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1、锻钢冷轧辊的无损检测1锻钢冷轧辊的无损检测摘要摘要带钢冷轧工作辊的各项高性能指标及严酷的使用条件，使无损检测(NDT)技术在其研制、生产、试验和日常使用管理中得到广泛应用。本文对冷轧工作辊的材质、性能指标、使用条件及检测项目进行了介绍，对冷轧工作辊超声检测(UT)中常见技术问题进行了研讨，文章还对三种主要的表面探伤技术在冷轧工作辊表面缺陷检测中的效能进行了评述。关键词关键词锻钢冷轧工作辊 超声波探伤 表面波 涡流检测 旋磁探伤1 概述概述现代带钢冷连轧工作辊及中间辊的材质通常为含 Cr25的高碳合金锻钢，近年来已开始使用高速钢及半高速钢材质来制造冷轧工作辊。小规格的森吉米尔多辊轧机(Sendz
2、imir mill)的工作辊及中间辊的材质主要为 Cr12 系列锻钢及锻造高速钢。现代冷连轧机的的轧制速度很高，可达每秒数十米。轧辊所承受的轧制力很大，按辊面母线单位长度计算，单位长度轧制压力常在10KN/mm 以上。轧制的板宽很宽，板厚越来越薄，钢材的强度日益提高。因轧制极薄板而使轧制事故容易发生，辊面受粘钢及热冲击损伤的几率增加。因此冷轧辊的使用条件极其严酷。由于市场对现代冷轧板的质量要求日益提高，例如对板面要求光滑，不得有辊印、桔皮状糙化等影响板面质量的缺陷；对板形要求平整，对板面中间的瓢形、边部的浪皱及镰形侧弯的控制很严，这就要求轧辊辊面有很高的耐磨性、耐糙化性；由于轧钢生产中可能发生
3、辊面打滑、卡钢、粘钢等事故，辊面容易受热冲击而产生热裂纹，这些表面细小裂纹在未磨尽的情况下，在随后的使用中将引起裂纹向辊身皮下发展而形成大而深的带状剥落，使轧辊彻底报废。这就要求轧辊锻钢冷轧辊的无损检测2兼有良好的耐事故性，即要求辊面有适当的硬度和残余压应力水平。总而言之，既要求轧辊有高的耐磨性，又要求它具有良好的耐事故性。通常轧辊的耐磨性和耐事故性是一对矛盾，过高的耐磨性(硬度)通常伴随着耐事故性的降低，而降低硬度一般可使耐事故性得到提高。所以轧辊的生产者和使用者在轧辊的生产和使用管理中，不仅要根据其使用条件和材质特点选择适当的热处理工艺以获得轧辊的适当的硬度范围和表面残余压应力水平，同时还
4、要在轧辊的修磨过程中加强修磨控制和辊面缺陷检测，这在轧钢生产中卡钢、甩尾、打滑和跑偏等事故较多的情况下，尤为重要。对于一般的中、窄带钢冷轧工作辊来说，使用条件比宽带钢冷连轧辊要相对好一些。但除了轧制速度较慢、单位轧制力较低外，其他对于辊面耐磨性、耐糙化性和耐事故性仍有很高要求。为了满足轧钢生产的使用，冷轧工作辊必须有足够深的辊身淬硬层深度。从 20 世纪 70 年代开始，冷连轧辊的淬硬层深度从12mm，逐步增加到 20 和 30mm 左右，目前已达到约 50mm 的水平。由于淬硬层的增厚，辊身淬硬层的残余压应力对轧辊中心区域残余应力的影响，使心部的残余拉应力水平有所增高，拉应力峰值区范围进一步
5、扩大。这就使得对于冷轧工作辊中心区域的缺陷控制要求更加严格。换言之，轧辊制造厂和轧钢厂对于冷轧工作辊内部缺陷超声波检测提出了日益更高的要求。为了满足上述冷连轧机的使用条件，对冷轧辊提出了下列很高的检测要求：轧辊辊面和辊颈轴承部位的硬度检测为了达到辊面的高耐磨性要求，辊面硬度通常都要求达到 HSD93以上，对于平整工作辊硬度更是要求 HSD95 以上，且要求硬度均匀，辊身硬度均匀度不超出 HSD2。为了防止辊身两端部在表面淬火过程锻钢冷轧辊的无损检测3中和以后使用时的脱肩事故，在辊身两端要留有一定宽度的淬火过渡区软带。为了使辊颈轴承部位有良好的耐磨性，在轧辊制造时，通常需要对辊颈轴承部位进行表面
6、高频感应淬火硬化处理辊颈强化。上述部位均需进行硬度检测。轧辊的金相检测为了保证辊面的耐糙化性，防止在很高接触应力使用条件下辊面的滚动接触疲劳所引起的辊面微裂纹和小掉肉，对轧辊的显微组织要求也很高。要求晶粒组织细小均匀；要求高倍夹杂物少，通常要求 A系(加工变形)夹杂物(硫化物、硅酸盐)、B 系夹杂物(氧化铝)、C 系(不变形氧化物、氮化物等)夹杂物的总量不大于 0.04%；要求偏析程度低，防止树枝晶出现。同时对组织中的液析碳化物的大小也有控制要求，一般碳化物的大小应在 2m 以下，个别碳化物不应大于 3m。对于夹杂物的定量通常可采用网格法来计算，也可采用图像分析法来定量；对于液析碳化物的大小测
7、量，一般应以在显微镜下测得的液析碳化物块的长轴尺寸为准。轧辊的表面残余应力测试为了处理好辊身的耐磨性和耐事故性这一对矛盾，辊身表面应保持适当的热处理残余压应力。这个残余压应力不能太高，也不能太低。残余压应力较低则反映辊面硬度也较低，耐磨性也较差，但轧辊的抗事故性可能较好，属于耐事故型轧辊；残余压应力较高，则通常辊面硬度很高，辊面的耐磨性高，属于耐磨型轧辊，但在发生辊面打滑、粘钢和烧伤等轧钢事故时，产生的表面裂纹较深，易导致辊面剥落事故。辊面的残余压应力与硬度的关系密切，有资料指出，对于辊身直径在 550mm 左右的冷轧辊，当辊面残余压应力增大或减小100MPa，则辊面硬度相应增大或减小约 0.
8、8HS。辊面的残余应力一般可采用 X 射线应力检测法进行检测。锻钢冷轧辊的无损检测4轧辊的无损探伤如果辊身内部存在某些缺陷，则轧辊在预备热处理调质过程和最终热处理辊身淬火/回火及辊颈表面强化过程中，在热应力和组织应力的作用下，可能引起缺陷的扩展甚至导致轧辊的断裂事故；如果辊身表面及近表层存在缺陷疲劳源，将引起轧辊在使用中的掉肉和剥落事故；对于一些需要重复淬火硬化的轧辊，必须防止重淬过程中因轧辊原始内在缺陷诱发的断裂事故。以上种种都对冷轧辊的辊坯、半成品以及成品辊的低倍冶金缺陷提出了很高的检测控制要求。对轧辊内部的低倍缺陷采用超声波纵波探伤法来探测。而对轧辊表面的缺陷，主要包括翻皮、锻造折叠、热
9、处理裂纹、疲劳裂纹及磨削裂纹等，可采用渗透探伤或磁力探伤法进行检测，也可采用超声表面波法来进行检测。在上述诸项检测中，对新辊及在用辊最常用的是无损检测项目，它对于轧辊的安全制造和合理使用管理以及反映其内在质量信息有着重大的意义。2 新品冷轧辊的超声检测新品冷轧辊的超声检测2.1 冷轧辊冷轧辊 UT 中的若干问题中的若干问题2.1.1 空心辊的中心缺陷问题空心辊的中心缺陷问题冷轧工作辊有开中心孔的空心辊和不开中心孔的实心辊两种。从使用角度看，有的工厂在轧制前，需要向轧辊的内孔通蒸汽预热轧辊。另外，因为轧辊中心部位在热处理(包括调质及表面淬火)时是拉应力峰值区，因此中心缺陷很有害。通常可加工一个去
10、除这些缺陷的工艺孔。该孔在辊坯整体调质时还可通油冷却，以产生表面残余压应力，使热处理的残余拉应力峰值区不在孔壁上。因此带中心通孔轧辊的UT 是一个常见的检测问题。当中心缺陷未能完全去除，特别是残留缺陷在孔壁上显露时，将更具危险性。轧辊使用时，工作辊夹在支承辊之间，在很大的压力下转动。因此，在中心孔壁上产生拉伸和压缩锻钢冷轧辊的无损检测5的交变应力。当该应力与残余应力叠加，超过孔壁疲劳极限、特别是由于孔壁上缺陷显露形成应力集中部位时，将由此发生疲劳破坏。日本三喜代三指出，采用感应加热方式进行冷轧辊淬火时，在无法冷却中心孔或冷却能力较差时，一定要避免使用开中心孔的轧辊，这是一条原则。据我国常州冶金
11、机械厂报道，一批开有 80mm 中心孔的9Cr2Mo4001200mm 冷轧辊，在使用中断辊率高达 20。经分析，其原因是辊坯存在中心部位缺陷，中心孔使材料的内在缺陷外露，调质时孔壁氧化脱碳使材料的疲劳强度下降，加上加工刀痕产生应力集中，加速了疲劳裂纹的形成而导致断辊。当针对上述原因采取措施，生产 20 支实心辊，经两年的使用考核，再未发生断辊。宝钢冷轧厂也曾使用过一支冷轧辊，内孔存在一个 35mm 的接刀台阶，结果该辊使用不久就发生断辊事故。因此，对空心辊的孔壁表面质量要求很严，规定必须采用超声探伤及内窥镜进行检查，不允许孔壁表面有尖锐的刀痕、划伤以及任何暴露在孔壁表面的缺陷。在 GB/T
12、13315锻钢冷轧工作辊超声波探伤方法标准中将中心孔附近定为区，对此区 UT 的要求与辊身近表层的区相似。一般说来，在实际生产中，因为在锻件的近表层区(区)材料很纯净，组织很致密而很少遇到缺陷，而区因处于锻件的中心部位，容易残留一些锻造不致密及夹杂性缺陷而在探伤中被发现。这类缺陷中危害最大的是与中心孔壁基本垂直的裂纹。鉴于其方向性不利于径向垂直探查，检测人员在探伤中应特别注意中心孔底波后一个小范围内的回波信号，当探头沿周向或轴向移动时注意这种回波信号的变化，以作出正确的判断。见图 1 所示:图 1 带中心孔轧辊内孔壁附近裂纹性缺陷的波形锻钢冷轧辊的无损检测6空心辊的超声探伤中另一个需要注意的是
13、灵敏度校定问题。由于空心辊探伤时使用内孔回波作为基准底波，在用 DGS 方法校定灵敏度时，要对内孔凸弧面发散衰减进行修正，将计算出的起始灵敏度增益量减去修正值 10Log10 (dB)。rR2.1.2 Phantom Echo 问题问题冷轧辊在 UT 时有时会出现幻象波(Phantom echo)干扰问题，对此UT 人员应能进行正确的识别。无论是冷轧辊的锻件、中间半成品以及成品辊，其金相组织均很细，对 GB/T 13315 标准中规定使用的22.5MHz 的超声而言，基本无材质衰减。由于规定的 2 平底孔起始灵敏度很高，对于直径在 400600mm 的实心辊，灵敏度约为基准底波再加 4349d
14、B，一般探伤仪与这些声程相配的脉冲重复频率(PRF)约为 250500Hz，在这些条件下探伤极易产生幻象波或混响回波。这时必须注意区别是真实的缺陷信号还是幻象波信号。探伤中，当前一次超声脉冲在工件中反复传输形成的多次底波未因扩散、散射和吸收衰减而在下一次超声脉冲到来前降至足够低，则此种残余信号将与下一次超声脉冲信号相混合而显示在屏幕上，形成幻象波。因此幻象波的产生有三个条件：工件材质对所用频率的超声有足够低的超声衰减系数；仪器发射的两次相邻脉冲间隔时间足够短，即 PRF 足够高；仪器接收放大电路的增益量足够大，即灵敏度足够高。工件的超声衰减由扩散衰减和材质衰减两部分组成。扩散衰减在所用探头确定
15、后仅与工件形状尺寸有关。由于空心辊的内孔凸弧面扩散衰减很大，因而空心辊没有幻象波问题。从 UT 角度看，工件品质越优良，组织中各种夹杂物包括低倍缺陷越少，晶粒越细小、均匀，材质的超声衰减也越小。因此优质的锻钢冷轧辊在 UT 时易产生幻象波。幻象波具有下列特征：它不因探头在探伤面上的移动而发生波高锻钢冷轧辊的无损检测7和位置的变化，波的前沿陡直，波形尖细；当仪器 PRF 不够稳定时，幻象波位置能随时间由左向右缓慢移动；使用交流电源时，幻象波可能因交流频率的变化而变得虚幻，在屏幕上的图像变粗；幻象波的数量及高度随所用的 PRF 增加而增加，随 PRF 的降低而降低以致消失。此外，由于使用较高频率超
16、声时，材料衰减系数增大，此时即使用较高的 PRF 也不易产生幻象波干扰。参见图片 2。综上所述，鉴别幻象波的简单方法如下：a.探伤发现可疑回波时，降低 PRF，如果可疑波消失或波幅降低可确认为幻象波,真正的缺陷波是没有变化的；b. 幻象波是底波的多次反射，因此，用探头检查工件另一面时或直径相同的其他部位时，波的位置不变。用手或油刷触动探头检查的底面时，屏幕上的波形也跟着跳动，则可确认是幻象波，真正的缺陷波是不会跳动的。2.1.3 电渣钢与钢包精炼钢轧辊的缺陷定性问题电渣钢与钢包精炼钢轧辊的缺陷定性问题现代带钢冷轧辊的材质通常为含 Cr 25%的高碳合金锻钢。由于对冷连轧工作辊及中间辊的性能要求很高，冷轧辊坯必须采用电渣重熔法(ESR)冶炼的钢锭或钢包精炼工艺炼成的钢锭来锻造。在冷轧辊的制造中，通常要经过 23 次热处理和多项机加工。有时因为热处理工艺或使用的需要，在轧辊中要加工出中心通孔；对另一些冷轧辊，因为考虑用户后续的综合使用及改制的要求和对所用热处理工艺的适图 2. PRF 500Hz 时的波
