變電站用鑄造ZA33鋅鋁合金蝸輪斷裂原因

代克順, 焦宗寒, 楊迎春, 鄭 欣, 許宏偉, 周靜波

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院, 昆明 650217)

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3 m/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4 m/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，在鑄造過程中應(yīng)改善鑄造工藝來消除縮孔、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110 kV變電站工作人員在操作隔離開關(guān)和接地開關(guān)時(shí)機(jī)構(gòu)未動(dòng)作，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)隔離開關(guān)傳動(dòng)蝸輪和接地開關(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)，接地開關(guān)斷裂蝸輪試樣編號(hào)為1，2號(hào)，隔離開關(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，斷裂面均通過銷軸孔，銷軸未見明顯變形(見圖1)。

圖1 斷裂蝸輪宏觀形貌

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，斷口附近無明顯塑性變形(見圖2)。

圖2 蝸輪斷口低倍形貌

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度最大為8 mm，4號(hào)試樣銷軸孔附近的裂紋長度最大為12 mm(見圖3，4)。推斷蝸輪銷軸孔位置為裂紋源。

圖3 2號(hào)試樣蝸輪銷軸孔附近裂紋低倍形貌

圖4 4號(hào)試樣蝸輪銷軸孔附近裂紋低倍形貌

1.2 化學(xué)成分分析

采用X射線熒光光譜儀參照GB/T 16597-2019 《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/T 4336-2016 《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。

表1 蝸輪和銷軸的化學(xué)成分 %

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

參照GB/T 231.1-2018 《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115.7 HBW，3號(hào)試樣的布氏硬度為110.7 HBW，銷軸的布氏硬度為268.2 HBW，可見銷軸的布氏硬度遠(yuǎn)大于蝸輪的布氏硬度。

表2 蝸輪和銷軸布氏硬度測(cè)試結(jié)果 HBW

參照GB/T 228.1-2010 《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，平均斷后伸長率為0.83%。蝸輪的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于廠家設(shè)計(jì)要求(≥400 MPa)。

表3 蝸輪室溫拉伸試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

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5 1號(hào)試樣顯微組織形貌

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。

圖6 1號(hào)試樣銷軸孔裂紋附近腐蝕前的微觀形貌

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)的斷口無韌窩，呈現(xiàn)脆性斷裂特征(見圖7，8)?？梢钥闯隽鸭y源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)的斷口有明顯的顯微裂紋。

圖7 裂紋源區(qū)斷口SEM形貌

圖8 裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口SEM形貌

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。

表4 裂紋源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)能譜分析結(jié)果 %

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120 HBW，銷軸的布氏硬度高達(dá)268 HBW，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60 MPa，斷后伸長率小于1%，蝸輪的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于廠家設(shè)計(jì)要求(≥400 MPa)。

由于蝸輪中的鋁含量過高，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(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)失效問題，延長蝸輪的運(yùn)行壽命。