淺析鋁軋機軋輥疲勞破裂及預防措施

摘要：鋁軋機是板帶加工中的重要生產(chǎn)設(shè)備，軋輥是鋁軋機的重要工作部件，軋輥的正常工作與否直接決定了鋁軋機的工作效率。軋輥在正常工作過程中由于其工作環(huán)境的多樣性，容易產(chǎn)生疲勞破裂，使得軋輥報廢。文章就鋁軋機軋輥工作過程中的疲勞破裂形式進行了分類，并提出相應的預防措施。

關(guān)鍵詞：鋁軋機；軋輥過程；疲勞失效；疲勞預防

中圖分類號：TG333 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）17-0075-02

1 概述

軋輥是鋁冷軋機完成生產(chǎn)任務的基本部件。如我司1550軋機工作輥（Φ380/Φ350×1600mm；輥身硬度Hs=95～100；軋輥最小直徑Φ350時，硬度不低于Hs90；淬硬層深15mm；材質(zhì)：MC3）和支承輥（Φ960/Φ910×1550mm；材質(zhì)：9Cr2Mo；輥身硬度：Hs=70～75±1.5；淬硬層深度25mm）。在以往的使用過程中，分別不同程度地出現(xiàn)了輥面爆裂和剝落脫皮的現(xiàn)象。然而，軋輥的使用周期（或單對軋輥的軋制通過量）是衡量鋁冷軋機使用性能的關(guān)鍵指標。軋輥在使用周期內(nèi)若出現(xiàn)疲勞破裂或者大面積片狀剝落，將會造成軋制中產(chǎn)品的質(zhì)量損失，也使得軋輥提前報廢，增加生產(chǎn)成本的同時還打亂生產(chǎn)節(jié)奏，降低了生產(chǎn)效率，嚴重時，還會引起軋機火災甚至飛出的剝落層有時會傷及軋機操作人員。

2 軋輥失效形式分析

軋輥在使用過程中的失效形式分為正常磨損和非正常損壞兩種。軋輥從上機軋制到完成工作要求的壓制標準長度或標準重量（即通常所說的通過量），或者生產(chǎn)不同產(chǎn)品需求的軋輥參數(shù)如凸度、凹度、粗糙度等因損耗超出了要求的范圍后，進行有計劃的更換修磨，這種情況叫做正常磨損。非正常損壞是指軋輥因操作失誤以及各種事故造成無法完成正常工藝軋制。本文主要針對我司軋輥失效形式中裂紋以及輥面剝落形式進行探討。

2.1 表面裂紋

2.1.1 疲勞裂紋的產(chǎn)生。鋁板箔軋輥本身耐磨性很高，可發(fā)生的塑性變形極小，淬硬層較深。軋輥表面采用淬火和回火工藝進行處理后，表面硬度可以達到肖氏100左右的硬度，高硬度導致表面材質(zhì)極脆，開裂敏感性高。工作過程中，工作輥輥身溫度在70℃～90℃范圍內(nèi)，而軋輥表面與帶材接觸點處瞬時溫度可高達200℃以上。輥身表面受瞬間高溫影響急劇膨脹受壓應力，表層以內(nèi)形變不明顯，兩者之間產(chǎn)生拉應力。當軋輥與帶材脫離時，由于軋制油的冷卻作用，表面溫度快速降低，應力狀態(tài)由壓應力變?yōu)槔瓚Α＼堓伱垦h(huán)一周，表面拉應力與壓應力交變一次，長時間工作以后，軋輥表面會產(chǎn)生一層晶粒錯位的脆硬層，即疲勞層，如果繼續(xù)進行長時間軋制工作，表層以及次表層會逐漸產(chǎn)生細微裂紋。

2.1.2 事故裂紋的產(chǎn)生。在生產(chǎn)過程中，存在軋制工藝不合理、操作失誤或者設(shè)備故障等狀況以及噴淋量不足或者噴淋不均勻、軋輥驟冷驟熱、壓下量過大、軋制超負荷等情況，會導致粘鋁現(xiàn)象的產(chǎn)生。當出現(xiàn)上述事故時，輕者會出現(xiàn)表面回火，形成局部軟點；重者輥面受到熱沖擊時發(fā)生塑性變形，塑性變形的應力狀態(tài)由壓應力瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚Γa(chǎn)生的回火過程使局部體積膨脹而使得拉應力瞬間增大，導致在回火局部的表層及次表層形成裂紋。

2.1.3 磨削加工不當導致的潛在隱患。軋輥磨削過程中，不合理的大進刀量或進刀量突然加大等錯誤操作會使得輥面產(chǎn)生較大面積或者局部燒傷。即使表面看不到燒傷痕跡，在磨削液的冷卻作用下，對軋輥近表面局部區(qū)域的影響相當于二次淬火，導致晶粒錯位或者變異，軋輥長時間使用后會在表面產(chǎn)生裂紋。

2.1.4 軋輥本身導致的裂紋。制作軋輥時采用的材料、材質(zhì)、熱處理過程或者加工工藝等如果不符合相關(guān)要求，通常會在軋輥內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，屬于軋輥本身的制造

缺陷。

2.2 軋輥失效剝落的產(chǎn)生

鋁冷軋機在工作過程中會發(fā)生軋輥剝落失效，原因可以分為以下五類：

2.2.1 軋輥原材料缺陷：鋁冷軋機的軋輥在冶煉、燒鑄、鍛造過程中，如果出現(xiàn)液析、帶狀、塊狀、網(wǎng)狀和樹枝狀等缺陷，超過一定量時，將導致鋁軋機軋輥在工作過程中出現(xiàn)剝落。

2.2.2 軋輥調(diào)質(zhì)余量不足。鋁冷軋機軋輥調(diào)質(zhì)前的加工余量與軋輥的最終使用性能具有很大關(guān)系。軋輥冷加工過程中，加工余量一般控制在3～4mm，過大或過小都會造成輥面質(zhì)量下降，在工作過程中會出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。

2.2.3 軋輥淬火工藝不合理。鋁軋機軋輥淬火是軋輥生產(chǎn)工藝中最重要的處理環(huán)節(jié)，淬火不合理將會導致軋輥表面晶粒粗化。C的分布和表面隱晶狀M組織不理想，導致軋輥在使用過程中出現(xiàn)剝落。

2.2.4 軋輥淬火軟點。軋輥淬火時如果冷卻速度不夠，輥面淬火后得不到全M組織，反而會出現(xiàn)珠光體類型組織，使得軋輥表面出現(xiàn)軟點，導致軋輥在使用過程中出現(xiàn)剝落。

2.2.5 軋輥淬硬層深度淺。我司鋁冷軋機工作輥（材質(zhì)MC3）和支撐輥（材質(zhì)9Cr2Mo）輥面淬硬層深度一般為30～45mm，如果淬硬層深度在加工過程中達不到這個標準，將會導致輥面的壓應力和芯部的拉應力位置接近，導致工作過程中軋輥脫落。

3 預防措施

通過上述分析，軋輥疲勞裂紋或者剝落的主要原因是應力集中，通過減少應力集中可以預防因使用原因造成的疲勞破裂。

在制造環(huán)節(jié)，合理選擇軋輥材質(zhì)，制定詳細的加工工藝，嚴格按照技術(shù)要求進行軋輥的熔煉、鍛打以及深加工和相應的熱處理，避免因為制造缺陷造成的軋輥裂紋或者剝落。

3.1 軋輥磨削工藝的優(yōu)化

3.1.1 確定合理磨削量。軋輥工作過程中，疲勞層磨削量以表面硬度檢測數(shù)值恢復到正常硬度范圍為依據(jù)，結(jié)合長期軋輥磨削及使用經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行考慮，確定合理磨削量。磨削量過小會使得疲勞硬化層不能充分消除，出現(xiàn)裂紋的幾率升高；磨削量過大，則會造成不必要的軋輥消耗。

3.1.2 優(yōu)化輥面力學性能。合理的磨削工藝可以優(yōu)化軋輥表面力學性能，有效避免疲勞裂紋產(chǎn)生。粗磨削時選擇粒度大、組織粗的砂輪，并控制進刀量不要過大，減少磨削殘余應力，反復走刀數(shù)次，可確保輥面疲勞硬化層磨盡。精磨削時選擇粒度小、組織細的砂輪，增加精磨與拋光的次數(shù)，可有效減少表面殘余應力。磨削過程中采用大流量優(yōu)質(zhì)磨削液，帶走磨削熱量，降低磨削區(qū)溫度，減少表面殘余應力。

3.2 采用有效軋輥管理及維護使用方法

3.2.1 加工中軋輥表面殘余應力不可能完全消除，對于每對輥磨削前后的硬度值要長期跟蹤，掌握軋輥性能狀態(tài)，及時修訂磨削工藝。對于拆卸下來的軋輥應記錄軋制工作時間、軋制噸位以及換輥原因。軋輥每重新磨削一次應記錄完整工藝數(shù)據(jù)。在軋輥尚未冷卻到許用溫度時不盲目地對軋輥進行磨削，確保在磨削過程中，將熱變形帶來的應力變化減小到最低程度。

3.2.2 大壓下量可以提高生產(chǎn)效率，減少加工費用，但也會帶來產(chǎn)品質(zhì)量的缺陷和軋輥的急速損耗。合理選擇軋制力、壓下量等參數(shù)，可避免對輥面不必要的重載荷沖擊和過度的疲勞損傷。

3.2.3 軋輥表面出現(xiàn)疲勞裂紋時，如果不及時發(fā)現(xiàn)和修磨，會導致壓輥表面加深裂紋甚至剝落，這要求軋機主操作人員及時檢查，按規(guī)定進行換輥。

3.2.4 確保軋制油噴淋系統(tǒng)正常工作，在軋制工藝允許的情況下加入極壓添加劑，改善油的粘度，減少軋輥磨損、緩解熱疲勞、降低軋制力、改善軋制時應力狀態(tài)，穩(wěn)定軋制輥系。

4 結(jié)語

鋁冷軋機工作過程中，軋輥工作環(huán)境多變，周期性交變應力明顯，此外軋輥制造過程中也會存在缺陷，這就要求采用優(yōu)化的方法進行加工，并且應用系統(tǒng)管理方法，預防軋輥疲勞破裂的產(chǎn)生。

參考文獻

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[2] 唐光昕，陳瑞庭.提高出軋輥疲勞壽命的有效途徑

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作者簡介：楊寶洲（1982—），男，廣東韶關(guān)乳源東陽光精箔有限公司設(shè)備主任，研究方向：鋁冷軋機的設(shè)備管理和維護。