冷轧轧辊表面剥落原因与改进分析

王荣和

摘 要 以1420酸轧机组工作辊表面剥落为例，通过对轧辊辊面剥落块取样进行分析，采用金相显微镜对剥落块的微观组织、裂纹形态进行观察，从剥落面断口形貌分析、裂纹扩展分析等多角度进行综合分析研究，对剥落辊表面裂纹由表及里扩展引发剥落的过程进行了揭示，找到了表面裂纹产生原因，提出了减少及预防此类剥落事故的措施。

关键词 冷轧辊;表面裂纹;裂纹扩展;疲劳剥落

引言

冷轧是冷带钢生产中的一个重要工序，热轧带钢经过一定程度的冷轧变形获得了厚度很薄、尺寸精确、表面光洁的冷硬状态带钢产品。在冷轧生产过程中，轧辊至关重要，轧辊是轧钢生产中与带钢直接接触、参与轧制变形的重要工具，轧辊的表面质量的高低直接影响冷轧产品的质量，在冷轧轧制过程中，轧辊处于复杂的受力状态，需要承受极高的轧制力、辊系间接触的剪应力以及带钢轧制变形过程产生的摩擦力。在轧制过程中轧辊的损伤失效是普遍存在的问题，磨损、裂纹和剥落是冷轧辊常见的失效形式，其中工作层剥落是最常见的失效形式[1]。

轧辊剥落的起因与许多因素有关，包括轧辊的制造质量 、轧制负荷、轧辊的磨削维护以及突发轧制事故等。按剥落的表现形式划分，冷轧辊的剥落失效可分为表面损伤引起剥落和内部缺陷引起剥落。

随着冷轧产品的强度越来越高、产品规格越来越薄、精度控制要求越来越高，对轧辊轧制过程稳定性要求越来越高，轧辊在上机使用过程中不可避免地受到辊面损伤，若未及时下机更换和修磨消除缺陷，将会产生裂纹、剥落甚至断辊事故，对生产造成较大的影响。因此，对轧辊剥落失效进行全面、深入的分析，有助于总结在轧辊使用和维护方面的经验，降低轧辊的事故性损耗，同时也有利于优化轧辊的选材和制造工艺，使轧辊更加符合产品和工艺的发展需求。

本文研究的剥落辊设计规格为Φ435mm×1480mm×3900mm，

材质为MC5D，主要技术要求：辊身表面硬度93～97HSD，淬硬层深度》25mm，其余调质45-52HSD。

1概述

某厂1420mm酸轧产线5机架6辊轧機F1机架上工作辊，在轧制生产过程中突然发生辊面剥落，造成轧机断代停机。轧制板材为CQ料，入口厚度为2.8mm。该轧辊失效前累计正常使用15个月，共计轧制公里数为32191km，爆辊前上机轧制时长约12.6h，轧制带钢长度55km，当前辊身直径为397.42mm（正常报废辊径385mm），还有6mm的有效工作层。剥落发生在辊身中部区域，剥落中心区域在辊身端部700～800mm之间。

2原因分析

2.1 形貌分析

剥落面的中心区域可见明显的“猫舌”状疲劳驻痕，系裂纹扩展的“脚印”，根据疲劳驻痕的宽度可见裂纹扩展过程中逐渐变宽，疲劳驻痕反映了裂纹扩展的方向。当裂纹扩展至轧辊强度不能满足轧制载荷时发生剥落，剥落块瞬时撕裂在疲劳条带周边形成“撕裂岭”形貌。

区别于心部材质缺陷导致的疲劳剥落形貌特征，剥落发生后整个剥落面会打开，可见“同心圆”疲劳扩展痕迹，同心圆的圆心处一般为缺陷所在，如大块夹渣等（一般可见异物），同时同心圆疲劳扩展导致剥落所形成的撕裂岭也是围绕同心圆扩展带外围产生。

2.2 溯源分析

在本例中，为进一步追溯疲劳裂纹源，在剥落块上可见明显的裂纹扩展轨迹，将剥落块敲开后，可见剥离面上的裂纹（厚度面上）存在三处，推测裂纹在扩展过程中可能存在分层扩展现象，逆着疲劳轨迹追溯裂纹源可见在其中一条疲劳扩展带的逆向存在一处明显的凹坑。

通过上述检测观察，可见该剥落面上存在3条疲劳扩展条带，三条条带排布紧密并列，打开剥落后可见三条裂纹，这种情况可能系三处裂纹源扩展或裂纹在扩展过程中出现分层，但是三处裂纹集中排列，推测裂纹源区域应集中在同一区域，逆着疲劳条带追溯裂纹源位置应位于剥落块表面区域，追溯至剥落块辊面可见在对应区域存在一处凹坑，疑似裂纹源，进一步对表面进行着色探伤，发现该凹坑已经明显开裂，根据显像情况裂纹已经深入，且周边已出现开口情况，凹坑宽度约2mm，底部隐约可见开裂，使用100X放大镜进一步观察该裂纹，可见，在该部位凹坑底部已经出现了细密的多条裂纹，裂纹形态呈现轴向分布网状相连，结合宏观形貌特征，推测该区域应受到了较大的坚硬异物挤压，压溃形成了表面裂纹。

根据现有分析材料可见，轧辊的剥落是裂纹疲劳扩展所致，逆着扩展带找到辊面存在辊印凹坑，凹坑底部可见压溃裂纹，该区域疑似裂纹源，裂纹由裂纹源向内部疲劳扩展，然后分成三条疲劳扩展带扩展，之后裂纹进一步加宽、加长，疲劳扩展区加大，在轧制过程中，轧辊内应力重新分布，引起瞬时失稳，向四周及辊面快速扩展，造成轧辊表面爆辊剥落。

上述过程符合典型的表面裂纹引发剥落过程，包含四个典型步骤：表面裂纹形成、裂纹向内扩展至淬硬层、疲劳裂纹沿淬硬层面延伸、形成撕裂脆性剥落。

3结束语

本文从剥落面断口形貌分析、裂纹扩展分析等角度对该剥落失效轧辊进行了较为深入的分析研究，从而明确该轧辊表面剥落为疲劳裂纹扩展所致，裂纹源是轧制过程中机架内异物掉落轧入形成压痕从而导致了辊面裂纹。

随着板带产品的强度越来越高，轧辊在上机使用过程中不可避免地受到辊面冲击损伤，为更好地面对此类问题。可以从如下几方面开展工作：

完善轧辊维护制度，对下机更换的轧辊进行全辊面检查，一旦发现异常必须暂停使用，分析其产生原因或者通过修磨工艺消除缺陷，使轧辊恢复到正常状态。

使用具有更好抗事故性能的轧辊，能够在一定程度上抵御轧制事故，做到不产生辊面裂纹或产生裂纹后扩展速度慢，最大程度降低辊面剥落等恶性事故的发生，比如半高速钢轧辊、高速钢轧辊等抗事故辊的使用。

参考文献

[1] 孙桂芳，刘常升，陈岁元，等.轧辊的失效及其修复技术[J].材料导报，2007，21（6）：106-109.