低倍檢驗。發(fā)現(xiàn)3種明顯的缺陷，分別位于圖3中A(及周圍鄰近區(qū)域)、B (及周圍鄰近區(qū)域)、C區(qū)域。

圖3 低倍缺陷分布圖Figure 3 Low magnification defect distribution

圖4 A區(qū)深色點狀偏析Figure 4 Dark segregation in scattered spots in Zone A

圖5 B區(qū)淺色點狀偏析Figure 5 Light color segregation in scattered spots in Zone B

圖6 C區(qū)淺色網(wǎng)狀缺陷Figure 6 Light color defects in webs shape in Zone C

A區(qū)域為距外圓80 mm～180 mm范圍內分布著深色點狀偏析(不局限在A標記的線框中)，見圖4。

B區(qū)域為距圓心200 mm～510 mm范圍內分布著淺色點狀偏析(不局限在B標記的線框中)，見圖5。

C區(qū)域為圓心～250 mm范圍內分布著淺色網(wǎng)狀缺陷(基本分布于C標記方框內)，見圖6。

3.1.1 A區(qū)低倍檢查結果

能譜分析表明，A區(qū)低倍試樣中除了富含Cr、Mo、V的顆粒狀碳化物分布不均外，還有較多類型的非金屬夾雜。其中有塊狀氮化鈦、硫化錳、氧化硅、氧化鋁以及富含C、Al、Mg、Ca、Si、Cr、Na、Cl、Mn、S等復雜的氧化物爐渣。合金基體成分差異不大。結合組織及能譜分析，A區(qū)低倍試樣中的黑色斑點是富含C、S及Al、Mg、Ca、Si、Cr、Na、Cl、Mn的非金屬夾雜物。

3.1.2 B區(qū)低倍檢查結果

通過低倍檢測、金相顯微鏡、掃描電鏡及能譜分析，白色斑點狀偏析是以泡狀物或孔洞為中心的富含Cr、Mo、V小顆粒狀碳化物和富含Cr、Si、S、C大顆粒氧化物的聚集體。在碳化物與泡狀物內部及其基體組織中，都檢測到較高的O含量。

3.1.3 C區(qū)低倍檢查結果

通過低倍檢測、金相顯微鏡、掃描電鏡及能譜分析確定，網(wǎng)狀偏析是由富含F(xiàn)e、Cr、Mo的大量白色顆粒狀碳化物及富含F(xiàn)e、Cr、C的少量大顆粒狀氧化物夾雜構成的聚集體。

3.2 斷口裂紋起源及原因分析

在事故輥的原始斷裂源處套取試棒做試驗分析。

對斷口試樣進行金相組織分析。低倍下發(fā)現(xiàn)在基體組織中有分布不均的灰白偏析區(qū)。放大倍數(shù)，發(fā)現(xiàn)在試樣一側邊緣有一條隱約可見的紋線。灰白色組織細小，基體組織粗大，見圖7。

高倍下觀察灰白色細小組織為屈氏體+珠光體基體+大量顆粒狀碳化物。碳化物或聚集、或網(wǎng)狀分布。粗大基體組織為屈氏體+索氏體+珠光體，基體中很難發(fā)現(xiàn)有大顆粒碳化物。另外，在紋線兩側附近能夠看到較多非金屬夾雜物，見圖8。

掃描電鏡下觀察，更加清晰地看到有不同大小、不同形態(tài)及分布的夾雜，以及深色晶界。深色晶界表征了過熱組織的產生，見圖9。對試樣不同部位進行不同倍數(shù)的夾雜物觀察，見圖10。

圖7 斷口低倍金相組織Figure 7 Low magnificationmetallographic structure of the fracture

圖8 斷口高倍金相組織Figure 8 High magnificationmetallographic structure of the fracture

圖9 斷口掃描電鏡下的組織形貌Figure 9 Microstructure appearance of fracture under the scanning electronmicroscope

低倍下發(fā)現(xiàn)，試樣表面有分布不均的黑色斑點及白色斑點。將其放大，黑色斑點為富含C (65.05%)、O(5.39%)、Cr(1.82%)、Na (1.35%)、Cl(0.43%)，其余為Fe的爐渣。白色斑點與C區(qū)白色斑點屬于同一類夾雜，經能譜分析為富含 C(21.88%)、O(38.81%)、Zr(22.26%)、Al(7.35%)、S(3.54%)、Mn(2.58%)、Mg(1.01%)、Fe(1.8%)的氧化物夾雜。更高倍數(shù)下還能看到局部區(qū)域聚集彌散分布的尺寸更小的亮白色夾雜，其為富含 C(19.38%)、Na (20.03%)、Cl(4.10%)、Cr(2.83%)、Si (0.62%)，其余為Fe的夾雜。關于紋線，因其周圍聚集了較多的非金屬夾雜，有可能是注錠時形成的翻皮。

在斷口試料上取樣，獲取斷口試料的沖擊及拉伸試樣斷口。對斷口肉眼觀察，發(fā)現(xiàn)沖擊斷口有均勻金屬光澤，拉伸斷口金屬光澤分布不均。低倍掃描發(fā)現(xiàn)，拉伸及沖擊斷口表面凹凸不平。高倍掃描發(fā)現(xiàn)均為解理脆性斷裂。另外，在沖擊斷口上還發(fā)現(xiàn)有大塊狀TiN夾雜，見圖11、圖12。

綜上所述，斷口試樣組織為粗大基體組織(屈氏體+索氏體+珠光體)上分布有不均勻的碳化物。碳化物或聚集、或網(wǎng)狀，并有分布不均、形狀及大小各異的較多非金屬夾雜物。

局部碳化物聚集，是由于原始鑄錠組織中存在嚴重碳化物偏析，同時鍛造過程沒有將其打碎，鍛后也沒有進行充分退火，因而沒能有效改善原材料中碳及合金元素偏析。尤其是一次碳化物，在鍛造及鍛后熱處理加熱過程中碳化物未完全溶解。正是由于未溶碳化物存在阻礙了奧氏體晶粒長大，使得該區(qū)域組織晶粒比較細小。網(wǎng)狀碳化物是由于熱處理加熱溫度較高，同時冷卻速度緩慢，在碳含量較高區(qū)域碳化物沿原奧氏體晶界析出，形成網(wǎng)狀碳化物。

各類非金屬夾雜物是由于合金液純凈度較低，在冷卻結晶過程未能浮出合金液表面而存留于合金鑄錠，形成非金屬夾雜?；蛘呤亲㈠V時由于操作不當(澆注溫度過低、澆速不均勻、錠膜質量不好等)，浮在鋼液表面的氧化皮翻入鋼液，如不能上浮，殘留在鋼液中形成翻皮。翻皮是非金屬夾雜物的一種特殊表現(xiàn)形式，在鍛造時翻皮不能鍛合，如氧化物較厚時會與基體脫離形成裂紋。金相及掃描電鏡下觀察到的紋線，有可能就是翻皮沒有鍛合而形成的裂紋。

圖10 斷口掃描電鏡下夾雜物形貌Figure 10 Inclusion appearance of the fracture under scanning electron microscope

圖11 沖擊試樣斷口掃描組織形貌Figure 11 Impact specimen fracture appearance under the scanning electronmicroscope

圖12 拉伸試樣斷口掃描組織形貌Figure 12 Tensile specimen fracture under the scanning electron microscope

除了沖擊試樣斷口中發(fā)現(xiàn)有塊狀TiN夾雜外，金相組織觀察中發(fā)現(xiàn)的顆粒狀第二相及其它種類夾雜物均未出現(xiàn)。這表明金相組織試樣中的夾雜物有可能是由于澆注不當引起翻皮，而使夾雜物卷入，造成試樣局部夾雜物含量較高、種類較多、分布集中。這必然會嚴重降低合金綜合性能，而且還會引起較大應力集中，成為裂紋的起源。

兩種試樣斷口均能看到結晶狀金屬光澤及表面凹凸不平，表明組織粗大，且不均勻。這種組織特征會使合金塑韌性降低(這與其解理脆性斷裂形貌相印證)。

基體組織晶粒粗大，碳化物分布不均，同時有較多非金屬夾雜物存在，均會降低合金強度及塑韌性。尤其是碳化物、夾雜物聚集區(qū)及大塊狀夾雜物存在，會產生應力集中，而使斷裂抗力降低，引起裂紋萌生。粗大晶粒對合金強度、塑韌性也會產生不利影響，促使裂紋擴展。在應力作用下，由于基體組織塑韌性較差，促使裂紋擴展而發(fā)生最終斷裂。

綜合以上分析得知，事故輥斷口裂紋起源于各種非金屬夾雜。由于基體組織粗大、碳化物分布不均勻降低了合金的塑韌性，在應力作用下，促使裂紋擴展，并最終斷裂。

4 事故輥斷裂原因分析

綜合上述試驗分析，事故輥斷裂主要與以下幾方面有關:

(1)碳化物分布不均勻。主要體現(xiàn)在低倍下的白色斑點狀偏析及網(wǎng)狀偏析。這是原始鑄錠在凝固過程中受鋼的冶煉質量、澆注條件及冷卻結晶特點共同影響的結果。原始鑄錠組織中存在嚴重的碳化物分布不均勻，鍛造及鍛后退火又不充分，使碳化物不均勻現(xiàn)象未能得到有效改善。正是由于碳化物不均勻，也造成了基體組織晶粒大小分布不均勻，尤其是貧碳區(qū)容易產生過熱，形成粗大組織。

(2)非金屬夾雜物。事故輥從表到里，都有較多不同類型的非金屬夾雜存在，夾雜物類型不同，存在方式也不一樣。綜合不同試樣能譜分析，事故輥內部主要夾雜物類型有:大塊狀TiN、TiC和長條狀MnS;富含C、O、Al、Mg、Mn、Zr、Ti、Ca、P、S等的顆粒狀低熔點爐渣;富含Mg、Al、Na、Zr、Mn等的小顆粒氧化物;富含C、Na、Cl、Si、Cr的尺寸更小的白色小顆粒聚集夾雜。其中，大塊狀TiN、TiC和長條狀MnS在事故輥不同部位，即從表到里都有存在。除了MnS具有一定塑性以長條形式存在外，TiN、TiC都以棱角分明的大塊狀形式存在;低熔點爐渣主要以顆粒大小不一的聚集體存在。由于所處事故輥部位不同，其存在形式也有所不同。在事故輥外層，主要與低熔點夾雜相伴，以大小不一的顆粒狀聚集存在，低倍下表現(xiàn)為邊緣黑色斑點狀偏析。在事故輥內部中間層及心部是伴隨著顆粒狀碳化物的聚集而聚集，與顆粒狀碳化物、氧化物等夾雜形成聚集體，低倍下表現(xiàn)為白色斑點狀偏析及網(wǎng)狀偏析;Mg、Al、Na、Zr、Mn等的氧化物多數(shù)是附著在爐渣表面，伴隨爐渣而存在。有的是以獨立的小顆粒氧化物伴隨碳化物的聚集而聚集，形成白色斑點狀偏析及網(wǎng)狀偏析;富含C、Na、Cl、Si、Cr的顆粒夾雜只在斷口中發(fā)現(xiàn)，而且是以尺寸更小的聚集體存在。以上夾雜的不同類型及不同存在形態(tài)主要與其原材料合金的冶煉質量、澆注條件及結晶特點有關。尤其是處于斷裂源處的斷口試樣，其內部不僅碳化物不均勻程度更為嚴重，而且各種夾雜物較多，分布集中。這主要是合金澆注過程中由于澆注不當造成翻皮，將合金表面的氧化物、低熔點夾雜及易偏析溶質元素、爐渣、保護渣等類夾雜卷入鋼液而未能上浮。由此可知，事故輥的斷裂起源于翻皮造成的夾雜。

通過對不同斷口的觀察與分析，幾乎所有斷口都起源于碳化物與夾雜的聚集區(qū)。即起源于低倍下肉眼可見的白色斑點狀及網(wǎng)狀偏析。由于白色斑點狀及網(wǎng)狀偏析是由顆粒狀碳化物及爐渣、低熔點夾雜、氧化物等組成的集合體，造成合金塑韌性極度降低，并產生應力集中，促成裂紋萌生。尤其是處于事故輥斷裂源區(qū)的斷口試樣，因其鑄錠在澆注時形成翻皮，內部夾雜及碳化物聚集非常嚴重。翻皮在鍛造過程中沒有被壓合，夾雜物及碳化物聚集也未在鍛造及鍛后熱處理過程中被打碎形成彌散分布，嚴重割裂了金屬基體的連續(xù)性，降低了合金強度與塑韌性，并產生應力集中，從而導致事故輥萌生斷裂源。

無論是裂紋源區(qū)，還是裂紋擴展區(qū)，斷口形貌均以解理脆性斷裂為主，表明該事故輥系典型脆性斷裂。這與其基體組織粗大、存在較多夾雜及碳化物分布不均勻的組織特點相印證。

(3)殘余應力。由于事故輥尺寸大，表面和心部在熱處理加熱和冷卻過程中溫度分布不均，而產生熱應力。熱處理后熱應力又沒有得到完全消除，作為殘余應力保存于事故輥中。又由于事故輥從表層到心部不同區(qū)域基體組織有較大差異，不同類型、不同大小、不同形態(tài)的夾雜及碳化物聚集分布，基體組織晶粒粗大且不均勻，必然產生應力集中，尤其是夾雜物及碳化物嚴重聚集區(qū)域應力集中最大。事故輥的殘余熱應力與復雜組織應力的疊加，致使其超過了材料的斷裂抗力，于是在該處萌生裂紋而成為斷裂源。

裂紋一旦萌生，就由內向外擴展。由于基體組織粗大、夾雜物及碳化物聚集、基體晶粒大小不一以及脆性組織存在，都會嚴重降低合金強度及塑韌性，促使裂紋擴展，并以解理脆性方式斷裂。

5 結論

本文所分析的爐卷軋機支承輥斷裂的直接原因是支承輥內部存在較大的殘余應力，主要原因是支承輥組織中存在各類夾雜物及碳化物的聚集分布。

編輯 肖紅原

Analysis on the Cause of Backup Roll for the 3500mm Steckel Mill

Yang Ping，Chen Xianyi，Dang Shu'e

By means of low power pickling，metallographic examination，scanning electronmicroscope，and energy spectrum analysis etc，the fracture on the backup roll for the 3 500mm SteckelMill occurred in the initial service stage has been analyzed.The results indicate that relatively big residual stress and different kinds of inclusion aswell as the carbide aggregated distribution are themajor cause of the fracture on this extra large back up roll.

backup roll，fracture，inclusion，carbide aggregation

TG156.3

A

2013—05—10