着色探伤在碳化钨辊环上的应用

王红军，石 宇，侯 强

（邯郸钢铁集团有限公司大型轧钢厂，河北邯郸 056015）

0 引言

无损检测技术（Nondestructive Testing，NDT）是一门新兴的综合性应用学科,它是在不破坏或损坏被检测对象的前提下,利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化,来探测各种工程材料、零部件、结构件等内部和表面缺陷，对缺陷的类型、位置、数量、尺寸、分布、变化以及形状和位置做出准确的判断，并根据判断结果做出相应的评价[1]。

随着科技水平的不断提高，探伤工艺以及质量控制方法不断得以完善，而新型探伤剂的发明使得渗透探伤方式的应用领域逐渐拓展。将液体渗透液涂抹在非多孔性固体材料的开口缺陷上，然后用去除剂清除多余渗透液后，用显像剂表示出缺陷，包括预处理、渗透、去除、干燥、显像、检验和后处理共7个步骤。渗透检测方法简单、成本低，缺陷显示直观，检测灵敏度高，可检测的材料与缺陷范围广,一次操作可检测多个零件[2]。渗透探伤凭借其独特的检测特性已经成功地应用于多孔件和高温件的质量控制检测中，渗透探伤项目已超过磁粉探伤项目，在某些航空领域也得到了有效应用，并成为保证产品表面质量的主要手段。

1 碳化钨辊环裂纹产生原因分析

邯钢集团公司生产的型棒线材及板材闻名全国，是主要的优质材生产基地，也是河钢集团重点发展的核心企业。目前，在高速线材轧机上普遍使用碳化钨辊环。碳化钨辊环是一种硬质合金，不仅具有较强的耐磨性和冲击性，而且其脆性和硬度也较高。其采用粉末冶金的方式将钴和碳化钨等材料进行炼制，素有金属工业陶瓷的美称。高速线材轧机使用碳化钨辊环，既能保证成品精度，又可提高产品表面质量稳定性。

碳化钨辊环在使用过程中，由于过度使用、磨损严重以及加工过程中加工深度浅等原因，轧槽表面会产生麻面、褶皱、凸线、裂纹等缺陷。

高速线材轧机的生产速度可以达到90 m/s。在进行轧制的过程中，热轧件会与辊环表面产生接触，在热应力的影响下，辊环会发生膨胀，但由于心部温度较低，其表面会承受较大的压应力。在高压水冷却作用下，辊环表面又会承受拉应力。长时间受高频热应力的作用，会导致辊环表面出现因热疲劳而引发的损伤，交替反复出现的热应力和环向轧制应力，会使辊环表面应力变化幅度不断增大。辊环表面一旦因热疲劳而出现裂纹源，就会在各种应力的作用下向轴心扩展，同时也会朝着环向生成长裂纹。在生产过程中，各类设备和工艺事故会造成在碳化钨辊环区域顶钢，使高温轧件包裹碳化钨辊环，从而使辊环长时间接触高温轧件；同时，导卫距辊环太近、辊环摩擦导卫等，也会使辊环局部高温，造成细小热裂纹。

材料的强度会随着轧槽表面产生的微观裂纹而不断下降：当裂纹深度为3 mm 时，材料的强度会降至200～300 MPa；当裂纹深度为2 mm 时，材料的强度会降至250～350 MPa；当裂纹深度为1 mm 时，材料的强度会降至300～500 MPa。

在进行机加工和孔型修磨的过程中，修磨的精度会影响辊环的接触疲劳强度。加工刃痕的存在，必将引起应力集中，在接触应力作用下产生裂纹。

另外，在各类搬运过程中的磕碰、摔砸，造成辊环掉块或形成裂纹隐患。

2 着色探伤原理及在碳化钨辊环上的应用

由于碳化钨辊环材质是工业陶瓷，其致密度很高，仅靠肉眼或放大镜很难观察到辊环上存在的微裂纹。前期的事故辊环在考虑热应力后仅作时效处理，放置3 个月后加大一级修磨量，继续上线投入使用，以减少辊耗。但在生产中多次发生突发碎辊的恶性事故，在排查原因和事故分析后发现，辊环存在没有修磨干净的微裂纹。对此，经过比对，决定采取无损着色探伤的方法对辊环进行检验，提前检验并发现辊环裂纹。见图1。

图1 辊环裂纹检验效果

着色探伤基于毛细管现象实现。首先将碳化钨辊环表面用专用清洗剂清洁干净，待辊环表面干燥后，涂上具有高渗透能力的渗透着色剂，使之渗入到辊环表面裂纹内，渗透时间保持在10～20 min，渗透过程中要保证辊环表面渗透液充足。然后再次使用专用清洗剂将辊环表面擦拭干净，擦拭过程既不可用力过轻，导致无法擦掉多余的渗透液，也不可以用力过重，将缺陷处的渗透剂擦拭掉，导致后期无法显示缺陷。待辊环表面再次干燥后，喷涂显像剂。浸入裂纹的着色剂，由于毛细管现象上渗到显像剂中，达到呈现缺陷的作用。

在渗透探伤的过程中，还需要考虑温度的因素：①在热胀冷缩的原理下，当辊环表面温度不断上升时，裂纹会随温度的上升而膨胀，导致裂纹的宽度和开口增大，渗透能力提升的同时，裂纹对比效果也较为显著。但是过宽的裂纹开口不仅会降低检测的灵敏度，还会导致毛细作用的丧失；②提升辊环表面的温度，可以对辊环进行加热，温度的提升不仅可以提升渗透剂的流动性，还能降低它的黏度，从而提高渗透能力。因此，辊环表面温度对辊环裂纹渗透检测有很大影响。温度低，检测灵敏度降低，裂纹易漏检，但温度过高，会使渗透剂干燥过程加快，无法保证渗透效果，最适宜的温度范围控制在10～50 ℃。

3 着色探伤应用效果

通过对存在局部受热隐患的辊环、新加工的小规格专用辊环表面裂纹的检测，发生恶性碎辊、裂辊的概率大幅降低，由于碎辊、裂辊事故导致的事故时间和成本损失明显降低，废、次、降产品明显减少。其中，12 月份由于提前检测裂纹，存在微裂纹的辊环不再上线，未发生碎辊、裂辊事故，产品的合格率明显提高（图2）。

图2 采用着色探伤前后指标对比

4 结束语

着色探伤检测具有成本较低且便于操作，可以快速检验辊环表面裂纹的优点，经过使用着色无损探伤检验辊环微裂纹后，杜绝了由于微裂纹造成的碎辊事故，在很大程度上降低了生产成本，促使企业经济效益得到稳步提升。