不同鑄造工藝下ZA 27合金蝸輪力學(xué)性能的研究

張 杰黎曉華吳繼權(quán)

（1.深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院 深圳 518029）

（2.深圳大學(xué) 材料學(xué)院 深圳 518060）

不同鑄造工藝下ZA 27合金蝸輪力學(xué)性能的研究

張 杰1黎曉華2吳繼權(quán)1

（1.深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院 深圳 518029）

（2.深圳大學(xué) 材料學(xué)院 深圳 518060）

研究了砂型鑄造、金屬型鑄造、擠壓鑄造等3種不同鑄造工藝制造的ZA27合金蝸輪毛坯的鑄造缺陷、拉伸性能及抗沖擊性能。結(jié)果表明，ZA27合金的抗拉強(qiáng)度隨溫度升高而降低。ZA27合金蝸輪的拉伸性能隨著鑄造缺陷的增加而顯著下降。ZA27合金的缺口敏感性較高。擠壓鑄造工藝下的蝸輪顯微組織致密，晶粒形貌為細(xì)小等軸晶；關(guān)鍵部位無縮孔、疏松和夾雜等鑄造缺陷存在；室溫抗拉強(qiáng)度為412MPa，室溫?cái)嗪笊扉L(zhǎng)率為6.5%，沖擊功為53.5J。

鑄造工藝 ZA27 擠壓鑄造 鑄造缺陷

ZA 27合金由于其具有較高的抗拉強(qiáng)度、硬度，良好的室溫減震性能，優(yōu)良的摩擦、磨損性能；并且其生產(chǎn)成本低，從而在工程上使用廣泛[1-3]。但是該材料應(yīng)用于電梯曳引機(jī)蝸輪時(shí)，發(fā)生多起由于ZA 27合金蝸輪上出現(xiàn)點(diǎn)蝕、斷齒甚至爆裂等現(xiàn)象導(dǎo)致蝸輪失效而引起的電梯事故。2012～2013年期間，深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院（以下簡(jiǎn)稱深圳市特檢院）展開市內(nèi)ZA 27合金電梯曳引機(jī)蝸輪安全檢查工作。在檢查中發(fā)現(xiàn)：5家曳引機(jī)制造單位及使用其制造曳引機(jī)的9家電梯整機(jī)制造單位合計(jì)31臺(tái)ZA 27合金曳引機(jī)蝸輪分別存在不同程度的點(diǎn)蝕、斷齒或變形等情況。隨后深圳市特檢院組織專家對(duì)出現(xiàn)點(diǎn)蝕、斷齒的曳引機(jī)蝸輪進(jìn)行失效分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)內(nèi)部鑄造缺陷是導(dǎo)致高鋁鋅基合金（ZA 27）蝸輪上出現(xiàn)點(diǎn)蝕、發(fā)生斷齒的最重要原因。目前國(guó)內(nèi)還尚未出現(xiàn)高鋁鋅基合金（ZA 27）應(yīng)用于電梯曳引機(jī)時(shí)的相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)（包括材料的生產(chǎn)工藝），然而鑄造缺陷與鑄造工藝是密切相關(guān)的，考慮到目前市面上使用的鑄造工藝種類較多，因此選用了使用率較高的3種鑄造工藝，研究鑄造缺陷對(duì)材料力學(xué)性能的影響，在《電梯曳引機(jī)》[4]中，要求曳引機(jī)在溫升試驗(yàn)后“減速箱的油溫應(yīng)不超過85℃，滾動(dòng)軸承的允許溫度應(yīng)不超過95℃，滑動(dòng)軸承的允許溫度應(yīng)不超過80℃”。故在研究中加入了溫度變量。

1 實(shí)驗(yàn)

選用砂型鑄造、金屬型鑄造、擠壓鑄造等3種不同鑄造工藝制造的ZA 27合金蝸輪毛坯。蝸輪毛坯化學(xué)成分見表1。

表1 ZA27合金化學(xué)成分

分別沿蝸輪毛坯外沿切取金相試樣，取其橫截面鑲嵌，試樣表面經(jīng)磨拋、2%無水乙醇溶液浸蝕之后，使用金相顯微鏡對(duì)其進(jìn)行組織觀察。有色金屬疏松缺陷評(píng)定參照J(rèn)B/T 7946.3—1999《鑄造鋁合金金相鑄造鋁合金針孔》[5]評(píng)定其針孔度，其中所用腐蝕液為12%NaOH水溶液。分別在室溫（23～24℃）、80℃及120℃下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試樣制備與試驗(yàn)方法分別依據(jù)GB/T 228—2002 《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》[6]及GB/T 4338—2006 《金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)方法》[7]?？拷佪喢魍庋夭课磺腥±煸嚇?，試樣直徑為8mm。每個(gè)溫度點(diǎn)取兩個(gè)平行試樣，最后求其平均值。用掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌。依據(jù)GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》[8]，分別沿蝸輪毛坯外沿的厚度方向切取10mm（寬）×10mm（高）×55mm（長(zhǎng)）的V型缺口試樣及無缺口試樣，在室溫（23～24℃）下進(jìn)行夏比擺錘沖擊試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同鑄造工藝下蝸輪的顯微組織

ZA 27合金蝸輪毛坯的金相組織如圖1所示。

圖1 試樣金相組織100X

由圖1可知，不同鑄造工藝下的ZA 27合金蝸輪的鑄態(tài)組織均由初生樹枝狀α相、（α+η）共析體、ε相以及沿晶界呈網(wǎng)狀分布的白色（β+η）晶間共晶體組成。其中砂型鑄造的蝸輪毛坯組織中可見明顯的疏松缺陷；金屬型鑄造的蝸輪毛坯局部組織中可見疏松缺陷；擠壓鑄造的蝸輪毛坯組織中未見明顯鑄造缺陷，組織致密，晶粒形貌為細(xì)小等軸晶。砂型鑄造的蝸輪毛坯，由于凝固期間，其過冷度較小，冷卻速度慢，使得密度較小的初生富A l相有足夠時(shí)間上浮，導(dǎo)致嚴(yán)重偏析。從而使得組織中出現(xiàn)明顯疏松缺陷。金屬型鑄造的蝸輪毛坯，其過冷度相對(duì)增大，晶粒得到細(xì)化，但是由于ZA 27合金具有較寬的結(jié)晶溫度范圍，部分初生富A l相長(zhǎng)大形成發(fā)達(dá)樹枝晶，枝晶間產(chǎn)生細(xì)小的隔斷空間，使液相在其中無法流動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)縮，從而產(chǎn)生縮孔、疏松等鑄造缺陷[9-10]。擠壓鑄造的合金蝸輪毛坯，其在壓力作用下，合金液得到強(qiáng)制流動(dòng)，鑄件緊貼鑄型，傳熱效率增加，過冷度提高，同時(shí)枝晶發(fā)生破碎。從而晶粒得到細(xì)化，并且補(bǔ)縮條件得到改善，最終使疏松、縮孔等鑄造缺陷數(shù)量減少甚至消除[11-12]。

2.2 不同鑄造工藝下蝸輪的疏松缺陷程度

ZA 27合金蝸輪毛坯針孔度級(jí)別檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 試樣針孔度級(jí)別

由表2可知，擠壓鑄造的蝸輪毛坯針孔度情況最好，為一級(jí)，表明其內(nèi)部組織致密；金屬型鑄造的蝸輪毛坯針孔度情況次之，為三～四級(jí)，表明其內(nèi)部組織致密性次之，局部存在疏松缺陷；砂型鑄造針孔度情況最差，為五級(jí)，表明其內(nèi)部組織致密性較差，組織中疏松缺陷較多。試樣疏松缺陷程度與試驗(yàn)金相組織中觀察結(jié)果一致。

2.3 不同鑄造工藝下溫度對(duì)蝸輪拉伸性能的影響

ZA 27合金蝸輪毛坯抗拉強(qiáng)度如圖2所示。ZA 27合金蝸輪毛坯斷后伸長(zhǎng)率如圖3所示。

圖2 試樣抗拉強(qiáng)度

由圖2可知，蝸輪毛坯的抗拉強(qiáng)度隨溫度升高而降低。其中擠壓鑄造的蝸輪毛坯室溫抗拉強(qiáng)度為412MPa，80℃時(shí)，其抗拉強(qiáng)度下降幅度為17.0%，120℃時(shí)，其抗拉強(qiáng)度下降幅度為38.1%。金屬型鑄造的蝸輪毛坯室溫抗拉強(qiáng)度為374MPa，80℃時(shí)，其抗拉強(qiáng)度下降幅度為17.1%，120℃時(shí)，其抗拉強(qiáng)度下降幅度為35.6%。砂型鑄造蝸輪毛坯的室溫抗拉強(qiáng)度為299MPa，80℃時(shí)，其抗拉強(qiáng)度下降幅度為35.1%，120℃時(shí)，其抗拉強(qiáng)度下降幅度為70.6%。結(jié)合表2的結(jié)果可以看出，蝸輪毛坯的抗拉強(qiáng)度隨針孔度級(jí)別的增加而下降。

圖3 試樣斷后伸長(zhǎng)率

由圖3可知，蝸輪毛坯斷后伸長(zhǎng)率隨著溫度的升高大體呈上升趨勢(shì)（砂型鑄造除外，其斷后伸長(zhǎng)率基本為零，無明顯塑性變形，這與組織中的較多鑄造缺陷有關(guān)）。其中擠壓鑄造的蝸輪毛坯的室溫?cái)嗪笊扉L(zhǎng)率為6.5%；80℃時(shí)，其斷后伸長(zhǎng)率增幅為200%；120℃時(shí)，其斷后伸長(zhǎng)率增幅為161.5%。金屬型鑄造的蝸輪毛坯室溫?cái)嗪笊扉L(zhǎng)率為1.5%，80℃時(shí)，其斷后伸長(zhǎng)率增幅為166.7%；120℃時(shí)，其斷后伸長(zhǎng)率增幅為433.3%。結(jié)合表2的結(jié)果可以看出，蝸輪毛坯的斷后伸長(zhǎng)率隨針孔度級(jí)別的增加而下降。

綜上分析：無論何種鑄造工藝，ZA27合金蝸輪的抗拉強(qiáng)度均隨著溫度的升高而顯著下降；ZA27合金蝸輪的拉伸性能隨著鑄造缺陷的增加而顯著下降。

2.4 不同鑄造工藝下蝸輪的拉伸試樣斷口特征

不同鑄造工藝制造的ZA27合金蝸輪毛坯的拉伸試樣斷口特征如圖4、圖5及圖6所示。

圖4 砂型鑄造拉伸試樣斷口形貌

圖5 金屬型鑄造拉伸試樣斷口形貌

圖6 擠壓鑄造拉伸試樣斷口形貌

由圖4可知，砂型鑄造蝸輪毛坯拉伸斷口有明顯的疏松缺陷。各溫度點(diǎn)下的拉伸試樣斷口均可見解理刻面特征，屬于解理斷裂。這與其斷后伸長(zhǎng)率很低，無明顯塑性變形相對(duì)應(yīng)。

由圖5可知，金屬型鑄造蝸輪毛坯室溫拉伸斷口可見大量的解理臺(tái)階和韌性變形條帶。當(dāng)溫度升高到80℃及以上時(shí)，斷口出現(xiàn)大量韌窩，韌性特征明顯，表明溫度升高時(shí)其斷裂方式發(fā)生了改變。

由圖6可知，擠壓鑄造ZA27合金蝸輪毛坯室溫拉伸斷口起伏較小，可見大量的解理臺(tái)階和韌性變形條帶，同時(shí)可見少量的韌窩。當(dāng)溫度達(dá)到80℃及以上時(shí)，斷口出現(xiàn)大量韌窩，韌窩較淺，韌性特征明顯，表明溫度升高時(shí)其斷裂方式發(fā)生了改變。

由以上不同鑄造工藝下蝸輪毛坯拉伸試樣斷口形貌特征可知，砂型鑄造的ZA27合金蝸輪毛坯在軸向拉伸載荷作用下的斷裂方式不會(huì)隨著溫度的升高而發(fā)生改變，斷裂方式為解理斷裂；金屬型鑄造和擠壓鑄造的ZA27合金蝸輪毛坯，其在軸向拉伸載荷作用下的斷裂方式隨著溫度的升高發(fā)生了改變：室溫下的拉伸斷口形貌以解理和韌性變形條帶為主，為準(zhǔn)解理斷裂；當(dāng)溫度達(dá)到80℃及以上時(shí)，拉伸試樣斷口出現(xiàn)大量韌窩，韌性特征逐步增強(qiáng)。

2.5 不同鑄造工藝下缺口對(duì)蝸輪抗沖擊性能的影響

ZA27合金蝸輪毛坯沖擊功如圖7所示。

圖7 試樣沖擊功

從沖擊試驗(yàn)結(jié)果（見圖7）可知，擠壓鑄造的ZA27合金蝸輪沖擊功較高，結(jié)合拉伸試驗(yàn)結(jié)果，可以看出擠壓鑄造的ZA27合金蝸輪的綜合力學(xué)性能最好。同時(shí)，透過缺口沖擊試驗(yàn)可知，不同鑄造工藝下的ZA27合金蝸輪對(duì)缺口的敏感性均很高，因此，在機(jī)加工環(huán)節(jié)應(yīng)嚴(yán)格控制加工質(zhì)量，避免機(jī)加工缺陷。

3 結(jié)論

1）ZA27合金的抗拉強(qiáng)度隨溫度升高而降低。

2）ZA27合金蝸輪的拉伸性能隨著鑄造缺陷的增加而顯著下降。

3）ZA27合金對(duì)缺口的敏感性較高。

4）擠壓鑄造工藝下的蝸輪顯微組織致密，晶粒形貌為細(xì)小等軸晶；關(guān)鍵部位無縮孔、疏松和夾雜等鑄造缺陷存在；室溫抗拉強(qiáng)度為412MPa，室溫?cái)嗪笊扉L(zhǎng)率為6.5%；沖擊功為53.5J。

4 建議

1）選擇合適的鑄造工藝，ZA27合金能安全應(yīng)用于電梯曳引機(jī)蝸輪。2）ZA27合金應(yīng)用在蝸輪上時(shí)，需要對(duì)蝸輪毛坯機(jī)加工質(zhì)量及蝸輪使用溫度進(jìn)行管控。

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Study on Mechanical Properties of ZA27 Alloy Worm Gear under Different Casting Processes

Zhang Jie Li Xiaohua Wu Jiquan
(1. Shenzhen Institute of Special Equipment Inspection and Test Shenzhen 518029)
(2. College of Materials Science and Engineering, Shenzhen University Shenzhen 518060)

Casting defects, tensile properties and impact energy of ZA27 alloy worm gears made by three kinds of different casting process such as sand casting, metal type casting and squeeze casting were investigated. The results showed that the tensile strength of ZA27 alloy decreased w ith the increase of temperature. The tensile properties of ZA27 alloy worm gear decreased signif cantly w ith the increase of casting defects. The notch sensitivity of ZA27 alloy was high. M icrostructure of the worm gear made by squeeze casting was dense, and its grain morphology was fine equiaxed grains; there was no shrinkage, porosity and inclusions and other casting defects in key parts; room temperature tensile strength of worm gear was 412MPa, room temperature elongation of worm gear was 6.5%; impact energy of worm gear was 53.5J.

Casting process ZA27 Squeeze casting Casting defects

X 924

B

1673-257X(2017)06-0012-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.06.004

張杰（1991～)，男，碩士，工程師，從事金屬材料的理化檢驗(yàn)及失效分析工作。

黎曉華，E-mail: lxh@szu.edu.cn。

2016-07-21）