熱軋支承輥剝落問(wèn)題跟超聲波測(cè)厚儀之間的關(guān)系

公司為客戶(hù)熱軋生產(chǎn)線(xiàn)提供的一支支承輥，現(xiàn)輥身直徑1461.02mm，客戶(hù)反饋在某次軋鋼時(shí)有異響，拉出后該輥的輥身發(fā)現(xiàn)有剝落。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察、支撐輥使用情況調(diào)查，對(duì)支撐輥剝落問(wèn)題進(jìn)行根本原因分析，并根據(jù)分析結(jié)果給客戶(hù)提供現(xiàn)場(chǎng)使用建議。

在剝落斷面同側(cè)的未剝落輥面上發(fā)現(xiàn)A、B兩處表面裂紋區(qū)域，如圖2、3所示。A區(qū)域位于剝落斷面對(duì)面，距輥身端面385mm，范圍100mm（軸向）×185mm（軸向），該區(qū)域內(nèi)上方三處較小表面裂紋呈現(xiàn)“︿”形，“︿”形指向方向與裂紋通道擴(kuò)展方向一致，下方有一條較長(zhǎng)半弧形與軸向的豎直狀組成的復(fù)合開(kāi)口裂紋，根據(jù)裂紋交匯特點(diǎn)，豎直形裂紋為首先形成的主裂紋，該裂紋應(yīng)軋制事故造成的擠壓裂紋。B區(qū)域位于剝落斷面上沿約400mm處，范圍100mm（軸向）×185mm（軸向），距輥身端面100mm。B區(qū)域有多處軸向小裂紋，裂紋密集處成帶狀，局部呈網(wǎng)狀，此種裂紋為典型的熱沖擊裂紋。根據(jù)著色顯像，B區(qū)域下方較長(zhǎng)的顯像條帶疑似為擦傷（硌痕），同時(shí)B區(qū)域下方有一小硌坑。

熱軋支承輥剝落問(wèn)題跟超聲波測(cè)厚儀之間的關(guān)系，經(jīng)超聲波測(cè)厚儀確定：外露①裂紋通道沿輥面下未剝離的裂紋通道與A區(qū)域相連，可確定A區(qū)域?yàn)棰倭鸭y通道的起源，外露②裂紋通道沿輥面下未剝落暴露的裂紋通道與B區(qū)域相連，B區(qū)域?yàn)棰诹鸭y通道的起源。①、②裂紋通道的起源與客戶(hù)方面自己檢測(cè)的結(jié)果一致。輥面下未剝離暴露的裂紋通道距輥面最深約30mm。根據(jù)探傷結(jié)果可以判定①裂紋通道先沿斜面向淬硬層內(nèi)部擴(kuò)展，擴(kuò)展過(guò)程中逐漸趨于同軋輥表面平行，進(jìn)而以平行于圓周方向的方式形成長(zhǎng)達(dá)約一周的長(zhǎng)裂紋，②裂紋通道以相同的方式形成長(zhǎng)約大半周的長(zhǎng)裂紋。在其他部位未發(fā)現(xiàn)肉眼看見(jiàn)的夾雜及超聲波探傷的缺陷存在。

3.剝落問(wèn)題根本原因分析

熱軋支承輥剝落問(wèn)題跟超聲波測(cè)厚儀之間的關(guān)系，由于疲勞裂紋的擴(kuò)展相對(duì)緩慢，未發(fā)生剝落之前，在支承輥表面可能無(wú)明顯痕跡或者存在小范圍的剝離狀裂紋起皮。根據(jù)使用情況，裂紋通道難于在一個(gè)軋制周期內(nèi)形成，因此本次上機(jī)前裂紋已經(jīng)形成，雖然客戶(hù)方面探傷檢測(cè)手段齊全，但不排除疲勞裂紋未發(fā)現(xiàn)及漏檢的可能性。

由于支承輥在機(jī)工作時(shí)承受法向的接觸應(yīng)力、切向的摩擦力和剪切應(yīng)力，以及本身存在的殘余應(yīng)力等復(fù)雜應(yīng)力，帶狀疲勞裂紋通道引起的大剝落的擴(kuò)展過(guò)程可分為5個(gè)階段。

第1階段：裂紋的產(chǎn)生。輥面疲勞裂紋源的形成比較隨機(jī)，劃痕、工作時(shí)局部位置超過(guò)了回火溫度致出現(xiàn)軟點(diǎn)、磨削時(shí)沒(méi)有將軋鋼時(shí)形成的表面疲勞裂紋清除干凈等任何會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)局部表面應(yīng)力集中的因素，均可能誘發(fā)早期疲勞裂紋的出現(xiàn)。熱沖擊損傷、異常停機(jī)、冷卻異常及機(jī)械損傷致使過(guò)大的局部超負(fù)荷超過(guò)輥面的抗剪切強(qiáng)度，對(duì)輥面造成明顯的傷害，引起微觀裂紋或?qū)ξ⒂^組織產(chǎn)生不利的變化，引起早期疲勞（誘發(fā)輥面裂紋）。A、B區(qū)域內(nèi)均存在呈現(xiàn)“︿”形的小表面裂紋說(shuō)明本支承輥在上機(jī)過(guò)程中存在異?；瑒?dòng)情況，異常停機(jī)、輥面冷卻異常等情況使輥身壓力增高，造成疲勞裂紋在高壓力情況下從輥面損壞處擴(kuò)展。傳動(dòng)側(cè)輥身距端面100～200mm范圍有可見(jiàn)裂紋，在一定程度上說(shuō)明傳動(dòng)側(cè)使用條件較劣于操作側(cè)，在交變沖擊載荷作用下易于萌生熱疲勞裂紋，存在一定偏載的可能。但單單表面裂紋仍不足以導(dǎo)致剝落的產(chǎn)生，但為剝落的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。存在微裂紋的支承輥在軋制過(guò)程中仍承受交變的接觸應(yīng)力以及其他應(yīng)力作用，如果此時(shí)震顫、滑動(dòng)等造成局部接觸應(yīng)力或剪切應(yīng)力過(guò)載，那么會(huì)使第1階段產(chǎn)生的微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。

更不能忽視的是，異常故障使支承輥上產(chǎn)生摩擦熱使支承輥表面溫度升高，如果溫度升高太快，有可能超過(guò)材料的支承輥的材料的奧氏體化溫度。又由于冷卻水不斷流到支承輥上，部分支承輥材料受到加熱和突然冷卻，造成回火裂紋，這種裂紋的危害性較大，未及時(shí)檢出清理，裂紋就會(huì)擴(kuò)展成為剝落源裂紋。

第2階段，裂紋向支承輥淬硬層內(nèi)部擴(kuò)展。如圖5所示，支承輥受到接觸應(yīng)力（Fc）與切應(yīng)力（Fr）作用，裂紋有一定擴(kuò)展，裂紋的取向與接觸應(yīng)力、摩擦力甚至殘余應(yīng)力的合力趨向達(dá)成某種角度范圍。

第3階段，淬硬層內(nèi)部疲勞擴(kuò)展。隨著擴(kuò)展的進(jìn)行，裂紋徑向深度達(dá)到一定程度，此時(shí)的接觸應(yīng)力作用大為減弱，故而裂紋基本不向徑向擴(kuò)展，由于支承輥淬硬層較深，加之淬硬層韌性較差，故而疲勞裂紋主要在淬硬層內(nèi)部沿周向擴(kuò)展；或者在淬硬層和非淬硬層之間的過(guò)渡區(qū)域擴(kuò)展，這是由于過(guò)渡區(qū)域的應(yīng)力較為復(fù)雜。

第4階段，疲勞擴(kuò)展軌跡邊緣迅速擴(kuò)展。第3階段疲勞擴(kuò)展時(shí)，帶狀疲勞擴(kuò)展痕跡邊緣存在應(yīng)力集中，直至擴(kuò)展到支承輥表面發(fā)生剝落為止。這類(lèi)迅速的開(kāi)裂可能瞬時(shí)發(fā)生，也可能在支承輥所轉(zhuǎn)幾周之內(nèi)迅速發(fā)生。

第5階段，大剝落掉塊產(chǎn)生。

另外，在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，空氣、水等逐步滲入裂紋內(nèi)部，斷裂表面上產(chǎn)生表面氧化，使得剝落通道近源區(qū)部分色澤出現(xiàn)色澤發(fā)灰、發(fā)黑現(xiàn)象。由于暴露的②裂紋通道位置相對(duì)暴露的①裂紋通道離表面裂紋源近，才顯示出色澤發(fā)灰、發(fā)黑。條帶狀疲勞裂紋通道擴(kuò)展的深度變化與不同的使用工況有著極大關(guān)系，圖6為某鋼廠2250熱軋支承輥剝落崩塊，崩塊上兩條同向擴(kuò)展的裂紋通道距輥面深度不同。