摘 要:某110kV 變電站用鑄造ZA33鋅鋁合金蝸輪在設(shè)備運(yùn)行時(shí)發(fā)生斷裂。采用宏觀觀察、 化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、金相檢驗(yàn)、斷口及能譜分析等方法對(duì)該蝸輪的斷裂原因進(jìn)行了分析。 結(jié)果表明:該蝸輪中存在粗大的樹(shù)枝晶組織和疏松等鑄造缺陷,以及機(jī)構(gòu)緩沖橡膠墊嚴(yán)重硬化,導(dǎo) 致蝸輪銷軸孔處產(chǎn)生裂紋,設(shè)備運(yùn)行中裂紋擴(kuò)展,導(dǎo)致蝸輪斷裂。改善蝸輪的鑄造工藝以消除鑄造 缺陷,以及將緩沖結(jié)構(gòu)更換為碟簧型緩沖結(jié)構(gòu),可以延長(zhǎng)蝸輪的運(yùn)行壽命。 

關(guān)鍵詞:ZA33鋅鋁合金;蝸輪;鑄造缺陷;橡膠墊;硬化;斷裂 

中圖分類號(hào):TG115.2                                                         文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B                                 文章編號(hào):1001-4012(2022)05-0012-04

蝸輪蝸桿用于變電站機(jī)械部件之間的傳動(dòng)連 接,其常用的金屬材料是鑄造錫青銅和鑄造鋁鐵青 銅[1]。鑄造錫青銅的耐磨性能較好,用于滑動(dòng)速度 不小于3m/s的重要傳動(dòng);鑄造鋁鐵青銅的耐磨性 較差,用于滑動(dòng)速度不大于4m/s的傳動(dòng)[2]。由于 高強(qiáng)度鋅鋁合金具有較好的鑄造性能、力學(xué)性能、物 理性能,可用于替代錫青銅和鋁鐵青銅作為蝸輪的 原材料[3-5]。高強(qiáng)度鋅鋁合金的結(jié)晶區(qū)間大,且呈糊 狀凝固,凝固過(guò)程中鑄件易形成縮孔、疏松或氣孔等 缺陷,導(dǎo)致鑄件的致密性和強(qiáng)度降低,在運(yùn)行中易出 現(xiàn)磨損、點(diǎn)蝕等缺陷[6-9]。因此,在鑄造過(guò)程中應(yīng)改 善鑄造工藝來(lái)消除縮孔、疏松或氣孔等缺陷,如加強(qiáng) 合金精 煉、添 加 晶 粒 細(xì) 化 元 素 及 調(diào) 整 合 金 成 分 等[10-13]。

某110kV 變電站工作人員在操作隔離開(kāi)關(guān)和 接地開(kāi)關(guān)時(shí)機(jī)構(gòu)未動(dòng)作,現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)隔離開(kāi)關(guān)傳 動(dòng)蝸輪和接地開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)傳動(dòng)蝸輪斷裂,蝸輪材 料為 ZA33鋅鋁合金,為同一廠家、同一批次產(chǎn)品。 筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、 金相檢驗(yàn)、斷口以及能譜分析等方法對(duì)傳動(dòng)蝸輪的 斷裂原因進(jìn)行了分析,并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 理化檢驗(yàn) 

1.1 宏觀觀察及低倍檢驗(yàn) 

對(duì)斷裂的蝸輪進(jìn)行編號(hào),接地開(kāi)關(guān)斷裂蝸輪試 樣編號(hào)為1,2號(hào),隔離開(kāi)關(guān)斷裂蝸輪試樣編號(hào)為3, 4號(hào),再進(jìn)行宏觀觀察,發(fā)現(xiàn)兩個(gè)蝸輪均全部斷裂,斷裂面均通過(guò)銷軸孔,銷軸未見(jiàn)明顯變形(見(jiàn)圖1)。

采用體式顯微鏡對(duì)蝸輪斷口進(jìn)行觀察,斷口基 本呈灰色,有少量白色亮點(diǎn),呈現(xiàn)為鑄件斷裂特征, 斷口附近無(wú)明顯塑性變形(見(jiàn)圖2)。

采用立體顯微鏡觀察2,4號(hào)試樣,發(fā)現(xiàn)蝸輪銷 軸孔附近有多條明顯的裂紋,2號(hào)試樣銷軸孔附近 的裂紋長(zhǎng)度最大為8mm,4號(hào)試樣銷軸孔附近的裂 紋長(zhǎng)度最大為12mm(見(jiàn)圖3,4)。推斷蝸輪銷軸孔 位置為裂紋源。 

1.2 化學(xué)成分分析 

采用X射線熒光光譜儀參照GB/T16597-2019 《冶金產(chǎn)品分析方法 X射線熒光光譜法通則》對(duì)1,3 號(hào)蝸輪試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析;采用電火花光譜儀參 照 GB/T4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素 含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》對(duì) 銷軸進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可 知,蝸輪中的鋁含量大于33%,銷軸的材料為45鋼。

1.3 力學(xué)性能測(cè)試 

參照 GB/T231.1-2018 《金屬材料 布氏硬度 試驗(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法》,對(duì)2,3號(hào)蝸輪試樣和接 地開(kāi)關(guān)銷軸試樣進(jìn)行布氏硬度測(cè)試,標(biāo)尺選用 HB 2.5/187.5,結(jié)果如表2所示。由表2可知,2號(hào)試樣 的布氏硬度為115.7HBW,3號(hào)試樣的布氏硬度為 110.7HBW,銷軸的布氏硬度為268.2 HBW,可見(jiàn) 銷軸的布氏硬度遠(yuǎn)大于蝸輪的布氏硬度。 

參照 GB/T228.1-2010 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》,對(duì)2,3號(hào)蝸輪試樣進(jìn)行 拉伸試驗(yàn),結(jié)果如表3所示。由表3可知,2號(hào)試樣 的平均抗拉強(qiáng)度為 53.2 MPa,平均斷后伸長(zhǎng)率為 0.72%;3號(hào)試樣的平均抗拉強(qiáng)度為56.6 MPa,平均 斷后伸長(zhǎng)率為0.83%。蝸輪的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于廠 家設(shè)計(jì)要求(≥400MPa)。 

1.4 金相檢驗(yàn) 

將1號(hào)試樣拋光腐蝕后,在光學(xué)顯微鏡下觀察, 蝸輪的顯微組織為粗大發(fā)達(dá)的樹(shù)枝晶,白色部分為 Zn(Al)固溶體,大小均勻,黑色部分為共析混合物 [α1+Zn(Al)+CuZn3],共析混合物中的 CuZn3 化 合物呈網(wǎng)狀彌散分布(見(jiàn)圖5)。 

圖6為1號(hào)試樣銷軸孔裂紋附近腐蝕前的微觀 形貌,可以看出裂紋主要沿晶界擴(kuò)展,表明晶界有利 于裂紋的擴(kuò)展。 

1.5 斷口及能譜分析 

對(duì)1號(hào)試樣斷口的裂紋源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)進(jìn)行 掃描電鏡(SEM)分析。裂紋源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)的 斷口無(wú)韌窩,呈現(xiàn)脆性斷裂特征(見(jiàn)圖7,8)?？梢? 看出裂紋源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)的斷口有明顯的顯微 裂紋。 

對(duì)圖7中的譜圖1和譜圖2區(qū)域、圖8中的譜 圖3和譜圖4區(qū)域進(jìn)行能譜分析,結(jié)果表明:斷口表 面主要含有氧、鋁、銅、鋅等元素,斷口疏松區(qū)域和其他區(qū)域的元素種類及含量基本一致(見(jiàn)表4)。斷口 中含有氧元素是由于斷口暴露在空氣中被氧化,從 而引入氧元素。

2 結(jié)合分析 

蝸輪試樣的斷口呈灰色,有少量白色亮點(diǎn),斷口 附近無(wú)明顯塑性變形,呈現(xiàn)脆性斷裂特征。蝸輪銷 軸孔附近有多條明顯的裂紋,因此推斷蝸輪銷孔處 為裂紋源。 

化學(xué)成分分析結(jié)果表明,蝸輪中的鋁含量高達(dá) 37.4%,銷軸的材料為45鋼。硬度測(cè)試結(jié)果表明蝸 輪的布氏硬度小于120HBW,銷軸的布氏硬度高達(dá) 268HBW,銷軸的硬度遠(yuǎn)大于蝸輪的硬度。拉伸試 驗(yàn)結(jié)果表明,蝸輪的抗拉強(qiáng)度小于60MPa,斷后伸 長(zhǎng)率小于1%,蝸輪的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于廠家設(shè)計(jì)要 求(≥400MPa)。 

由于蝸輪中的鋁含量過(guò)高,因此在其鑄造成型 時(shí)出現(xiàn)粗大的一次組織,從而降低了蝸輪的抗拉強(qiáng) 度和斷后伸長(zhǎng)率[14]。銷軸孔處的裂紋主要沿著晶 界擴(kuò)展,這主要是由于 CuZn3 化合物粒子呈網(wǎng)狀分 布在晶界,在晶界處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,有利于裂紋 的擴(kuò)展。 

斷口的微觀形貌和能譜分析結(jié)果表明,裂紋源 區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)的斷口無(wú)韌窩,呈現(xiàn)脆性斷裂特征。 斷口有明顯的顯微裂紋和疏松,斷口表面主要含有 氧、鋁、銅、鋅等元素,斷口疏松區(qū)域和其他區(qū)域的元 素種類及含量基本一致。蝸輪在鑄造凝固過(guò)程中形 成粗大的一次樹(shù)枝晶且相互穿插,使枝晶之間存在 一部分被孤立的液體,凝固收縮時(shí)鑄液得不到及時(shí) 補(bǔ)充,最后形成了分散的、形狀不規(guī)則的縮孔,縮孔 的存在大大降低了蝸輪的強(qiáng)度[9]。 

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員反饋,設(shè)備機(jī)構(gòu)的緩沖橡膠 墊已發(fā)生嚴(yán)重硬化,失去原有的緩沖作用,導(dǎo)致刀閘 分合過(guò)程中機(jī)構(gòu)蝸輪銷軸與橡膠緩沖處的鋼板產(chǎn)生 剛性碰撞,蝸輪銷軸孔受緩沖銷軸擠壓,在孔周圍產(chǎn) 生較大的應(yīng)力。 

3 結(jié)論及建議 

蝸輪粗大的樹(shù)枝晶組織,呈網(wǎng)狀分布在晶界的 CuZn3 化合物粒子,以及蝸輪內(nèi)部的疏松等鑄造缺 陷大大降低了蝸輪的強(qiáng)度。由于橡膠墊發(fā)生嚴(yán)重硬 化,分合閘過(guò)程中蝸輪銷軸與橡膠緩沖墊發(fā)生剛性碰撞,在蝸輪銷軸孔處產(chǎn)生裂紋,多次分合閘后裂紋 由蝸輪銷軸孔處向鍵槽處擴(kuò)展直至蝸輪斷裂。

建議改善蝸輪的鑄造工藝以消除鑄造缺陷,并 將緩沖結(jié)構(gòu)更換為碟簧結(jié)構(gòu)。碟簧結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定, 能有效地解決橡膠墊老化造成的緩沖結(jié)構(gòu)失效問(wèn) 題,延長(zhǎng)蝸輪的運(yùn)行壽命。 

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