王妍 尹治力 杜進(jìn)英

(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川 德陽(yáng) 618000)

支承輥是軋機(jī)中與工作輥或中間輥配對(duì)使用，傳遞軋制力，同時(shí)提高工作輥的彎曲剛度，進(jìn)一步控制板帶鋼板形的大型鑄鍛件。支承輥的質(zhì)量特征為輥身表面硬度高、硬度均勻性好、輥身淬硬層深、輥頸及輥身心部具有良好強(qiáng)韌性。隨著冷、熱軋機(jī)向高速化、大型化、高精度方向發(fā)展，對(duì)支承輥的要求也在不斷提高[1]。其中，特大型鍛鋼支承輥因其技術(shù)要求高，工藝復(fù)雜，制造難度大，一旦發(fā)生失效，對(duì)生產(chǎn)影響較大，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。

本文分析的斷裂支承輥重達(dá)200 t，最大直徑為2300 mm，由420 t特大型鋼錠制造。該支承輥服役6年后從輥頸處異常斷裂，為查清斷裂原因，防止類(lèi)似問(wèn)題再次發(fā)生，對(duì)失效的支承輥進(jìn)行了斷裂原因分析。

1 取試位置及檢驗(yàn)方法

斷裂的支承輥斷口形貌見(jiàn)圖1，同時(shí)進(jìn)行相關(guān)取樣分析，具體情況如下：

圖1 斷裂后的支承輥及取樣示意圖

(1)在輥頸斷裂部位按照?qǐng)D1鋸切下厚約15 mm的一整片，用于輥頸的整個(gè)橫向低倍分析；

(2)將1#、2#兩件錐形部位鋸切下來(lái)，分別在圓錐的底部鋸切一片進(jìn)行錐形部位的橫向低倍分析(編號(hào)H-1、H-2)，在錐身部位沿縱向切取試片進(jìn)行錐形部位的縱向低倍分析(編號(hào)Z-1、Z-2)；

(3)在錐形部位以及緊挨錐形部位和稍遠(yuǎn)的地方分別取試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析(編號(hào)C-1、C-2、C-3)；

(4)在錐形部位的2件縱向低倍試片上和離錐形部位稍遠(yuǎn)的地方分別取試樣磨制縱向面進(jìn)行金相分析(編號(hào)LM-1、LM-2、LM-3)，在錐形部位的H-2橫向低倍試片的邊緣部位和與之相鄰的部位的分別取試樣磨制橫向面進(jìn)行金相分析(編號(hào)TM-1、TM-2)；

(5)在Z-1縱向低倍試片上取試樣熱打(260℃×3 h)取得的斷口進(jìn)行掃描電鏡分析(編號(hào)RD-1)。在錐形部位H-2、Z-2低倍試片上分別取三件室溫拉伸和三件室溫沖擊試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)，并對(duì)拉伸試樣典型斷口進(jìn)行掃描電鏡分析。

2 檢驗(yàn)結(jié)果

2.1 宏觀斷口檢驗(yàn)結(jié)果

從輥頸處的宏觀斷口[2-4]來(lái)看，斷口由兩部分組成：Ⅰ區(qū)為斷裂源區(qū)，Ⅱ區(qū)為瞬時(shí)斷裂區(qū)，斷裂源區(qū)為接近輥頸中心的三個(gè)圓錐，錐身上有貝紋線，這是疲勞斷裂的典型特征，瞬時(shí)斷裂區(qū)(Ⅱ區(qū))約占該斷口面積的80%，從匹配斷口的放大圖片上同樣可以看到貝紋線，見(jiàn)圖2。

(a)斷裂位置形貌 (b)斷裂位置形貌放大

表1 支承輥的化學(xué)分析結(jié)果

2.2 化學(xué)分析結(jié)果

對(duì)切取的試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。從表中可以看出，緊挨錐形部位(C-2)和稍遠(yuǎn)的地方(C-3)化學(xué)成分均符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，錐形部位(C-1)的C、P、Cr、Mo均偏高，Mn和V均為上限，其余合格。

2.3 低倍檢驗(yàn)結(jié)果

將橫向和縱向低倍試片分別經(jīng)50%鹽酸水溶液熱腐蝕后觀察，同時(shí)按GB/T 1979—2001標(biāo)準(zhǔn)中評(píng)級(jí)圖四評(píng)定：

(1)輥頸橫向低倍的一般點(diǎn)狀偏析為1.0級(jí)，未發(fā)現(xiàn)目視可見(jiàn)的縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮、白點(diǎn)、晶間裂紋等缺陷，見(jiàn)圖3。

(2)錐形部位的橫向低倍H-1、H-2均發(fā)現(xiàn)點(diǎn)狀偏析、條帶狀偏析和裂紋；錐形部位縱向低倍Z-1、Z-2均發(fā)現(xiàn)條帶狀偏析以及裂紋，見(jiàn)圖4。兩個(gè)方向的低倍試片的偏析條帶和裂紋均有方向性且裂紋均沿著偏析條帶分布。

圖3 輥頸處整片橫向低倍形貌

(a)橫向低倍H-1 (b)橫向低倍H-2

2.4 力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果

對(duì)支承輥錐形部位分別進(jìn)行橫向和縱向室溫拉伸、沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。從表中室溫拉伸性能結(jié)果可以看出，錐形部位的橫向試樣的塑性很差，從室溫沖擊性能結(jié)果可以看出，縱向和橫向試樣韌性均很差。

表2 錐形部位常溫性能檢驗(yàn)結(jié)果

2.5 高倍檢驗(yàn)結(jié)果

2.5.1 縱向高倍

對(duì)LM-1、LM-2兩件縱向高倍試樣進(jìn)行了高倍檢驗(yàn)，結(jié)果如下：

(1)未經(jīng)腐蝕按GB/T 10561—2005的A法評(píng)定非金屬夾雜物：LM-2的A類(lèi)粗系夾雜物為1.0級(jí)，寬度超寬，分別為40 μm和50 μm，其余類(lèi)型夾雜物均未超過(guò)0.5級(jí)；LM-1、LM-2均發(fā)現(xiàn)裂紋，LM-2裂紋微觀形貌見(jiàn)圖5。

(2)用4%的硝酸乙醇腐蝕后觀察：LM-1和LM-2均發(fā)現(xiàn)偏析條帶和裂紋，裂紋均分布在偏析條帶上，偏析條帶附近的組織為珠光體[5]+網(wǎng)狀碳化物，遠(yuǎn)離偏析條帶處的顯微組織為珠光體+少量碳化物，見(jiàn)圖6～7。

圖5 縱向高倍試樣LM-2的裂紋微觀形貌

圖6 試樣LM-1碳化物偏析條帶和裂紋

圖7 試樣LM-2碳化物偏析條帶和裂紋

2.5.2 橫向高倍

(1)分別磨制兩件橫向高倍試樣TM-1、TM-2，用4%的硝酸乙醇腐蝕后觀察，如圖8所示：試樣TM-1的顯微組織為碳化物偏析條帶+珠光體+網(wǎng)狀碳化物，其中有碳化物分布的區(qū)域占整個(gè)高倍試樣的70%～80%；試樣TM-2的顯微組織為粗大的片狀珠光體；TM-1的試樣的靠近圓錐的邊緣部位發(fā)現(xiàn)碳化物聚集區(qū)，但與之緊鄰的非錐形部位未發(fā)現(xiàn)碳化物。

圖8 橫向高倍試樣TM-1、TM-2的顯微組織

(2)將橫向4#和5#拉伸試樣從斷口處進(jìn)行磨制、拋光并經(jīng)4%的硝酸乙醇腐蝕后觀察，如圖9所示：兩件拉伸試樣斷口處的組織均存在嚴(yán)重的碳化物偏析條帶，尤其是5#試樣上碳化物偏析條帶幾乎占整個(gè)斷口面積的90%，斷裂源也均分布在碳化物偏析處，并且碳化物顆粒較粗大。

(a)橫向4#拉伸試樣 (b)橫向5#拉伸試樣

2.6 掃描電鏡檢驗(yàn)結(jié)果

(1)從縱向低倍Z-1上裂紋處取得的試樣熱打并對(duì)斷口進(jìn)行除銹處理后在電鏡下進(jìn)行微觀斷口分析，整體形貌見(jiàn)圖10、微觀形貌見(jiàn)圖11；可看出碳化物偏析處的整體形貌和微觀形貌與基體均存在明顯的差異。

(2)如圖12所示，從橫向4#和5#拉伸試樣的斷口可以看出，斷裂源均分布在試樣的邊緣，均是從碳化物偏析處開(kāi)始萌發(fā)，源區(qū)還發(fā)現(xiàn)了延展性的夾雜物。

圖10 熱打斷口整體形貌

圖11 熱打斷口微觀形貌

圖12 橫向5#拉伸試樣斷口微觀形貌

3 分析與討論

(1)從化學(xué)分析結(jié)果來(lái)看，錐形部位C-1的化學(xué)元素C、P、Cr、Mo均偏高，Mn和V均為上限，其余合格，而與錐形部位的緊鄰的區(qū)域C-2和稍遠(yuǎn)離的區(qū)域C-3的化學(xué)元素均合格。

(2)宏觀斷口檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，斷裂源區(qū)為接近軸頸中心的三個(gè)圓錐，從圓錐身上的貝紋線判斷其為疲勞斷裂[6]，從源區(qū)和瞬斷區(qū)所占的比例看，在斷裂時(shí)受到了巨大的外力作用。

(3)從低倍分析結(jié)果來(lái)看，錐形部位的橫向和縱向低倍上均存在較嚴(yán)重的條帶狀偏析和裂紋，裂紋只伴著偏析而存在，說(shuō)明條帶狀偏析處是裂紋萌生和擴(kuò)展的區(qū)域。

(4)從高倍分析結(jié)果來(lái)看，縱向高倍試樣LM-2的A類(lèi)粗系夾雜物為1.0級(jí)，寬度超寬，雖然非金屬夾雜物可破壞基體的連續(xù)性，引起應(yīng)力集中，但是A類(lèi)為塑性?shī)A雜物，高溫和室溫都呈塑性且膨脹系數(shù)大于基體，故其危害程度非常小[7]，因此排除夾雜物引起疲勞斷裂的可能性。

從顯微組織結(jié)果看，錐形部位發(fā)現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物和帶狀碳化物，碳化物的尺寸和分布對(duì)支承輥的疲勞壽命有很大的影響[8]，大顆粒的碳化物和帶狀碳化物都是極為有害的[9]。碳化物偏析的主要原因是凝固過(guò)程中的枝晶偏析；同時(shí)，如果原鋼坯已存在嚴(yán)重的碳化物偏析，而在支承輥進(jìn)行熱加工時(shí)，如果鍛造對(duì)帶狀碳化物分布改善不多，該區(qū)域會(huì)隨著鍛造變形的延長(zhǎng)而形成帶狀，而后續(xù)的熱處理未將其充分均勻化，最終成為較嚴(yán)重帶狀碳化物，特別是支承輥軸心部分，帶狀碳化物更為嚴(yán)重。帶狀碳化物的存在會(huì)破壞金屬的連續(xù)性，造成了應(yīng)力集中，起到了類(lèi)似夾雜物的作用。錐形部位還存在嚴(yán)重的網(wǎng)狀碳化物，這種網(wǎng)狀碳化物與原始鋼錠中的碳化物偏析以及后續(xù)的熱加工工藝有很大的關(guān)系，原材中的碳化物不均勻分布，形成網(wǎng)狀碳化物的概率就很大，同時(shí)鍛后終鍛溫度過(guò)高或冷卻速度太緩慢，而熱加工前又未經(jīng)充分的高溫?cái)U(kuò)散退火使其均勻化，或者奧氏體化時(shí)冷速過(guò)慢，均會(huì)促進(jìn)網(wǎng)狀碳化物的生成。這種網(wǎng)狀碳化物使鋼在晶界上具有一層脆硬的外殼，急劇的降低鋼的強(qiáng)度和韌性，增大了鋼的脆性。錐形部位及附近，還存在片狀珠光體，碳化物沒(méi)有完全得到球化，這可能與退火前存在嚴(yán)重的碳化物偏析有很大關(guān)系，可能也與實(shí)際球化退火加熱溫度過(guò)高有關(guān)[10]。

(5)從熱打斷口宏觀和微觀結(jié)果來(lái)看，碳化物偏析條帶處的微觀形貌與基體有著明顯的區(qū)別和分層，從拉伸試樣斷口宏觀和微觀結(jié)果來(lái)看，拉伸試樣斷裂均起源于碳化物偏析條帶處，甚至拉力作用下形成了裂紋，說(shuō)明該區(qū)域的脆性很大，在受外力作用時(shí)很容易形成裂紋，這與低倍和高倍觀察結(jié)果一致，佐證了錐形斷口形成的原因。

綜上所述，錐形部位表面光滑，與其余部位形成明顯的分層，錐身上分布貝紋線，低倍試片上僅在錐形部位發(fā)現(xiàn)裂紋和偏析，高倍上僅在錐形部位發(fā)現(xiàn)條帶狀碳化物偏析和網(wǎng)狀碳化物，而與錐形部位緊鄰的地方低倍試片合格、顯微組織均為片狀珠光體，再結(jié)合化學(xué)分析和性能檢驗(yàn)結(jié)果，說(shuō)明該支撐輥在使用過(guò)程中帶狀和網(wǎng)狀碳化物分布

的位置形成了一層殼將該區(qū)域慢慢的從基體剝離出去并逐漸擴(kuò)大。然后再經(jīng)歷了長(zhǎng)久的低循環(huán)應(yīng)力，在某一次使用時(shí)受到巨大的外力作用而發(fā)生瞬間斷裂。這一點(diǎn)從錐形部位的貝紋線的疏密程度得到了印證。

4 結(jié)論

該特大型支承輥的斷裂原因是從內(nèi)部錐形部位產(chǎn)生的疲勞斷裂。錐形部位是由于該區(qū)域存在條帶狀碳化物偏析和網(wǎng)狀碳化物而逐漸形成的，帶狀碳化物的形成應(yīng)該是鋼錠凝固時(shí)，由鋼中存在較嚴(yán)重的成分偏析和結(jié)晶偏析引起，但也可能與鍛打不充分、鍛造比不夠以及對(duì)帶狀碳化物分布改善不夠有關(guān)，網(wǎng)狀碳化物的形成可能與鋼錠中碳化物不均勻分布有關(guān)，也可能是鍛后終鍛溫度過(guò)高或冷卻速度太緩慢而產(chǎn)生。