分享：9Cr2Mo钢大型冷轧辊断裂原因

• 潘恒沛1, 
 
• 李雪峰1, 
 
• 张聪毅1, 
 
• 王珂1, 
 
• 李志浩1, 
 
• 杨晓1, 2, , 

• 1.

  洛阳船舶材料研究所，洛阳 471023

• 2.

  海洋腐蚀与防护全国重点实验室，洛阳 471023

9Cr2Mo钢是一种高碳合金工具钢，具有良好的耐磨性、切削性、热强度和抗变形能力，是国内外常用的冷轧辊用钢。9Cr2Mo钢的碳元素含量高，淬火应力大，在对其进行热处理过程中材料易发生开裂，因此9Cr2Mo钢大型冷轧辊淬火前应进行充分的预热处理，以确保生产的正常进行。

某厂生产的双曲线大型空心冷轧辊材料为9Cr2Mo钢，直径为400 mm，高度为450 mm，工艺流程为：锻造→球化退火→650 ℃保温50 h扩氢处理→粗加工→(880±10) ℃淬火→180 ℃回火。某轧辊在淬火后等待回火时突然发生断裂现象。笔者采用一系列理化检验方法对轧辊的断裂原因进行分析，以避免该类问题再次发生。

1.   理化检验

1.1   宏观观察

冷轧辊断口宏观形貌如图1所示。由图1可知：冷轧辊过圆心沿纵向裂成两半，其他部位有不同方向的裂纹，但没有完全裂透，断口平坦，无明显塑性变形，颜色呈银灰色，有金属光泽；断口上有多个呈斑点状的圆形小区域，直径为4~8 mm，分布无规律，圆形区域周围呈辐射状扩展，整个断口可观察到反光的小刻面，未发现明显的塑性变形现象，具有脆性断口特征，圆形区域为裂纹源区。

图  1  冷轧辊断口宏观形貌

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.2   化学成分分析

在断裂冷轧辊圆形区域附近取样，对试样进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：断裂冷轧辊的化学成分符合GB/T 13314—2008《锻钢冷轧工作辊通用技术条件》的要求。

Table  1.  断裂冷轧辊的化学成分分析结果

项目	质量分数
	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Ni	Cu	H
实测值	0.912	0.260	0.315	0.015	0.010	2.01	0.305	0.08	0.05	0.000 25
标准值	0.85~0.95	0.25~0.45	0.20~0.35	≤0.025	≤0.025	1.70~2.10	0.20~0.40	≤0.25	≤0.25	-

下载: 导出CSV 

| 显示表格

1.3   金相检验

在断裂冷轧辊圆形区域附近截取试样，将试样沿纵向磨抛，根据GB/T 10561—2023《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》对试样中的非金属夹杂物进行评级，结果如表2所示。

Table  2.  断裂冷轧辊非金属夹杂物评级结果

项目	A		B		C		D		DS
	粗系	细系	粗系	细系	粗系	细系	粗系	细系
实测值	0	0	0	0	0	0	0	2.5	2.5

下载: 导出CSV 

| 显示表格

用4%（体积分数）硝酸乙醇溶液腐蚀试样，将试样置于光学显微镜下观察，结果如图2所示。由图2可知：试样中存在严重的枝晶偏析，可见“黑白”分明的两种组织区域，黑色区域为片层状珠光体+颗粒状碳化物，白色区域为马氏体+颗粒状碳化物。

图  2  断裂冷轧辊的微观形貌

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.4   力学性能测试

对金相试样中不同组织区域进行显微硬度测试，测试力为0.98 N，测试结果如表3所示。由表3可知：白色区域的显微硬度明显高于黑色区域，冷轧辊存在较严重的硬度不均现象。

Table  3.  冷轧辊的显微硬度测试结果

测试部位	实测值1	实测值2	实测值3	实测值4	实测值5	平均值
黑区	357	365	355	365	361	361
白区	459	457	464	468	446	459

下载: 导出CSV 

| 显示表格

在冷轧辊1/2壁厚位置取样，对试样进行拉伸和冲击试验，结果如表4所示。由表4可知：冷轧辊的强度较高，冲击吸收能量较低。

Table  4.  冷轧辊的拉伸和冲击试验结果

项目	屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	断后伸长率/%	断面收缩率/%	冲击吸收能量/J
实测值	825	1 200	12.0	20.5	4，4，5

下载: 导出CSV 

| 显示表格

1.5   扫描电镜（SEM）及能谱分析

在冷轧辊断口的圆形放射状区域取样，将试样用超声波清洗后置于扫描电镜下观察，结果如图3所示。由图3可知：断口高低起伏不平；圆形区域内基体平滑，上面分布着类似“鸡爪痕”特征的撕裂棱，部分区域有氧化特征，该区域为裂纹源区；圆形区域外的放射状区域呈解理形貌，为裂纹扩展区。对裂纹源区进行能谱分析，分析位置如图3（b）所示，结果显示该区域主要成分为基体的氧化物（见图4）。

图  3  冷轧辊断口SEM形貌及能谱分析位置

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  4  冷轧辊裂纹源区能谱分析结果

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.   综合分析

冷轧辊断口上有多个圆形区域，其周围呈放射状扩展形貌，断口平齐，呈银灰色，无塑性变形，断口上有反光的小刻面。圆形区域内较光滑，其上分布着“鸡爪痕”状的撕裂棱，放射状扩展区呈解理断裂形貌特征。根据断口特征可以判断，圆形区域为裂纹源区，放射状区域为裂纹扩展区，该断口为典型的氢脆断裂断口[1-4]。9Cr2Mo钢的碳元素含量较高，强度较高，氢脆敏感性较大。9Cr2Mo钢无氢脆的极限氢元素质量分数为0.000 14%，无白点的极限氢元素质量分数为0.000 27%。轧辊的残余氢元素质量分数为0.000 25%，超过了9Cr2Mo钢无氢脆的极限氢元素质量分数[5]。综合以上分析，判断冷轧辊发生了氢脆断裂。氢元素主要来自钢的冶炼过程，后续加工过程中也有可能从环境中吸氢。

大型锻件氢脆断裂往往是氢元素与应力共同作用的结果，氢元素在三轴应力的缺陷处富集，逐渐形成显微裂纹，即冷轧辊内部的圆形斑点，在应力的作用下，冷轧辊发生断裂。现场调研发现冷轧辊断裂时发出较大的响声，且除断裂位置外还有多条裂纹，在静置状态下能使冷轧辊断裂，其内应力一定很大，冷轧辊未及时回火，应力来自于淬火应力，包括热应力和组织应力，热应力来自于温度变化时温度场产生的应力，组织应力则是相变时生成不同类型组织的体积变化而产生的应力，冷轧辊偏析严重，珠光体与马氏体交错共生，因此产生了较大的组织应力[6]。

冷轧辊枝晶偏析较严重，枝晶偏析的原因是成分偏析。冷轧辊的化学成分符合标准要求，但钢锭的浇注温度过高或凝固速率较慢会加重成分偏聚，在后续的锻造过程中，由于锻造比不足，铸态枝晶没有被充分打碎，使偏析保留了下来[7-8]。冷轧辊的夹杂物含量较多，较多的夹杂物、较严重的枝晶偏析和较大的应力场为氢元素在轧辊内部区域的扩散、聚集提供了通道和场所，给氢元素的外逸增加了一定难度，从而为冷轧辊的氢脆断裂提供了足够的条件。

3.   结语与建议

9Cr2Mo钢冷轧辊的断裂性质为氢脆断裂，裂纹源位于冷轧辊内部氢元素聚集的圆形斑点处。氢元素含量较高、未及时回火造成较大的淬火应力是冷轧辊发生氢脆断裂的主要原因，严重的枝晶偏析和较多的夹杂物对冷轧辊的断裂起到了促进作用。

建议：① 提高冶金质量，降低钢中夹杂物的含量和偏析程度；② 增加锻造比，避免材料出现枝晶偏析；③ 延长扩氢时间，降低轧辊的氢元素含量；④ 及时回火，降低冷轧辊的淬火应力。