论文部分内容阅读
摘要：对一出现断齿的高铝锌基合金（ZA27）曳引机蜗轮进行失效分析，具体项目包括：宏观检测、化学成分分析、针孔度、金相检验和断口分析。结果表明：铸造ZA27合金蜗轮组织中存在大量的缩松、气孔、夹杂等铸造缺陷，局部疏松缺陷相连形成片状缺陷聚集区。这些缺陷的存在减少了有效受力面积，降低了材料的强度，并且产生了局部应力集中，裂纹在此处萌生并由此扩展，最终发生齿根部位发生断齿失效。
一台电梯曳引机的蜗轮在使用三个月后即发生断齿失效。曳引机其他部件均无损坏。蜗轮材质为高铝锌基合金（ZA27）合金。曳引机的额定速度为0.5m/s，额定载重量为2000Kg，层站为4/4，曳引比为2：1。为查明蜗轮断齿原因，避免类似事故的再发生，笔者对断齿的蜗轮取样进行了检验和分析。
1 理化检验
1.1 宏观检验
图1为失效蜗轮宏观形貌，蜗轮齿数共计59个，出现断齿44个。断齿部位均位于蜗轮的一侧，未贯穿整个蜗轮厚度。同时蜗轮轮齿表面可见明显的点蚀痕迹。蜗轮螺孔部位未见明显破损痕迹。
1.2 化学成分分析
在失效蜗轮3等分位置轮齿根部钻屑取样，采用电感耦合等离子体发射光谱仪进行化学成分分析，结果见表1。可见失效蜗轮的化学成分符合GB/T1175-1997《铸造锌合金》对ZA27合金的技术要求。同时，蜗轮三等分位置的3个试样成分均匀性较好。
图1 断齿蜗轮宏观形貌
表1 失效蜗轮化学成分分析结果
项目 Al Cu Mg Fe Pb Cd Sn Ni Zn
ZA27标准值 25.0
～28.0 2.0～2.5 0.010
～0.020 ≤0.075 ≤0.006 ≤0.006 ≤0.003 ≤0.01 余量
失效蝸轮 1# 26.98 2.02 0.012 0.037 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 余量
2# 27.29 2.03 0.016 0.038 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 余量
3# 27.02 2.08 0.013 0.043 0.0032 <0.001 <0.001 <0.001 余量
×200 ×500
图2 失效蜗轮轮齿横截面显微组织
1.3 针孔度级别测试
将失效蜗轮任意3等分处轮齿取下，取其横截面进行镶嵌、磨抛，记号为“1#”、“2#”、“3#”，参照JB/T 7946.3-1999《铸造
铝合金金相 铸造铝合金针孔》的要求进行针孔度试验。结果表明，三等分处试样的针孔度均为二～三级。
1.4 金相检验
在失效蜗轮轮齿横截面上取样，按照GB/T13298-1991《金属显微组织检验方法》制备金相试样，使用蔡司光学显微镜对制备好的金相试样进行显微组织观察。由图2可见，该失效蜗轮的显微组织由初生树枝状ɑ相、（ɑ+h）共析体、e相以及沿晶界呈网状分布的晶间共晶体组成。组织中可见明显的缩松缺陷。
图3 失效蜗轮轮齿断口SEM形貌
1.5 断口分析
将失效蜗轮的轮齿断口置于SU-1500扫描电子显微镜下进行断口形貌观察。可以看出可以看出失效蜗轮组织中存在夹杂等缺陷。断口以解理形貌为主。失效蜗轮轮齿断裂方式为解理断裂。
2 综合分析
由以上理化检验结果可知，失效蜗轮的化学成分符合标准要求。且三等分处轮齿根部的化学成分较均匀，表明未出现明显的成分偏析。针孔度级别较高，为二～三级。轮齿横截面处的显微组织中可见缩松缺陷，另从断口形貌中也发现有夹杂、缩松。局部缩松缺陷相连形成片状缺陷聚集区。
蜗轮齿面在长期应力作用下，从合金表面薄弱部位（疏松、夹渣、气孔、针孔、偏析等）萌生点蚀裂纹，而后向内倾斜扩展，最后二次裂纹折向表面，裂纹以上的材料折断脱落下来即形成点蚀。
而这些铸造缺陷的存在减少了有效受力面积，降低了材料的强度，并且产生了局部应力集中，裂纹在此处萌生并由此扩展，最终造成蜗轮轮齿发生断裂失效。
3 结论及建议
该失效蜗轮轮齿断裂是由于轮齿基体组织中存在缩松、夹杂等铸造缺陷，使得有效受力面积减少，降低了材料的强度，并产生局部应力集中，当所受到的载荷超过强度极限时，裂纹在此处萌生并迅速扩展，进而发生断裂。
建议蜗轮制造厂加强对铸造工艺的控制，减少铸造缺陷。
一台电梯曳引机的蜗轮在使用三个月后即发生断齿失效。曳引机其他部件均无损坏。蜗轮材质为高铝锌基合金（ZA27）合金。曳引机的额定速度为0.5m/s，额定载重量为2000Kg，层站为4/4，曳引比为2：1。为查明蜗轮断齿原因，避免类似事故的再发生，笔者对断齿的蜗轮取样进行了检验和分析。
1 理化检验
1.1 宏观检验
图1为失效蜗轮宏观形貌，蜗轮齿数共计59个，出现断齿44个。断齿部位均位于蜗轮的一侧，未贯穿整个蜗轮厚度。同时蜗轮轮齿表面可见明显的点蚀痕迹。蜗轮螺孔部位未见明显破损痕迹。
1.2 化学成分分析
在失效蜗轮3等分位置轮齿根部钻屑取样，采用电感耦合等离子体发射光谱仪进行化学成分分析，结果见表1。可见失效蜗轮的化学成分符合GB/T1175-1997《铸造锌合金》对ZA27合金的技术要求。同时，蜗轮三等分位置的3个试样成分均匀性较好。
图1 断齿蜗轮宏观形貌
表1 失效蜗轮化学成分分析结果
项目 Al Cu Mg Fe Pb Cd Sn Ni Zn
ZA27标准值 25.0
～28.0 2.0～2.5 0.010
～0.020 ≤0.075 ≤0.006 ≤0.006 ≤0.003 ≤0.01 余量
失效蝸轮 1# 26.98 2.02 0.012 0.037 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 余量
2# 27.29 2.03 0.016 0.038 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 余量
3# 27.02 2.08 0.013 0.043 0.0032 <0.001 <0.001 <0.001 余量
×200 ×500
图2 失效蜗轮轮齿横截面显微组织
1.3 针孔度级别测试
将失效蜗轮任意3等分处轮齿取下，取其横截面进行镶嵌、磨抛，记号为“1#”、“2#”、“3#”，参照JB/T 7946.3-1999《铸造
铝合金金相 铸造铝合金针孔》的要求进行针孔度试验。结果表明，三等分处试样的针孔度均为二～三级。
1.4 金相检验
在失效蜗轮轮齿横截面上取样，按照GB/T13298-1991《金属显微组织检验方法》制备金相试样，使用蔡司光学显微镜对制备好的金相试样进行显微组织观察。由图2可见，该失效蜗轮的显微组织由初生树枝状ɑ相、（ɑ+h）共析体、e相以及沿晶界呈网状分布的晶间共晶体组成。组织中可见明显的缩松缺陷。
图3 失效蜗轮轮齿断口SEM形貌
1.5 断口分析
将失效蜗轮的轮齿断口置于SU-1500扫描电子显微镜下进行断口形貌观察。可以看出可以看出失效蜗轮组织中存在夹杂等缺陷。断口以解理形貌为主。失效蜗轮轮齿断裂方式为解理断裂。
2 综合分析
由以上理化检验结果可知，失效蜗轮的化学成分符合标准要求。且三等分处轮齿根部的化学成分较均匀，表明未出现明显的成分偏析。针孔度级别较高，为二～三级。轮齿横截面处的显微组织中可见缩松缺陷，另从断口形貌中也发现有夹杂、缩松。局部缩松缺陷相连形成片状缺陷聚集区。
蜗轮齿面在长期应力作用下，从合金表面薄弱部位（疏松、夹渣、气孔、针孔、偏析等）萌生点蚀裂纹，而后向内倾斜扩展，最后二次裂纹折向表面，裂纹以上的材料折断脱落下来即形成点蚀。
而这些铸造缺陷的存在减少了有效受力面积，降低了材料的强度，并且产生了局部应力集中，裂纹在此处萌生并由此扩展，最终造成蜗轮轮齿发生断裂失效。
3 结论及建议
该失效蜗轮轮齿断裂是由于轮齿基体组织中存在缩松、夹杂等铸造缺陷，使得有效受力面积减少，降低了材料的强度，并产生局部应力集中，当所受到的载荷超过强度极限时，裂纹在此处萌生并迅速扩展，进而发生断裂。
建议蜗轮制造厂加强对铸造工艺的控制，减少铸造缺陷。