MC5軋輥輥頸表淬開裂原因分析

于瑞明 劉洪波 姚鳳祥 于瑞芝

(1.中冶京誠(營口)裝備技術(shù)有限公司鍛造部，遼寧115000；2.東特集團(tuán)北滿特鋼有限責(zé)任公司技術(shù)中心，黑龍江161041)

某軋輥生產(chǎn)企業(yè)在制造MC5成品輥時出現(xiàn)輥頸表淬開裂現(xiàn)象，給企業(yè)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。MC5成品軋輥的生產(chǎn)工藝流程如下：電爐冶煉→電渣重熔→加熱鍛造→鍛后退火→光面探傷→粗加調(diào)質(zhì)→半精加、探傷→輥頸表淬。調(diào)質(zhì)后輥頸表淬時，輥頸的表面圓周上出現(xiàn)兩處縱向開裂，裂紋由表面向內(nèi)部延伸深度大約50 mm左右。為了防止類似的問題再次發(fā)生，需要查找發(fā)生開裂的主要原因，以便制定合理的預(yù)防措施。

1 試驗方法和結(jié)果

1.1 表面金相檢驗

在軋輥一端?290 mm輥頸的整個圓周上有兩處存在表面裂紋，沿軸向開裂。在裂紋處做表面金相檢驗，觀察發(fā)現(xiàn)裂紋處及周圍有一次碳化物聚集(圖1)。

圖1 裂紋處一次碳化物(100×)Figure 1 Primary carbide on crack (100×)

1.2 低倍檢驗

在?290 mm輥徑裂紋處切取低倍試片進(jìn)行酸浸檢驗。在橫向低倍試片上有兩條由表面向內(nèi)延伸的裂紋，長度分別為45 mm、50 mm，呈明顯的應(yīng)力裂紋特征。同時低倍試片上存在1.5級的點(diǎn)狀偏析且分布在從表面向內(nèi)40 mm的范圍內(nèi)(圖2)。此外，并未發(fā)現(xiàn)其它冶金缺陷。

1.3 化學(xué)成分檢驗

在低倍試片的邊緣、二分之一半徑和中心部位切取試樣，用光譜分析法對試樣進(jìn)行成分分析(取樣位置見圖3)。從檢驗分析的各個元素看，所有數(shù)值均符合技術(shù)條件要求。同時對鉛、錫、砷、銻、鉍元素也進(jìn)行了檢驗，結(jié)果均不大于0.02%。

圖2 低倍缺陷形貌Figure 2 Macroscopic defect

圖3 取樣位置圖Figure 3 Sampling position

圖4 1號樣(縱向)裂紋和碳化物形貌(100×)Figure 4 Crack and carbide appearance of No.1 specimen (longitudinal) (100×)

圖5 5號樣裂紋面處碳化物形貌(100×)Figure 5 Carbide appearance on crack surface of No.5 specimen (100×)

圖6 9號樣點(diǎn)狀偏析處縱向碳化物聚集形貌(500×)Figure 6 Longitudinal carbide cluster appearance at spot segregation position of No.9 specimen(500×)

1.4 氣體檢驗

在試樣上做氣體檢驗，檢測結(jié)果為H 0.63×10-6、O 16×10-6，N 76×10-6，符合技術(shù)條件要求。1.5 高倍檢驗在裂紋、裂紋附近及沒有裂紋處的邊緣、二分之一半徑處切取金相試樣，檢驗夾雜物和碳化物(取樣位置見圖3)。從檢驗結(jié)果看，輥坯的純凈度較好，沒有發(fā)現(xiàn)超標(biāo)的夾雜物。

無論是否在裂紋處，從邊緣到半徑二分之一位置所取試樣均存在不同程度的一次碳化物。裂紋處碳化物的聚集程度較沒有裂紋處嚴(yán)重。特別是在邊緣的點(diǎn)狀偏析處，縱向的一次碳化物呈網(wǎng)絡(luò)狀分布(一次碳化物聚集情況見圖4～圖6)。

2 分析

從以上各項檢驗結(jié)果可以看出，化學(xué)成分、夾雜物和氣體均符合技術(shù)條件要求，低倍檢驗存在點(diǎn)狀偏析且偏析暴露在輥頸近表面。所檢驗的不同位置試樣均存在不同程度的一次碳化物，裂紋處一次碳化物偏析嚴(yán)重，特別是點(diǎn)狀偏析處一次碳化物呈網(wǎng)絡(luò)狀分布。

嚴(yán)重碳化物偏析暴露在輥頸近表面，主要是因為鋼錠在鍛造前的加熱均質(zhì)化過程中，電渣錠原始的碳化物不能通過高溫擴(kuò)散完全溶解。在鍛造初始階段如壓下量過大，會導(dǎo)致鋼錠溫度上升。雖然大的變形會使碳化物破碎，但溫度的升高會致使碳化物又聚集長大。另一方面，如最后一火鍛造前加熱溫度過高、時間偏長且鍛比小，也會導(dǎo)致輥頸碳化物聚集長大并不能被有效的破碎。而輥身所占的體積比輥頸大的多，在加熱時碳化物聚集長大不會象輥頸部位那么嚴(yán)重。另外，由于鍛造時輥身在長度方向要留一定的余量，致使?290 mm輥徑在后續(xù)加工過程中，其加工余量要比輥身和輥頸其它臺階要大的多，這樣也不可避免的使偏析暴露在輥頸表面，使其承受應(yīng)力變化的能力較輥身差一些。

雖然這種碳化物偏析暴露在輥頸近表面，但在軋輥調(diào)質(zhì)淬火過程中，并沒有發(fā)生輥頸表面開裂，而是在隨后的表面淬火過程中發(fā)生的。由于表面淬火加熱速度快、溫度梯度過大，造成應(yīng)力變化劇烈，使殘余應(yīng)力在輥頸近表面處出現(xiàn)拉應(yīng)力峰值，在碳化物聚集處造成應(yīng)力集中，而萌生縱向裂紋。隨后輥身淬火時采用3個感應(yīng)器(2個50 Hz、1個250 Hz)加熱。軋輥經(jīng)過預(yù)熱和輥身感應(yīng)加熱，在?290 mm輥頸處溫度會達(dá)到500℃左右，隨后輥頸入水將經(jīng)歷又一次激烈的冷卻，瞬間的拉應(yīng)力會造成?290 mm輥頸處完全開裂。也就是說?290 mm輥頸表面淬火時可能已經(jīng)在皮下碳化物聚集處形成裂紋，經(jīng)過輥身淬火時的再次激烈冷卻而徹底開裂。

3 結(jié)論

MC5軋輥輥頸縱向裂紋產(chǎn)生的原因主要是：輥坯表面存在碳化物聚集而造成應(yīng)力集中；輥坯表面淬火加熱溫度梯度過大，造成應(yīng)力變化劇烈，致使在碳化物聚集處開裂。

建議采取以下改進(jìn)措施：

(1)低溫區(qū)域鍛造對破碎碳化物效果較好，變形過程應(yīng)該以最少火次完成。

(2)錘擊力采用“二輕一重”的頻率。第一火加熱出爐后，首先要輕輕錘擊，重?fù)羧菀滓痖_裂。當(dāng)坯料溫度逐漸降至1 000℃左右時，在不發(fā)生溫升情況下抓緊重打，以破碎大塊碳化物。當(dāng)溫度進(jìn)一步降低，接近終鍛溫度時，塑性降低，只能輕打，防止開裂。

(3)最后一火返爐時間不能過長，且必須有一定的鍛比，保證碳化物破碎。

(4)合理控制各部位鍛造余量。

(5)輥頸表淬采用先預(yù)熱后加熱淬火的方式，適當(dāng)降低輥頸表面淬火溫度。