摘要：分析了冷轧平整工作辊两处大面积剥落的形貌、组织和失效原因，得出减少夹杂物含量、避免轧辊辊面损伤可有效避免此类事故的发生。

关键词：冷轧辊；剥落；夹杂物；微裂纹；疲劳

1前言

    剥落是冷轧辊常见的失效形式，其诱因与许多因素有关，包括轧辊的冶金质量、轧制工    发轧制事故等。按剥落起因划分，冷轧剥落失效可分为表面接触疲劳剥落和次表层疲劳剥落。近年来，由于优质冷轧辊锻坯采用了炉外精炼、电渣重熔等先进的冶金技术以及科学的无损探伤技术，冷轧辊工作层内缺陷、夹严格控制，因此，冷轧辊的剥落通常都是由于表面缺陷所导致的。本文分析了某冷轧机组平整工作辊发生的两处处大面积剥落，剖析了导致剥落的原因，为避免同类轧辊失效提供借鉴。

2  检验与结果

2．1  宏观检验

   该轧辊材质为5％Cr锻钢，第5次上机使用即发生大面积剥落，两处剥落位置在轧辊圆周方向基本呈180。对称，其断口形貌如图1所示。A处剥落的主疲劳扩展区距驱动侧辊端约700mm、表面光滑、疲劳扩展条纹不明显；B处剥落的主疲劳扩展区距工作侧辊端约500ram、有明显的海滩型疲劳条纹和扇形撕裂棱，两处剥落均为典型的疲劳剥落。

  选取剥落块中较厚的部分垂直于轴向切出一片，用显微硬度计从轧辊表面向芯部每隔1mm测量一次。结果显，淬硬层断面硬度为HV750～765（HRC61.5～62.0）分布均匀，未有明显的硬度偏差，剥落面最深位置仍位于淬硬层内，工作层断面硬度正常。

2．2  微观组织分析

从剥落块实物上取样，金相检验表明，失效轧辊工作层的微观组织为回火马氏体基体、弥散分布的颗粒状碳化物以及少量的残余奥氏体，组织均匀细化，剥落面区域的微观组织与辊面无明显差异，只是晶粒稍粗大，这与热处理工艺有关。

2.3  A处剥落起因分析

由主疲劳扩展区超始端逐层切割缩小范围，寻找疲劳裂纹源，得到图2a所示的小块。将其制成金相样，轻微腐蚀后用光学显微镜观察裂纹扩展过程，见图2c。将试样沿裂纹打开。如图2b所示，超声波清洗后用扫描电镜观察断裂面形貌，如图3所示。由图3可清晰地看到，裂纹形成初期的疲劳扩展不平台及疲劳条纹，距辊面约5mm疲劳源区随机分布着球状夹杂物，大小约1～10μm，经电子探针微区成分分析为球状锰、硫复合夹杂物，这些球状夹杂物是导致裂纹萌生的根本原因。

2．4    B处剥落起因分析

B处剥落块表面经磁粉探测发现微裂纹缺陷，见图4a，在该区域切出一长方体条块，接着对剥落块进行逐层切割以逼近表面缺陷。在图4b的切片上发现了裂纹从表面萌生、扩展至剥落面的完整过程，如图4c所示。用扫描电镜观察裂纹尖端辊面微裂纹如图5所示，呈指甲状，长度约0.5mm。

3  分析与讨论

    冷轧辊表面缺陷和次表层夹杂是导致轧辊剥落的根本原因。轧辊表面微裂纹在接触应力和摩擦力的作用下，裂纹将会向轧辊内部扩展，至次表层深度在主剪应力和交变剪应力的共同作用下，继续扩展直至发生疲劳剥落；轧辊次表层存在非金属夹杂、疏松等缺陷，将会导致应力集中，这一区域就会发生塑性变形直至微裂纹萌生。

  疲劳剥落的特征为断口表面有明显的疲劳条带，呈现海滩型疲劳条纹和扇形的撕裂棱，主疲劳裂纹的扩展方向一般与轧辊旋转方向相反。

  A处剥落为冷轧辊次表层复合夹杂导致的剥落。非金属夹杂物来自于锻坯冶炼过程的钢渣，铸锭时形成疏松孔洞。轧辊使用过程中，夹杂疏松区域就会引起应力集中萌生裂纹，成为疲劳源，如图3箭头所示。初生的裂纹向四周缓慢扩展，形成椭圆形同心圈。疲劳裂纹扩展至一定长度，其中1方向即逆轧辊旋转方向的裂纹，在剪应力和摩擦力的作用下，裂纹与辊面呈略小于45°方向扩展加快，贝纹线间隔增大，形成了宏观的疲劳条带，即为图2c的Ⅲ区；2方向即顺轧辊旋转方向的裂纹，受摩擦力反向作用，裂纹趋于闭合状态，扩展速率小，贝纹线很密，扩展到一定长度和深度不再扩展，见图2c中的I区。当1方向裂纹扩展到一定深度，与淬硬层过渡区的残余应力交汇，即引起最后失稳脆断，形成粗大的撕裂棱。

  B处剥落为辊面微裂纹导致的剥落。这种辊面缺陷的产生有多方面原因，如异物咬人、过焊缝冲击、轧制异常等。由图5可以看到异常冲击导致的辊面压痕和微裂纹。微裂纹在赫兹接触应力、摩擦力以及轧制油的综合作用下向内部扩展，由于摩擦力的作用，裂纹扩展初始阶段与辊面成较小的角度，如图4c的Ⅱ区所示。裂纹发展到一定深度，最大剪应力起主要作用，裂纹扩展角度变大，扩展速率加快，如图4c的Ⅲ区所示。裂纹扩展到距离辊面10mm以上位置时，主应力起主要作用，裂纹快速扩展，出现了明显的疲劳扩展条带，直至发生失稳剥落。

 从疲劳条带纹理可以推断：A处剥落萌生较早，造成轧辊的工作状态不稳定，引起辊面损伤，导致B处剥落的发生，但最终的失稳剥落几乎同时发生。提高锻钢冷轧辊的冶金质量，减少轧辊内部异常缺陷，对于减少轧辊的异常剥落事故非常重要。

  随着真空冶炼、炉外精炼以及电渣重熔工艺的应用，锻钢轧辊的冶金质量有了显著提高；同时，可以采用无损探伤手段及时发现此类缺陷，从而冶金缺陷导致轧辊剥落的情况越来越少。目前，大部分的冷轧辊剥落都是由于轧制事故引起辊面损伤所导致的，因此，改善轧辊使用环境、避免轧制事故，是防止轧辊灾难性事故的关键。

4  结论

 (1)两处剥落均在淬硬层内，有明显的疲劳扩展条纹，属大面积疲劳剥落；

 (2)造成两处剥落的原因不同，A处剥落是由次表层锰、硫复合夹杂物所导致的，B处剥秸是由辊面微裂纹所导致的；

 (3)提高锻钢轧辊的冶金质量，避免冷轧辅辊面损伤，加强轧辊的无损探伤，可以避免此娄轧辊事故的发生。