冷轧辊的失效分析

冷轧辊的失效分析

材料工程1306

封骥

2013153

冷轧辊的失效分析

冷轧辊是冷轧机的大宗消耗备品，其能否安全运行将直接影响着轧机的生产率、成材率以及成本控制。由于冷轧辊从材质、制造工艺、使用、维护及失效等诸方面与热轧辊有着较大的差异，故对初次进行冷轧生产的单位、轧辊管理者及使用者来说，需要掌握冷轧辊的失效机理及预防措施，通过对冷轧辊失效机理的论述及案例的相关分析，提出降低轧辊消耗的预防措施。

失效：金属装备及其构件在使用过程中，由于压力、时间、温度和环境介质和操作失误等因素的作用，丧失其规定功能的现象。

失效分析：对装备及其构件在使用过程中发生各种形式失效现象的特征及规律进行分析研究，从中找出产生失效的主要原因及防止失效的措施，称为失效分析。

失效分析的一般过程

①深入装备失效现场、广泛收集、调查失效信息，寻找失效构件及相关实物证据。

②对失效构件进行全面深入的宏观分析，通过种类认定推理，初步确定失效件的失效类型。

③对失效件及其相关证物展开必要的微观分析、理化检验，进一步查找失效的原因。

④通过归纳、演绎、类比、假设、选择性推理，建立整个失效过程及其失效原因之间的联系，进行综合性分析。

⑤在可能的情况下，对重大的失效事件进行模拟试验，验证因果分析的正确性。

一、冷轧辊失效机理

冷轧辊特性：目前冷轧厂常用的冷轧辊材质有高碳铬铝系及高碳铬铝钒系，一般生产工艺过程为电渣重熔或钢包精炼——铸锭——锻造——球化退火——粗加-——探伤——调质——精加工——探伤——工频感应淬火——低温回火——精加工成品。为确保优良的使用性能，其表层组织要求为细针马氏体、隐针马氏体+少量残余奥氏体+粒状碳化物。冷轧工作辊工作时要承受高的轧制压力、冲击载荷、疲劳及磨损，需要有足够的强度抵抗大的弯深而均匀的表面硬化层及耐磨层，以获得良好的耐磨性;三是要有优良的表层抗裂性及抗剥落性能。

冷轧辊的失效形式：冷轧工作辊工作时处于复杂的应力状态。受残余应力、接触应力、弯曲应力、扭转应力以及因温度分布不均引起的热应力等的影响，失

效形式有早期磨损、粗糙化、略坑、勒痕、裂纹、剥落以及断裂，但工作层剥落是冷轧辊的主要失效形式，占到工作辊正常失效的50%以上，轧辊剥落往往造成轧辊彻底报废。其剥落按断口可分为疲劳剥落和脆性剥落:按剥落块形状分为贝壳状剥落、带状剥落、区域点状剥落、热冲击剥落:按剥落深浅分为表层剥落及次表层剥落等。

裂纹来源：

(1)热裂纹。断带、重叠、卡钢及打滑时，轧辊局部剧烈受热温度可高达相变点以上直至800C，在辊身以接触点为中心会产生从外至内一定温差，从而在不同深度组织有所变化，当温升和组织变化引起的热膨胀和来自周围的压应力超过屈服极限时产生塑变，并伴有残余压应力释放和应力重新分布，并出现拉应力，随着拉应力的出现就产生微裂纹。

(2)磨削裂纹。轧辊修磨时，会因砂轮太硬，钝化未及时修整，砂轮粒度过大，进刀量大，走刀速度快，或冷却不充分等原因，导致辊面烧伤，出现裂纹，这些裂纹在轧辊使用前必须全部消除，否则轧制时继续扩展。

(3)残留裂纹。换磨的轧辊表面裂纹为微裂纹，通常磨削时可全部消除，但肉眼观察难以确保完全磨削掉，残留的微裂纹在随后的使用过程中将成为疲劳核心，可用表面腐蚀、磁粉探伤等进行判断。

(4)乳化液的影响。主要用来对轧辊进行润滑和降温，设计浓度一般为2%~3%，随着使用频率增加，浓度会有所下降;磁性过滤器和撇污装置损坏会造成浓度下降，导致磨擦系数增大，造成轧辊负荷加大;乳化液脏引起冷却性能变差，同时乳化液流量要随轧制速度提高而增大，避免轧制时乳化液喷嘴堵塞和喷射角度变化，使乳化液不能最大限度地喷到轧辊上和进入变形区。润滑不好，一是加大轧机负荷，二是使最大综合切应力移向表层，三是易使轧辊表面粗糙，降低疲劳强度，促使表面裂纹生成。

(5)咬入挫伤。轧辊咬入时受冲击，空载时要用平衡装置避免工作辊紧靠在下工作辊上产生热冲击挫伤轧辊。工作辊与支撑辊接触应力是三向压应力，其切应力最大值离接触表面深度为0.786b ( b为接触面宽度1/2)处，但随表面磨擦力的增大而移向表层，表面磨擦力和切应力迭加，构成了接触磨擦条件下的最大综合切应力，综合切应力大于剪切强度的部位将产生塑变而形成裂纹。当表面磨擦较小时，最大综合切应力不在表层而在次表层，裂纹也就在次表层产生，导致次表层剥落;当润滑不良，或轧辊硬度低，表面粗糙、辊面有缺陷，裂纹发生在表层，导致表层剥落。

辊面剥落及原因：辊面剥落常以辊身表面裂纹为起点，在接触应力的反复长期作用下发展成疲劳剥落，为确保辊面不发生接触疲劳破坏，接触应力应小于轧

辊材料的硬度所决定的许用值。归纳产生剥落的原因，分为①原材料缺陷造成剥落；②热处理不当引起剥落；③冷加工不当引起剥落；④使用不当引起的剥落。

二、案例分析

1、宏观断口分析

如图1，轧辊损伤于辊身一端约1/3处，出现大面积的剥落，从断口形貌上看，有明显的疲劳辉纹，见图2，这些条纹是疲劳裂纹前沿线间隙扩展的痕迹，每一条条纹是疲劳裂纹在一个给定时间的推进位置，由于裂纹扩展时受到障碍，时而扩展，时而停止，或由于轧机开车停车，加速减速，加载卸载导致负荷周期性突变而产生的，疲劳扩展区是在交变负荷作用下裂纹扩展的结果。现从断口附近(图1中新剥落块处)取样对该轧辊的材质、夹杂及组织进行分析。

2、化学成分及硬度测试

从上表1可以看出：碳为9CrzMo材质碳含量的上线，硅含量超9Cr2Mo材质技术要求；硬度相对较高。

3、金相分析

试样抛光后观察，裂纹形貌如图3，裂纹尖端较尖、形态平直，并伴有二次小裂纹形成，说明是一种穿晶冷裂纹;在裂纹附近发现有两种形态的夹杂，分别如图4a、图4b，裂纹与夹杂呈同向分布，说明夹杂与裂纹的产生存在一定的关系。组织如图5，为细针状马氏体+少量残余奥氏体+粒状渗碳体，图中可见明显的夹杂分布于裂纹一侧，裂纹处组织未发生氧化脱碳现象，这一点充分证实了裂纹为冷裂纹。

4、分析结果

该轧辊为次表层接触疲劳断裂。从断口明显的疲劳辉纹可以断定是一种疲劳断裂，疲劳断裂与一次负荷断裂不同，它是一种累进式断裂，当材料次表面存在夹杂第二相质点时，该处疲劳抗力下降，在循环应力反复作用下，于此处形成应力集中区，便引发疲劳源，并向表面扩展形成片状剥落。从该支轧辊存在的夹杂与裂纹的位置来推测，疲劳起源与夹杂相关。