70Cr3Mo大型锻件支承辊辊身剥落原因分析

2019-01-07王志平

金属加工(热加工) 2018年12期

■ 王志平

支承辊是轧钢生产中的重要部件，使用过程中存在失效现象。支承辊在使用中的失效主要有剥落、断裂和表面裂纹三种形式，其中辊身剥落出现的概率最高，是支承辊失效的主要形式。支承辊因辊身局部剥落仅失去少量工作层而失效，如果直接报废不但造成资源浪费，也使钢厂辊耗居高不下，生产成本上升。所以很有必要对支承辊辊身剥落失效进行分析研究。

国内某钢厂厚板可逆式3800轧机支承辊，辊面直径2200mm，辊面有效工作长度3700mm，辊体材质70Cr3Mo，重量154t，其中一端辊面严重掉块剥离，最大剥离深度约300mm，掉块轴向长度最大约1650mm，周向长度最大约3000mm。经研究，中信重工决定对支承辊进行堆焊修复，此规格是当时国内堆焊修复的最大规格的支承辊，修复风险非常大。本文采用多种试验分析手段从剥落形态、硬度、化学成分、内部组织等方面对该支承辊辊身剥落掉块问题进行分析，为其堆焊修复工艺的研究做理论支撑。

1. 剥落块宏观形貌

支承辊原始剥落状况如图1所示，辊子表面大面积与辊子本体分层剥落，采用机械加工的方式去除掉快部分，对剥落面进行解剖。

支承辊整体剥落断口宏观形貌照片如图1所示。

图1 原始剥落辊面

从图2剥落断口宏观形貌可以看出，断面出现呈弯曲并相互平行的沟槽状花样，与裂纹扩展方向垂直，是裂纹扩展时留下的微观痕迹，属于明显弧形疲劳辉纹，其反向指向裂纹源（A区域），疲劳裂纹从A区域向B方向扩展，形成一个疲劳扩展带（AB），与此同时AB裂纹两侧向C方向扩展，最终导致大面积剥落，疲劳扩展带见图2中光滑的氧化区域所示。从剥落断口宏观形貌进行分析得出，剥落裂纹的起始位置处于支承辊淬硬层厚度位置，然后沿着剪切应力方向扩展，直至剥落。因此，该支承辊失效形式属典型的疲劳剥落失效。剥落是从支承辊次表层开始，由疲劳裂纹顺着剪切面扩展而形成。

2. 理化分析

图2 剥落断口宏观形貌

根据支承辊图样和使用记录，该支承辊硬化层厚度100mm，失效时表面已磨损掉约10mm。在剥落的辊体掉块上取样分析，取样位置如图3所示，在剥落块的方框线位置处取样，对支承辊表面剥落原因进行分析。

图3 取样位置

（1）低倍分析将低倍试片磨制后进行热酸蚀，放置一定时间后观察。其低倍组织形貌如图4所示。试片上未见缩孔、夹杂、分层、裂纹、气泡及白点等可能致裂的缺陷，按标准GB/T15547—2012《锻钢冷轧辊辊坯》标准要求对低倍试片进行评级，评级结果如表1所示，各检测项目结果良好，满足标准要求。

图4 剥落块低倍试片形貌

表1 低倍试样评级结果

（2）硬度检测对剥落块从表面到内部检测，为减小测量误差，采用多次测量取平均值的方法，每个区域测量5点。该支承辊低倍试片从原始工作表面到剥落断口面最大距离约70mm，将低倍试片放置在洛氏硬度计上进行硬度检测，检测位置沿着图4硬度检测线所示，同时将洛氏硬度检测结果查表转化为肖氏硬度，检测结果如表2所示。

从表2检测数据分析可知，支承辊表面硬度及有效淬硬层深度满足JB/T4120—2006《大型锻造合金钢支承辊》标准要求。标准要求：辊身表面硬度50～60HS；支承辊有效淬硬层深度，是指从辊身精加工表面至低于订货图样要求下限5HS的深度。当辊身表面硬度为50～60H S时，有效淬硬层深≥65mm。

（3）化学成分分析在剥落块的低倍试片上从表面、中部、内部分别取样进行化学成分分析，分析结果及70Cr3Mo钢的标准成分如表3所示。

从表3中数据可以看出，该支承辊试样化学成分中的碳含量较标准值稍低，虽然不符合JB/T4120—2006《大型锻造合金钢支承辊》标准中70Cr3Mo钢的成分要求，但碳含量基本接近标准的下限值，不是导致支承辊剥落掉块的主要原因。

（4）金相分析非金属夹杂物。在剥落块的低倍试片上从表面、中部、内部分别切取金相试样，将其经磨制、抛光后，在金相显微镜下进行观察，按照GB/T 10561—2005进行夹杂物评级，评级结果如表4所示。从表4中可以看出，夹杂物不超标，满足GB/T15547—2012《锻钢冷轧辊辊坯》标准要求。

金相组织分析。取样试片经4%硝酸酒精溶液腐蚀后，在金相显微镜下进行观察，掉块表面、中部和内部的金相组织均为保持马氏体位向的回火屈氏体+针状贝氏体+残留奥氏体，针状组织粗大，分别如图5、图6、图7所示。金相组织未发现异常。