1、图 1轧辊剥落面近照锻钢轧辊剥落的原因分析高鑫，辛胜鹏，刘建宁，曹梦扬（中钢集团邢台机械轧辊有限公司轧辊复合材料国家重点实验室，河北邢台054000）摘要：针对在某钢厂轧线上出现的平整机工作辊大面积剥落的现象，选取裂纹源处的部分断口试样进行金相检测，并选取有代表性的剥落块在日立 S3700 扫描电镜下进行断口分析，对断口形貌进行观察，并检测微区成分，综合分析导致锻钢轧辊大面积剥落的原因，相关分析结果对于锻钢轧辊的使用有一定的指导意义。关键词：锻钢轧辊；金相；剥落中图分类号：TG333.17文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）09-0038-030引言锻钢系轧辊冶炼采用精炼并电
2、渣重熔，锻造采用锻粗拔长变形工艺，热处理采用调质、感应淬火低温回火等，最终使轧辊的辊身工作层具有均匀一致的高硬度、高耐磨性以及优良的抗事故能力。冷轧工作辊是轧钢过程中的重要部件，其质量的好坏直接影响带材表面质量以及轧制生产效率。冷轧辊的发展是在冷轧行业的拉动和轧辊制造相关技术的推动下前进的。从冷轧行业的需求来看，现对轧辊粗糙度保持性能、耐磨性、抗事故性能、均匀性等指标的要求越来越高。锻钢系轧辊在工作过程中要承受很大的轧制应力，加上轧件的焊缝、夹杂、边裂等问题，容易导致瞬间高温，使工作辊受到强烈热冲击，造成裂纹、粘辊、剥落甚至报废。因此，冷轧辊要有抵抗因弯曲应力、扭转应力、剪切应力引起的开裂和剥
3、落的能力，同时也要有高的耐磨性、高的接触疲劳强度、高的断裂韧性和热冲击强度等。所以如何提高轧辊的使用寿命，一直是轧辊制造业面临的重大问题。锻钢系轧辊的使用寿命不仅取决于制造质量，而且与使用过程中的维护密切相关。如果使用方式不当，使用效果将会发生极大变化。疲劳剥落是轧辊使用中最常见的失效形式，它起源于轧辊表面的疲劳裂纹，这种裂纹上机前若不能彻底去除掉，将会在淬硬层内疲劳扩展，形成典型的疲劳带，而后产生疲劳剥落。所以当轧辊表面出现微裂纹时，如不及时除去，随着轧制的进行，微裂纹会同时沿着径向和周向慢慢扩展，进而发生剥落，严重时径向扩展的深度会到淬硬层深度位置。如果淬硬层很深，淬火时在内部出现裂纹的可
4、能性就增加，这样发生剥落时将直接造成报废，损失较大。近期，在某钢厂轧线上出现的平整机工作辊大面积剥落的现象，严重影响到了轧钢的生产，图 1 为轧辊剥落面扩展条带的近照。根据轧辊剥落面形貌可以看出，在剥落面中部有多条明显的扩展条带，根据该断口宏观形貌判定，该辊为典型的表层裂纹扩展引起的剥落，且扩展带有多条，说明表层裂纹不止一处。为进一步分析原因，在实验室选取裂纹源处的部分断口试样进行金相检测，并选取有代表性的剥落块在日立 S3700 扫描电镜下进行断口分析，观察断口形貌的同时进行微区成分的检测，综合分析导致锻钢轧辊大面积剥落的原因。1金相检测随着金相学分析研究手段的不断进步，使得对金属的组织结构
5、有了更加深刻的认识，主要借助光学显微镜对金相组织进行分析。实验室人员用水磨砂纸（400#、600#）和 M-2A 金相试样预磨机对锻钢轧辊裂纹源处断口试样进行粗磨、细磨，然后用 P-2B 金相试样抛光机对磨光面进行抛光，直到抛光成镜面，在德国 zeiss 生产的Observer.A1m 研究级金相显微镜下观察夹杂物分布情况，并利用质量分数为 4%的硝酸酒精侵蚀后观察金相组织，夹杂物和金相组织照片如图 2 所示。金相检测显示：利用国标 GB/T 10561 的标准检测试样的夹杂物评级均为 C 类细系 0.5 级、D 类细系1 级、粗系 0.5 级，金相组织均为细针马氏体+碳化物，利用国标 GB/
6、T 6394 的标准评价晶粒度级别为9.511.0 级，马氏体级别均为 2 级。观察微观硬度，剥落块沿径向厚度为 10 mm，从辊面开始，沿径向每隔 2 mm 检测一点显微硬度，共检测 5 点。基体显微硬度（HV0.2）为 752766。总之，金相检测未见明显异常。收稿日期：2023-08-11第一作者简介：高鑫（1983），男，河北沙河人，毕业于河北工业大学，硕士研究生，主要从事实验室检测相关工作。总第 212 期2023 年第 9 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 212No.9，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.09.015试（实）验
7、研究2023 年第 9 期2-1夹杂物 12-2夹杂物 2100 滋m100 滋m图 4微观断面底部电镜照片图 2夹杂物及其金相组织照片2扫描电镜检测现代的电子显微镜技术大大提高了显微镜的分辨能力。电子显微镜的最大特点是分辨率高、放大倍数高，在光学显微镜下分辨不清的组织，在电子显微镜下可一目了然；电子显微镜的景深长，这对于分析断口十分有利；电子显微镜还可进行电子衍射，把对合金相的形貌观察和结构分析结合起来，便于鉴定物相；还可直接观察晶体的缺陷以及某些材料的沉淀过程。选取典型断口试块，根据试块断口形貌可以发现，裂纹从试块芯部向外扩展，具有呈放射状扩展的特征。因此，初步判断裂纹源应位于此试块的芯部
8、。断口宏观形貌如图 3 所示。为进一步了解具体断口形貌，采用电镜对图 3中试块断口进行微观形貌检测。把剥落块断口放入盛有无水乙醇溶液的烧杯（100200 mL）中，然后整体放入 KH5200 超声波清洗器中，调整到相应的频率（1020 Hz），计算好相应的时间（1030 min），更换新的无水乙醇溶液反复清洗 23 次，清洗好用吸水纸吸干并用吹风机吹干净，用导电胶把试样固定在圆盘上，断口面朝上，放入 S-3700N 扫描电子显微镜中，开始抽真空。当真空度小于 1 Pa 后，打开高压，利用二次电子观察方法调清楚图像，在裂纹源的位置发现晶界和针眼的典型氢脆导致的断口形貌，电镜照片如图 4 所示。从
9、图 4 的断口形貌可以看出，将缺陷底部圆圈区域放大后有明显沿晶石状断裂的特征，进一步放大5 000 倍后的电镜照片中可以清楚看到晶界以及针眼状的断口形貌。裂纹源头存在沿晶断口和针眼状形貌，都是氢致断口的典型特征。为了更深一步的验证，需继续分析断口形貌。另选取出现异常的小掉块断口进行观察分析，在断口上发现台阶状的几何花样，这些台阶花样是由吸氢裂纹导致的典型形貌，如图 5 所示。同样把图 5 的断口放入盛有无水乙醇溶液的烧杯（100200 mL）中，经超声清洗制好样后，使断口面朝上，放入 S-3700N 扫描电子显微镜中观测（见图 6），开始抽真空。当真空度小于 1 Pa 后，打开高压，利用2-3
10、夹杂物 1 金相组织（100）2-4夹杂物 2 金相组织（100）2-5夹杂物 1 金相组织（500）2-6夹杂物 2 金相组织（500）图 3断口宏观形貌4-1204-25004-33 0004-45 000图 5宏观断口照片100 滋m100 滋m20 滋m20 滋m高鑫，等：锻钢轧辊剥落的原因分析39窑窑山西冶金E-mail:第 46 卷性能的影响J.材料研究学报，2011，25（2）：215-78.4陈芙蓉，李仕慧，郭锋，等.铈对 AZ91D 镁合金组织和力学性能的影响J.铸造技术，2009，30（2）：203-206.5冒国兵，刘琪.锶对 AZ91 镁合金铸态组织和力学性能的影响J.
11、铸造，2010（6）：614-617.6阮爱杰，马立群，潘安霞，等.镁基复合材料制备工艺研究进展J.有色金属，2011，63（2）：142-146.7高爱华，张建新.往复挤压 Mg-xSn-Al-Zn-Si 合金的组织性能及变形机制J.金属热处理，2019，44（1）：134-137.8马健，郭学锋，杨文朋，等.基于 DEFORM-3D 对 AZ31 镁合金往复挤压变形均匀性有限元分析J.塑性工程学报，2019，26（3）：17-24.9马春华，仲志国，赵亚忠，等.挤压态 AT95-xSb 镁合金高温力学性能及组织分析J.精密成形工程，2023，15（3）：81-88.10武卫民，孙晨宇.挤锻
12、复合成形汽车高强镁合金的组织与性能J.锻压技术，2022，47（12）：27-30.11何鹏飞，何维均，刘国佳，等.AZ31 镁合金波纹坯料轧制后的微观组织与力学性能J.材料热处理学报，2022，43（11）：27-38.（编辑：郭萍茹）Effect of Reciprocating Extrusion Path on the Microorganization Evolution of Mg-5Sn-Si-0.2Sb Vehicle PlateYuan Tao,Zhao Yuewen（Department of Mechanical Engineering,Taiyuan Institute
13、 of Technology,Taiyuan Shanxi 030008,China）Abstract:Considering that the impurity particles,component segregation and shrinkage holes cannot be completely eliminated during thecasting stage,the mechanical strength of the alloy will be significantly reduced.The multi-pass extrusion process can be use
14、d to obtain bettermicrostructure of the alloy.In order to improve the performance of Mg-5Sn-Si-0.2Sb magnesium alloy for automotive lightweight，the effectsof extrusion passes on the microstructure evolution of MG-5Sn-Si-0.2Sb magnesium alloy were studied by reciprocating extrusion at 300.The results
15、 show that finer grains and the second phase are formed after increasing the extrusion passes,which decrease to 7.4 滋m afterextrusion passes.Key words:reciprocating extrusion;magnesium alloy;microorganization;mechanical properties图 6小掉块微观断口电镜照片二次电子观察方法调清楚图像，在小掉块的位置发现浮云状的典型氢脆断口的形貌。浮云状的断口形貌同样解释了断裂过程中存
16、在气体，轧辊表面长时间轧制会出现疲劳裂纹，冷却液沿裂纹渗入到轧辊的次表层，从而聚集产生气体，导致针眼状气孔，多处气体汇聚最终导致了轧辊大面积的剥落。3结论结合金相检测和断口分析，本次锻钢轧辊辊身大面积剥落为表层裂纹引起，轧制过程中氢元素通过表层裂纹渗入轧辊次表层，在轧辊次表层产生吸氢裂纹，在高负荷轧制力下，多处氢致裂纹导致辊身大面积剥落。（编辑：武倩倩）6-25006-31 0006-1100Cause Analysis of Spalling of Forged Steel RollGao Xin,Xin Shengpeng,Liu Jianning,Cao Mengyang（State K
17、ey Laboratory of Roll Composite Materials of Sinosteel Xingtai Machinery Roll Co.,Ltd.,XingtaiHebei 054000,China）Abstract:In response to the phenomenon of large-scale peeling off of the work roll of a temper mill on a certain steel mill rolling line,aportion of the fracture samples at the crack sour
18、ce were selected for metallographic examination,and representative peeling blocks wereselected for fracture analysis under Hitachi S3700 scanning electron microscope.The fracture morphology was observed,and the micro zonecomposition was detected to comprehensively analyze the reasons for the large-scale peeling off of forged steel rolling rolls.The relevantanalysis results have certain guiding significance for the use of forged steel rollers.Key words:forged steel roller;metallography;spalling（上接第 5 页）40窑窑
