高铬铸铁轧辊辊身中间断裂原因分析

张 杰，李红宇

（唐山钢铁集团重型机械装备有限公司，河北唐山 063000）

我公司为唐山港陆钢铁板带钢1250线生产的-支F2精轧机架φ653×1 450离心铸造高铬铁轧辊在上机使用轧制第二块钢时发生断裂见图1，断裂位置位于辊身中间靠近上辊径位置，断口如图2所示。经过了解，此生产线当时正在轧制普通板材Q195L，发生事故时轧辊直径为φ649 mm，报废直径为φ603 mm，断裂轧辊为上辊，断辊位置位于辊身中间靠近上辊径位置，断口不规则，组织致密均匀，无缩孔、夹渣等铸造缺陷。

为了找出轧辊断裂的原因，一方面对生产工艺、检验的各个环节做了认真调查，均未发现异常；另一方面对该辊进行了比较全面的理化检验分析及金相对比。根据断裂宏观特征，未发现疲劳裂纹扩展区，也未发现明显的裂纹起源，故拉回从本体取样，做化学成分分析及金相检测，重点看化学成分、夹杂物、金相组织有无异常。

图1 断裂轧辊

图2 断裂轧辊断面

1 轧辊生产

1.1 轧辊工艺

轧辊在生产过程中要有指导生产的文件，也就是轧辊工艺，通过规定各个环节的工艺参数控制指标，可以更好地指导生产，便于生产出质量合格的产品，表1为轧辊在生产过程需要达到的工艺参数要求，是指导生产的关键指标。

1.2 过程参数

表2为过程参数，是在实际生产过程中记录的实际生产数据，便于对整个生产过程进行把控，同时在出现质量问题的时候还可以作为分析问题的依据，是轧辊生产过程中比较关键的一环。从过程参数控制情况看，均符合工艺要求。

2 取样检验结果

2.1 辊身部位化学成分及硬度

在辊身部位取试样，做光谱分析，成分如表3所示。对辊身部位硬度检测结果见表4.从表3可以看出，化学成分都在要求范围内；从表4可以看出，辊身部位硬度也符合要求。

2.2 金相组织

在辊身部位取试样做金相组织分析，图3为未浸蚀的外层金相照片，图4为浸蚀外层金相照片，图5为浸蚀后中间层金相照片，图6为浸蚀后内层金相照片。从图4、图5、图6可以看出高铬铸铁轧辊外层金相组织为索氏体+马氏体+二次碳化物+残余奥氏体，中间层金相组织为索氏体+少量珠光体+少量碳化物+少量石墨，芯部组织为珠光体+铁素体+球状石墨，组织情况良好，芯部由于存在一定数量的铁素体，强度可以保证。

表1 大离心复合轧辊铸造工艺卡

表2 过程参数

表3 轧辊化学成分（质量分数，%）

表4 轧辊硬度检测情况

轧辊外层非金属夹杂物符合规定，并达到2级以下，并无异常。

图3 外层金相照片（X100未浸蚀）

图4 外层金相照片（X100浸蚀）

图5 中间层金相照片（X100浸蚀）

图6 内层金相照片（X100浸蚀）

2.3 抗拉强度

从厂家拉回的断辊下辊颈取抗拉试棒，按《GB 6397金属拉伸试样试验》标准准备试样，按《GB/T 228-2002金属拉伸试验法》进行拉伸试验，拉3支，取平均值，抗拉强度470 MPa，符合厂家要求。

2.4 辊身残余奥氏体和残余应力

用X射线应力测定仪对辊身残余奥氏体和残余应力进行测定，测定结果见图7.

图7 残奥报告残余奥氏体和残余应力分析报告

图7 表明辊身残余奥氏体含量在1.1%以下，完全满足外层小于等于3%的要求，残余应力也不高，在+200 MPa到-400 MPa之间，说明轧辊经过断裂后残余应力有一定的释放。

2.5 轧辊切片及过渡层金相检测

对断裂轧辊辊身、中间层、芯部进行切片，做150×20×20试块，如图8所示，通过对比发现中间层宽度基本在50 mm左右，而工艺设计40 mm，外层设计工作层厚度76.5 mm，实际40 mm～45 mm，回熔量在31.5 mm～36.5 mm之间，芯部熔中间层在13.5 mm～18.5 mm之间，说明中间层熔外层较多，通过手持式光谱仪测试成分，外层Cr的质量分数为17.6%，中间层Cr的质量分数为10%左右，芯部Cr的质量分数为0.3%左右，说明芯部含Cr正常。

图8 轧辊试块

轧辊辊身、中间层、芯部标准金相图如图9、图10、图11所示。对断裂轧辊辊身做连续金相，如图12所示。可以看出：中间层与芯部过渡区无明显贫碳区，由于芯部碳比较高，与中间层石墨钢混溶后随含碳量升高，碳化物有一个明显的聚集区，碳化物大面积析出，随着碳的减少，紧接着有一个明显的贫碳区分布，但从图12金相上看，不明显。

从标准金相上来看，图9结合情况最好，在结合部位有一个明显的贫碳区分布，而图10、图11在贫碳区存在着大量的碳化物，所以会造成结合部位强度低，图12是实际生产轧辊的结合层情况，基本介于结合良和结合差之间，说明结合不好，回溶过多。

2.6 轧辊的热处理

轧辊的热处理采用低温退火热处理，分两段处理，可以比较完全地削除在生产过程中产生的残余应力，通过残余应力分析也可以看出，轧辊的残余应力并不高。

3 轧辊断裂原因分析

此支轧辊是在使用前期发生断裂，剩余轧辊直径比较大，从断口情况看，组织良好，无缩松缩孔及夹渣缺陷，排除因存在缺陷造成使用过程中应力集中裂纹扩展造成断裂的可能。查化学成分及现场记录均无异常，金相组织良好，硬度及抗拉强度指标符合厂家要求。通过对断裂轧辊切片做实验室金相，发现中间层较设计厚10 mm，设计40 mm，实际50 mm，中间层对外层回溶较大，达到了30 mm以上，按理论设计回溶应控制在20 mm左右，通过手持式光谱，测外层、中间层、内层，确实存在中间层渗Cr过多的情况，通过与标准金相图谱对比发现，中间结合部位金相介于图10与图11，说明结合一般，此种接合会造成中间层渗Cr过多，形成大量的碳化物，造成中间层强度的降低，在轧钢过程中中间层结合部位由于受到热应力、机械应力的作用超过强度极限率先产生裂纹，裂纹扩展后瞬间产生断开。

图9 结合优

图10 结合良

图11 结合差

图12 轧辊实际结合情况

4 改进措施

1）将填中间层石墨钢水时间延长5 min;

2）将中间层的浇注温度降低10℃，控制回溶量。

通过工艺改进，回溶量由过去的30 mm，降低到20 mm左右，芯部渗Cr情况明显好转，通过后期的上机试验，轧辊强度明显提高，未出现轧辊断裂情况。

5 结论

1）高铬铁轧辊断裂的主要原因是中间层结合强度低；

2）结合强度低主要是由于中间层对外层的回溶量过大，造成外层C r向中间层、芯部渗入过多，造成碳化物量偏大，强度有余而韧性不足；

3）在高铬铁轧辊生产中应严格控制回溶量，使其不大于20 mm.