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70Cr3Mo精轧支承辊剥落原因探讨_董晓

鞍钢技术

70Cr3Mo精轧支承辊剥落原因探讨

董　晓　王兆毅隋晓红　谭　真

(鞍钢半连轧厂) (鞍钢技术中心)

摘要　对70Cr3M o精轧支承辊大面积剥落的失效破坏情况进行了较为深入的分析。

阐明了轧辊内部存在的缩孔、气囊及热处理不当缺陷是造成轧辊剥落的主要原因。通过对

支承辊工作条件下交变弯曲应力、接触应力的计算,揭示了支承辊剥落的疲劳失效实

质。

关键词　支承辊　剥落　分析

Discussion o n the Causes of70Cr3M o Back-up Roll

Spalling of the Finishing Mill

Dong Xiao Wang Zhaoyi Sui Xiaohong Tan Zhen

(AISC Semi-continuo us Rolling Mill Plant) (AISC Technolog y Center)

Abstract　It has been deeply a na ly sed to the destroied co nditio n of the heav y spalling o n 70Cr3M o back-up roll of a finishing mill.This a r ticle sug gested the main causes of ro ll spalling, which we re g as h oles,shrinkag e pipes and the wr ong heat treatme nt.Th rough the calculatio ns of alter nativ e be nding stress a nd the contact stress,the fatigue centr al po int of the back-up ro ll spa lling is review ed.

Key Words　back-up r oll　spalling　analysis

1　前　言

连轧机精轧支承辊作为轧钢机的主要工作部件,造价高、耗量大。由于在工作时承受着巨大的旋转弯曲应力,要求其材质不但要具有较高的强韧性能,而且还要具备综合性能优良的冶金质量,以满足使用过程中轧制力传递的连续性以及在许用范围内,表面车

董晓　工程师　鞍钢半连轧厂

邮编　114021削加工再造的要求,达到最大限度地发挥材料潜能之目的。鞍钢半连轧厂1997年5月购入的一批连轧机精轧支承辊,使用中发现其中有4支辊早期失效。失效类型有二:一是表层大面积剥落;二是沿轴向开裂,由此给现场大生产造成300多万元的经济损失。

剥落是轧辊失效的常见形式之一,国外有关金属加工工业用轧辊专著〔1〕在轧辊的质量综述中曾专门就轧辊剥落的内因及外因做了简要介绍。本文试图从理论与实际的结合入手,对连轧机精轧支承辊的剥落原因进行较深入的探讨,以作今后轧辊生产、安装和使

用的借鉴。

2　失效轧辊概况

失效精轧支承辊材质为70Cr 3Mo 钢,其

化学成分如表1所示(生产厂家提供)。其工艺为:冶铸—锻造—机加工—喷雾淬火(淬硬深度为70mm )—回火热处理。轧辊直径为1250m m ,连轧板宽度为1700m m ,辊子全长为5130mm,最大轧制力为20M N,辊子单重为24t 。4支失效轧辊的使用情况如表2所示。

表1　支承辊钢的化学成分

辊号C

M n

P Cr

M o

6930.630.480.500.0070.01

2.790.48

7120.620.500.500.0060.018 2.900.457040.600.510.530.0050.019 2.800.49705

0.630.520.560.006

0.015 2.810.460.28

表2　4支失效轧辊使用情况

辊　号上机次数

轧钢量,t 报废直径,mm

693231066780123671210508171124170472094881242705

880000

1240

3　支承辊失效状态分析

3.1　支承辊剥落损伤及断口分析

支承辊大面积剥落的位置和形貌如图1所示。其中693辊的剥落位置在轧辊的传动

端。掉块尺寸约为600mm ×500mm (宽×周长),最厚处靠近辊身一端,厚达65m m,最薄处为15mm 。随着离开辊身端距离的增加而逐渐减薄,至距离为650m m 处,突然减薄至15mm 。712辊的剥落是从辊身中间起源,向两端延伸,掉块厚度最厚处达60mm ,且残存有多块剥离碎片。值得注意的是,有的样块呈现为相互平行分开的两层。另外两支轧辊的剥落特征与以上两轧辊相类似。因此本文选择693号和712号做详细分析。

断口有明显的疲劳破坏面和静力破坏面。693号疲劳破坏面非常光滑,其主裂纹源位于距辊身一端100m m 处。在向薄层过渡的曲面上,呈现出明显的疲劳贝壳花样,显示出裂纹的扩展方向,属于多源疲劳剥落。712号辊主断口面为沿轧辊环向的曲面,在深层向浅层过渡带上有许多台阶线,疲劳破坏面虽然也很光滑,但面积比率比693号辊小,而静力破坏面大,如图1所示。

693号辊 712号辊

图1　支承辊剥落断口宏观形貌图

3.2　支承辊工作应力状态分析

连轧机在工作中,支承辊承受轧制力,与

工作辊相接触的辊面有接触应力,支承辊转动中有弯曲力矩的作用,接触区还存在切应

力,支承辊辊身中部承受最大弯曲力矩和最大弯曲应力的作用〔2〕。现参照图2分别进行计算

。

图2　支承辊和工作辊应力计算示意图

已知两个辊子直径分别为D z 、D g ,b 为轧板宽度,a 为支承辊辊身轴承间距,轧制力P =20MN 。

(1)辊身断面弯曲力矩

　M D =P (a 4-b

=20×106×(1.94-1.7

)

= 5.25(M N ·m )

支承辊与工作辊承受弯曲力矩有如下关系:

M z M g =(D z

D g

)4因为:M z +M g =M D

所以:M g =M D

13+1

≈0.375(MN ·m )M z =13M g =4.875(MN ·m)同理,轧制力的分配情况是:

P g = 1.43M N

P z =18.57MN

由此可见,支承辊在轧钢过程中承受更大的载荷,这种载荷是复杂的交变载荷。

(2)支承辊与工作辊辊面接触应力在两辊材质相同的条件下,其泊松比取0.3,所以,λmax =0.418

qE (r z +r g )

r z r g

式中:　q ——加在接触表面单位长度上的负荷;

r z 、r g ——支承辊和工作辊的半径; E ——轧辊材质的弹性模量。

q =P b =20

×106

1.7=11.8(M N /m ) E =196GPa

λmax =0.418

11.8×196000×(0.625+0.33)

0.625×0.33

=1368M Pa

可见这个接触应力是很大的,但是它对

轧辊不致于产生很大危险,因在接触区材料

变形似三向压缩状态,能承受较高应力。

(3)支承辊接触区的切应力

该切应力在表面深度Z =0.39k 时达到最大值,k 为工作辊和支承辊接触压扁宽度。轧钢现场经验计算给出半连轧轧机支承辊接触区辊径压缩量为0.1m m,经计算得出k =22mm ,于是Z =8.6mm ,f max =0.304,e max =416M Pa 。这个切应力随着辊径的深入呈曲线下降,可深入到轧辊内部4k 甚至更深之处,

如图3〔2〕

所示。

图3　轧辊接触区切应力与深度的关系

(4)辊身中部最大弯曲应力

e max =M z 0.1D 3z = 4.8750.1×1.253=25M Pa 3.3　化学成分分析

对693号、712号辊分别进行化学成分

分析,结果列于表3。

表3　失效轧辊化学成分实测值

辊号C

M n

M o 6930.5730.4650.540.00220.010 2.880.441712

0.6000.4500.490.00410.0120.97

0.455

将表3所列数据与表1数据对比分析,两辊的碳含量均低,693辊偏差较大,712辊的铬含量远低于厂家给出的值。3.4　金相显微结构

从693

辊的某一裂纹源位置,由表至里

60mm 处及712辊的疲劳扩展区、瞬断区分别取样做金相显微观察,结果是693辊表层以下10mm 以内组织为马氏体+下贝氏体+残余奥氏体,此后贝氏体量渐增,到60mm 深处,贝氏体量达95%,且呈粗大针状,尚属正常的组织状态。可是检验中发现,在40mm 深处有多处与表面平行排列的孔洞,其尖端有向内部延伸扩展的微裂纹(图4)。这些孔洞属于分散缩孔或气囊的冶金铸造缺陷。

图4　693辊内部孔洞尖端的微裂纹扩展形态

712辊表层组织为马氏体+残余奥氏体,10mm 深处为马氏体+下贝氏体+残余奥氏体,到达20mm 深处出现了呈条带或团状偏聚的屈氏体。60m m 深处剥离面的金相组织为贝氏体+索氏体+屈氏体,在此区域

发现有若干条平行于剥离面且沿屈氏体条带开裂的微裂纹(见图5)。这属淬火冷却不当情况下形成的组织状态,测量其淬硬层深度为32mm ,未达到70mm 的要求。

+S +T 团裂纹沿屈氏体条带扩展图5

4　支承辊剥落原因分析

通过宏观断口分析、应力状态分析及显微组织检验,可以断定轧辊表面剥落开裂是

在工作中形成的。其剥落是由几种因素综合

作用的结果,本文对可能的因素从内因和外

因两个方面进行探讨。4.1　装配及操作因素

4支失效轧辊的装配方式与同批购入的其它轧辊完全一致,特别是当693轧辊上机次数仅为23次即发生开裂和大面积剥落时,

引起装配操作者的高度重视,在各支承辊的安装调试过程中认真全面地检查,特别是辊的平行度和辊间距等均符合安装要求。由此认为设备的安装是不存在问题的,在轧钢过程中也没有违反操作规程现象,故不能认定造成剥落开裂是操作不当所致。

4.2　化学元素的影响

连轧机精轧支承辊必须保持足够的强度与韧性,以保证辊身及辊颈能够抵抗巨大的轧制力。选用70Cr3Mo合金铸钢材质是比较合理的,即在较高的碳含量基础上,加入铬元素,如果两元素配比适当,可使钢得到良好的常温与高温综合机械性能及组织稳定性。添加1%以上的铬可以显著增加钢的淬透性,与钼的碳化物(Mo,Fe)23C6共同作用,更增加了钢的耐磨性和回火稳定性〔3〕。但在失效辊中,碳含量偏低,而且712辊的铬含量更低,这就不同程度地降低了轧辊的机械性能,这也是712辊出现淬火组织缺陷的最主要原因之一。

4.3　冶金质量及热处理因素

金相显微结构检验结果表明,693铸钢轧辊的冶金质量差,表面及至40mm深的基体中存在沿纵向分布的分散缩孔或气囊铸造缺陷,孔洞尖端应力集中,形成了疲劳裂纹的策源地,破坏了基体的连续性,降低了机械性能和疲劳强度〔4〕。712辊虽然不存在上述冶金缺陷,但其调质热处理淬火冷却不当,造成淬硬层过薄,且淬硬层与心部的过渡区出现呈条带或团状分布的屈氏体,形成一种不合理的组织结构。像70Cr3Mo这样高淬透性的合金钢在一定深度范围内出现回火索氏体或屈氏体组织,当强度极限为900～1000M Pa 时,钢对应力集中最敏感,其应力集中区域的疲劳极限大为降低〔5〕。由此可见,冶金质量缺陷和热处理组织不合理,是70Cr3M o支承辊疲劳极限降低并产生剥落的重要原因。

4.4　复杂交变应力的作用

失效支承辊工作时的转速在0.8～12.8r/s的范围内,所受18.57M N的轧制力和很大的弯曲力矩,对于转动辊身的每一个随时变化的压扁宽度k而言,仍属复杂交变应力。这种交变应力状态下发生的破坏属疲劳破坏,其破坏强度要比静应力下明显降低。这种疲劳破坏常常是在表面产生微观裂纹,随后延伸而深入到金属体内〔6〕。轧辊材料内部的应力越高,破坏前经历的循环次数就越少。

4.5　接触应力的作用

前面已经计算出支承辊与工作辊接触应力高达1400M Pa,最大切应力为400M Pa,并可深入至辊面以下80m m处。有关专著〔5〕指出:接触应力值既影响轧辊的裂纹疲劳极限,也影响其断裂疲劳极限。接触的不利影响随承受交变应力的轧辊材料强度的提高而加剧,它甚至可能使轧辊的疲劳极限降低到原来的1/3～1/4。裂纹随循环次数的增加而慢慢扩展。在接触应力的作用下,合金钢的疲劳极限不仅不比碳钢高,反而稍逊于它。合金钢对应力集中的敏感性明显高于碳钢。

本文认为接触应力对支承辊剥落产生最重要作用的是其切应力,它的作用深度几乎正好是支承辊出现缺陷或淬硬层的厚度,也恰是应力集中,容易形成裂缝的部位。随着这种应力的交替变化,裂纹便逐步向周围扩展,裂纹周边的材料时而分离时而压紧,时而向前时而向后相互错动,发生类似研磨的作用,因此形成了光滑的扩展面〔7〕,最终造成支承辊的大面积剥落。

从支承辊承受着三向压应力状态分析,这种较高的压应力也并不能成为裂纹产生与扩展的抑制因素。因为微观裂纹的产生与扩展是由循环塑性应变所引起的,它的产生取决于载荷循环中最大分循环剪应力的大小,微观裂纹可能在承受完全压缩载荷循环时形

成〔6〕。

有关专著〔1〕还指出:轧辊本身的大块剥落是从表层和次表层开始,并且常由疲劳裂纹顺着剪切面向上和向下扩展而形成的。712辊的断裂特征完全证实了这一论述。

5　结　论

鞍钢半连轧厂连轧机精轧支承辊发生大面积剥落失效,这是由几种原因综合作用的结果。就693辊和712辊而言,虽然两者的缺陷特征不尽相同,但其最终剥落方式相近,由此得出以下结论:

(1)轧辊材质中起强化和提高淬透性作用的碳元素含量偏低,712辊的铬元素含量还远低于规定值,这些对性能都产生不利影响。

(2)693辊内部存在缩孔和气囊,破坏了辊基体的连续性。712辊由于铬含量低,造成淬硬层不足,过渡区出现团状或条带分布的屈氏体,这些冶金组织结构就是疲劳裂纹形成的根源。

(3)轧机工作时,支承辊与工作辊之间存在高达1400M Pa的接触应力,而这种接触应力的切应力部分超过400M Pa,并可深入至支承辊表面以下80mm处,这就是造成轧辊剥落最重要的外部条件。

(4)轧辊内部的冶金及热处理缺陷中的各种残余应力与接触应力的切应力交互作用,在缺陷处不断形成疲劳裂纹并快速扩展,当达到一定的循环次数后,产生大面积剥落,其实质是轧辊的疲劳失效。

参考文献

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7　38所院校联合编写组.工程力学(下册).广西人民出版社,1978:171

(编辑　母晓东)

收稿日期:1997年11月5日

冶金文摘

纽柯伯克利小型厂年产180万t优质热、冷轧材设备投产

纽柯伯克利是纽柯钢公司建成的第三个扁平材小型轧钢厂,年生产能力180万t,这样,纽柯公司扁平材年生产总量超过560万t。建立伯克利小型轧钢厂的目的就是要生产优质热轧、冷轧和镀锌材料,作为特优钢材,应用于汽车制造、设备和建筑业上。使用这些钢材的地区主要是美国东南部和东部海岸地区。目前该厂轧机设备包括一座65t的双壳直流电弧炉、钢水包冶金站、一台配备在线隧道炉的薄板坯连铸机和一台6机架带材热轧机。

摘自《Iron and Steel Eng ineer》1997;10:15～26