轧辊的失效及其修复技术

１００・材料导报２００７年６月第２１卷第６期轧辊的失效及其修复技术‘ 孙桂芳１，刘常升１，陈岁元‘，陶兴启‘，２（１东北大学材料各向异性与织构工程教育部重点实验室，沈阳１１００ｏ４；２沈阳大陆激光成套设备有限公司，沈阳１１０１３６） 摘要札棍是札机的主要变形工具，由于自身材质及其所处的恶劣工作条件，经常发生失效乃至报废，通过修复技术可以延长其使用寿命。综述了冷、热札辊的工作条件、用材和失效形式，介绍了几种常用的札棍修复表面技术，并对激光表面合金化技术修复札棍的发展前景进行了展望。 关键词冷轧辊热轧辊失效修复表面改性技术

ＲｅｖｉｅｗｏｎＦａｉｌｕｒｅｏｆＲｏｌｌｅｒｓａｎｄＲｅＰａｉｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＳＵＮＧｕｉｆａｎｇｌ，ＬＩＵＣｈａｎｇｓｈｅｎｇｌ，ＣＨＥＮＳｕｉｙｕａｎｌ，ＴＡＯＸｉｎｇｑｉｌ，２（ＩＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏ汀ｆｏｒＡｎｉｓｏｔｒｏｐｙａｎｄＴｅｘｔｕｒｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａ眼１１０００４；ＺＳｈｅｎ外眼ＤａｌｕＬａｓｅｒＷｈＯｌｅＳｅｔＥｑｕｉｐｍｅｎｔＬｉｍｉｔｅｄＣｏｍｐａｎｙ，Ｓｈｅｎ”ｎｇｌｌ０１３６）

ＡｂｓｔｒａｃｔＲｏｌｌｅｒｓａｒｅｔｈｅｍａｉｎｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｏｏｌｓｏｆｒｏｌｌｉｎｇｍｉｌｌｓ．Ｄｕｅｔｏｔｈｅｉｒｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｆｏｒｍｉｄａｂｌｅｗｏｒｋｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｒｏｌｌｅｒｓｏｆｔｅｎｆａｉｌ．Ｔｈｅｉｒｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅｃａｎｂｅｐｒｏ１ｏｎｇｅｄｔｈｒｏｕｇｈｒｅＰａｉｒ．Ｔｈｅｗｏｒｋｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｒｎａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｆａｉｌｕｒｅｗａ邓ｏｆｃｏｌｄａｎｄｈｏｔｒｏｌｌｉ呀ｒｏｌｌｅｒｓａｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ．乳ｍｅｓｕｒｆａｃｅｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｗｈｉｃｈａｒｅｏｆｔｅｎｕｓｅｄｔｏｒｅｐａｉｒｔｈｅｍａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄａｎｄｔｈｅｐｒｏｓｐｅｃｔｓｏｆａｐｐｌｙｉｎｇｌａｓｅｒｓｕｒｆａｃｅａｌｌｏｙｉｎｇｔｏｒｅｐａｉｒｒｏｌｌｅｒｓａｒｅｇｉｖｅ几 Ｋｅｙｗｏｒｄｓｃｏｌｄｒｏｌｌｉ眼ｒｏｌｌｅｒ，ｈｏｔｒｏｌｌｉｎｇｒｏｌｌｅｒ，ｆａｉｌｕｒｅ，ｒｅｐａｉｒ，ｓｕｒｆａｃｅｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

０前言 轧辊的质量和使用寿命直接关系到轧制生产的生产效率、产品质量及生产成本。我国轧辊材料供应不足、价格较高，一旦轧辊表面磨损失效，整个轧辊将报废，造成巨大的材料浪费。如何修复失效轧辊，一直是轧辊制造业面临的重大问题。轧辊失效的最普遍原因是早期磨损失效。而轧辊的耐磨性决定于轧辊工作表面的硬度，通过合理的热处理方式可以满足轧辊的硬度要求。本文比较了轧辊修复常用的几种表面热处理工艺，同时展望了激光表面合金化修复轧辊的发展前景。１轧辊 轧辊是使（轧材）金属产生塑性变形的工具，是决定轧机效率和轧材质量的重要大型消耗性部件。轧辊的主要技术指标有强度、硬度、耐用性及耐热性（热轧工作条件下）。１．１轧辊工作条件及用材分析 （１）冷扎辊工作条件及用材 冷轧辊在工作过程中要承受很大的轧制循环应力、强力摩擦和挤压、瞬间高温和强烈冲击［ｌｊ，轧件的焊缝、夹杂、边裂等也对轧辊有影响。 根据冷轧辊的工作条件，辊面需具有高而均匀的表面硬度（＞６２ＨＲＣ）、深的淬硬层（不应小于辊身直径的１．５肠，且不得小于ｓｒｎ）；辊身边缘的硬度应较低；颈部具有较低的硬度（３２一３５ＨＲＣ）。因此，冷轧辊要有抵抗因弯曲应力、扭转应力、剪切应力引起的开裂和剥落的能力，同时也要有高的耐磨性、接触疲劳强度、断裂韧性和热冲击强度等。冷轧辊的发展方向是在进一步提高强度、硬度和淬硬层深度的同时，保证一定的韧性。 冷轧辊的材料应具有高的含碳量，并含有增强淬透性、淬硬性且细化晶粒的合金元素。国内外冷轧工作辊一般使用的材质有ＣＣｒ１５、ｇＣｒＺ、ｇＣｒ、ｇＣｒＶ、ｇＣｒＺＷ、ｇＣｒＺＭｏ、６０ＣｒＭｏＶ、８０ＣｒＮｉ３Ｗ、ＳＣｒＭｏＶ、８６ＣｒＭｏＶ７、Ｍｏ３Ａ、８７ＣｒＭｎＭｏ、ｇＣｒＺＭｎ等。 （２）热札辊工作条件及用材 热轧辊常工作在７００一８００℃（有时其接触的轧材高达１２００℃）的高温环境下，与灼热的钢坯相接触，承受强大的轧制力，表面承受轧材的强力磨损，反复被热轧材加热及冷却水冷却（可被冷却水冷却至１００一１５０℃），经受温度变化幅度较大的热疲劳作用［２］。 热轧辊的工作条件要求热轧辊材料必须具有高的淬透性、低的热膨胀系数、高的热传导能力、高温屈服强度、抗氧化性、高温蠕变强度，优良的抗回火能力、材质均匀、表面硬度均匀等。热轧辊的发展主要在于提高其耐磨性。 热轧辊材料包括锻钢轧辊、无限冷硬铸铁轧辊、普通冷硬铸铁、低ＮＩＣｒＭｏ、中ＮＩＣｒＭｏ、高ＮＩＣｒＭｏ铸铁材料、铸钢轧辊、球墨复合铸铁轧辊、半钢和高硬度特殊半钢材质、高铬铸铁、半高速钢和高速钢等。１．２轧辊失效形式 冷轧辊的主要失效形式有比们辊面裂纹和剥落、辊面磨损、

二国家自然科学墓金资助项目（５０２７４０２８）孙桂芳：女，１９８２年生，博士生，主要从事激光表面处理研究Ｔｅｌ：０２４一ｓｓ６８１６８ｏＥ－ｒｎａｉｌ：ｇｆｓｕｎ８２＠１２６．ｃｏｍｋ］Ｊ常升：男，１９６５年生，教授，博士生导师札棍的失效及其修复技术／孙桂芳等 １０１

划伤、粘辊、轧辊断裂等。热轧辊主要失效形式有热疲劳引起的热龟裂和剥落、辊身表面磨损、轧辊断裂、过回火和蠕变、缠辊，失效面几乎覆盖整个工作面。 冷、热轧辊最普遍的失效形式都是辊面剥落和磨损，下面分别介绍。 （１）辊面剥落 冷轧辊辊身表层由于抗裂能力变坏而出现的表层剥落，是一种最严重和常见的事故。一些工厂的长期统计表明，裂纹和剥落可占报废总数的７５％左右，其中剥落可占半数。 按导致剥落的原因，冷轧辊剥落主要分为３类。第一类，轧制事故、磨削不当及异物卷人等原因造成对轧辊热冲击或机械冲击，使辊身的平衡应力状态被破坏，从而诱发表面疲劳裂纹扩展最终导致剥落。目前冷轧辊绝大多数剥落都属于这种类型圈。第二类，辊身工作层内存在夹渣、孔隙等冶金制造缺陷，使用中在循环应力的作用下局部诱发疲劳裂纹并扩展最终导致剥落困。第三类，接触压应力和滚动摩擦应力造成轧辊表皮下形成一定深度的疲劳层，此疲劳层在一定的切应力作用下形成显微疲劳裂纹源。该裂纹主要是由材料塑性变形、剪切累积形成，一般经历起裂、平行磨面稳态扩展、折向磨面迅速断裂失稳扩展而剥落阶８〕。这种次表层初始裂纹附近没有明显的冶金缺陷，但可根据该次表层裂纹扩展导致剥落情况来确定干摩擦条件下轧辊的使用寿命［０ｊ，可见该类裂纹对于轧辊寿命有重要影响。 热轧辊轧制时，裂纹的形成分为３类。第一类，轧辊受冷热交替变化剧烈，在轧辊表面产生严重应变，逐渐导致热疲劳裂纹的产生。典型的热疲劳损坏是热龟裂。第二类，在轧制过程中，带钢出现甩尾叠轧时，轧件划伤轧辊，也可形成新的裂纹源。第三类，轧辊在工作中不断承受接触疲劳和热疲劳，当循环应力超过轧辊的最大承受强度，辊身表层也将引发裂纹。生产中出现的辊面剥落多数为辊面裂纹所致。当裂纹发展成与辊面成一定角度甚至向与辊面平行的方向扩展，则最终造成剥落。外层与芯部结合不良、结合层夹渣、冷却系统不良或出现轧制事故等也会导致辊面剥落。 （２）辊面磨损 严重的辊面磨损会导致轧辊形状的变化，改变工作辊之间的辊缝，使轧件平直度不能满足要求［ｌ０〕，且轧辊使用寿命过短的最普遍原因就是表面磨损失效。因此对于轧辊辊面磨损必须予以重视。轧辊磨损形式非常复杂，疲劳磨损、磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损、微动磨损等几种磨损形式同时存在，交替作用。 疲劳磨损（热疲劳和接触疲劳）：轧制过程中轧辊不停旋转，其表面受到周期性的热冲击和接触应力，导致轧辊表面材料疲劳剥落形成凹坑，以及疲劳磨损的发生。 磨粒磨损：轧制区高温轧件表面再生氧化皮在轧制力作用下破碎、脱落，其碎片残留在轧辊表面，它混合着其它磨损形式的产物引起轧辊表面材料脱离或塑性变形，从而产生磨粒磨损。 粘着磨损：轧制区轧辊与轧件在高温高压下紧密接触，从而使轧辊与轧件表面发生粘着、剪切效应，使轧辊和轧件表面材料发生脱落或向对偶表面转移，发生粘着磨损。 腐蚀磨损：现代轧机普遍使用乳化液作为工艺润滑剂，在乳化液化学作用下，加剧了轧辊的磨损过程，而轧制区的高温作用更可能使腐蚀磨损过程加剧。

微动磨损：轧辊与轧件接触表面处于边界或混合润滑状态下，也正处在摩擦特性曲线的陡降阶段。此处，摩擦力具有明显的负阻尼特性，从而导致轧辊自激振动，轧辊和轧件在这种微动小振幅的相对振动下产生微动磨损。其机理复杂，同时包括粘着、氧化、疲劳和磨粒磨损作用。

２轧辊的修复 目前，轧辊由于磨损需要修复时多采用车削或磨削方式修正辊型。这种方式对提高轧辊寿命意义不大，只是一种“补救措施”。采用轧辊表面修复与强化的热处理技术已成为延长轧辊寿命的一个主要发展方向和途径仁，‘〕。该技术不仅可以修复轧辊，而且可以提高轧辊的耐磨性，延长轧辊的使用寿命，改善钢材的表面质量，具有明显的经济效益。 轧辊的表面修复与强化技术主要包括轧辊表面的感应加热淬火技术、堆焊技术、热喷涂技术、热喷焊技术和激光表面改性技术等。 （１）感应加热淬火技术 感应加热淬火技术是指将工件置于有足够功率输出的感应线圈中，在高频交流磁场的作用下，工件表面被迅速加热到钢的相变临界温度之上，然后在冷却介质中快速冷却获得马氏体。感应加热以及冷处理技术于２０世纪５０年代在轧辊制造中得到应用。对ｇＣｒＺＭ。钢冷轧辊进行双频淬火后，有效淬硬层为１７．ｓｍｌｎ，硬度达６２ＨＲＣ以上。叶为德采用双频淬火工艺对８６ＣｒＭｏＶ７锻钢轧辊处理后，硬度为９２一９４ＨＳＤ（约６４一６５ＨＲＣ）。下田等对锻钢轧辊感应淬火后的表面硬度达到１００ＨＳ以上（约６６ＨＲＣ）。 由于感应加热局限于表层一定深度内，工艺设备的成本较高，不能保证所有淬火面都能获得均匀的表面淬火层等，从而使其发展受到一定限制。 （２）堆焊技术 堆焊是在零件表面熔覆上一层耐磨、耐蚀、耐热等具有特殊性能合金层的技术。轧辊采用堆焊技术修复后，堆焊层与母材能实现冶金结合，堆焊获得的表面层厚度最大。采用堆焊方法修复旧轧辊和制造新辊已成为我国轧钢企业降低成本提高效益的重要举措［ｌ２」。丁洁等对４Ｃｒ５ＭｏｓｉＶ中合金耐热钢轧辊进行堆焊修复，堆焊层硬度达到４６ＨＲＣ〔１３〕。汪选国等对４５Ｃｒ４ＮＩＭｏＶ钢轧辊采用打底焊过渡层的方法进行堆焊修复，可有效防止堆焊裂纹的出现，且堆焊层平均硬度可达５２ＨＲＣ左右，耐磨性远高于轧辊材料［１’」。聂斌英对ＺＵＢ１４０ＮＣｒＭ。半钢热轧辊进行堆焊修复，修复后轧辊的工作寿命与新辊相当［‘５〕。 堆焊修复技术由于工艺复杂，生产率低，硬度不太高，轧辊在堆焊时容易产生裂缝、夹渣、焊瘤和脱落，一般要求焊前预热、层间保温和焊后回火等，恶化了劳动条件，显著增加了工艺成本。这些局限了堆焊技术的发展。 （３）热喷涂技术 热喷涂是采用热源使涂层材料加热熔化或半熔化，然后用高速气体使涂层材料分散细化并高速撞击到基体表面形成涂层的工艺过程。热喷涂技术处理轧辊基体变形小，热影响区浅；喷涂层硬度比堆焊要高（＞７０ＨＲＣ），采用火焰喷涂修复ＫｍＴ压Ｍｎ５Ｗ３合金抗磨铸铁轧辊，耐磨性比电弧堆焊提高了３一４倍。．