浅析铝轧机轧辊疲劳破裂及预防措施

摘要：铝轧机是板带加工中的重要生产设备，轧辊是铝轧机的重要工作部件，轧辊的正常工作与否直接决定了铝轧机的工作效率。轧辊在正常工作过程中由于其工作环境的多样性，容易产生疲劳破裂，使得轧辊报废。文章就铝轧机轧辊工作过程中的疲劳破裂形式进行了分类，并提出相应的预防措施。

关键词：铝轧机；轧辊过程；疲劳失效；疲劳预防

中图分类号：TG333 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）17-0075-02

1 概述

轧辊是铝冷轧机完成生产任务的基本部件。如我司1550轧机工作辊（Φ380/Φ350×1600mm；辊身硬度Hs=95～100；轧辊最小直径Φ350时，硬度不低于Hs90；淬硬层深15mm；材质：MC3）和支承辊（Φ960/Φ910×1550mm；材质：9Cr2Mo；辊身硬度：Hs=70～75±1.5；淬硬层深度25mm）。在以往的使用过程中，分别不同程度地出现了辊面爆裂和剥落脱皮的现象。然而，轧辊的使用周期（或单对轧辊的轧制通过量）是衡量铝冷轧机使用性能的关键指标。轧辊在使用周期内若出现疲劳破裂或者大面积片状剥落，将会造成轧制中产品的质量损失，也使得轧辊提前报废，增加生产成本的同时还打乱生产节奏，降低了生产效率，严重时，还会引起轧机火灾甚至飞出的剥落层有时会伤及轧机操作人员。

2 轧辊失效形式分析

轧辊在使用过程中的失效形式分为正常磨损和非正常损坏两种。轧辊从上机轧制到完成工作要求的压制标准长度或标准重量（即通常所说的通过量），或者生产不同产品需求的轧辊参数如凸度、凹度、粗糙度等因损耗超出了要求的范围后，进行有计划的更换修磨，这种情况叫做正常磨损。非正常损坏是指轧辊因操作失误以及各种事故造成无法完成正常工艺轧制。本文主要针对我司轧辊失效形式中裂纹以及辊面剥落形式进行探讨。

2.1 表面裂纹

2.1.1 疲劳裂纹的产生。铝板箔轧辊本身耐磨性很高，可发生的塑性变形极小，淬硬层较深。轧辊表面采用淬火和回火工艺进行处理后，表面硬度可以达到肖氏100左右的硬度，高硬度导致表面材质极脆，开裂敏感性高。工作过程中，工作辊辊身温度在70℃～90℃范围内，而轧辊表面与带材接触点处瞬时温度可高达200℃以上。辊身表面受瞬间高温影响急剧膨胀受压应力，表层以内形变不明显，两者之间产生拉应力。当轧辊与带材脱离时，由于轧制油的冷却作用，表面温度快速降低，应力状态由压应力变为拉应力。轧辊每循环一周，表面拉应力与压应力交变一次，长时间工作以后，轧辊表面会产生一层晶粒错位的脆硬层，即疲劳层，如果继续进行长时间轧制工作，表层以及次表层会逐渐产生细微裂纹。

2.1.2 事故裂纹的产生。在生产过程中，存在轧制工艺不合理、操作失误或者设备故障等状况以及喷淋量不足或者喷淋不均匀、轧辊骤冷骤热、压下量过大、轧制超负荷等情况，会导致粘铝现象的产生。当出现上述事故时，轻者会出现表面回火，形成局部软点；重者辊面受到热冲击时发生塑性变形，塑性变形的应力状态由压应力瞬间转变为拉应力，产生的回火过程使局部体积膨胀而使得拉应力瞬间增大，导致在回火局部的表层及次表层形成裂纹。

2.1.3 磨削加工不当导致的潜在隐患。轧辊磨削过程中，不合理的大进刀量或进刀量突然加大等错误操作会使得辊面产生较大面积或者局部烧伤。即使表面看不到烧伤痕迹，在磨削液的冷却作用下，对轧辊近表面局部区域的影响相当于二次淬火，导致晶粒错位或者变异，轧辊长时间使用后会在表面产生裂纹。

2.1.4 轧辊本身导致的裂纹。制作轧辊时采用的材料、材质、热处理过程或者加工工艺等如果不符合相关要求，通常会在轧辊内部产生裂纹，属于轧辊本身的制造

缺陷。

2.2 轧辊失效剥落的产生

铝冷轧机在工作过程中会发生轧辊剥落失效，原因可以分为以下五类：

2.2.1 轧辊原材料缺陷：铝冷轧机的轧辊在冶炼、烧铸、锻造过程中，如果出现液析、带状、块状、网状和树枝状等缺陷，超过一定量时，将导致铝轧机轧辊在工作过程中出现剥落。

2.2.2 轧辊调质余量不足。铝冷轧机轧辊调质前的加工余量与轧辊的最终使用性能具有很大关系。轧辊冷加工过程中，加工余量一般控制在3～4mm，过大或过小都会造成辊面质量下降，在工作过程中会出现剥落现象。

2.2.3 轧辊淬火工艺不合理。铝轧机轧辊淬火是轧辊生产工艺中最重要的处理环节，淬火不合理将会导致轧辊表面晶粒粗化。C的分布和表面隐晶状M组织不理想，导致轧辊在使用过程中出现剥落。

2.2.4 轧辊淬火软点。轧辊淬火时如果冷却速度不够，辊面淬火后得不到全M组织，反而会出现珠光体类型组织，使得轧辊表面出现软点，导致轧辊在使用过程中出现剥落。

2.2.5 轧辊淬硬层深度浅。我司铝冷轧机工作辊（材质MC3）和支撑辊（材质9Cr2Mo）辊面淬硬层深度一般为30～45mm，如果淬硬层深度在加工过程中达不到这个标准，将会导致辊面的压应力和芯部的拉应力位置接近，导致工作过程中轧辊脱落。

3 预防措施

通过上述分析，轧辊疲劳裂纹或者剥落的主要原因是应力集中，通过减少应力集中可以预防因使用原因造成的疲劳破裂。

在制造环节，合理选择轧辊材质，制定详细的加工工艺，严格按照技术要求进行轧辊的熔炼、锻打以及深加工和相应的热处理，避免因为制造缺陷造成的轧辊裂纹或者剥落。

3.1 轧辊磨削工艺的优化

3.1.1 确定合理磨削量。轧辊工作过程中，疲劳层磨削量以表面硬度检测数值恢复到正常硬度范围为依据，结合长期轧辊磨削及使用经验数据进行考虑，确定合理磨削量。磨削量过小会使得疲劳硬化层不能充分消除，出现裂纹的几率升高；磨削量过大，则会造成不必要的轧辊消耗。

3.1.2 优化辊面力学性能。合理的磨削工艺可以优化轧辊表面力学性能，有效避免疲劳裂纹产生。粗磨削时选择粒度大、组织粗的砂轮，并控制进刀量不要过大，减少磨削残余应力，反复走刀数次，可确保辊面疲劳硬化层磨尽。精磨削时选择粒度小、组织细的砂轮，增加精磨与抛光的次数，可有效减少表面残余应力。磨削过程中采用大流量优质磨削液，带走磨削热量，降低磨削区温度，减少表面残余应力。

3.2 采用有效轧辊管理及维护使用方法

3.2.1 加工中轧辊表面残余应力不可能完全消除，对于每对辊磨削前后的硬度值要长期跟踪，掌握轧辊性能状态，及时修订磨削工艺。对于拆卸下来的轧辊应记录轧制工作时间、轧制吨位以及换辊原因。轧辊每重新磨削一次应记录完整工艺数据。在轧辊尚未冷却到许用温度时不盲目地对轧辊进行磨削，确保在磨削过程中，将热变形带来的应力变化减小到最低程度。

3.2.2 大压下量可以提高生产效率，减少加工费用，但也会带来产品质量的缺陷和轧辊的急速损耗。合理选择轧制力、压下量等参数，可避免对辊面不必要的重载荷冲击和过度的疲劳损伤。

3.2.3 轧辊表面出现疲劳裂纹时，如果不及时发现和修磨，会导致压辊表面加深裂纹甚至剥落，这要求轧机主操作人员及时检查，按规定进行换辊。

3.2.4 确保轧制油喷淋系统正常工作，在轧制工艺允许的情况下加入极压添加剂，改善油的粘度，减少轧辊磨损、缓解热疲劳、降低轧制力、改善轧制时应力状态，稳定轧制辊系。

4 结语

铝冷轧机工作过程中，轧辊工作环境多变，周期性交变应力明显，此外轧辊制造过程中也会存在缺陷，这就要求采用优化的方法进行加工，并且应用系统管理方法，预防轧辊疲劳破裂的产生。

参考文献

[1] 范伟.铝冷轧机轧辊的疲劳破裂及预防措施[J].轻合金加工技术，2013，（2）.

[2] 唐光昕，陈瑞庭.提高出轧辊疲劳寿命的有效途径

[J].本钢技术，1996，（2）.

[3] 窦锋，严娟.轧辊失效形式的原因及预防措施的研究[J].山西冶金，2012，（5）.

作者简介：杨宝洲（1982—），男，广东韶关乳源东阳光精箔有限公司设备主任，研究方向：铝冷轧机的设备管理和维护。