锻钢冷轧支承辊失效案例分析

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  摘要:本文通过分析一起典型的锻钢支承辊失效案例,剖析支承辊失效原因和机理,提出预防措施,降低支承辊失效情况的发生。
  关键词:锻钢支承辊;失效;预防措施
  一、前言
  支承辊是轧机设备中的重要组成部分,属于耗材件,正常情况下,支承辊可以一直使用到报废直径。良好的现场管理及使用规范,能有效的提高支承辊的利用率。本文通过一起典型的锻钢支承辊失效案例,剖析支承辊失效原因和机理,并如何加强支承辊的使用管理及维护,提出预防措施,有效降低支承辊失效情况的发生。
  二、现场情况
  失效的支承辊材质为45Cr4NiMoV,原始直径为φ1050mm,使用轧机为单机架六辊冷轧机,每次下机支承辊磨削量直径在1.5mm左右,磨削后进行涡流及超声波检测,但没有探伤记录。在最后一次下机磨削后发现辊身存在裂纹,用户方将裂纹打磨后发现裂纹无法完全去除。磨削记录不全,无轧制记录及本支支承辊的上机记录。硬度检测采用不定期抽查检测,没有硬度检测记录。根据现场仔细勘察、测量,非字端辊身邊部剥落断面整体呈扇形(图1),距端面最大距离350mm,周向1400mm,断面最深120mm。剥落面上的宏观形貌相对比较平滑,没有局部区域遍布裂纹的碎裂痕迹。结合支承辊边部剥落断口形貌及超声检测,断口的裂纹起源是发生在该处辊面(图2),在其他部位未发现肉眼看见的夹杂及裂纹源扩展的缺陷存在,探伤结果辊身内部质量良好。
  裂纹扩展呈轻微放射性,沿裂纹扩展方向延伸过来一个平滑的带状区域,该区域两侧有一个分界线,分界线及外侧较为粗糙,是一种脆性裂纹快速扩展的疲劳条带形貌,疲劳条带上可以看到部分不太明显的疲劳扩展条纹,分布着比较经典的一圈一圈的“贝壳状”疲劳扩展条纹,贝壳状条纹指向的裂纹源为辊面。只有疲劳裂纹扩展,扩展速率相对较慢,且张开裂纹的两个侧面经过反复碾压才会产生光滑的开裂表面。支承辊淬硬层部分属于脆性材料,快速
  二次扩必然导致边界线附近以及疲劳条带两侧的粗糙形貌。
  我公司对一小剥落崩块进行了组织、夹杂检测。检测结果:组织为回火马氏体、碳化物,部分碳化物呈长条状、较粗大,沿原奥氏体晶界有碳化物聚集;夹杂D(球状氧化物)1.0、DS(单颗粒球状)1.5。虽然《JB/T 4120-2006 大型锻造合金钢支承辊》里未对组织及夹杂物有要求,但根据检测结果可以判定组织正常、夹杂物不超标。同时新炸裂的断口均无“鱼眼”纹路,可以看出支承辊组织良好、无缺陷。
  三、原因分析
  支承辊的表面裂纹诱发带状疲劳导致大面积剥落的现象是一种典型的支承辊失效形式。该失效形式形成过程在联合电钢的一篇研究文献中做过讨论。该文献将裂纹扩展过程分成了六个阶段。
  前3个阶段描述的是由表面划痕和软点诱发疲劳裂纹的形成过程。但是,文献认为疲劳裂纹源的形成比较随机,划痕、工作时局部位置超过了回火温度导致出现软点、磨削时没有将轧钢时形成的表面疲劳裂纹除干净等任何会导致出现局部表面应力集中的因素,均可能诱发早期疲劳裂纹的出现。
  疲劳裂纹一旦形成,受轧辊轧制运动的影响,会向辊身内部扩展的同时,沿轧辊周向扩展。轧辊淬硬层内部材料的组织、硬度、性能都比较均匀,裂纹扩展的扩展方向大致沿直线或平滑的曲线(第4阶段)。一旦裂纹扩展到淬硬层底部,该区域材料的性质变化较大,外部淬硬层材料较硬,而内部相对较软,韧性有所提高并可以容纳较大塑性变形而不开裂,从而阻碍裂纹继续向深度方向扩展(第5阶段)。最后,第6阶段,随着裂纹的扩展,轧辊开裂区域的承载能力必然逐渐降低,最终导致强度不够产生大面积剥落。
  需要指出的是,这种疲劳失效方式在剥落区域通常呈现为带状的形貌,带状区域较为光滑,常可以看到扩展的疲劳条纹,而带状区域外侧属于后期裂纹快速扩展的表面,比较粗糙,通常可以看到较为明显的分界。在理想的情况下,这种带状区域可以沿周向延伸很远。
  在国内中钢集团的一篇关于冷轧辊使用维护检测的文献中也提到了关于表面裂纹扩展引发大面积剥落的现象,具体文献可从https://wenku.baidu.com/view/1636da72a8956bec0875e305.html获得。
  支承辊长期与工作辊滚动接触,容易在辊面产生疲劳微裂纹。在剥落掉块发生以前,这种微裂纹在支承辊使用过程中很难被发现,也看不到裂纹的扩展情况。如果无辅助的探伤手段,仅靠目视无法检测这些微裂纹,同时仅靠硬度检查,无法确保每次下机磨削是否完全去除疲劳硬化损伤层。在支承辊下线修磨时没有发现和去除,再次使用时裂纹会急速扩展,造成剥落掉块。本次事故的裂纹扩展形貌反映出裂纹扩展时间不会太短,因此假如在最后几次上机前采用超声探伤手段排查一次工作层内的裂纹,应该可以提前探测到该裂纹。
  由此结合断面判断,确认裂纹从辊面处萌生,主要是边部应力太大产生的疲劳裂纹,疲劳裂纹在频繁的交变冲击载荷作用下诱发的裂纹,引起支承辊局部剪切应力增大而屈服,最终导致强度不够而开裂,所引起裂纹在剪切应力作用下,急速扩展至组织过渡的淬硬层底部,裂纹在淬硬层底部扩展方向转为周向,沿周向扩展到一定程度发生大面积剥落。裂纹扩展形貌具备典型的带状疲劳特征,基于以上,可以认定本次剥落事故的性质属于表面疲劳裂纹扩展导致大剥落。
  经查阅该支承辊质量档案及生产记录,该支承辊符合技术要求,并未发现质量问题。现场探伤检测剥落区与其他位置无缺陷的结果,也确认了这一点。因此,一重认为此辊的剥落应为轧制过程中或存在异常情况,或者由于疲劳层未除净所造成的裂纹,在每次下机磨削后没有完全消除表面裂纹,使裂纹逐步向内扩展所致。
  四、预防措施
  1.建立健全支撑辊的上机制度,加强支承辊的日常维护及使用。
  2.提高无损检测人员的业务水平,及时发现支承辊磨削后未消除的表面或浅层裂纹。
  参考文献
  [1]中国机械工程学会材料学会.疲劳失效分析. 北京:机械工业出版社,1987
  [2]傅祥炯.结构疲劳与断裂.西北工业大学出版社,1995
  [3]钟群鹏,田永江.失效分析基础与应用.北京:机械工业出版社,2005
  (作者单位:中国第一重型机械股份公司)
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