摘 要:某110kV 變電站用鑄造ZA33鋅鋁合金蝸輪在設備運行時發(fā)生斷裂。采用宏觀觀察、 化學成分分析、力學性能測試、金相檢驗、斷口及能譜分析等方法對該蝸輪的斷裂原因進行了分析。 結(jié)果表明:該蝸輪中存在粗大的樹枝晶組織和疏松等鑄造缺陷,以及機構(gòu)緩沖橡膠墊嚴重硬化,導 致蝸輪銷軸孔處產(chǎn)生裂紋,設備運行中裂紋擴展,導致蝸輪斷裂。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),可以延長蝸輪的運行壽命。

關鍵詞:ZA33鋅鋁合金;蝸輪;鑄造缺陷;橡膠墊;硬化;斷裂

中圖分類號:TG115.2 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)05-0012-04

蝸輪蝸桿用于變電站機械部件之間的傳動連 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,用于滑動速度 不小于3m/s的重要傳動;鑄造鋁鐵青銅的耐磨性 較差,用于滑動速度不大于4m/s的傳動[2]。由于 高強度鋅鋁合金具有較好的鑄造性能、力學性能、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]。高強度鋅鋁合金的結(jié)晶區(qū)間大,且呈糊 狀凝固,凝固過程中鑄件易形成縮孔、疏松或氣孔等 缺陷,導致鑄件的致密性和強度降低,在運行中易出 現(xiàn)磨損、點蝕等缺陷[6-9]。因此,在鑄造過程中應改 善鑄造工藝來消除縮孔、疏松或氣孔等缺陷,如加強 合金精 煉、添 加 晶 粒 細 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關和 接地開關時機構(gòu)未動作,現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)隔離開關傳 動蝸輪和接地開關操作機構(gòu)傳動蝸輪斷裂,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、化學成分分析、力學性能測試、 金相檢驗、斷口以及能譜分析等方法對傳動蝸輪的 斷裂原因進行了分析,并提出相應的改進措施。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察及低倍檢驗

對斷裂的蝸輪進行編號,接地開關斷裂蝸輪試 樣編號為1,2號,隔離開關斷裂蝸輪試樣編號為3, 4號,再進行宏觀觀察,發(fā)現(xiàn)兩個蝸輪均全部斷裂,斷裂面均通過銷軸孔,銷軸未見明顯變形(見圖1)。

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

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

1.2 化學成分分析

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1,3 號蝸輪試樣進行化學成分分析;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 含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》對 銷軸進行化學成分分析,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 力學性能測試

參照 GB/T231.1-2018 《金屬材料 布氏硬度 試驗 第1部分:試驗方法》,對2,3號蝸輪試樣和接 地開關銷軸試樣進行布氏硬度測試,標尺選用 HB 2.5/187.5,結(jié)果如表2所示。由表2可知,2號試樣 的布氏硬度為115.7HBW,3號試樣的布氏硬度為 110.7HBW,銷軸的布氏硬度為268.2 HBW,可見 銷軸的布氏硬度遠大于蝸輪的布氏硬度。

參照 GB/T228.1-2010 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》,對2,3號蝸輪試樣進行 拉伸試驗,結(jié)果如表3所示。由表3可知,2號試樣 的平均抗拉強度為 53.2 MPa,平均斷后伸長率為 0.72%;3號試樣的平均抗拉強度為56.6 MPa,平均 斷后伸長率為0.83%。蝸輪的抗拉強度遠低于廠 家設計要求(≥400MPa)。

1.4 金相檢驗

將1號試樣拋光腐蝕后,在光學顯微鏡下觀察, 蝸輪的顯微組織為粗大發(fā)達的樹枝晶,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(見圖5)。

圖6為1號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展,表明晶界有利 于裂紋的擴展。

1.5 斷口及能譜分析

對1號試樣斷口的裂紋源區(qū)和裂紋擴展區(qū)進行 掃描電鏡(SEM)分析。裂紋源區(qū)和裂紋擴展區(qū)的 斷口無韌窩,呈現(xiàn)脆性斷裂特征(見圖7,8)?？梢? 看出裂紋源區(qū)和裂紋擴展區(qū)的斷口有明顯的顯微 裂紋。

對圖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,斷口 附近無明顯塑性變形,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。

化學成分分析結(jié)果表明,蝸輪中的鋁含量高達 37.4%,銷軸的材料為45鋼。硬度測試結(jié)果表明蝸 輪的布氏硬度小于120HBW,銷軸的布氏硬度高達 268HBW,銷軸的硬度遠大于蝸輪的硬度。拉伸試 驗結(jié)果表明,蝸輪的抗拉強度小于60MPa,斷后伸 長率小于1%,蝸輪的抗拉強度遠低于廠家設計要 求(≥400MPa)。

由于蝸輪中的鋁含量過高,因此在其鑄造成型 時出現(xiàn)粗大的一次組織,從而降低了蝸輪的抗拉強 度和斷后伸長率[14]。銷軸孔處的裂紋主要沿著晶 界擴展,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)生應力集中,有利于裂紋 的擴展。

斷口的微觀形貌和能譜分析結(jié)果表明,裂紋源 區(qū)和裂紋擴展區(qū)的斷口無韌窩,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。蝸輪在鑄造凝固過程中形 成粗大的一次樹枝晶且相互穿插,使枝晶之間存在 一部分被孤立的液體,凝固收縮時鑄液得不到及時 補充,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度[9]。

根據(jù)現(xiàn)場技術人員反饋,設備機構(gòu)的緩沖橡膠 墊已發(fā)生嚴重硬化,失去原有的緩沖作用,導致刀閘 分合過程中機構(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) 生較大的應力。

3 結(jié)論及建議

蝸輪粗大的樹枝晶組織,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度。由于橡膠墊發(fā)生嚴重硬 化,分合閘過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 題,延長蝸輪的運行壽命。

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<文章來源>材料與測試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗－物理分冊>58卷>5期(pp:12-15)>