冉 鐵，張 琦

（四川省達州鋼鐵集團有限責任公司）

1 引言

我公司的燒結制粒機（尺寸為φ4 200mm×22 000mm），于2010年9月15日投入試生產，在2012年1月10日的檢修過程中發(fā)現(xiàn)在滾圈上出現(xiàn)較多裂紋。此滾圈的基本信息是：材質為35鋼，單重為28 230kg，外徑為4 760mm，內徑為4 200mm，壁厚250mm，寬度為1 160mm，要求為整體鍛造。

2 檢驗

2．1 宏觀分析

在滾圈表面可見很多裂紋存在，裂紋均大致沿著滾圈縱向（寬度方向）分布，并不平直，有些長約半個滾圈寬度，有些長為整個滾圈寬度，見圖1。滾圈表面存在聚集分布的凹坑，見圖2，大部分裂紋與凹坑并存，見圖3、4。

2．2 化學成分

取滾圈開裂部位樣塊進行化學成分復查，為避免取樣誤差，取雙樣檢測，檢測結果如表1所示。可以看出，滾圈化學成分與國家標準規(guī)定的35鋼的成分差別很大，含碳量很低，低于0．10%，Si、Mn含量也高于國家標準要求的上限值。

圖1 滾圈宏觀形貌，表面可見很多裂紋

圖2 表面聚集分布的凹坑

圖3 表面聚集分布的裂紋與凹坑

圖4 表面聚集分布的凹坑與裂紋

2．3 硬度測試

取滾圈樣塊進行硬度測試，結果如表2所示?？梢钥闯觯瑵L圈心部的硬度平均值為160HBS，表面的硬度平均值為226HBS，表面的硬度高于心部的硬度。

表1 化學成分（wt%）

表2 硬度測試值

2．4 非金屬夾雜物

取滾圈開裂部位樣塊進行非金屬夾雜物判別，根據GB／T 10561－2005進行測定和評級，材料中的非金屬夾雜物為：球狀氧化物，級別為大于3級。非金屬夾雜物形貌如圖5、6所示。

2．5 低倍酸浸試驗

取滾圈開裂部位的樣塊，按照GB 226－1991“鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法”進行低倍酸浸試驗，結果如圖7所示?？梢钥闯?，材料中未見較嚴重的低倍缺陷，但有帶狀特征（圖中箭頭所示為帶狀方向），分析認為，該帶狀特征與滾圈經過了鍛造工藝加工有關。

圖5 非金屬夾雜物 ×100

圖6 非金屬夾雜物 ×400

2．6 金相組織

取滾圈開裂部位樣塊進行金相組織判別。金相試樣經過腐蝕后，肉眼可見試樣表面明亮程度不一，如圖8所示。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，圖8中灰暗的弧形區(qū)域的金相組織如圖9、10所示，為等軸狀晶粒，而圖8中閃亮狀塊狀區(qū)域的金相組織如圖12、13所示，為長條狀晶粒，圖11為二者的交界處。分析認為，形成等軸狀晶粒與長條狀晶粒共存的情況可能與鍛造有關。

圖7 低倍酸浸后的形貌

圖8 金相試樣經過腐蝕后表面明亮程度不一

圖9 圖8中灰暗的弧形區(qū)域為細小的等軸晶粒 ×100

圖10 細小的等軸晶粒 ×400

圖11 等軸晶粒與長條晶粒交界處，線條標記為交界 ×100

圖12 長條晶粒交界 ×100

2．7 斷口形貌

將圖5中開裂部位通過機械加工的辦法截取后，打開發(fā)現(xiàn)如圖14所示，可見：

（1）圖5中滾圈表面的裂紋雖然未貫穿，但打開后內部斷口光亮，磨損嚴重，見圖14。

（2）斷口上有一個凸臺，該處左右兩側的紋路均從此處向外發(fā)散，這說明凸臺為裂紋源，見圖14。

圖13 長條晶粒 ×100

圖14 斷口磨損嚴重

3 分析與討論

3．1 滾圈質量

從低倍酸酸浸試驗（圖7）和金相試樣腐蝕后的宏觀形貌（圖8）看，材料中存在帶狀特征和較明顯的變形痕跡，分析認為，這與滾圈經過了鍛造工藝加工有關。

滾圈化學成分與國家標準規(guī)定的35鋼的化學成分差別很大（見表1），含碳量很低，低于0．10%，Si、Mn含量也高于國家標準要求的上限值，即原材料成分有誤。

滾圈中非金屬夾雜物為球狀氧化物，級別高于GB／T 10561－2005中的最高級別3級。

3．2 滾圈開裂方式

在滾圈表面可見很多裂紋存在，裂紋均大致沿著滾圈縱向（寬度方向）分布，并不平直，有些長約半個滾圈寬度，有些長為整個滾圈寬度（圖1）。裂紋打開后內部斷口光亮，磨損嚴重（圖14）。斷口上有一個凸臺，該處左右兩側的紋路均從凸臺處向外發(fā)散，這說明凸臺為裂紋源（圖14）。分析認為，這種凸臺裂紋源的存在，以及滾圈表面聚集凹坑的存在（圖2），還有大部分裂紋與凹坑并存（圖3、4）的情形，均符合“接觸疲勞”開裂方式的特征。

3．3 關于接觸疲勞

對于接觸疲勞而言，往往其表面存在很大的應力場，首先從接觸表面以下的最大交變切應力處的薄弱處（如夾雜物處）產生顯微裂紋，這是接觸疲勞的疲勞源或裂紋生核階段。淺表層裂紋斜向表面擴展，當與表面相連時，被裂紋包圍的金屬塊就會產生剝離，形成不同的剝落形狀，視程度不同可為點狀（如點蝕或麻點剝落），也可為小片狀（淺層剝落），還可隨著剝落面的逐漸擴大，而向深層擴展，形成深層剝落。綜上所述，接觸疲勞剝落經歷了裂紋萌生—裂紋擴展—裂紋連接—剝離脫落幾個過程。

3．4 開裂原因與過程

從開裂滾圈看，原材料成分有誤，含碳量太低，不符合GB699－1999“優(yōu)質碳素結構鋼”對35鋼的成分規(guī)定，造成材料強度低，再加上材料中夾雜物級別高（超過GB10561－2005“鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法”的最高級，即3級）。因此，當滾圈工作時，由于表面受到強大的壓應力和切應力，滾圈從表層或次表層的最大交變切應力處（特別是夾雜物聚集分布處）開始產生裂紋，再擴展至表面造成片狀或塊狀剝落，隨后以剝落處為裂紋源，逐漸向壁厚方向擴展，形成深層次的裂紋，即產生圖1～4中肉眼可見的大尺寸裂紋。

4 結論

（1）滾圈的化學成分不符合GB／T699對35鋼的成分規(guī)定，以及夾雜物級別太高是滾圈開裂的主要原因。

（2）滾圈的開裂為“接觸疲勞”開裂方式。