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高速鋼因具有較高的硬度、良好的耐磨性及強(qiáng)韌性匹配等優(yōu)點(diǎn)而廣泛用于制作熱連軋軋輥。高速鋼復(fù)合軋輥的制造采用三層復(fù)合三次澆注的離心澆注生產(chǎn)工藝，解決了表層高速鋼、中間層及心部球墨鑄鐵之間強(qiáng)度及化學(xué)成分不匹配的技術(shù)難題。中間層的化學(xué)成分介于心部球墨鑄鐵和表層高速鋼之間，各層之間結(jié)合良好，同時(shí)有效阻礙了表層高速鋼中的反石墨化元素向心部球墨鑄鐵中擴(kuò)散。為了使高速鋼復(fù)合軋輥獲得更高的硬度和優(yōu)良的耐磨性以及良好的韌性，除了在表層高速鋼中加入合金化元素外，還應(yīng)進(jìn)行淬火和低溫回火熱處理，回火后的組織為回火馬氏體和體積分?jǐn)?shù)小于5%的殘余奧氏體及在馬氏體基體上析出的各類碳化物。

 

某鋼廠1450熱連軋生產(chǎn)線精軋機(jī)組工作軋輥采用規(guī)格為?805mm×700mm的高速鋼復(fù)合軋輥，該軋輥于2021年8月投入使用，在2022年5月軋制厚度3.5mm的DC01低碳鋼時(shí)，復(fù)合軋輥表面?zhèn)鲃?dòng)側(cè)沿軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)反方向上發(fā)生了大面積剝落，造成堆鋼生產(chǎn)事故。為防止事故的再次發(fā)生，作者對(duì)高速鋼復(fù)合軋輥表面剝落原因進(jìn)行了分析，并提出了改進(jìn)措施。

 

1、  理化檢驗(yàn)及結(jié)果

 

1. 1  宏觀形貌

 

由圖1可見，軋輥表面剝落面積非常大，從輥面一側(cè)邊緣擴(kuò)展到軋輥工作面總長(zhǎng)度的1/2，剝落面寬度約為軋輥表面徑向周長(zhǎng)的1/3，整個(gè)剝落面積約占軋輥工作面表面積的1/6，整個(gè)軋輥處于報(bào)廢狀態(tài)。剝落面的裂紋源位于剝落區(qū)域中間的橢圓形區(qū)域，裂紋源四周略帶弧形的裂紋擴(kuò)展放射線清晰可見，而且在裂紋源上方存在由徑向擴(kuò)展撕裂引起的分層裂縫，剝落層的最深處達(dá)到心部的球墨鑄鐵層。整個(gè)剝落面碎裂成大小不一的多個(gè)碎塊，每個(gè)碎塊裂紋區(qū)域沒有發(fā)現(xiàn)明顯變形，表明軋輥表面脆性較大。由圖2可見，將剝落碎塊除油除銹后，清楚顯示出高速鋼層和中間層，有的碎塊還存在明顯的3層結(jié)構(gòu)。綜上可知，裂紋源主要位于中間層與心部球墨鑄鐵的界面處，裂紋不僅在中間層與球墨鑄鐵界面處沿軸向擴(kuò)展，同時(shí)在中間層沿徑向擴(kuò)展，當(dāng)?shù)竭_(dá)中間層與表層高速鋼的界面時(shí)，裂紋沿界面向軋輥軸向擴(kuò)展，直至輥面完全開裂。

 

圖 1   高速鋼復(fù)合軋輥表面剝落的整體形貌和局部形貌

 

 

圖 2   高速鋼復(fù)合軋輥表面剝落碎塊的宏觀形貌

 

1.2  化學(xué)成分

 

從軋輥剝落碎塊上沿徑向截取包含高速鋼層、中間層和心部球磨鑄鐵的試樣，利用熱電ARL4460型直讀光譜儀對(duì)不同位置的化學(xué)成分進(jìn)行檢測(cè)，并與軋輥廠家設(shè)計(jì)的化學(xué)成分和GB/T 25825—2010標(biāo)準(zhǔn)中的高速鋼化學(xué)成分進(jìn)行對(duì)比。由表1可知，表層高速鋼的化學(xué)成分滿足GB/T 25825—2010標(biāo)準(zhǔn)要求，也與軋輥生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)的成分范圍一致，而中間層和心部球墨鑄鐵的化學(xué)成分沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)成分要求，但其測(cè)試值中除碳含量低于設(shè)計(jì)成分外，其他成分與廠家設(shè)計(jì)成分范圍基本一致。因此，高速鋼復(fù)合軋輥的化學(xué)成分基本滿足廠家設(shè)計(jì)要求。

 

表 1  失效高速鋼復(fù)合軋輥各層的化學(xué)成分

1.3  硬度和強(qiáng)度

 

利用線切割機(jī)在剝落碎片中沿徑向截取包含表層、中間層和心部的硬度試樣 , 尺寸為10 mm×15mm×20mm，在Rockwell2000型洛氏硬度計(jì)上進(jìn)行硬度測(cè)試，并轉(zhuǎn)換為肖氏硬度。測(cè)得表層、中間層和心部的平均硬度分別為80.0,58.5,33.0HS。表層高速鋼的硬度滿足GB/T 25825—2010標(biāo)準(zhǔn)要求(75~95HS)以及廠家提供的質(zhì)保書要求(不低于80HS)，心部 球墨鑄鐵的硬度滿足GB/T 25825—2010標(biāo)準(zhǔn)要求(32~45HS)，但不滿足廠家質(zhì)保書要求(36~43HS)。

 

受軋輥剝落碎塊的尺寸限制，沿軋輥徑向無法加工出標(biāo)準(zhǔn)尺寸拉伸試樣嗎，只能加工成非標(biāo)小試樣，尺寸如圖3所示，試樣中心為中間層與心部鑄鐵的結(jié)合處。按照GB/T 228.1—2021，在Zwicki型電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上對(duì)3個(gè)試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，應(yīng)變速率為3×10-3s-1。由表2可知，3個(gè)拉伸試樣中斷裂于中間層的試樣抗拉強(qiáng)度低于廠家質(zhì)保書要求，而斷裂于表層的試樣抗拉強(qiáng)度達(dá)到廠家質(zhì)保書要求。同時(shí)3個(gè)試樣的抗拉強(qiáng)度均滿足GB/T 25825—2010的標(biāo)準(zhǔn)要求。

 

圖 3  拉伸試樣的形狀和尺寸

 

表 2   高速鋼復(fù)合軋輥的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

1.4  顯微組織

 

制備包含各層在內(nèi)的徑向縱截面金相試樣，尺寸為10mm×15mm×30mm。金相試樣經(jīng)機(jī)械研磨、拋光后，在ZeissAxio型光學(xué)顯微鏡上觀察截面缺陷和夾雜物形貌，然后用體積分?jǐn)?shù)為4%硝酸乙醇溶液腐蝕后，分別在光學(xué)顯微鏡和ZeissSigma型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)下觀察顯微組織和缺陷形貌，并用SEM附帶的能譜儀(EDS)進(jìn)行微區(qū)成分分析。由圖4可見，在表層高速鋼、中間層以及表層與中間層之間的界面處、中間層與心部之間的界面附近存在多處孔隙狀疏松孔洞，在中間層與心部之間的界面處靠近心部一側(cè)的石墨組織附近存在密集分布的寬度約為4.5mm的不規(guī)則非金屬夾雜物帶狀聚集區(qū)域。

 

圖 4  失效高速鋼復(fù)合軋輥中缺陷的宏觀形貌以及不同缺陷處的放大形貌

 

由圖5可以看出，高速鋼復(fù)合軋輥的中間層厚度約為11.5mm，2個(gè)結(jié)合界面區(qū)域的寬度均約為2mm。由圖6可以看出：表層高速鋼的顯微組織為回火馬氏體，晶內(nèi)碳化物呈不規(guī)則顆粒狀；晶界碳化物呈棒狀或塊狀，長(zhǎng)度達(dá) 10~50μm，晶界處存在呈三角狀的疏松孔洞缺陷，尺寸在200mm以上。中間層組織為網(wǎng)狀萊氏體(珠光體+沿晶網(wǎng)狀碳化物)，晶界碳化物最大尺寸接近200μm，且形成了封閉網(wǎng)狀，同時(shí)靠近中間層與心部之間界面處的組織為粗大魚骨狀萊氏體，最大碳化物尺寸約為400μm；在中間層基體組織中發(fā)現(xiàn)大量沿三叉晶界分布的疏松孔洞，這些疏松孔洞會(huì)使晶界的結(jié)合強(qiáng)度降低。心部鑄鐵組織為珠光體和球狀石墨，球狀石墨附近存在少量白色鐵素體組織，在靠近心部與中間層界面處觀察到一些疏松孔洞，這些疏松孔洞位于萊氏體碳化物與珠光體團(tuán)之間的界面處，疏松孔洞尺寸相對(duì)較小，基本在100μm左右。

 

圖 5   高速鋼復(fù)合軋輥各層的低倍組織

 

圖 6   高速鋼復(fù)合軋輥各層的顯微組織及缺陷形貌

 

由圖7可以看出：高速鋼復(fù)合軋輥中間層與心部界面處靠近心部一側(cè)夾雜物呈團(tuán)簇狀，其形狀各異，有球形、棒狀、不規(guī)則顆粒狀，單個(gè)夾雜物最大尺寸約為50μm；夾雜物主要為含鎂、鋁、硅的氮化物，含鎂、鈣的硫化物以及含鈦、釩的硫化物和碳氮化物。根據(jù)GB/T 10561-2023鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)，失效高速鋼復(fù)合軋輥中間層與心部 界面處靠近心部一側(cè)D類球狀氧化物類夾雜物評(píng)級(jí)在 3.0級(jí)以上，說明夾雜物含量嚴(yán)重超標(biāo)。

 

圖 7   中間層與心部界面處心部一側(cè)夾雜物形貌以及 EDS譜

 

1.5   斷口SEM形貌

 

將軋輥表面剝落碎塊清洗后，在ZeissSigma型掃描電鏡下觀察斷口形貌。由圖8可見，斷口表面為脆性準(zhǔn)解理形貌，萊氏體共晶組織中的大尺寸碳化物清晰可見，碳化物最大尺寸達(dá)到328μm，同時(shí)碳化物與基體界面處存在疏松孔洞，疏松孔洞中可以觀察到 結(jié)晶面凸起現(xiàn)象。結(jié)合各層組織特征可知，萊氏體組織中粗大的碳化物僅在中間層中存在，因此失效高速鋼復(fù)合軋輥中的裂紋是沿著中間層擴(kuò)展的。

 

圖 8   高速鋼復(fù)合軋輥表面剝落層的斷口SEM形貌

 

采用ZeissSigma型掃描電鏡觀察拉伸試驗(yàn)后的斷口形貌。由圖9可以看出：2個(gè)拉伸試樣斷口形貌特征與軋輥表面剝落層的斷口形貌一致，整個(gè)斷口呈脆性準(zhǔn)解理特征，斷口表面可觀察到大尺寸碳化物及疏松孔洞缺陷，在孔洞內(nèi)可觀察到結(jié)晶面凸起現(xiàn)象。這表明在應(yīng)力作用下，裂紋易于在這些缺陷處萌生與擴(kuò)展。

 

圖 9   高速鋼復(fù)合軋輥拉伸試樣斷口SEM形貌

 

2.  剝落原因分析

 

高速鋼復(fù)合軋輥普遍采用三次澆注三次復(fù)合的離心鑄造生產(chǎn)工藝，該設(shè)計(jì)思路解決了中間層及心部球墨鑄鐵強(qiáng)度低的技術(shù)難題，先進(jìn)的成分設(shè)計(jì)以及有效的變質(zhì)處理使得高速鋼層形成了在硬度很高的馬氏體基體上析出細(xì)小彌散分布的MC、M6C、M2C等型高硬度碳化物的組織，提高了軋輥的耐磨性、高溫紅硬性及抗熱疲勞性能。然而，在高速鋼復(fù)合軋輥鑄造過程中，中間層的澆注時(shí)間間隔和澆注溫度是工藝控制關(guān)鍵。若中間層澆注時(shí)間過早，則會(huì)導(dǎo)致先澆注的高速鋼層溶解過量，使高速鋼層厚度較小，達(dá)不到工藝要求，造成使用壽命降低；若中間層澆注時(shí)間太晚，由于鋼液量偏少，其溫度下降較快，易導(dǎo)致高速鋼層和中間層界面結(jié)合不良，出現(xiàn)疏松孔洞或夾渣等缺陷。中間層最佳澆注時(shí)間為高速鋼層溫度剛達(dá)到固相線溫度的時(shí)刻，此時(shí)中間層鋼液的熱量可熔化掉厚度為10~20mm的高速鋼層，同時(shí)高速鋼澆注后所添加的防氧化劑可排除到中間層內(nèi)表面，從而保證高速鋼層的厚度和界面的良好冶金結(jié)合。在失效軋輥的高速鋼層與中間層界面處的大量疏松孔洞表明，該軋輥在中間層澆注時(shí)間太晚，導(dǎo)致高速鋼層與中間層結(jié)合不良。雖然心部球墨鑄鐵層在復(fù)合軋輥制造過程中的作用為填充支撐，但是若鑄鐵液中的氧、氮等有害氣體含量過高，產(chǎn)生的夾雜物會(huì)上浮并富集在心部與中間層的界面處，影響中間層與心部的冶金結(jié)合。在失效軋輥球墨鑄鐵與中間層界面靠近球墨鑄鐵一側(cè)發(fā)現(xiàn)一條4.5 mm寬的夾雜物富集帶，該夾雜物富集帶是在球墨鑄鐵凝固過程中夾雜物上浮所形成的。

 

綜上，離心澆注工藝不當(dāng)以及心部球墨鑄鐵液純凈度不高導(dǎo)致復(fù)合軋輥中間層與心部球墨鑄鐵及高速鋼層間的界面處存在大量疏松孔洞及夾雜物聚集，使得界面處的結(jié)合強(qiáng)度大大降低；在軋制應(yīng)力作用下，裂紋在界面缺陷處優(yōu)先萌生，并沿疏松孔洞及夾雜物帶擴(kuò)展，而界面附近大尺寸脆性碳化物的存在促進(jìn)了裂紋快速擴(kuò)展，造成界面處形成大面積的剝離孔洞，當(dāng)孔洞面積達(dá)到臨界尺寸時(shí)，復(fù)合軋輥表面發(fā)生大面積剝落失效。

 

3.結(jié)論及建議

 

(1) 離心澆注工藝不當(dāng)以及心部球墨鑄鐵液純凈度不高導(dǎo)致高速鋼復(fù)合軋輥中間層與高速鋼層及心部鑄鐵的界面處存在片狀分布的疏松孔洞以及聚集分布的非金屬夾雜物帶，使得界面處的結(jié)合不良；在軋制力的作用下，軋輥內(nèi)部裂紋在這些缺陷處萌生，并沿疏松孔洞和夾雜物等缺陷擴(kuò)展，而界面附近大尺寸脆性碳化物的存在促進(jìn)了裂紋快速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致軋輥表面發(fā)生大面積剝落。

 

(2) 建議軋輥生產(chǎn)廠家改進(jìn)澆注工藝，減少中間層與表層及心部界面處的凝固疏松缺陷；提高心部球墨鑄鐵液純凈度，降低夾雜物的含量；優(yōu)化輥身熱處理工藝，細(xì)化高速鋼層和中間層中的碳化物尺寸，提高軋輥的強(qiáng)韌性匹配。

 

作者：張繼明,關(guān)云,王曉東,胡顯軍

 

工作單位：江蘇省(沙鋼) 鋼鐵研究院

 

來源：《機(jī)械工程材料》2024年3期