趙凱兵

(中國第一重型機(jī)械股份公司鑄鍛鋼事業(yè)部，黑龍江161042)

2 250 mm熱粗軋支承輥剝落的原因分析

趙凱兵

(中國第一重型機(jī)械股份公司鑄鍛鋼事業(yè)部，黑龍江161042)

通過對支承輥剝落斷面及外露裂紋通道的形貌勘察，結(jié)合超聲檢測、組織及夾雜物檢測，判定該支承輥由于無法及時發(fā)現(xiàn)并清除表面裂紋，導(dǎo)致表面裂紋發(fā)展為嚴(yán)重的條帶狀疲勞裂紋，最終導(dǎo)致支承輥強(qiáng)度不夠產(chǎn)生大面積剝落。

支承輥；剝落；疲勞裂紋

一重為某熱軋廠生產(chǎn)的2 250 mm粗軋支承輥，該支承輥原始直徑?1 650 mm，報廢直徑?1 500 mm，現(xiàn)直徑?1 614.534 mm。2014年12月首次上機(jī)使用，至今共上機(jī)使用14次。最后一次作為下輥使用，在2016年7月5日發(fā)現(xiàn)帶鋼跑偏，停機(jī)后拉出下輥，發(fā)現(xiàn)該輥傳動側(cè)輥身大面積剝落報廢。同時了解到該熱軋廠歷史上出現(xiàn)質(zhì)量問題的5支支承輥均在傳動側(cè)出現(xiàn)質(zhì)量問題。經(jīng)了解粗軋支承輥磨削量按上輥1.5 mm、下輥1.5 mm～2 mm控制，磨削量相對合理，磨削后檢測手段齊全，該輥磨削記錄中傳動側(cè)有數(shù)次渦流異常情況。

1 現(xiàn)場勘查

根據(jù)現(xiàn)場仔細(xì)勘察、測量，剝落處位于操作側(cè)(字端)輥身邊部，擴(kuò)展到傳動側(cè)，剝落斷面由兩個扇形斷面組成，分別距輥身端面950 mm、1 660 mm，周向約1 500 mm，如圖1所示。剝落斷面中部有一個平滑的帶狀區(qū)域，該條帶上部距輥身端部420 mm。該條帶區(qū)域兩側(cè)有一個分界線，分界線及外側(cè)較為粗糙，條帶寬度約100 mm～150 mm，長約1 050 mm，距輥面深度約60 mm，條帶上可以看到部分不太明顯的疲勞擴(kuò)展條紋，分布著比較經(jīng)典的一圈一圈的“貝殼狀(海灘樣)”疲勞擴(kuò)展條紋(見圖2)，他們是每一階段裂紋前沿輪廓留下的痕跡。只有疲勞裂紋擴(kuò)展，擴(kuò)展速率相對較慢，且張開裂紋的兩個側(cè)面經(jīng)過反復(fù)碾壓才會產(chǎn)生光滑的開裂表面。貝狀條紋指向的擴(kuò)展方向為由上至下，可以認(rèn)定該條帶為疲勞條帶。剝落斷口下沿斷口較為平齊，靠近操作側(cè)輥面有兩處較大的塑性變形區(qū)，斷口下沿傳動側(cè)亦有塑性變形痕跡(圖3)，應(yīng)為開裂區(qū)域的承載能力降低，最終導(dǎo)致該處強(qiáng)度不夠產(chǎn)生塑性變形，最終剝落皮層在剝落斷口下沿位置瞬斷產(chǎn)生大面積剝落?；究梢詳喽ū敬蝿兟錇閹钇诎l(fā)展引起的輥面大剝落并牽連掉肩。

圖1 剝落整體形貌Figure 1 The overall appearance of spalling

另傳動側(cè)未剝落輥面距輥身端面240 mm～400 mm范圍發(fā)現(xiàn)5處打磨坑、1處小剝落坑(圖4)，剝落坑距端面約240 mm，范圍90 mm(周向)×70mm(軸向)。該處小剝落坑附近有一范圍40 mm(周向)×50 mm(軸向)的區(qū)域(圖5)內(nèi)發(fā)現(xiàn)有軸向小順紋(圖6)。

(a)疲勞條帶下部

(b)疲勞條帶上部圖2 貝狀條紋Figure 2 The shell-like stripe

圖3 塑性變形區(qū)形貌Figure 3 The appearance of plastic deformation zone

經(jīng)超聲檢測確定，剝落坑邊沿輥面A點(距端面約500 mm)至B點(距端面約320 mm)輥面下有裂紋通道，A點裂紋距輥面20 mm深，A→B裂紋通道距輥面逐漸變深，此裂紋通道寬約30 mm～50 mm。C點(外露疲勞條帶上部)-B點-D點(距端面約650 mm)距輥面均約60 mm深有裂紋并連成一條裂紋通道，此裂紋通道圓周長約1 500 mm。另F點(小剝落坑旁表面裂紋處)到G點(距端面約400 mm)為另一條輥面下裂紋通道，F(xiàn)→G裂紋逐漸加深，G點裂紋距輥面深度約為62 mm，該裂紋通道約為20 mm～40 mm寬，長約470mm。F點斜向上到H點(裂紋距輥面深度42 mm)有一輥面下裂紋通道，H點處與C-B-D裂紋通道基本相交。在其他部位未發(fā)現(xiàn)肉眼看見的夾雜及超聲檢測的缺陷存在。裂紋通道示意圖見圖7。

圖4 傳動側(cè)輥身打磨坑、小剝落坑Figure 4 The grinded pits and the small spalling pits on the driving side of roll body

圖5 小剝落坑旁的有裂紋區(qū)域Figure 5 The crack area next to the small spalling pit

圖6 表面裂紋放大圖Figure 6 The enlarged sketch of surface crack

根據(jù)超聲檢測結(jié)果可以看出，斷面外露的疲勞條與C-B-D裂紋通道為同一裂紋擴(kuò)展通道，只是C-B-D裂紋通道沒有外露而已，且深度基本為60 mm左右。根據(jù)支承輥現(xiàn)直徑和支承輥制造工藝推斷，C-B-D裂紋通道與斷面外露的疲勞條帶均處于淬硬層底部。根據(jù)貝狀條紋由上至下的擴(kuò)展方向可以看出，外露的裂紋通道由B→C擴(kuò)展而來。最大的可能為裂紋通道由A處擴(kuò)展到B處，再沿B→D→C進(jìn)一步擴(kuò)展形成裂紋通道，該裂紋通道的裂紋源應(yīng)當(dāng)處于剝落掉塊上。另外的兩條裂紋通道F-G、F-H，可以明顯看出F點處為裂紋源。這一過程如圖8所示。

圖7 裂紋通道示意Figure 7 The sketch of crack path

圖8 裂紋通道示意圖Figure 8 The sketch of crack path

A點下方的剝落斷面上，距斷面約20 mm深的一處約30 mm長呈銳角三角形的小平面(以下簡稱小平面，形貌見圖9)剛下機(jī)時顏色發(fā)黑，異于斷面其他部位色澤。小平面擦拭后，色澤較斷面其他部位發(fā)亮。推斷此平面為A-B裂紋通道的一部分，為此裂紋通道在未剝落輥面的露頭部位。小平面可見輕微的疲勞紋路。

熱軋廠在剝落斷面上沿區(qū)域用等離子切割取樣時，熱應(yīng)力與先前疲勞產(chǎn)生的殘余應(yīng)力共同致使裂紋通道上部的“連接橋面”炸裂(圖10)，露出新的可見疲勞裂紋通道，色澤發(fā)灰、發(fā)黑，擦拭后色澤較為發(fā)亮，可看出色澤發(fā)灰、發(fā)黑的物質(zhì)為裂紋通道上一薄層氧化腐蝕產(chǎn)物。另外，從崩塊、新露的疲勞裂紋通道上的貝狀紋間距較先前外露的疲勞通道中的貝狀紋(圖2)間距窄，見圖11、圖12。同時新露的疲勞裂紋通道及崩塊上的疲勞裂紋通道表面的觸感較先前外露的疲勞通道光滑。

圖9 小平面的位置及形貌Figure 9 The location and appearance of small plane

圖10 新露的疲勞裂紋通道Figure 10 The new exposed fatigue crack path

圖11 崩塊上的疲勞裂紋通道Figure 11 The fatigue crack path on the fragment

圖12 新露的疲勞裂紋通道放大圖Figure 12 The enlarged sketch of new exposed fatigue crack path

熱軋廠對一小剝落崩塊進(jìn)行了組織、夾雜檢測。檢測結(jié)果：組織為回火馬氏體、碳化物，部分碳化物呈長條狀、較粗大，沿原奧氏體晶界有碳化物聚集；夾雜D 1.0級、DS 1.5級。組織、夾雜檢測照片見圖13。雖然JB/T 4120—2006《大型鍛造合金鋼支承輥》里未對組織及夾雜物有要求，但根據(jù)檢測結(jié)果可以判定組織正常、夾雜物不超標(biāo)(10 μm倍數(shù)情況下)。同時原剝落斷口與新炸裂的斷口均無“魚眼”紋路，可以看出支承輥組織良好、無缺陷。

2 原因分析

粗軋支承輥制造中輥身內(nèi)部超聲檢測以及入廠檢測均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，且輥身內(nèi)部缺陷為裂紋源時的剝落形態(tài)(魚眼狀紋路)與此也有明顯區(qū)別，同時未剝落輥面下的裂紋通道F-G與F-H也驗證了輥身帶狀疲勞剝落的起因在于輥面裂紋這一點。由于疲勞裂紋的擴(kuò)展相對緩慢，根據(jù)使用情況，裂紋通道難于在一個軋制周期內(nèi)形成，因此本次上機(jī)前裂紋已經(jīng)存在，雖然熱軋廠檢測手段齊全，但不排除疲勞裂紋漏檢的可能性。輥面疲勞裂紋源的形成比較隨機(jī)，劃痕、工作時局部位置超過了回火溫度致使出現(xiàn)軟點，磨削時沒有將軋鋼時形成的表面疲勞裂紋除干凈等任何會導(dǎo)致出現(xiàn)局部表面應(yīng)力集中的因素，均可能誘發(fā)早期疲勞裂紋的出現(xiàn)。輥面裂紋也可能是由于熱沖擊損傷及機(jī)械損傷致使過大的局部負(fù)荷超過輥面的抗剪切強(qiáng)度所誘發(fā)。傳動側(cè)輥身距端面240 mm～400 mm范圍有打磨坑、小剝落坑及可見裂紋，在一定程度上說明傳動側(cè)使用條件劣于操作側(cè)，在交變沖擊載荷作用下易于萌生熱疲勞裂紋，存在一定偏載的可能。

(a)

(b)

(c)

(d)圖13 組織、夾雜檢測照片F(xiàn)igure 13 The photos of microstructure and inclusion test

由于支承輥淬硬層內(nèi)部材料的組織、硬度、性能都比較均勻，輥面疲勞裂紋一旦形成，在剪切應(yīng)力作用下，基本按與輥面成20°～40°的角度，裂紋的擴(kuò)展方向大致沿直線或平滑的曲線，沿圓周逆向支承輥轉(zhuǎn)動的方向擴(kuò)展至組織過渡的淬硬層底部。一旦裂紋擴(kuò)展到淬硬層底部，該區(qū)域材料的性質(zhì)變化較大，外部淬硬層材料較硬，而內(nèi)部相對較軟，韌性有所提高并可以容納較大塑性變形而不開裂，從而阻礙裂紋繼續(xù)向深度方向擴(kuò)展，裂紋在淬硬層底部擴(kuò)展方向轉(zhuǎn)為周向。粗軋機(jī)來回往復(fù)的軋制工作特點，致使疲勞裂紋在淬硬層具備雙向擴(kuò)展的可能，在持續(xù)的軋制過程中疲勞則會繼續(xù)誘發(fā)裂紋的產(chǎn)生。裂紋擴(kuò)展時，裂紋的寬度基本保持不變，從而形成了具有一系列“貝狀”紋路的帶狀斷裂面。疲勞條帶上的貝狀紋形成如圖14所示。隨著裂紋的擴(kuò)展，支承輥開裂區(qū)域的承載能力逐漸降低，在軋制應(yīng)力的作用下，最終導(dǎo)致強(qiáng)度不夠產(chǎn)生大面積剝落。整個這一過程如圖15所示。

另外，因為裂紋源區(qū)的擴(kuò)展速率緩慢，所以其斷口較其他兩個區(qū)更為平坦，有時呈反光鏡面[1]。疲勞源區(qū)通常有光澤，呈現(xiàn)細(xì)晶狀態(tài)，這種狀態(tài)是由裂紋擴(kuò)展速率以及應(yīng)力方向變化在裂紋表面之間的摩擦引起的[2]。目視觀察疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)，表面光亮，作用的應(yīng)力越低，主疲勞裂紋擴(kuò)展的時間就越長，斷面越光滑。這個區(qū)域的表面常呈貝狀紋。疲勞裂紋的擴(kuò)展速度很慢或因裂紋反復(fù)地張開與閉合引起斷口表面的磨損的緣故，疲勞源區(qū)的斷口通常具有最光亮和細(xì)瓷狀的表面結(jié)構(gòu)[3]。疲勞裂紋不斷地發(fā)展，零件的有效面積在不斷減少，裂紋的速度也就不斷地增加，使得加速發(fā)展區(qū)具有較大的粗糙度。疲勞裂紋的擴(kuò)展速率通常隨疲勞循環(huán)周次的增加而增大[4]。裂紋擴(kuò)展有3個階段特征，見圖16和表1。

圖14 疲勞斷口中貝狀紋形成的示意圖Figure 14 The sketch of formation of shell-like crack in the fatigue fracture

圖15 剝落橫截面示意圖Figure 15 The sketch of cross section of spalling

圖16 疲勞裂紋擴(kuò)展的3個階段示意圖Figure 16 The sketch of three stages for fatigue crack growth

上述對疲勞裂紋擴(kuò)展的分析與該剝落支承輥斷面上的疲勞裂紋通道表面的粗糙度變化及通道上的貝狀紋間間距(擴(kuò)展速率)變化相吻合，進(jìn)一步印證了圖8所示裂紋通道的擴(kuò)展方向，表面色澤發(fā)亮的裂紋通道為接近疲勞源區(qū)的緣故。

在裂紋擴(kuò)展過程中，潮濕氣氛的存在可使新形成的斷裂表面上產(chǎn)生表面氧化，當(dāng)循環(huán)裂紋尖端張開位移的幅值較低時，由于局部區(qū)域出現(xiàn)Ⅰ

表1 疲勞裂紋擴(kuò)展3個階段的特征Table 1 The characteristics of three stages for fatigue crack growth

型和Ⅱ型復(fù)合模式的裂紋張開，加上斷裂面的微觀粗糙性和存在一些塑性誘發(fā)閉合，在拉伸疲勞過程中裂紋面反復(fù)接觸的可能性增加，致使裂紋尖端后部的氧化物連續(xù)破裂和再生成，這種“微震磨損”機(jī)制可導(dǎo)致形成具有一定厚度的氧化層[4]。含濕氣環(huán)境、高溫、高循環(huán)頻率等都可促進(jìn)氧化物誘發(fā)裂紋閉合。從廣義上來說，大多數(shù)觀察到的疲勞都應(yīng)屬于腐蝕疲勞，因為在空氣中的疲勞也或多或少存在水蒸氣和氧化劑的作用[3]。熱疲勞斷口與機(jī)械疲勞斷口在宏觀上有相似之處，也分為：裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)[3]。由于熱疲勞斷裂均與溫度交變有關(guān)，使得斷口上和側(cè)面均遭氧化。

上述資料可以很好地解釋該支承輥剝落通道部分色澤出現(xiàn)色澤發(fā)灰、發(fā)黑的這一問題，色澤發(fā)灰、發(fā)黑為裂紋通道接近疲勞源區(qū)。結(jié)合上述資料可看出空氣、水等逐步滲入裂紋內(nèi)部，像楔子一樣嵌入微裂紋內(nèi)部，使裂紋尖端的應(yīng)力增大，溫度相對較高的情況下化學(xué)作用增強(qiáng)。

3 結(jié)論

熱軋廠無法及時發(fā)現(xiàn)并清除表面裂紋，導(dǎo)致表面裂紋發(fā)展為嚴(yán)重的條帶狀疲勞裂紋，最終導(dǎo)致支承輥強(qiáng)度不夠產(chǎn)生大面積剝落。

[1] 中國機(jī)械工程學(xué)會材料學(xué)會. 疲勞失效分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

[2] 傅祥炯.結(jié)構(gòu)疲勞與斷裂[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1995.

[3] 鐘群鵬，田永江.失效分析基[M]礎(chǔ).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

[4] 鐘群鵬，趙子華.斷口學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2005.

編輯 杜青泉

Cause Analysis for Spalling of Backup Roll Used for 2250 Hot Roughing Mill

Zhao Kaibing

By examining the appearance of spalling fracture surface and exposed crack path, and combining the ultrasonic test, as well as the microstructure and inclusion test, the cause for serious strip fatigue crack which develops from the surface crack is that the surface cracks have not been discovered and cleaned immediately. Eventually, a large area of spalling has appeared on the roll due to insufficient strength.

backup roll; spalling; fatigue crack

2016—09—02

趙凱兵(1987—)，工程師，從事鍛造工藝編制、鍛件質(zhì)量問題處理。

TG333.17

B