轧辊失效方式及其原因分析

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1、轧辊失效方式及其原因分析渠 彬，朱世根，顾伟生（东华大学机械工程学院，上海200051）摘　要：介绍了轧辊存在剥落、断裂、裂纹等几种失效方式，并重点分析了轧辊剥落和断裂产生的机理，为分析生产实践中轧辊失效原因和采取相应改进措施以提高轧辊使用寿命提供了依据。关键词：轧辊；失效原因；剥落；断裂；裂纹中图分类号：TG333.15　　文献标识码：A　　文章编号：1004-4620（2005）01-0031-02RollFailureFashionandIt'sCausesAnalysisQUBin,ZHUShi-g

2、en,GUWei-sheng(TheMechanicalEngineeringCollege,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China)Abstract:Thefailuretypesofrollsuchasflaking,fracture,cracketcaredescribed.Themechanismofflakingandfractureofrollisanalyzed.Thepreventivemeasuresforrollfailureandfailureca

3、usesarefoundinpractice,andprolongingservicelifeofroll.Keywords:roll;failurecause;flaking;fracture;crack1前言　　轧机在轧制生产过程中，轧辊处于复杂的应力状态。热轧机轧辊的工作环境更为恶劣：轧辊与轧件接触加热、轧辊水冷引起的周期性热应力，轧制负荷引起的接触应力、剪切应力以及残余应力等。如轧辊的选材、设计、制作工艺等不合理，或轧制时卡钢等造成局部发热引起热冲击等，都易使轧辊失效。　　轧辊失效主要有剥落、断裂、

4、裂纹等形式。任何一种失效形式都会直接导致轧辊使用寿命缩短。因此有必要结合轧辊的失效形式，探究其产生的原因，找出延长轧辊使用寿命的有效途径。2轧辊的失效形式2.1轧辊剥落　　轧辊剥落为首要的损坏形式，现场调查亦表明，剥落是轧辊损坏，甚至早期报废的主要原因。轧制中局部过载和升温，使带钢焊合在轧辊表面，产生于次表层的裂纹沿径向扩展进入硬化层并多方向分枝扩展，该裂纹在逆向轧制条件下即造成剥落。2.1.1支撑辊辊面剥落 支撑辊剥落大多位于轧辊两端，沿圆周方向扩展，在宽度上呈块状或大块片状剥落，剥落坑表面较平整。支撑辊

5、和工作辊接触可看作两平行圆柱体的接触，在纯滚动情况下，接触处的接触应力为三向压应力，如图1所示。在离接触表面深度（Z）为0.786b处(b为接触面宽度之半)剪切应力最大，随着表层摩擦力的增大而移向表层。图1 滚动接触疲劳破坏应力状态   疲劳裂纹并不是发生在剪应力最大处，而是更接近于表面，即在Z为0.5b的交变剪应力层处。该处剪应力平行于轧辊表面，据剪应力互等定理，与表面垂直的方向同样存在大小相等的剪应力。此力随轧辊的转动而发生大小和方向的改变，是造成接触疲劳的根源。周期交变的剪切应力是轧辊损坏最常见的致因

6、。在交变剪切应力作用下，反复变形使材料局部弱化，达到疲劳极限时，出现裂纹。另外，轧辊制造工艺造成的材质不均匀和微型缺陷的存在，亦有助于裂纹的产生。若表面冷硬层厚度不均，芯部强度过低，过渡区组织性能变化太大，在接触应力的作用下，疲劳裂纹就可能在硬化过渡层起源并沿表面向平行方向扩展，而形成表层压碎剥落。　　支撑辊剥落只是位于辊身边部两端，而非沿辊身全长，这是由支撑辊的磨损型式决定的。由于服役周期较长，支撑辊中间磨损量大、两端磨损量小而呈U型，使得辊身两端产生了局部的接触压力尖峰、两端交变剪应力的增大，加快了疲劳

7、破坏。辊身中部的交变剪应力点，在轧辊磨损的推动作用下，逐渐往辊身内部移动至少0.5mm，不易形成疲劳裂纹；而轧辊边部磨损较少，最大交变剪应力点基本不动。在其反复作用下，局部材料弱化，出现裂纹。　　轧制过程中，辊面下由接触疲劳引起的裂纹源，由于尖端存在应力集中现象，从而自尖端以与辊面垂直方向向辊面扩展，或与辊面成小角度以致呈平行的方向扩展。两者相互作用，随着裂纹扩展，最终造成剥落。支撑辊剥落主要出现在上游机架，为小块剥落，在轧辊表面产生麻坑或椭球状凹坑，分布于与轧件接触的辊身范围内。有时，在卡钢等情况下，则出

8、现沿辊身中部轴向长达数百毫米的大块剥落。2.1.2工作辊辊面剥落工作辊剥落同样存在裂纹产生和发展的过程，生产中出现的工作辊剥落，多数为辊面裂纹所致。　　工作辊与支撑辊接触，同样产生接触压应力及相应的交变剪应力。由于工作辊只服役几个小时即下机进行磨削，故不易产生交变剪应力疲劳裂纹。轧制中，支撑辊与工作辊接触宽度不到20mm，工作辊表面周期性的加热和冷却导致了变化的温度场，从而产生显著的周期应力。辊面表层受热疲劳应力