高铬热轧轧辊的热疲劳特性分析*

何沛贤，马彦峰，尹 强

(国网平凉供电公司，甘肃 平凉 744000)

0 引 言

目前采用热轧技术的生产工艺有很多，除了传统的金属板材的生产，一般的棒材、管材都可以通过轧制得到，钢球也可以采用热轧的方式成产，甚至轮胎等这一类橡胶制品的生产过程中一样需要热轧。在热轧过程中，轧辊与加热后的轧件接触而温度迅速升高，然后又被通过轧辊内部的冷却介质迅速冷却，进而轧辊在径向的较陡的温度梯度会导致热应力的产生，热轧过程中热应力如此循环往复，轧辊表面就会产生疲劳裂纹并扩展甚至断裂，这种疲劳失效称之为热疲劳[1]。热疲劳导致的裂纹会影响产品的质量，加速了热轧轧辊的失效。轧辊的质量很大程度上影响着轧件的质量，轧辊的寿命影响着生产效益，据统计，在轧钢行业中，轧辊的成本最高可以占到整个生产成本的20%，这还不能包括换辊而导致停产带来的损失。因此，提高轧辊的疲劳寿命是轧制工艺相关行业共同的诉求，并且随着工业的发展，轧制温度、速度、负载的复杂性进一步提高，对轧辊的寿命提出了更高的要求[2]。

笔者重点就高铬钢和高铬铁两种常见轧辊材料的热疲劳试验结果进行了对比分析，通过对比热疲劳敏感区间和宏观裂纹长度和深度等参数得出热疲劳性能的差异性。该研究对提升轧辊疲劳性能的研究提供了重要参考，具有较高实际价值。

1 热轧轧辊

轧辊在在工业生产中其实是消耗品，是轧机上庞大的耗材。轧辊主要是铁或钢材质[3]。铁质轧辊基本都是通过铸造的工艺生产，其碳含量超过2.2%。铸铁轧辊的质量主要由其成分和铸造工艺所决定，成分上主要分为一般的冷硬铸铁、球墨铸铁和高铬铸铁。铸造工艺大都为离心铸造，在铸造过程中，加热温度、冷却速度、是否有后续的热处理工艺等都决定了轧辊的质量，也是由于质量的差异，使得他们的使用场景也不同。另一类就是钢轧辊，钢质轧辊可以铸造也可以锻造。因为锻造轧辊成本较高，所以一般要求较高的轧辊才采用锻造工艺。钢质轧辊的材质种类更加丰富，有优质碳素钢、合金钢、石墨钢，还有半钢辊以及高碳半钢辊，高铬钢、高速钢辊等[4]。

2 轧辊的热疲劳失效

在轧制的过程中，轧件和轧辊是直接接触的，他们之间有力的相互作用，也有热的传导，温度的传递使得轧辊温度升高，进而使得轧辊热膨胀，轧辊会发生变形如拱起、扭转等。室温下的冷轧，当变形量较大时，轧辊和轧件的温升对疲劳寿命的影响一样不可忽视。由于力、热交替作用，并且这种作用可以近似为周期性的，因此轧辊会发生接触疲劳以及热疲劳，这也是正常情况下轧辊失效的主要原因。

在过去的研究中，人们主要从轧辊材料的角度来提升轧辊的抗疲劳性能，先后使用了钼合金冷硬铸铁轧辊、合金半钢轧辊、高铬铸铁轧辊、锻造高速钢轧辊[5]。高速钢轧制的淬透性、耐磨性等都比之前的材质好很多，红硬性也更高，在热轧上应用也十分合适，可用于精轧[6]。

如图1所示是轧制橡胶的轧辊发生断裂[7]，断裂缝位于轧辊长的1/3处，两条裂缝深度大约10 mm。断裂的原因就是由于复杂弯曲、扭转等综合应力导致的交变载荷附加冷却等过程的热应力导致的轴向疲劳，最终裂纹扩展直至径向断裂，裂纹的萌生点是合金的铸造缺陷处，是粗大的磷-碳化合物脆性相，对于诸如此类附加冷却孔的热轧辊要控制冷却部分的表面质量。

图1 轧辊的断裂裂纹及周边孔的裂纹扩展

工作辊在热轧时会因为高温的轧件作用受到热应力，也会与支撑辊之间形成循环交变的周期性的接触应力，这两种应力的作用都会使工作辊疲劳和磨损[8]，和轧件之间也有变形抗力。此外，高温作用也使得轧辊容易被氧化而生成黑色的氧化膜，氧化皮脱落也会带来诸多表面缺陷。

3 轧辊热应力疲劳的试验研究

轧辊本身虽然是轧机中的一件“耗材”，但是其成本太高，在实验研究中一般不会选取实际生产中所使用的的大尺寸的轧辊来进行试验。一般都是将尺寸缩小几十倍到很小，或者就多种轧辊材料本身，研究其疲劳特性，经过这样的试验再结合有限元分析的结果等，对某种材料的某种尺寸的轧辊的疲劳性能进行综合评估，并且依据自己生产状况或者工艺条件选用合适的轧辊，降低成本。

3.1 热应力疲劳试验

轧辊所受的冷热温度快速变化所导致的热应力是较为特殊的试验条件，因此需要依据生产过程的实际条件设计试验。加热可以采用电磁感应加热，更加快捷，并且可以均匀的只加热表面，这与轧辊的实际工况更加接近，其中频率约在20～30 kHz之间；冷却方式选择水冷却即可，既节约成本又与实际生产中大部分轧辊冷却方式一致，并在冷却系统中增加热电偶测量试样的温度。此外对冷却和加热的系统进行微机控制，可以设定加热温度、冷却速度、周期长短、循环次数等。

3.2 试验结果与分析

两种常见的轧辊材料高铬铁和高铬钢的热疲劳相关研究如下。

3.2.1 高铬铁[9]

高铬铁轧辊材料采用离心铸造的方式生产。由于凝固过程中沿着径向结晶，因此碳化物表现出很强的方向性，在径向以及弦向两个方向取样。

在径向试样实验后产生的细长的裂纹的方向也常沿着径向，但是如果在弦向取向，裂纹的分布又会变成网格状。试验过程中，以循环次数和试验温度为变量，微观上主要测裂纹面积分数、裂纹总长度，宏观上主要测裂纹的宽度以及深度。表1所列是高铬铁在不同温度循环500次循环后，疲劳裂纹的发展情况，表2是试样在温度为600 ℃时，裂纹情况随循环次数的变化；高铬铁试样微观裂纹和宏观裂纹形貌如图2所示。

图2 高铬铁裂纹在微观以及宏观下的形貌

表1 高铬铁不同温度下循环500次高铬铁试样裂纹情况

表2 高铬铁600 ℃循环时裂纹情况随循环次数的变化

在固定循环次数(500次)的试验条件下，温度在525 ℃以下都没有出现裂纹，当试验温度升高到550 ℃，高铬铁试样出现了宏观裂纹。说明在525～550 ℃温度区间是高铬铁疲劳特征区间。同时随着加热温度的升高，裂纹的面积分数和总长度都是增大的，但当产生宏观裂纹后，加热温度和裂纹面积分数和总长度之间就没有明显关联性。当加热温度超过热疲劳特征区后，即使循环100次也会产生宏观裂纹，说明温度的影响程度比循环次数的影响更加显著。同时，随着循环次数的增大，宏观裂纹的深度不断增加。但是裂纹面积分数和总长度并无显著关联性。

3.2.2 高铬钢

通常在对生产精度和质量要求比较高的场合，轧辊材料更多的选择高铬钢。如上所示的实验条件下研究高铬钢的热疲劳特性结果如表3、4[9]所列。

表3 高铬钢不同温度下循环500次高铬铁试样裂纹情况

表4 高铬钢600 ℃循环时裂纹情况随循环次数的变化

由表3可以看出相比于高铬铁，高铬钢的热疲劳特征区间升高到580～600 ℃区间，同时高铬钢在裂纹面积分数和裂纹长度方面都比高铬铁小，这也充分说明了高铬钢轧辊具有更好的热疲劳性能。如图3所示。

图3 高铬钢裂纹在微观以及宏观下的形貌

此外也有报道在热疲劳试验后试样的硬度变化以及裂纹数量变化等[10]。对离心铸造的高铬钢表面预制缺口(模拟缺陷等)后进行热疲劳试验，初期裂纹沿着试样预制缺口的方向萌生和沿晶界扩展，形成裂纹，经过不同循环次数后的裂纹形貌如图4所示。表5为高铬钢热疲劳试验裂纹情况统计。

图4 高铬钢在不同循环次数后热疲劳裂纹形貌

表5 高铬钢热疲劳试验裂纹情况

试样1在经历650 ℃循环300次后，其硬度最低，疲劳裂纹生长较快，裂纹长且数目多，并且除主裂纹外的其他裂纹较多，试样4的加载条件是与1相比峰值温度降低，但循环次数增加了4倍，在这种热疲劳试验条件下，裂纹总数不变但是长度最短。试样2、3相比较，热循环上限温度均为600 ℃，循环次数提高后裂纹的数目和长度都增大，总体看循环次数的影响低于温度的影响。

有报道研究了不同成分高铬钢的热疲劳性能[11]，高铬钢成分如表6所列，试验结果如图5所示。

表6 高铬钢轧辊成分 /%

图5 不同成分高铬钢试样热疲劳循环次数与裂纹长度

由图可知，1号试样循环次数最少，3号试样循环次数相对较高，在相同循环次数时，3号试样的裂纹长度也小于1号试样，因此3号含铬量最高的试样的热疲劳性能最好。还有报道研究了添加稀土元素对高铬钢轧辊疲劳寿命的影响[12]，得出了添加0.5%～1.0%稀土元素可以得到较好的热疲劳性能。

4 结 语

轧辊的热疲劳失效影响轧辊寿命的重要因素，是轧制生产工艺成本控制的难点，给工业生产带来了较大麻烦。目前解决这一问题的主要方式还是通过改变轧辊的材质、热处理工艺等来改善轧辊的热疲劳性能。笔者通过对轧辊材质样品的热疲劳试验可以得到高铬钢轧辊的热疲劳性能优于高铬铁轧辊的性能，通过小尺寸样品的热疲劳实验得出可靠结果后，再进行轧辊材料设计可以为高性能轧辊材料的开发节约成本。