摘 要:某110kV 变电站用铸造ZA33锌铝合金蜗轮在设备运行时发生断裂。采用宏观观察、 化学成分分析、力学性能测试、金相检验、断口及能谱分析等方法对该蜗轮的断裂原因进行了分析。 结果表明:该蜗轮中存在粗大的树枝晶组织和疏松等铸造缺陷,以及机构缓冲橡胶垫严重硬化,导 致蜗轮销轴孔处产生裂纹,设备运行中裂纹扩展,导致蜗轮断裂。改善蜗轮的铸造工艺以消除铸造 缺陷,以及将缓冲结构更换为碟簧型缓冲结构,可以延长蜗轮的运行寿命。

关键词:ZA33锌铝合金;蜗轮;铸造缺陷;橡胶垫;硬化;断裂

中图分类号:TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)05-0012-04

蜗轮蜗杆用于变电站机械部件之间的传动连 接,其常用的金属材料是铸造锡青铜和铸造铝铁青 铜[1]。铸造锡青铜的耐磨性能较好,用于滑动速度 不小于3m/s的重要传动;铸造铝铁青铜的耐磨性 较差,用于滑动速度不大于4m/s的传动[2]。由于 高强度锌铝合金具有较好的铸造性能、力学性能、物 理性能,可用于替代锡青铜和铝铁青铜作为蜗轮的 原材料[3-5]。高强度锌铝合金的结晶区间大,且呈糊 状凝固,凝固过程中铸件易形成缩孔、疏松或气孔等 缺陷,导致铸件的致密性和强度降低,在运行中易出 现磨损、点蚀等缺陷[6-9]。因此,在铸造过程中应改 善铸造工艺来消除缩孔、疏松或气孔等缺陷,如加强 合金精 炼、添 加 晶 粒 细 化 元 素 及 调 整 合 金 成 分 等[10-13]。

某110kV 变电站工作人员在操作隔离开关和 接地开关时机构未动作,现场检查发现隔离开关传 动蜗轮和接地开关操作机构传动蜗轮断裂,蜗轮材 料为 ZA33锌铝合金,为同一厂家、同一批次产品。 笔者采用宏观观察、化学成分分析、力学性能测试、 金相检验、断口以及能谱分析等方法对传动蜗轮的 断裂原因进行了分析,并提出相应的改进措施。

1 理化检验

1.1 宏观观察及低倍检验

对断裂的蜗轮进行编号,接地开关断裂蜗轮试 样编号为1,2号,隔离开关断裂蜗轮试样编号为3, 4号,再进行宏观观察,发现两个蜗轮均全部断裂,断裂面均通过销轴孔,销轴未见明显变形(见图1)。

采用体式显微镜对蜗轮断口进行观察,断口基 本呈灰色,有少量白色亮点,呈现为铸件断裂特征, 断口附近无明显塑性变形(见图2)。

采用立体显微镜观察2,4号试样,发现蜗轮销 轴孔附近有多条明显的裂纹,2号试样销轴孔附近 的裂纹长度最大为8mm,4号试样销轴孔附近的裂 纹长度最大为12mm(见图3,4)。推断蜗轮销轴孔 位置为裂纹源。

1.2 化学成分分析

采用X射线荧光光谱仪参照GB/T16597-2019 《冶金产品分析方法 X射线荧光光谱法通则》对1,3 号蜗轮试样进行化学成分分析;采用电火花光谱仪参 照 GB/T4336-2016《碳素钢和中低合金钢 多元素 含量的测定 火花放电原子发射光谱法(常规法)》对 销轴进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可 知,蜗轮中的铝含量大于33%,销轴的材料为45钢。

1.3 力学性能测试

参照 GB/T231.1-2018 《金属材料 布氏硬度 试验 第1部分:试验方法》,对2,3号蜗轮试样和接 地开关销轴试样进行布氏硬度测试,标尺选用 HB 2.5/187.5,结果如表2所示。由表2可知,2号试样 的布氏硬度为115.7HBW,3号试样的布氏硬度为 110.7HBW,销轴的布氏硬度为268.2 HBW,可见 销轴的布氏硬度远大于蜗轮的布氏硬度。

参照 GB/T228.1-2010 《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》,对2,3号蜗轮试样进行 拉伸试验,结果如表3所示。由表3可知,2号试样 的平均抗拉强度为 53.2 MPa,平均断后伸长率为 0.72%;3号试样的平均抗拉强度为56.6 MPa,平均 断后伸长率为0.83%。蜗轮的抗拉强度远低于厂 家设计要求(≥400MPa)。

1.4 金相检验

将1号试样抛光腐蚀后,在光学显微镜下观察, 蜗轮的显微组织为粗大发达的树枝晶,白色部分为 Zn(Al)固溶体,大小均匀,黑色部分为共析混合物 [α1+Zn(Al)+CuZn3],共析混合物中的 CuZn3 化 合物呈网状弥散分布(见图5)。

图6为1号试样销轴孔裂纹附近腐蚀前的微观 形貌,可以看出裂纹主要沿晶界扩展,表明晶界有利 于裂纹的扩展。

1.5 断口及能谱分析

对1号试样断口的裂纹源区和裂纹扩展区进行 扫描电镜(SEM)分析。裂纹源区和裂纹扩展区的 断口无韧窝,呈现脆性断裂特征(见图7,8)。可以 看出裂纹源区和裂纹扩展区的断口有明显的显微 裂纹。

对图7中的谱图1和谱图2区域、图8中的谱 图3和谱图4区域进行能谱分析,结果表明:断口表 面主要含有氧、铝、铜、锌等元素,断口疏松区域和其他区域的元素种类及含量基本一致(见表4)。断口 中含有氧元素是由于断口暴露在空气中被氧化,从 而引入氧元素。

2 结合分析

蜗轮试样的断口呈灰色,有少量白色亮点,断口 附近无明显塑性变形,呈现脆性断裂特征。蜗轮销 轴孔附近有多条明显的裂纹,因此推断蜗轮销孔处 为裂纹源。

化学成分分析结果表明,蜗轮中的铝含量高达 37.4%,销轴的材料为45钢。硬度测试结果表明蜗 轮的布氏硬度小于120HBW,销轴的布氏硬度高达 268HBW,销轴的硬度远大于蜗轮的硬度。拉伸试 验结果表明,蜗轮的抗拉强度小于60MPa,断后伸 长率小于1%,蜗轮的抗拉强度远低于厂家设计要 求(≥400MPa)。

由于蜗轮中的铝含量过高,因此在其铸造成型 时出现粗大的一次组织,从而降低了蜗轮的抗拉强 度和断后伸长率[14]。销轴孔处的裂纹主要沿着晶 界扩展,这主要是由于 CuZn3 化合物粒子呈网状分 布在晶界,在晶界处容易产生应力集中,有利于裂纹 的扩展。

断口的微观形貌和能谱分析结果表明,裂纹源 区和裂纹扩展区的断口无韧窝,呈现脆性断裂特征。 断口有明显的显微裂纹和疏松,断口表面主要含有 氧、铝、铜、锌等元素,断口疏松区域和其他区域的元 素种类及含量基本一致。蜗轮在铸造凝固过程中形 成粗大的一次树枝晶且相互穿插,使枝晶之间存在 一部分被孤立的液体,凝固收缩时铸液得不到及时 补充,最后形成了分散的、形状不规则的缩孔,缩孔 的存在大大降低了蜗轮的强度[9]。

根据现场技术人员反馈,设备机构的缓冲橡胶 垫已发生严重硬化,失去原有的缓冲作用,导致刀闸 分合过程中机构蜗轮销轴与橡胶缓冲处的钢板产生 刚性碰撞,蜗轮销轴孔受缓冲销轴挤压,在孔周围产 生较大的应力。

3 结论及建议

蜗轮粗大的树枝晶组织,呈网状分布在晶界的 CuZn3 化合物粒子,以及蜗轮内部的疏松等铸造缺 陷大大降低了蜗轮的强度。由于橡胶垫发生严重硬 化,分合闸过程中蜗轮销轴与橡胶缓冲垫发生刚性碰撞,在蜗轮销轴孔处产生裂纹,多次分合闸后裂纹 由蜗轮销轴孔处向键槽处扩展直至蜗轮断裂。

建议改善蜗轮的铸造工艺以消除铸造缺陷,并 将缓冲结构更换为碟簧结构。碟簧结构性能稳定, 能有效地解决橡胶垫老化造成的缓冲结构失效问 题,延长蜗轮的运行寿命。

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<文章来源>材料与测试网>期刊论文>理化检验－物理分册>58卷>5期(pp:12-15)>