|
轧辊辊颈断裂分析
陈联满
(马鞍山钢铁股份有限公司钢研所，马鞍山243000)
摘 要：通过对断裂轧辊辊颈的化学成分、力学性能、断口及高低倍组织分析，认为碳含量较低和大面积条、网状渗碳体等缺陷是导致辊颈断裂的主要原因。
关键词：轧辊辊颈；断裂；渗碳体
1 概况
轧钢厂在轧辊库房吊运轧辊过程中，当吊离一根堆垛在两根轧辊之间的上一层轧辊时，下层两根轧辊自然相向滚动靠拢，引起辊身相碰，其中一根轧辊辊颈发生瞬间震断。断裂轧辊由国内某轧辊厂制造，质保书中产品号为ITLA7033，辊号为004，规格为<700mm×2300mm，重8.84t，属于镍、铬、钼无限冷硬球墨铸铁轧辊。
2 检验结果
2.1 宏观检验
断口位于直径为370mm的辊颈凹槽直角处，距辊颈端面约600mm。断裂面垂直于辊身轴线，断口平整，无明显塑性变形，呈脆性断裂特征。因断后存放时间较长，表面已锈蚀，断裂源隐约可寻，略偏于断面中心。断口宏观形貌见图1。此外，在取样过程中，辊颈圆周面车削至直径270mm时，发现圆周表面出现较多浮凸亮斑和坑痕。坑痕直径3～7mm。坑底部正视为灰黑色，迎光斜视有闪光亮点，见图2。
图1 断口宏观形貌
图2 辊颈亮斑与坑痕
2.2 取样
断口圆周面车削至直径270mm时，用车床割刀切割成两块圆饼，一块为断口面，一块紧靠断口面之后(图3)，厚度分别为30mm和10mm。理化检验取样部位见图3，图中虚线为辊颈圆周面，实线为车削后的断口圆周面。
图3 取样示意图
2.3 化学分析
化学成分分析结果见表1。表中碳含量重新取样复验两次，均为1.93%左右，远低于标准中球墨铸铁的成分范围。
2.4 低倍检验
低倍试样经50%盐酸水溶液热浸蚀，低倍组织稍粗，试样面上有闪光点，心部有直径约65mm的疏松孔洞区，见图4。
图4 低倍组织 1∶3
2.5 力学性能
2.5.1 硬度测定
对轧辊进行了现场肖氏硬度测试，硬度取三点平均值，辊身硬度为75HS，辊颈为43HS。辊颈截面硬度测试是在酸蚀前的低倍试样上进行的，结果见图5，图中两点间隔为20mm。图5表明辊颈从心部到表面无明显的硬度变化梯度。
图5 轧辊截面硬度分布(HS)
2.5.2 拉伸试验
按图1所示部位取三根拉伸试样。检验结果，抗拉强度σb分别为245，220和255N/mm2，此值低于GB/T1504-1991中规定的σb不小于294N/mm2；塑性指标趋近于零，即δ5和ψ均为零。
2.6 微观断口分析
1～3号断口试样取自断裂源区，断口经化学法和超声波清洗后，用SEM235C扫描电镜观察。三个试样断裂面上均分布着较多粗大网状和长条状渗碳体，微观裂纹源均起源于网状、条状渗碳体，见图6和图7，基体为解理断裂。
图6 断口微观形貌 300×
图7 断口微观形貌 100×
2.7 金相检验
三个试样的金相检验结果基本相同，试样侵蚀前按GB/T9441-1988标准评定，石墨球化为3～4级，石墨大小为4～5级，试样面石墨数量较少。侵蚀后组织为珠光体+粗条状渗碳体+网状渗碳体+少量铁素休，见图8。图9是3号试样(辊颈心部)疏松孔洞组织。图10为位于表面坑痕处的显微组织，长条状一次渗碳体呈族分布。
图8 轧辊之显微组织
100×
图9 辊颈心部之显微组织
100×
图10 位于表面坑痕处的显微组织 100×
3 结果讨论
无限冷硬铸铁轧辊的正常组织是外层碳化物 (FeC3)含量为25%～35%和2%～4%的粒状石墨，内层碳化物含量约5%。但断裂轧辊金相分析结果表明，辊颈截面从外层到心部组织基本相同，组织中存在较多大面积粗条状、网状渗碳体，显然属于铸造缺陷组织。这种大面积脆性相的存在，必定严重地削弱金属基体界面结合力，增加界面脆性，导致材料变脆，强韧性指标大幅度下降。同时组织粗大、球化欠佳、心部疏松孔洞区的存在，都会使材料内应力增大，力学性能下降。因此在辊身相碰时，在外加震动应力与内应力的交互作用下，以脆性相和一些缺陷为核心，萌生出裂纹。由于材料较脆，裂纹一旦萌生，便立即扩展产生瞬间断裂。这种断裂途径与扫描电镜断口观察的裂纹沿条、网状渗碳体解理扩展相吻合。
辊颈车削中发现坑痕与浮凸亮斑，根据金相和断口分析结果，其主要是成族分布的条状渗碳体所致，这些部位既硬又脆，在切削应力作用下，有的发生剥离形成坑痕，末剥离的则形成浮凸亮斑。化学分析结果表明，碳含量仅为1.93%，远低于球墨铸铁碳含量范围，比质保书中的碳含量3102%低1.09%。根据含硅量为2.4%的铁-碳-硅平衡相图[1]，碳含量1.93%对应的液固相线温度约为1360℃，碳含量3.02%对应的液固相线温度约为1240℃，即碳含量降低1%左右，铁液的液固相线温度随之升高100℃左右，在浇铸时，若乃按球墨铸铁的浇铸温度(大约1350℃)进行浇铸，此时铁液温度已处于液2固两相区范围内，属于低温浇铸，铁液的粘稠性必然较大，流动性也较差。液体结晶凝固时体积局部收缩形成的孔洞，因流动性差不能及时补充而产生疏松与缩孔；另外在液固相变过程中，亚共晶铸铁结晶间隔随碳含量降低而增大，结晶间隔增大也就意味着结晶过冷度增大。其次冷硬型铸铁轧辊都采用金属型铸造，铸造凝固冷却速度比较大。从相变动力学上看，过冷度大，冷却速度大，有利于形成亚稳定相渗碳体，不利于形成稳定相石墨，这与金相试样面石墨数量较少、球化质量欠佳和组
织中出现大量渗碳体的结果一致，即组织缺陷是由碳含量较低引起的。
4 结论
综合上述检验结果，辊颈受震断裂，主要是轧辊组织中存在大面积连续粗条状、网条状渗碳体等缺陷造成；辊颈机加工切削面出现的坑痕和浮凸亮斑是成簇分布的条状渗碳体所致；而轧辊组织缺陷是由碳含量较低引起的。
|
