φ400mm驱动辊断裂原因分析

沈静雯，陈华

驱动辊是立式连铸生产线拉矫机单元的重要部件，材质为德国标准21CrMoV5-11，其常规制造工艺流程为：冶炼→锻造→退火→粗车→调质→半精车→堆焊→除应力→精加工→磨削。某钢厂立式连铸机驱动辊在投入使用早期发生断裂，断裂处为辊颈与辊身过渡圆弧处（见图1）。通过对断辊的辊颈、辊身进行理化检验，分析断裂原因，为后续21CrMoV5-11材质驱动辊质量的稳定提供了有效保障。

1.理化检验

（1）化学成分分析 对断辊辊颈与辊身取样并进行化学成分测定，结果见表1，材料各元素含量满足技术要求。

（2）力学性能测试 在辊颈、辊身分别取样进行常温拉伸、弯曲、常温冲击等性能检测，得出较高的抗拉强度及较低的冲击值，见表2。

图1

图2

图3

（3）金相检验 断口处（见图2、图3）经电子显微镜观察后为准解理断口，类属于解理断裂，为脆性断裂的一种。对断裂处即辊颈与辊身圆弧过渡存在环状裂纹处进行观察（见图2），裂纹深度方向观察到圆弧处存在多处腐蚀坑，裂纹起源于这些腐蚀坑之一（见图3）。

分别将辊颈（φ200mm）、辊身（φ400mm）切片取样，经1:1工业盐酸热蚀后，按GB/T1979—2001中的评级图三评定辊颈一般疏松为1.5级，在低倍试片上取样做高倍分析（见图4）；按评级图四评定辊身一般疏松为1.5级，并且整个试面存在粗晶现象，在粗晶较严重部位取样做高倍分析（见图5）。

对辊颈、辊身低倍试片上所取试样做高倍分析。经磨制、抛光后观察，夹杂物情况正常；经4%硝酸酒精浸蚀后观察组织，辊颈组织分布略不均匀，组织为回火索氏体（见图6、图7）；辊身组织较粗且组织粗细分布极不均匀，组织为回火索氏体（见图8、图9）。

2.断裂原因分析

辊身与辊颈圆弧过渡处为驱动辊应力集中区，该区域表面粗糙度、内部组织、力学性能的任何缺陷都将可能导致辊颈断裂失效的发生。

理化检测结果表明：该断辊辊颈化学成分、力学性能、金相组织均合格，但辊身的冲击吸收能量低，抗拉强度较高，组织粗细极不均匀；由宏观检查分析，解理断裂在金属断裂事故中是经常遇到的，多是由于工艺不正确或在运行中的环境、温度不适当都有可能使材料变脆发生断裂。

由此，断裂原因主要由于辊身强度太高，韧性较低，形成原因如下：

图4

图5

图6 辊颈组织（200×）

图7 辊颈组织（500×）

表1 断辊化学成分（质量分数） （%）

表2 断辊力学性能测试结果

（1）热加工不当 在轧制过程中，未能将粗大晶粒破碎或加热温度过高，高温区停留时间过长，以及锻轧变形量不够等原因，都会造成粗晶。原奥氏体晶粒对材料的工艺性能、力学性能及热处理有重大影响，粗大奥氏体晶粒冷却后获得粗大的转变产物，其塑性、韧性都会变差。

（2）淬火加热温度过高或保温时间太长 淬火加热温度过高及保温时间长都会导致奥氏体晶粒长大，后续给组织造成遗留问题，回火后组织保留粗大组织形态，导致材料抗拉强度偏高，相对脆性加大，冲击韧度降低。

（3）使用环境差 驱动辊圆弧过渡处存在多处腐蚀坑，说明现场工作时有腐蚀物质对该处进行作用。

（4）产品设计欠缺 作为辊子中易形成应力集中的部位，过渡圆角的大小也直接影响到辊子的使用寿命。

3.结论与建议

（1）对原材料进行金相检验，避免原始组织遗留问题。

（2）在热处理过程中降低淬火温度，缩短保温时间。

（3）确保驱动辊使用环境，例如在过渡圆弧处涂抹防锈油剂等方法。

（4）确保设计的合理性，加大辊身与辊颈过渡圆弧，以减少因设计不当而造成的应力集中。

图8 辊身组织（200×）

图9 辊身组织（500×）