H型钢轧辊失效模式分析与涂层材料的设计研究★

凤国保

（安徽威龙再制造科技股份有限公司， 安徽 马鞍山 243000）

1998年，马钢H型钢生产线正式投产，结束了我国不能生产热轧H型钢的历史，自此，我国H型钢的产量和质量不断提升[1]。H型钢是建筑、桥梁等广泛使用的钢材，以大型钢坯或异形钢坯为原料，经过粗轧、中间轧制和精轧轧制而成[2]。H型钢生产过程中，轧辊是促使其发生塑性变形的最主要的工具。轧辊在实际生产与应用中处于复杂的应力状态，如热应力、剪切应力、接触应力及残余应力等，容易发生失效行为[3-4]。马钢是我国重型热轧H型钢的主要研究和生产厂家，在实际生产中面临着轧辊使用一段时间后性能严重下降的问题，直接影响到H型钢的正常生产。因此，研究轧辊失效模式和原因，并采取相应措施提高轧辊寿命、降低轧辊消耗，对降低生产成本和稳定生产有重要意义[5]。

1 轧辊特性与要求

马钢H型钢生产工艺流程如图1所示，从钢坯到H型钢入库需要经过多次轧制加工，轧辊是重要的工具，直接影响产品质量和生产效率。本文针对H型钢生产线用精轧辊展开研究。该轧辊工作速度较高，最终产品要有一定的表面质量，因此，轧辊高硬度、高耐磨性等为主要要求；其通常工作温度在600～800℃，对涂层材料的抗热冲击性能也有很高要求；同时轧辊与钢坯直接接触，需要承受强大的轧制力，所以其表面要承受强力磨损，并且还要反复被热轧材加热和冷却水冷却到100～150℃，轧辊经受温度变化较大的热疲劳作用，损耗极大。

图1 马钢H型钢生产工艺流程图

马钢H型钢生产中所使用轧辊的直径Φ300～1 500 mm，长度300～2 800 mm；轧辊的材料为锻钢，通常材质为 9Cr2Mo、Cr12MoV、9CW、42CrMo、Cr15等，自身质量 0.5～20 t。轧辊在温度 600～800 ℃、受力达450 MPa的工作环境下连续工作，平均轧制5 000 t需更换一次，更换时间2 h，调试时间30 min。

2 轧辊失效形式与分析

2.1 轧辊剥落

精轧机工作辊上经常会发生轧辊剥落现象，如下页图2所示。现场调查表明，剥落是轧辊损坏，甚至报废的首要原因。轧制过程中，局部过载和升温，使得被轧制金属焊合在轧辊表面，产生于次表面的裂纹沿径向扩展进入硬化层，并多方向多分枝扩展，该裂纹在逆向轧制条件下逐渐扩展、延伸，造成剥落。此外，起源于辊身内部的剥落主要是由冶金缺陷和残余应力造成，如内部夹渣和碳化物异常分布[6]。

图2 轧辊剥落形貌图

2.2 轧辊裂纹

轧辊裂纹是由多次温度循环产生的热应力所造成的逐渐破裂，是发生于轧辊表面薄层的一种微表面层现象，如下页图3所示。

图3 轧辊裂纹形貌图

轧制时，轧辊受冷热交替变化剧烈，从而在轧辊表面产生严重应变，逐渐导致热疲劳裂纹的产生。此种裂纹是热循环应力及塑性应变等多种因素形成的，塑性应变使裂纹出现，拉应力使其扩展。

2.3 轧辊断裂

轧辊在轧制过程中常常发生突然断裂事故，断裂的部位主要在辊身、辊颈处、辊身侧面与辊颈交界处，如图4所示。因轧制钢的品种不同，断裂部位所占比例也不同。断裂可以是一次性断裂，也可以是疲劳裂纹扩展而致。

图4 轧辊断裂形貌图

3 预防轧辊失效的措施

预防轧辊的剥落、裂纹和断裂等失效模式的出现，一方面要做好生产过程中工艺参数的优化，如调整轧制厚度与速度，保证轧制均匀性；保证轧制温度，减少轧制温差；减少开机启动次数，保证生产轧制连续性等。另一方面，通过涂层材料设计来提高轧辊性能，是预防轧辊失效的重要措施。在轧辊基体与硬化层之间采用过渡层设计，缓冲轧制应力，可有效减少轧辊剥落现象的出现。选用与基体材料相适应的抗腐蚀、耐磨损材料作为辊面硬化层，然后通过热处理保证辊面硬化层的硬度和厚度，可有效预防轧辊裂纹失效发生。

4 轧辊涂层材料设计

轧辊涂层材料的选择与设计不仅要考虑涂层材料工作性能，如耐磨损、耐高温氧化以及耐腐蚀等性能，而且，因轧辊处于循环冷热交变应力作用，为防止因涂层剥落而引发的材料失效，涂层与基体的结合强度以及物化性质（膨胀系数等）相匹配也是需要重点考量的因素。基于此，我们认为轧辊涂层材料的设计应从以下四个方面进行。

1）根据轧辊具体工况要求，确定涂层材料主要特性，选择适当的材料体系。作为H型钢用精轧辊材料，辊面须具有优异的耐热耐磨性能以及良好的抗氧化、抗疲劳、耐热冲击等多功能特性。根据热轧辊具体工况，表面疲劳引发的磨损甚至破坏是材料失效的主要模式，因此，对于可预计的运动，涂层还应具备较好韧性；对于不可预计的运动，涂层必须在工作温度中耐氧化，如果形成氧化物，它必须是韧性的和黏着力强的。金属陶瓷涂层具有优异的耐磨性，通过调控涂层材料的成分与结构，使其晶格匹配，减小涂层热应力与残余应力，可有效提高其抗高温氧化和抗热冲击性能。

2）基于轧辊使用性能及长寿命周期要求，设计双层或多层涂层结构。从减小合金化涂层的热应力与残余应力角度来讲，选择的合金材料与基体材料的热膨胀系数应尽可能接近。若二者热膨胀系数差异过大，则合金化层容易产生裂纹甚至剥落。通过涂层结构的双层、多层或梯度设计，可实现基体—涂层—表面的有效结合并满足轧辊的工作性能。

3）根据合金元素作用及合金相图理论，设计出涂层合金组分及成分配比。根据合金化层主要合金元素的作用及其微观强化机理，主要包括固溶强化、第二项强化、晶界强化等，依据合金相图中各种强化机理来选择添加合适的元素种类及含量，是合金成分设计成功的关键。

4）选择合适的涂层材料制备方法及工艺参数，获得相结构可控的高性能涂层材料。基体与涂层的结合强度是考核轧辊性能十分重要的指标。电弧喷涂[7]、激光熔覆[8]、热喷焊[9]等技术在涂层材料制备中均有使用，但针对不对基体和涂层材料，在提高二者结合强度方面还需进一步的研究。资料表明[10,11]，超音速喷涂法可以显著提高涂层与基体的结合强度，并减轻涂层氧化或脱碳（针对碳化物硬质相粉末等）。以马钢H型钢厂水平辊为研究对象，针对轧辊的辊面两端和主辊侧面接近辊面三分之一处磨损严重的问题，采用超音速喷涂法进行喷涂，喷涂材料为碳化钨，喷涂厚度为0.20 mm。实验结果表明，该涂层具有耐磨损、耐高温、抗氧化等特性，并与轧辊基体结合优良，使H型钢在轧制温度750℃±20℃、轧制受力350 MPa条件下产品产量提高了30%，达到92 689 t/月。

5 结语

轧辊是H型钢生产中消耗量最大的备件，其性能好坏直接影响生产效率和产品质量。本文分析了马钢H型钢轧辊失效模式、原因及预防措施，研究论述了轧辊涂层的设计，旨在加强轧辊性能的改善，降低生产事故发生，提高经济效益。

[1] 程鼎，吴保桥，夏勐，等.中国重型热轧H型钢的开发和应用现状[J].热加工工艺，2017（7）：21-23.

[2] 惠子.H型钢轧制用宽度可调轧辊FHR[N].世界金属导报，2016-03-01（B07）.

[3] 马占福.热轧轧辊失效分析及预防措施[J].新疆钢铁，2010（3）：8-10.

[4] 孟丽军，胡玲，董有宝，等.热轧轧辊失效分析及预防措施研究[J].科技与企业，2015（9）：240.

[5] 任天宝，严开龙，孟文捷.马钢冷轧辊失效原因分析及防范措施[J].江苏冶金，2008，36（5）：64-66.

[6] 曹林文.轧辊生产材料新技术新工艺与轧辊机械加工新技术新工艺国家标准、检测缺陷分析及金相图谱大全[M].北京：中国冶金出版社，2008.

[7] Kavian Cooke,Gossett Oliver,Vernon Buchanan,et al.Optimisation of the Electric Wire Arc-spraying Process for Improved Wear Resistance of Sugar Mill Roller Shells[J].Surface and Coatings Technology，2007，202（1）：185-188.

[8] 张来启，陈光南，杨王玥，等.激光熔凝和熔敷在热轧辊强化中的应用[J].天津工业大学学报，2003（5）：69-71.

[9] 董志红，范洪远，陈诗海.Cr-WC-Ni60热喷焊复合涂层的微观结构[J].金属热处理，2005（4）：64-67.

[10] 邵贝羚，刘安生，王晓华，等.超音速喷涂界面的微结构与界面结合强度[J].电子显微学报，1997（3）：108-113.

[11] 吴燕明，赵坚，陈小明，等.超音速喷涂纳米WC复合涂层与电镀铬层的组织及性能[J].材料热处理学报，2015（S1）：171-176.