火车轮轧制用主轧辊环状裂纹原因分析

张 鹏 李明泽

(太原重工轨道交通设备有限公司，山西030032)

主轧辊为火车轮轧制时使用的最重要大型环件类模具，材质5CrMnMo，外形尺寸∅1360 mm×∅950 mm×200 mm，锻造下料重量高达2 t。生产制造工艺路线为：原材料→原材料复验→锯切→锻造→半精加工→调质→精加工。实际制造过程中有1件新造主轧辊精加工后发现开裂，裂纹位于内孔台阶处，呈周向环形状分布，总长度约占整圈23。

本文在主轧辊开裂处截取相关试样进行化学成分、力学性能、金相检查、断口电镜扫描等试验分析，找出开裂原因，对主轧辊制造工艺进行优化指导。

1 实验分析

1.1 现场宏观分析

通过对现场开裂主轧辊进行观察，裂纹均分布在内孔台阶角部附近，裂纹有的沿着台阶根角部，有的沿着台阶竖直面，有的沿着台阶水平面，裂纹呈现断续的、环形状周向分布，总长度约占整圈23。

现场对工件进行超声检测及裂纹深度测量，结果显示工件内部未出现超当量缺陷，只有在内孔台阶附近发现开口性缺陷，用裂纹深度测试仪对裂纹深度进行检查，发现裂纹深度为14 mm～53 mm不等。

1.2 化学成分分析

在主轧辊开裂端截取相关试样进行化学成分分析，检查结果如表1所示，结果表明化学成分符合材料标准要求。

1.3 力学性能试验分析

按照环形锻件取样要求，对主轧辊解剖进行力学性能测试，结果见表2。

实验结果表明，拉伸、冲击及硬度试验结果均符合标准要求。

1.4 低倍试验分析

截取径向横截面低倍试片，进行热酸浸检测试验，低倍检验照片如图1所示。检验结果为一般疏松1.0级，中心疏松0.5级，区域偏析1.0级，符合要求，裂纹长度48 mm。

1.5 金相检验

1.5.1 非金属夹杂物

钢中非金属夹杂物检验结果见表3。

实验结果表明，钢中纯净度良好，符合要求。

1.5.2 基体显微组织分析

金相显微组织分析显示：外部基体组织为回火索氏体，晶粒度7.5级；中部为回火索氏体+少量回火贝氏体，晶粒度7.5级和7.0级，呈带状组织分布，组织状态基本正常，基体组织照片如图2所示。

1.5.3 裂纹区显微组织分析

对裂纹区域进行金相组织分析显示：主裂纹较粗，裂纹尖部尖细，断续曲折，主裂纹旁边有沿晶分布的支裂纹、部分区域伴有熔坑。裂纹旁无夹杂物，无明显脱碳，组织与基体无明显变化，且开裂方向与带状偏析组织呈一定角度，显微组织照片如图3所示。

表1 化学成分分析结果(质量分数，%)Table 1 Test results of chemical compositions(mass fraction, %)

表2 力学性能试验分析结果Table 2 Test results of mechanical properties

表3 非金属夹杂物检验结果Table 3 Nonmetallic inclusion test results

图2 基体组织
Figure 2 Microstructure of base metal

1.6 断口扫描电镜微区分析

对裂纹断口进行扫描电镜分析，结果表明：裂纹断口处表面有很薄一层区域呈现碾压平面，形貌明显异于内部，相连的次表面主要为沿晶加波纹，并有向外扩展特征，且未被氧化层覆盖。其内大部分区域整体呈现圆钝的凸凹特征，断口花样具有典型的圆弧状沿晶开裂特征，原始晶粒粗大，断口上有厚氧化层覆盖，裂纹尖端断口部分未被氧化膜覆盖，晶界上有颗粒状附积，新开断口为解理花样，如图4所示。经能谱定性和定量分析，覆盖的氧化层上合金元素含量较低，沿晶的晶界面，除Fe和O元素外，还有Cr、Mn、Mo等合金元素偏聚，见图5。综上说明断口大部分为晶界弱化、高温热裂纹，同时也有热处理沿晶开裂扩展形态及表面机加工碾压开裂。

图3 裂纹区域金相显微组织Figure 3 Metallographic microstructure in crack region

图4 断口扫描电镜分析
Figure 4 SEM analysis of fracture surface

2 讨论与分析

主轧辊化学成分符合5CrMnMo材质要求，低倍组织、非金属夹杂物、力学性能均符合要求。主轧辊基体组织为回火索氏体，晶粒度7.5级，中部区域有部分回火贝氏体，组织呈带状分布，组织状态正常，晶粒较细，说明调质热处理状态合格，但是组织中明显的带状偏析，说明工件变形较大同时中间未进行正火处理，这将对后续热处理性能产生不良影响。

主轧辊外形尺寸较大，属中厚截面大变径比大型环形锻件。微观主裂纹较粗、裂纹尖端尖细，断续曲折，主裂纹旁有沿晶分布的支裂纹、部分区域伴有熔坑，裂纹断口内大部分区域整体呈现圆钝的凸凹特征，即圆弧状沿晶开裂特征，原始晶粒粗大，断口上有厚氧化层覆盖，是晶界弱化，局部高温熔化的见证，也是高温热裂纹典型特征。

综合分析可以确定周向裂纹属于锻造热裂纹，但外表面是最后开裂的。产生这种周向环状开裂的原因通常是：由于主轧辊外形尺寸需要，锻造变形量较大，整体均匀性有差异，同时材料本身碳含量及合金元素较高，可能存在原始合金元素微区偏析和不均匀，一旦某一部分加热温度较高或时间较长，可能产生合金元素向晶界富集，产生晶界弱化，甚至造成局部晶界熔化，优先形成了位于次表面的沿晶开裂的裂纹。在随后的热处理淬火时，在较大应力作用下，缺陷处产生应力集中，裂纹或向深度和表面扩展，但外表面属最后开裂，当时不易被发现，在后续机加工时暴露于外表面，形成存在于锻件端面内孔台阶角部的周向分布的环状裂纹。

3 结论

(1)主轧辊化学成分、纯净度、力学性能均合格。

(2)主轧辊周向分布的环状裂纹是锻造局部控制不当造成的晶界弱化，在热处理淬火时扩展开裂，属典型的高温热裂纹。

4 改进措施

(1)优化锻造工艺，避免过热、过烧，确保锻件整体均匀性。

(2)锻后增加正火处理，提高锻件整体均匀性，为后续调质热处理做预准备。

(3)锻件半精加工后增加超声检测，及时发现问题。