锻钢支承辊剥落失效分析

刘义杰 赵席春 郭 峰

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

支承辊是各种轧机中的重要部件，其使用性能的优劣直接影响轧板产品的质量。支承辊的制造方法主要有铸造和锻造，其性能对比如表1所示。随着轧机向高速化、高性能化、自动化方向发展，对支承辊的性能要求也越来越高，虽然铸钢支承辊价格较低，但锻钢支承辊的强度和延展性更高，疲劳寿命更长，成为先进轧机的主流配置。复杂的使用条件使支承辊不时发生各种类型的失效，尤其以辊身剥落最为普遍。本文主要研究支承辊辊身剥落典型失效类型、失效原因和机理，提出补救和预防措施，提高支承辊的使用效率。

表1 锻钢和铸钢支承辊材料典型性能对比Table 1 The typical properties of backup roll of forged steel and cast steel

1 使用性能分析

支承辊的使用要求是：在保持表面粗糙度和辊型的前提下，在轧制周期内确保支承辊的完整使用，实现轧材质量和产量的最大化[1]。

支承辊的性能要求为：良好的强韧性；较高的硬度和耐磨性；高的抗接触疲劳和抗剥落性；足够的硬化层和过渡层深度；良好的冶金质量。其中有些性能是无法兼顾的，例如辊身硬度在一定范围内数值越高耐磨性越好，但随着硬度进一步提高，耐磨性也许还会升高，但韧性会下降，同时残余应力也会增大，抗剥落性开始下降，抗事故性也会明显降低。这就要求制造商综合考虑实际因素和前期使用效果，制定适合于不同轧机的技术要求。

支承辊使用性能的优劣与生产、使用和维护都有很大的关系。材料表面及内部质量、轧机类型、轧制方法、机架、轧制品种、放置位置、轧辊设计、检测方法、使用周期等多达20多种因素都会影响支承辊的单次上机和总体使用寿命。

在选择支承辊时，除满足基本的技术要求外，必须综合考虑轧机特性、操作条件和轧辊的维修设施后再确定规格、材质、硬度等参数，这样才能获得符合轧机要求的、具有最佳使用性能的支承辊[1]。

2 典型失效类型

支承辊在使用中的失效主要有剥落、断裂和表面痕迹三种形式，其中辊身剥落出现的机率最高，是支承辊失效的主要形式，所以很有必要对剥落的失效类型进一步进行分析。

2.1 边部崩碎性剥落

如图1所示，边部崩碎性剥落的典型特征是辊身边部(一般从端面至400 mm区域)表面有不连续的凹坑，坑内表面很不平整，凹坑较浅，且近表面磨得有些平滑。不连续的剥落坑周围常伴有变形痕迹，一些小的纵向裂纹通常会出现在剥落坑的边缘，因此其外形比后面介绍的疲劳剥落的外形要粗糙。

图1 支承辊边部崩碎性剥落形貌Figure 1 The edge flaking appearance of back-up roll

支承辊在工作中，主要承受摩擦力和接触应力，其中接触应力对辊身的剥落影响最大，深度较深。接触应力的反复作用使辊身形成一个疲劳硬化层，当接触应力超过此时材料临界强度，一些小的次表面裂纹会在疲劳层的底部形成。使用中疲劳层硬度升高越多，其剥落的机率就越大。在磨削后，如果辊身硬度比提供的原始轧辊硬度高出一定值，上机后也可能会出现这类剥落。

综上所述，支承辊在使用后，必须进行足够的磨削，将疲劳硬化损伤层充分磨削掉，恢复表面初始的硬度和冶金条件。可根据单位轧制压力的大小和轧制周期的长短来估量磨削深度。恢复初始硬度检测的方法快捷简便，能够指导磨削的深度。较好的方法是使用对损伤层检验灵敏度高的设备，如涡流和表面超声波探伤，检测表面质量以确定磨削深度。

2.2 表面裂纹衍生疲劳剥落

其主要特征是辊身表面大面积剥落脱离，如图2所示。剥落的底部有环圆周方向的光滑的疲劳轨迹面，形貌为疲劳痕(海滩痕)或“扇形”裂纹流线。图中黑色箭头指示的是疲劳痕迹扩展方向，与轧辊旋转方向相反，其逆指方向指向疲劳源，有时可根据逆指方向追踪到表面的初始裂纹。

通常认为，在支承辊材料性能正常的条件下，此类剥落大都是使用因素造成的。裂纹源为轧辊表面或近表面的热裂纹(轧制事故引起)或机械力引发的辊身痕迹(如裂纹、划伤、软点等)[3]。如未磨净上机，在后续轧制中这些缺陷会引发应力集中产生裂纹，并渗入到工作层和基体的硬度过渡带，此区域材料的断裂韧性明显升高，将裂纹扩展的低能途径限制在该临界断裂韧性值之下的辊身一定深度，所以裂纹变为切向环圆周扩展，到一定程度后引发大面积剥落。

图2 支承辊表面裂纹扩展疲劳剥落Figure 2 The fatigue flaking of backup roll due to surface crack expand

为避免此类失效，可采取如下措施：

(1)规范使用和维护。避免与轧机事故有关的轧辊损伤，诸如：软点、裂纹、辊印、划痕或任何可能作为应力集中的因素，如有事故立即下机处理直至缺陷消除才可上机。

(2)勿超期使用。如周期过长，表面裂纹有可能在轧制周期内产生、扩展甚至剥落，所以缩短轧制周期，可以降低表面剥落的机会。

(3)充分去除疲劳层，防止损伤积累。上机之前用硬度检测、涡流和表面超声波检测磨削，去除可能导致剥落的表面痕迹；如条件不具备，可加大磨削量，消除表面隐患。

2.3 肩部剥落

支承辊肩部剥落的特征为在较靠近辊身的边部剥落，俗称“掉肩”，如图3所示。一般剥落内表面显示有疲劳痕迹，如可见管状裂纹和扩展通道。此种剥落通常认为是有过高的应力作用于端部导致的，它可能是由于挤压、碰撞、滑痕、震颤、碎裂、倒角不足或轧辊磨损而产生的裂纹引起的剥落。大多数肩部剥落与工作辊磨损有关，小块边部剥落则与倒角不够有关。由于工作辊和支承辊的不均匀磨损，在工作中，支承辊辊型逐渐变为两边高，中间低，肩部压力远高于其他工作区域(高达3倍)，所以如果倒角不够、过量轧制或者工作辊辊型不佳都会导致肩部剥落[3]。采用合适的倒角尺寸、减少不均匀磨损的情况、控制单周轧制量等可使肩部剥落不再发生。

以上三种是支承辊的典型辊身剥落形式，除此之外还有轧制事故直接造成的辊身剥落、辊身硬度不合格等其他材料质量引起的辊身剥落等。

图3 因肩部倒角不当造成的肩部剥落Figure 3 The shoulder flaking due to improper chamfer angle

3 预防与改进措施

产品质量和使用技术都可能造成支承辊的失效，在失效分析中，两者相辅相成，缺一不可。因此需要生产方和用户建立并保持良好、有效的沟通，共同携手，才能找出失效的具体原因。

生产者要加强质量管理，需采取如下措施：

(1)严格控制冶炼、铸造、锻造工艺的关键参数，减少凝固后聚集夹杂物、皮下气泡等超标缺陷存在的机会。

(2)制定合理的热处理工艺，提高辊身表面硬度的均匀性，通过残余应力的检测控制回火次数，避免残余应力过大。

使用方要规范使用，需遵守如下规范：

(1)根据轧机属性、使用环境等实际情况制定合适的支承辊技术要求。

(2)严格按照支承辊使用规程操作，避免支承辊超期或违规使用。

(3)必须对支承辊的使用和修磨严格量化。

其中，支承辊上机前的维护尤为重要，其具体要求为：

(1)磨掉辊身上机造成的磨损痕迹和任何可视损伤(摩擦痕迹、裂纹等)。

(2)沿整个辊身长度进行肖氏硬度检测，如果平均值或个别区域超过入厂硬度3HSD，就要再次修磨一定量后重新检测；如果增加值在3HSD以内，则可以不必重磨，但要适当降低上机周期。

(3)在常规的磨削完毕后，使用涡流探伤和表面超声波探伤仪检测辊身表面质量，以确保辊身不存在任何超过规定值的表面和次表面损伤。

(4)磨削过程中，将支承辊的两侧修磨成应力较小的倒角，防止倒角处首先破坏。

4 总结

介绍了辊身剥落的三种典型失效类型与失效机理，并提出了预防措施。对锻钢支承辊的生产和使用提出了一系列建议，能够从一定程度上避免支承辊的失效，提高支承辊的使用效率。

[1] 王义栋，杨生田.提高轧机支承辊使用寿命的探讨[J].鞍钢技术，2001，1(6)：36-39.

[2] 吴国胜.武钢冷轧厂支承辊剥落失效特征分析[J].武钢职工大学学报，2001，1(13)：10-17.

[3] 马叶红，郭继友.热连轧支承辊剥落的原因分析[K].2006中国铸造活动周论文合集，2006：461-464.