轧辊的失效及其修复---激光焊接修复前景

轧辊的失效及其修复---激光焊接修复前景(2009-04-14 12:44:46)

标签：杂谈分类：焊接

0前言

轧辊的质量和使用寿命，直接关系到轧制生产的生产效率、产品质量及生产成本。我国轧辊材料供应不足、价格较高，一旦轧辊表面磨损失效，整个轧辊报废，将造成巨大的材料浪费。如何修复失效轧辊，一直是轧辊制造业面临的重大问题。轧辊失效的最普遍原因是早期磨损失效。而轧辊的耐磨性决定于轧辊工作表面的硬度，通过合理的热处理方式可以满足轧辊的硬度要求。本文比较了轧辊修复常用的几种表面热处理工艺，同时展望了激光表面合金化热处理工艺修复轧辊的发展前景。

1轧辊概述

轧辊是使（轧材）金属产生塑性变形的工具，是决定轧机效率和轧材质量的重要大型消耗性部件。轧辊的主要技术指标有强度、硬度、耐用性及耐热性（热轧工作条件下）。轧辊根据其工矿条件分为冷轧辊和热轧辊，下面分别介绍。

1.1轧辊工作条件及用材分析

⑴冷轧辊工作条件及用材分析

冷轧辊在工作过程中要承受很大的轧制循环应力、强力摩擦和挤压、瞬间高温和强烈冲击[1]，轧件的焊缝、夹杂、边裂等问题也对轧辊有影响。

根据冷轧辊的工作条件，辊面需具有高而均匀的表面硬度（＞62HRC）、深的淬硬层（不应小于辊身直径的1.5%，且不得小于5mm）；辊身边缘的硬度应较低；颈部具有较低的硬度（32～35HRC）。总之，冷轧辊要有抵抗因弯曲应力、扭转应力、剪切应力引起的开裂和剥落的能力，同时也要有高的耐磨性、接触疲劳强度、断裂韧性和热冲击强度等。冷轧辊的发展方向是在进一步提高强度、硬度和淬硬层深度的同时，保证一定的韧性。

冷轧辊的材料应具有高的含碳量并含有加深淬透性、淬硬性并细化晶粒的合金元素。国内外冷轧工作辊一般使用的材质有GCr15、9Cr2、9Cr、9CrV、9Cr2W、9Cr2Mo、60CrMoV、80CrNi3W、8CrMoV、86CrMoV7、Mo3A、87CrMnMo、9Cr2Mn等。

⑵热轧辊工作条件及用材分析

热轧辊常工作在700℃～800℃（有时其接触的轧材高达1200℃）的高温环境，与灼热的钢坯相接触，承受强大的轧制力，表面承受轧材的强力磨损，反复被热轧材加热及冷却水冷却（可被冷却水冷却至100℃～150℃），经受温度变化幅度较大的热疲劳作用[2]。

热轧辊的工作条件要求热轧辊材料必须具有高的淬透性，低的热膨胀系数，高的热传导能力、高温屈服强度、抗氧化性、高温蠕变强度，优良的抗回火能力，材质均匀，表面硬度均匀等。热轧辊的发展主要在于提高其耐磨性。其材料包括锻钢轧辊、无限冷硬铸铁轧辊、普通冷硬铸铁、低NiCrMo、中NiCrMo、高NiCrMo 铸铁材料、铸钢轧辊、球墨复合铸铁轧辊、半钢和高硬度特殊半钢材质、高铬铸铁、半高速钢和高速钢等。

1.2轧辊失效形式及分析

冷轧辊使用中的主要失效形式有辊面裂纹和剥落、辊面磨损、划伤、粘辊、轧辊断裂等。热轧辊主要失效形式有热疲劳引起的热龟裂和剥落、辊身表面磨损、轧辊断裂、过回火和蠕变、缠辊，失效面几乎覆盖整个工作面[2，3]。

冷、热轧辊最普遍的失效形式都是辊面剥落和磨损，下面分别介绍。

⑴辊面裂纹和剥落

冷轧辊辊身表层由于抗裂能力变坏而出现的表层剥落，是一种最严重和常见的事故。一些工厂的长期统计表明，裂纹和剥落可占报废总数的75%左右，其中剥落可占半数。

按导致剥落的原因分，冷轧辊剥落主要有三类。第一类，轧制事故、磨削不当及异物卷入等原因造成对轧辊热冲击或机械冲击而诱发的表面疲劳裂纹扩展最终导致剥落。目前冷轧辊绝大多数剥落都属于这种类型[4]。第二类，辊身工作层内存在夹渣、孔隙等冶金制造缺陷，使用中在循环应力的作用下局部诱发疲劳裂纹并扩展最终导致剥落[5]。第三类，局部接触应力造成轧辊表皮下形成裂纹并最终剥落，这种次表层初始裂纹附近没有明显的冶金缺陷，但可根据该次表层裂纹扩展导致剥落情况来确定干摩擦条件下轧辊的使用寿命[6]，可见该类裂纹对于轧辊寿命有重要影响。

热轧辊轧制时，轧辊受冷热交替变化剧烈，从而在轧辊表面产生严重应变，逐渐导致热疲劳裂纹的产生。在轧制过程中，带钢出现甩尾叠轧时，轧件划伤轧辊，也可形成新的裂纹源。典型的热疲劳损坏是热龟裂。生产中出现的辊面剥落，多数为辊面裂纹所致。当裂纹发展成与辊面成一定角度甚至向与辊面平行的方向扩展，则最终造成剥落[7]。

⑵辊面磨损

严重的辊面磨损会导致轧辊形状的变化，改变工作辊之间的辊缝，使轧件平直度不能满足要求[8]，且轧辊使用寿命过短的最普遍原因就是表面磨损失效。因此对于轧辊辊面磨损必须予以重视。轧辊磨损形式非常复杂，疲劳磨损、磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损、微动磨损这几种磨损形式同时存在，交替作用。

疲劳磨损（热疲劳和接触疲劳）：轧制过程中轧辊不停旋转，其表面受到周期性的热冲击和接触应力，导致轧辊表面材料疲劳剥落形成凹坑，导致疲劳磨损的发生。

磨粒磨损：轧制区高温轧件表面再生氧化皮在轧制力作用下破碎、脱落，其碎片残留在轧辊表面，它混合着其它磨损形式的产物引起轧辊表面材料脱离或塑性变形，从而产生磨粒磨损。

粘着磨损：轧制区轧辊与轧件在高温高压下紧密接触，从而使轧辊与轧件表面发生粘着、剪切效应，从而使轧辊和轧件表面材料发生脱落或向对偶表面转移，发生粘着磨损。

腐蚀磨损：现代轧机普遍使用乳化液作为工艺润滑剂，在乳化液化学作用下，加剧了轧辊的磨损过程，而轧制区的高温作用更可能使腐蚀磨损过程加剧。

微动磨损：轧辊与轧件接触表面处于边界或混合润滑状态下，也正处在摩擦特性曲线的陡降阶段。此处，摩擦力具有明显的负阻尼特性，从而导致轧辊自激振动，轧辊和轧件在这种微动小振幅的相对振动下产生微动磨损。其机理复杂，同时包括粘着、氧化、疲劳和磨粒磨损作用。

冷轧辊磨损形式主要是磨粒磨损。热轧辊磨损形式主要是粘着磨损、磨粒磨损、微动磨损及疲劳磨损。

2轧辊的修复方法

目前，在一般钢铁企业，轧辊由于磨损需要修复时，多采用车削或磨削方式修正辊型。这种方式对提高轧辊寿命意义不大，只是一种“补救措施。一般而言，硬度越高，耐磨性越好。但轧辊硬度、耐磨性提高的同时，会导致韧性下降，具体使用时应根据具体轧辊的性能要求来确定所需得到的硬度值。采用轧辊表面修复与强化的热处理技术来提高轧辊表面硬度，减少轧辊使用的磨损量，已成为延长轧辊寿命的一个主要发展方向和途径[9]。

2.1轧辊强化常用表面改性技术

表面改性技术主要指赋予材料（或零部件、元器件）表面以特定的物理、化学性能的表面工程技术。材料的表面性能包括高强、高硬度、耐蚀性、导电性、磁性能、光敏、压敏、气敏特性等。

轧辊的表面修复与强化技术主要包括轧辊表面的感应加热淬火技术、堆焊技术、热喷涂技术、热喷焊技术、