（本鋼浦項(xiàng)冷軋薄板有限責(zé)任公司，遼寧 本溪 117000）

0 引言

冷軋機(jī)工作輥在高溫、高速、重載、大沖擊等惡劣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間使用，其產(chǎn)生裂紋、剝落等事故在所難免。軋輥采購(gòu)費(fèi)用在生產(chǎn)成本中占有較大比重，是影響軋制成本的重要因素。準(zhǔn)確判斷軋輥裂紋和剝落原因，并采取合理措施，是提高軋輥使用壽命，降低生產(chǎn)成本的有效手段。

該文通過(guò)對(duì)軋輥裂紋及剝落原因進(jìn)行分析和研究，制定出防范措施，降低了軋輥事故率和非生產(chǎn)性消耗比例，進(jìn)而減少了軋輥的使用成本，延長(zhǎng)了軋輥的使用壽命，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。

1 冷軋工作輥常見(jiàn)裂紋形式

裂紋是冷軋工作輥軋使用過(guò)程一種常見(jiàn)的失效形式之一，工作輥經(jīng)常在惡劣的環(huán)境下使用，工作層表面和其它接觸部位容易產(chǎn)生裂紋，如果處理不及時(shí)不得當(dāng)，很可能使裂紋迅速擴(kuò)大，導(dǎo)致軋輥工作層損失甚至剝落，下面對(duì)常見(jiàn)的幾種裂紋形式進(jìn)行分析。

1.1 接觸疲勞裂紋

接觸疲勞是作用在軋輥表面的接觸壓應(yīng)力超過(guò)軋輥本身抗壓力強(qiáng)度，產(chǎn)生的表面疲勞破損情形。軋輥接觸疲勞多發(fā)生在輥面邊部，一般呈凹坑。如果不及時(shí)處理，嚴(yán)重時(shí)可能引起表皮剝落或輥身大剝落（圖1 所示）。有時(shí)因粘輥打滑突然停車(chē)等原因也會(huì)出現(xiàn)在輥身。

圖1 接觸疲勞

接觸疲勞裂紋的預(yù)防措施有7 種。1）避免軋輥對(duì)焊料的咬入，造成最大剪切應(yīng)力大于軋輥的抗壓疲勞強(qiáng)度。2）磨削完成后對(duì)每個(gè)軋輥上采用雙晶探頭進(jìn)行超聲波檢測(cè)，確保上機(jī)的每一支軋輥沒(méi)有表面和表皮里的裂紋和缺陷。3）在磨削過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際情況，加大磨削量，磨掉軋輥表面的裂紋。4）根據(jù)生產(chǎn)軋制情況，適當(dāng)縮短在機(jī)軋制時(shí)間，降低應(yīng)力作用時(shí)間。5）適當(dāng)降低軋制力。6）合理設(shè)計(jì)軋輥輥型，確保接觸面受力均勻。7）合理設(shè)計(jì)各輥輥身邊部的導(dǎo)角，以減少輥身邊部的應(yīng)力集中。

1.2 熱裂紋

在生產(chǎn)過(guò)程中由于輥面局部溫升快，最高溫度超過(guò)軋輥材質(zhì)熱處理工藝的最終回火溫度，冷卻后相當(dāng)于再次回火，表面硬度下降形成軟點(diǎn)區(qū)，由于其與周邊熱膨脹系數(shù)不同，這部分應(yīng)力疊加，導(dǎo)致薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生細(xì)小的網(wǎng)狀裂紋[1]。一般情況下網(wǎng)狀裂紋深度較淺，約1.2 mm 以下（如圖2 所示）。雖然這些裂紋深度淺，但是如果不及時(shí)處理和維護(hù)，在后期的生產(chǎn)軋制中，受到外力、熱應(yīng)力等綜合影響，很容易發(fā)展成為如輥面粗化、輥面小掉肉等缺陷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起輥面剝落或斷輥，所以一旦發(fā)現(xiàn)該類(lèi)缺陷，在使用過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注并及時(shí)處理。

圖2 熱裂紋

預(yù)防熱裂紋的措施有4 個(gè)。1）根據(jù)所生產(chǎn)的帶鋼規(guī)格、材質(zhì)合理分配冷卻水量，以便于控制裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)大。2）盡量減少產(chǎn)生軟點(diǎn)的條件或?qū)е聼嵴鸬臈l件， 減少在軋輥表面形成熱裂的可能性。3）軋輥剛上機(jī)時(shí)要進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)熱，避免內(nèi)外溫度不均。4）根據(jù)所軋材質(zhì)、規(guī)格的不同，合理控制換輥周期，避免過(guò)量軋制。

1.3 機(jī)械裂紋

機(jī)械裂紋是軋輥由于軋制中輥面局部受到?jīng)_擊，例如勒輥、過(guò)載和打滑等造成的，大部分機(jī)械裂紋產(chǎn)生的面積較?。ㄈ鐖D3 所示），經(jīng)過(guò)磁粉檢測(cè)會(huì)發(fā)現(xiàn)磁痕比較明顯，裂紋呈環(huán)狀向內(nèi)部擴(kuò)展，因?yàn)槭前l(fā)生軋制事故時(shí)由于直接沖擊導(dǎo)致的，所以擴(kuò)展快、危害較大。

一般情況下，打滑、粘鋼等軋制事故，會(huì)引起輥身一條母線上或者輥身局部區(qū)域內(nèi)深度和開(kāi)口都較大的裂紋，一旦發(fā)生該類(lèi)事故，則必須馬上停止軋制，將軋輥換下，并對(duì)事故輥進(jìn)行嚴(yán)格的超聲波、渦流探傷和磨削處理，必須保證表面裂紋完全消除，并利用超聲波探傷，檢測(cè)軋輥內(nèi)部的情況。

圖3 機(jī)械裂紋

預(yù)防機(jī)械裂紋的措施有3 個(gè)。1）確保帶鋼表面清潔無(wú)異物，減少雜物介入。2）提高軋材表面質(zhì)量，減少氧化皮殘留。3）加強(qiáng)乳化液檢測(cè)系統(tǒng)和平衡過(guò)濾系統(tǒng)的點(diǎn)檢?？傊ㄟ^(guò)控制酸洗原料、乳化液指標(biāo)、軋輥冷卻等，可以減少軋制過(guò)程中出現(xiàn)打滑、輥印、局部熱擦傷等缺陷，提高板材表面質(zhì)量，減少軋機(jī)事故停機(jī)，同時(shí)降低輥耗。

1.4 磨削燒傷裂紋

磨削燒傷是指軋輥在磨削過(guò)程中，由于磨削區(qū)域溫度瞬間升高到相變溫度以上時(shí)，使軋輥組織發(fā)生變化，并在表面形成氧化變色，使軋輥表面強(qiáng)度和硬度降低，并伴有殘余應(yīng)力，甚至出現(xiàn)微裂紋的現(xiàn)象。

磨削燒傷裂紋的預(yù)防措施有3 個(gè)。 1）根據(jù)軋輥實(shí)際磨削情況進(jìn)行試驗(yàn)和摸索，選擇合適的砂輪類(lèi)型。2）適當(dāng)減少砂輪的給進(jìn)量。3）改善磨削冷卻條件。

2 冷軋工作輥的剝落形式

軋輥剝落主要分為3 種。1）表層裂紋引起的疲勞剝落。2）皮下缺陷引起的剝落。3）接觸疲勞引起的剝落。

2.1 表層疲勞剝落

表層疲勞剝落是軋輥使用中最常見(jiàn)的失效形式 ，它起源于軋輥表面的疲勞裂紋，通常可根據(jù)裂紋面的肉眼可見(jiàn)的軌跡來(lái)分辨。疲勞軌跡的明顯特征是海灘狀疲勞痕（如圖4 所示），或在剝落表面上有類(lèi)似扇面形狀裂紋線[2]。疲勞軌跡范圍可長(zhǎng)可短，有的甚至可環(huán)繞軋輥幾個(gè)圈，表面鑒別點(diǎn)一般伴有熱裂紋或機(jī)械引發(fā)的裂紋痕跡。裂紋增長(zhǎng)痕跡方向同軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相反。

表層疲勞剝落的預(yù)防措施有4 種。1）如果作用在軋輥表面的接觸壓應(yīng)力超過(guò)軋輥本身抗壓力強(qiáng)度，時(shí)間長(zhǎng)就會(huì)導(dǎo)致剝落。合理控制軋輥在機(jī)時(shí)間期，可以減少或杜絕剝落發(fā)生。2）盡可能避免由軋機(jī)原因帶來(lái)的軋輥損傷，例如裂紋、軟點(diǎn)、表面劃痕等。3）磨削作業(yè)時(shí)要徹底除掉軋輥表面損傷。4）對(duì)每支磨削完成的軋輥采用渦流探傷或表波探傷進(jìn)行檢測(cè)，要確保每支要上機(jī)的軋輥不存在任何導(dǎo)致疲勞剝落的可能性。

圖4 表層裂紋引起的剝落 海灘痕

2.2 材質(zhì)缺陷引發(fā)的剝落

在制造軋輥的過(guò)程中，一些不規(guī)則的材料在坯料內(nèi)有可能成為軋輥內(nèi)部殘留的夾雜物。這些夾雜物可能是耐火材料、殘?jiān)?，也可能是坯料本身的的局部偏析和孔隙等[3]。這些內(nèi)部缺陷，在軋輥使用過(guò)程中，都可能成為應(yīng)力集中的根源，最終將導(dǎo)致軋輥輥身剝落嚴(yán)重，甚至?xí)霈F(xiàn)斷輥。軋輥表層下缺陷引發(fā)的剝落，大部分在斷裂面上呈現(xiàn)出類(lèi)似魚(yú)眼紋，很容易進(jìn)行辨別，如圖5 所示?？梢钥闯鲈撈谑菑膯吸c(diǎn)開(kāi)始蔓延的，并產(chǎn)生波浪狀近似橢圓形的疲勞痕跡。這種疲勞痕跡只有內(nèi)部材料缺陷引發(fā)的跡象，并沒(méi)有任何其它剝落的源頭。

圖5 缺陷引起輥身剝落

材質(zhì)缺陷預(yù)防措施如下。1）盡可能減少鋼錠中的摻雜物。2）軋輥磨削完成后，對(duì)每支軋輥采用超聲波檢驗(yàn)，如果發(fā)現(xiàn)表皮下的缺陷要通過(guò)磨削加工徹底清除。

2.3 接觸疲勞剝落

高周期疲勞接觸剝落一般分為輥身剝落和輥身邊部剝落。1）輥身剝落：由于工作輥的硬度很高，長(zhǎng)時(shí)間作用在輥面上的點(diǎn)負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致在軋輥輥身上產(chǎn)生周期接觸應(yīng)力疲勞。這個(gè)點(diǎn)負(fù)荷可能是軋輥咬入鐵削，焊渣或任何可能在軋輥輥身上導(dǎo)致點(diǎn)狀應(yīng)力集中的異物。如果這個(gè)應(yīng)力大于軋輥材料本身的抗壓強(qiáng)度，就可能使軋輥表面以疲勞方式引發(fā)彌散的微小裂紋，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，最終將造成軋輥輥身剝落。2）輥身邊部剝落：軋輥在軋制帶鋼產(chǎn)品過(guò)程時(shí)，帶鋼邊部、各軋輥邊部的接觸區(qū)，會(huì)成為應(yīng)力集中的區(qū)域。伴隨著軋輥的每一次轉(zhuǎn)動(dòng)，如果最大的殘余剪切應(yīng)力正好位于軋輥表皮下，超過(guò)材料的抗壓強(qiáng)度，裂紋就會(huì)在這個(gè)位置產(chǎn)生。軋輥的不停轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)使裂紋向表面擴(kuò)散，隨后在輥身邊部會(huì)發(fā)生剝落。

預(yù)防措施有4 種。1）優(yōu)化輥型，合理設(shè)計(jì)輥身邊部的導(dǎo)角，以減少輥身邊部的應(yīng)力集中。2）磨削過(guò)程中全面去除每支軋輥表面的裂紋和缺陷。磨削完畢后配合渦流、超聲波探傷進(jìn)行檢驗(yàn)，確保返回到軋機(jī)上的每支軋輥不會(huì)帶病上機(jī)。3）避免磨料或焊料被軋輥咬入，造成最大剪切應(yīng)力大于軋輥的抗壓疲勞強(qiáng)度。4）根據(jù)實(shí)際情況，適當(dāng)縮短換輥周期時(shí)間，減小軋制量，減少軋輥承受應(yīng)力的周期數(shù)。5）合理設(shè)計(jì)輥身邊部的導(dǎo)角，減少輥身邊部接觸點(diǎn)處應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，客戶對(duì)冷軋產(chǎn)品的要求越來(lái)越嚴(yán)格，冷軋生產(chǎn)向著高質(zhì)量、高產(chǎn)量、高強(qiáng)度、連續(xù)化和自動(dòng)化發(fā)展，這樣對(duì)軋輥使用和維護(hù)就提出了更高的要求，軋輥質(zhì)量的好壞以及能否正確使用和維護(hù)軋輥，直接關(guān)系著生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣。因此，如何有效地做好軋輥日常管理和維護(hù)，及時(shí)準(zhǔn)確地判斷和避免各種缺陷的產(chǎn)生，軋輥生產(chǎn)方怎樣提高軋輥生產(chǎn)質(zhì)量是對(duì)軋輥供需雙方提出的共同挑戰(zhàn)。