轧辊的失效及其修复技术

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年生， 教授， 博士生导师
札棍的失效及其修复技术／ 孙桂芳等
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。 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 。
１ ０ １
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１ ． ２ 轧辊失效形式
冷轧辊的主要失效形式有比 们 辊面裂纹和剥落、 辊面磨损、
二国家自 然科学墓金资助项目 ５０ （ ２ ７ ４ ０ ２ ） ８ 孙桂芳： 女， １ ９ ８ ２ 年生， 博士生， 主要从事激光表面处理研究 Ｔ ｅ ｌ ： ０ ２ ４ 一 ｓ ｓ ６ ８ １ ６ ８ ｏＥ －ｒ ａｉ ｎ ｌ ： ｇ ｆ ｓ ｕ ｎ ８ ２ ＠１ ２ ６ ． ｃ ｏ ｍ ｋ Ｊ常升： ］ 男， １ ９ ６ ５
１ ０ ０ ・
材料导报
２ ０ ０ ７ 年６ 月第 ２ １ 卷第 ６ 期
轧辊的失效及其修复技术 ‘
孙桂芳１ ， 刘常升１ ， 陈岁元‘ ， 陶兴启‘ ， ２
１ 东北大学材料各向异性与织构工程教育部重点实验室， （ 沈阳 １ １ ０ ０ ｏ ４ ； ２ 沈阳大陆激光成套设备有限公司， 沈阳 １ １ １３ ０ ） ６ 摘要 札棍是札机的主要变形工具， 由于自身材质及其所处的恶劣工作条件， 经常发生失效乃至报废， 通过修 复技术可以延长其使用寿命。综述了冷、 热札辊的工作条件、 用材和失效形式， 介绍了几种常用的札棍修复表面技术， 并对激光表面合金化技术修复札棍的发展前景进行了 展望。
关键词 冷轧辊 热轧辊 失效 修复 表面改性技术
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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７ ５％ 左右， 其中剥落可占 半数。 按导致剥落的原因， 冷轧辊剥落主要分为 ３ 类。第一类， 轧 制事故、 磨削不当及异物卷人等原因造成对轧辊热冲击或机械 冲击， 使辊身的平衡应力状态被破坏， 从而诱发表面疲劳裂纹扩 展最终导致剥落。目前冷轧辊绝大多数剥落都属于这种类
１ ０ ０ ＨＳ以上（ 约６ ６ Ｈ Ｒ Ｃ ） 。 由于感应加热局限于表层一定深度内， 工艺设备的成本较
的产生。源自文库典型的热疲劳损坏是热龟裂。第二类， 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。第 三类， 轧辊在工作中不断承受接触疲劳和热疲劳， 当循环应力超 过轧辊的最大承受强度， 辊身表层也将引发裂纹。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。外层与 芯部结合不良、 结合层夹渣、 冷却系统不良或出现轧制事故等也 会导致辊面剥落。
形成一定深度的疲劳层， 此疲劳层在一定的切应力作用下形成 显微疲劳裂纹源。该裂纹主要是由材料塑性变形、 剪切累积形 成， 一般经历起裂、 平行磨面稳态扩展、 折向磨面迅速断裂失稳
（ ）感应加热淬火技术 １
感应加热淬火技术是指将工件置于有足够功率输出的感应 线圈中， 在高频交流磁场的作用下， 工件表面被迅速加热到钢的
高， 不能保证所有淬火面都能获得均匀的表面淬火层等， 从而使 其发展受到一定限制。
２ 轧辊的修复
目 前， 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” 。采用轧辊表面修复与强化的热处理技术已成为延长轧辊
寿命的一个主 要发展方向和途径仁 ， ‘ 〕 。 该技术不仅可以修复轧 辊， 而且可以提高轧辊的耐磨性， 延长轧辊的使用寿命， 改善钢
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， 并含有增强淬透性、 淬硬 性且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 Ｃ Ｃ ｒ １ ５ 、ｇ Ｃ ｒ Ｚ 、ｇ Ｃ ｒ 、ｇ Ｃ Ｖ 、ｇ ｒ Ｃ ｒ Ｚ Ｗ、ｇ Ｃ ｒ Ｚ Ｍｏ 、６ ０ Ｃ ｒ Ｍｏ Ｖ、
轧辊与轧件接触表面处于边界或混合润滑状态 微动磨损： 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。
（ ）辊面剥落 １ 冷轧辊辊身表层由于抗裂能力变坏而出现的表层剥落， 是
１ ２ ０ ０ ℃） 的高温环境下， 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 １ ００ 一１ ５０ ℃） ， 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。 热轧辊材料包括锻钢轧辊、 无限冷硬铸铁轧辊、 普通冷硬铸 铁、 低Ｎ Ｉ Ｃ ｒ Ｍ ｏ 、 中Ｎ Ｉ Ｃ ｒ Ｍ ｏ 、 高Ｎ Ｉ Ｃ ｒ Ｍ ｏ 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 ． １ 轧辊工作条件及用材分析 （ ）冷扎辊工作条件及用材 １
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［ ｊ， ｌ 轧件的焊缝、 夹杂、 边裂等也
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 （ ＞６ ２Ｈ Ｒ Ｃ ） 、 深的淬硬层（ 不应小于辊身直径的 １ ． ５ 肠， 且不得 小于ｓ ｎ ） ｒ ； 辊身边缘的硬度应较低； 颈部具有较低的硬度（ ３２ 一 ５Ｈ ３ Ｒ Ｃ ） 。因此， 冷轧辊要有抵抗因弯曲应力、 扭转应力、 剪切
响。 热轧辊轧制时， 裂纹的形成分为 ３ 类。第一类 ， 轧辊受冷热 交替变化剧烈， 在轧辊表面产生严重应变， 逐渐导致热疲劳裂纹
应用。 对ｇ ｒＺ Ｃ Ｍ。 钢冷轧辊进行双频淬火后， 有效淬硬层为 ７． １ ｓ ｎ ， ｌ ｍ 硬度达 ６ ２Ｈ Ｒ Ｃ以上。叶为德采用双频淬火工艺对 ８ ６ Ｃ ｒ Ｍｏ Ｖ ７ 锻钢轧辊处理后， 硬度为 ９ ２ 一９ ４ Ｈ Ｄ（ Ｓ 约６ ４ 一 ５Ｈ ６ Ｒ Ｃ ） 。下 田等对锻钢轧辊感应淬火后的表面硬度达到
等。
（ ）热札辊工作条件及用材 ２
热轧辊常工作在 ７ ０ 一８ ０℃ （ 有时其接触 的轧材高达
１ 轧辊
轧材） 轧辊是使（ 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） 。
扩展而剥落阶８ 〕 。 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
相变临界温度之上， 然后在冷却介质中快速冷却获得马氏体。
感应加热以及冷处理技术于 ２ ０ 世纪 ５ ０ 年代在轧辊制造中得到
件下轧辊的 使用寿命［ ｊ， ０ 可见该类裂纹对于轧辊寿命有重要影
Ｋ ｅ ｙ ｏｒ ｗ ｄｓ
ｃ ｏ ｌ ｄ ｏ ｒ ｌ ｌ ｉ 眼ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ， ｈ ｏ ｔ ｏ ｒ ｌ ｌ ｉ ｇｒ ｎ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ， ａ ｆ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ， ｒ ｅ ｐ ａ ｉ ｒ ， ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｏｄ ｍ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
８ ０ Ｃ ｒ Ｎｉ ３ Ｗ、 Ｓ Ｃ ｒ Ｍｏ Ｖ、 ８ ６ Ｃ ｒ Ｍｏ Ｖ７ 、 Ｍｏ ３ Ａ、 ８ ７ Ｃ ｒ Ｍｎ Ｍｏ 、 ｇ Ｃ ｒ Ｚ Ｍｎ
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， 整个轧辊将报废， 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修复轧辊的发展前景。
材的表面质量， 具有明显的经济效益。 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、 热喷焊技术和激光表面改性
技术等。
型圈。 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
剥落困。 第三类， 接触压应力和滚动摩擦应力造成轧辊表皮下