陈国光 井宝军 史萍萍
【摘要】本文通过对连铸辊使用过程中出现断裂情况进行了分析，发现焊接堆焊工艺存在问题，应重视连铸辊的焊接工艺控制。
关键词：堆焊辊；硬度；热疲劳；氧化
某f350mm的钢连铸水平段辊在运行1/4～1/3设计周期寿命后，出现中间断裂现象。该辊子为常规设计堆焊辊，基体材料由锻造而成，成分为铬钼钒钢（21CrMoV511）；外层为堆焊耐热耐磨层，厚度约为3mm，成分为2Cr13。辊子中间设有一个约40mm 的水冷孔。
该辊子为水平段下框架入口第一辊，辊子辊身长度为1500mm，断裂位置在辊身左端至中间960mm左右。该辊子处于经常使用轻压下的扇形段。
图1
图2
图3
表1 化学成分检测结果（质量分数） （%）
名称CSMnSiPMoCrNiV母材21CrMoV511检测0.170.0180.370.370.0101.021.280.120.25母材21CrMoV511要求1.50＜0.600.25 ～ 0.35堆焊层2Cr13检测0.210.0041.280.590.0090.1713.85——0.17 ～ 0.25≤0.0350.30 ～ 0.50 0.30 ～ 0.60≤0.0351.00 ～ 1.20 1.20 ～堆焊层2Cr13要求0.16 ～ 0.20≤0.010.90 ～ 1.2 0.30 ～ 0.50≤0.018—12.0 ～ 14.0——
对连铸辊宏观检测、成分分析、力学拉伸试验、硬度检测、金相组织检测。
（1）宏观分析 宏观观察辊子断裂发生在接近辊身中间部位，具体位置如图1、图2所示，断面已经氧化锈蚀；断口宏观形貌如图3所示，断口没有明显变形和尺寸变化，且断口一部分表面较平坦，另一部分表面较粗糙，存在明显的裂纹快速扩展的撕裂棱。从宏观断口判断，该辊子裂纹源从辊身表面A处萌生，经过一定时间的疲劳延伸，当无法承受负荷时发生一次性脆性断裂。
（2）成分分析 分别对辊子堆焊层及基体进行化学分析，结果如表1所示。由表中数据可见，堆焊层及母材成分基本符合要求。
（3）硬度检测 主要分为硬度梯度检测和辊面堆焊表面硬度检测。
梯度检测：对辊子左端部100mm处表面堆焊层进行硬度梯度检测，0～10mm内每0.5mm测一点，结果如表2所示，硬度梯度曲线如图4所示。表中数据显示辊子表面堆焊层硬度为27～32HRC，符合图样要求的27～37HRC。
辊子堆焊表面硬度：断辊左端长度960mm，从左端面开始，间距100mm。分四条母线，结果如表3所示，辊子堆焊面硬度曲线如图5所示。
从以上数据分析，由于辊子在工作过程中，中间部位（具有一定的轻压下）局部点的工况温度超过了2Cr13许用温度600℃，表面局部点域会渐渐失去其应有的高温热稳定性（即高温抗氧化性），导致了表面硬度的降低。
（4）力学性能检测 按标准在辊身部位取样，对辊子进行力学性能分析，取样位置如图1所示，结果如表4所示。数据表明：辊子基体的抗拉强度正常，符合图样要求的700～850MPa。
（5）低倍组织检测 低倍检测显示母材基体组织按GB/ T1979－2001中的评定图四评定，其一般疏松级别为1.5级；辊表面堆焊层厚度符合图样要求的≥3mm，如图6所示；堆焊层表面布满周向裂纹，且裂纹深浅不一，如图7、图8所示。
（6）金相组织 在低倍试片上取样做高倍分析，经研磨、抛光后观察，按GB/T10561—2005标准评定其夹杂物级别为A1.5，C1.5，如图9所示；堆焊层的组织为回火马氏体，如图10、图11所示；基体组织为回火索氏体，如图12、图13所示。
表2 硬度梯度检测结果
距表面/mm 0.5 11.522.533.544.55检测HV 276 284280310288284296310310314对照HRC 27 27.52731282829313131.5距表面/mm 5.5 66.577.588.599.510检测HV 292 314324356350276261247241238对照HRC 28.5 31.53235.535.5272421.52020
表3 辊子堆焊表面硬度检测结果 （HRC）
母线/位置1234567 A28.928.328.827.527.026.927.6 B26.928.126.026.226.126.926.5 C27.729.127.426.327.427.926.3 D29.928.329.826.626.727.026.9平均28.428.528.726.726.727.226.8
图4 硬度梯度曲线
图5 辊子堆焊面硬度
表4 力学性能检测结果
部位编号屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率（%）冲击吸收能量/J 1辊身55571221.018 2 55070721.516 3——24
图6
图7
图8
（1）该连铸辊辊身中部断裂，对辊子进行综合检测，辊子堆焊层和基体的化学成分、力学性能、硬度、金相组织及辊表面堆焊层厚度等均符合要求，但低倍检测显示堆焊层表面布满裂纹，裂纹断断续续，分布密集，宏观断口显示裂纹热疲劳扩展。
图9 100×
图10 堆焊层组织100×
图11 堆焊层组织500×
图12 堆焊层组织500×
图13 基体组织500×
（2）辊子外表面存在氧化疲劳层。说明在此工况温度条件下，2Cr13 堆焊层随着工作时间的积累，表面局部点域会渐渐失去其应有的高温热稳定性（即高温抗氧化性）。也由此推测，局部接触点的工况温度至少超过许用温度（≤600℃），最高可能会达到 750～850℃。
（3）氧化层和热疲劳裂纹相互作用。辊子的表面堆焊层在该高温工况下，会陆续产生连续的、深浅不一、厚薄不等的氧化层，在氧化层和热疲劳裂纹相互作用下，促使个别点或区域的裂纹缺陷源逐渐延伸扩展，直至辊子断裂。
作者简介：陈国光等，常州宝菱重工机械有限公司。
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