冷間タンデム圧延におけるワークロールの表面剥離の原因分析

の 冷間圧延ロール は、冷間タンデム圧延ユニットの重要な大型部品です。その製造プロセスは比較的複雑で、作業環境は過酷です。摩擦、熱応力、衝撃などのストレスを受けます。使用中に破損、剥離、摩耗などが発生し、その後故障する可能性があります。、消耗品のコストが増加し、生産に影響を与え、経済的損失を引き起こします。ある会社のステンレス鋼生産ラインの通常の圧延生産プロセス中に、冷間連続圧延ワークロールの表面が突然剥離し、故障して停止し、通常の生産に重大な影響を及ぼしました。この記事では、冷間タンデム圧延ワークロールの剥離サンプルを分析対象とし、マクロ破壊、スペクトル組成測定、硬度、金属組織、走査型電子顕微鏡などの物理化学試験方法と日常の使用条件を組み合わせて、ロール表面の剥離の原因を分析し、考察します。

剥離したブロックの物理的および化学的検査結果と破壊の観察

ロール剥離ブロックのマクロ形態分析を実施します（図1を参照）。剥離ブロックには典型的な疲労破壊特性があり、中央の円領域に明らかな稜線が観察されます。これは疲労拡大領域の重要な特徴です。シェルラインの中心は疲労源であり、疲労亀裂の発生領域です。疲労源は表面ではなくロールの内側にあることがわかります。外輪領域が最大の面積を占め、マクロ形態は放射状で、瞬間破壊領域です。構造材料や機械部品の破損の場合、疲労損傷は静的荷重損傷とは異なります。そのほとんどは予告なく予期しない状況で発生します。破損前の外観には明らかな兆候がなく、損傷は深刻です。

走査型電子顕微鏡を用いて疲労源部を観察すると、直径約50μmの粒状介在物が存在することが分かりました。EDSの結果、Ca、K、O、Mg、Al、Siなどの元素が含まれており（図2参照）、大粒径の酸化物混合介在物であることが分かりました。

化学成分：剥離ブロックからサンプルを切り取り、スペクトル成分分析を行いました。ロールの材質は8Cr3NiMoVです。試験結果を表1に示します。下限値をわずかに下回るCr元素を除き、他の成分はGB/T1299-2014規格の範囲内です。剥離ブロックの硬度をロックウェル硬度計で試験したところ、硬度（HRC）値は64.5に達し、サンプル上の各位置は比較的均一で、標準要件を満たしていました。

金属組織観察

ワイヤー切断機を使用して、疲労源で金属組織サンプルを切断しました。測定後、疲労源はロール表面から約 8 mm 離れていました。サンプルの準備と研磨の後、ZEISSImager.A1m 金属組織顕微鏡、ZEISSEVO18 走査型電子顕微鏡などの機器を使用して観察と分析を行いました。剥離したブロックには、複数の根元の亀裂があることがわかりました (図 3 を参照)。亀裂は内部の疲労源から発生し、ロール表面まで拡大しました。

図3 剥離したブロックの内部亀裂

サンプルを総合的に観察した結果、剥離したブロックには多くの塊状の介在物があり（図4a参照）、その大きさは最大90μmで、介在物は基準を大幅に超えていました。走査型電子顕微鏡のエネルギースペクトル分析（図4b参照）を使用すると、塊状の大きな粒子介在物は主にOとAlで、少量のMg、S、Ca、Mn、Feが含まれています。これらはAl2O3を主成分とする混合介在物であると推測できます。これは、ロールを製造する際の溶解プロセスの制御が緩いことが原因である可能性があります。

2. 分析と議論

亀裂発生のプロセス

マクロ形態分析から、ロール剥離破損は内部疲労源から発生したと推測できます。その後、運転中の連続応力周期的応力下で、亀裂は徐々に拡大して稜線を形成しました。疲労亀裂はある程度拡大し、強度が不十分になり、圧延プロセス中の外力に耐えられなくなります。最終的に、終端領域が形成され、ロールの表面が剥離します。ロールの運転中、ロールの荷重によって引き起こされる最大合成せん断応力は、ロールの荷重によって発生します。 圧延工場 ロールの接触点における局所的な圧縮は、ロール表面下の小さな領域にあります。ロールを製造して使用する前の準備プロセスでは、残留応力が発生します。同時に、冷間圧延処理温度は低いですが、摩擦の作用によりロールとストリップの温度も上昇し、熱応力が発生します。圧延プロセス中にストリップの破損、フリッキング、重なり、滑りなどが発生すると、ロール表面は局所的な過負荷熱と衝撃応力を受けます。非金属介在物は機械的混合物の形で鋼中に存在し、その特性は鋼の特性と大きく異なるため、鋼マトリックスの均一性と連続性を破壊し、そこに応力集中を引き起こし、疲労の原因になります。また、加熱プロセス中に、非金属介在物とマトリックスの線膨張係数が異なり、介在物近くのマトリックスに追加の応力場が発生します。このような複雑な応力条件下では、表面層に非金属介在物、特に脆い介在物がある場合、最大応力の両極端で球状介在物がまずマトリックスから剥離し、一次マイクロクラックを形成します。亀裂が急速に伝播する前に、鋼マトリックスと介在物の界面が徐々にマトリックスから分離し、亀裂チャネルを形成します。応力サイクルの回数が増えるにつれて、マイクロクラックはボールのシェルティアマトリックスに沿って徐々に外側に拡大します。亀裂の全体的なサイズがロールが耐えられる臨界サイズを超えると、疲労亀裂は不安定な拡大段階に入り、瞬間的な破壊によりロール表面が最終的に剥離します。ロール表面の剥離は、介在物による亀裂の発生→亀裂の伝播→剥離といういくつかのプロセスを経ています。

介在物の疲労特性への影響

介在物がワークの疲労寿命に及ぼす影響は、介在物の性質、大きさ、量、分布に関係しています。一般的に、TiN、Al2O3などの硬くて脆い塊状または球状の介在物は、マトリックスとの結合が悪く変形しません。延性があり細長い介在物よりも有害です。介在物の数が多い場合、集中して分布している場合、または部品の表面または高応力領域にある場合は、疲労寿命に最も深刻な影響を及ぼします。同時に、介在物が疲労特性に及ぼす影響は、マトリックスの構造と特性にも依存します。実験では、軟鋼の疲労強度は介在物とほとんど関係がないことが指摘されています。鋼の強度が増加するにつれて、介在物の有害な影響はますます深刻になります。深刻です。高硬度、高強度の金属材料では、介在物が疲労強度に与える影響が顕著な問題になっています。関連する研究データによると、疲労寿命は介在物のサイズに非常に敏感です。介在物のサイズを小さくすると、疲労寿命が大幅に向上します。高硬度、高強度のワークピースの場合、表面介在物の臨界サイズは8〜10μmで、硬度が高くなるにつれて小さくなり、深さが深くなるにつれて大きくなります。介在物が臨界サイズより小さければ、介在物による疲労破壊を回避でき、疲労性能が向上します。介在物が臨界サイズより大きい場合、介在物のサイズが大きくなるにつれて、鋼の疲労強度と疲労寿命は急激に低下します。文献によると、高強度鋼の場合、介在物のサイズを1/3に縮小すると、疲労寿命が10倍延長され、介在物のサイズを約半分に縮小すると、疲労寿命が100倍延長されます。同時に、介在物のサイズを半分に縮小すると、疲労強度を1.12〜1.15倍に高めることができます。まとめると、ロールは使用中に複雑な応力の作用を受け、大きな介在物に疲労亀裂源が発生します。交番応力が変化し続けると、疲労亀裂が拡大して二次亀裂が発生し、破断面に疲労帯と放射状帯が形成されます。亀裂の全体サイズが臨界サイズを超えると、疲労亀裂は不安定な拡大段階に入り、瞬間的な破壊と剥離によりロールは最終的に破損します。

結論

（１）冷間タンデム圧延の表面剥離 ワークロール 表面近くの大型のAl2O3のような脆く硬い介在物によって引き起こされる疲労破壊が原因です。

（２）ロールの検査を強化する。超音波検査は内部欠陥を検出し、磁性粒子と渦電流は表面欠陥を検出します。状況に応じて異なる方法または組み合わせを使用して、ロールの品質を確保します。

（３）使用中の冷却と潤滑を確保し、過熱を防止するための科学的かつ合理的なロールの使用および保守システムを開発する。