張 杰, 黎曉華, 吳繼權(quán)(. 深圳大學(xué) 材料學(xué)院, 深圳 58060; . 特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院, 深圳 5809)

鑄態(tài)高鋁鋅基合金ZA27電梯曳引機(jī)蝸輪失效分析

張 杰1, 黎曉華1, 吳繼權(quán)2
(1. 深圳大學(xué) 材料學(xué)院, 深圳 518060; 2. 特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院, 深圳 518029)

通過現(xiàn)場勘查，結(jié)合電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP-OEM)、光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS)等儀器檢測分析，同時(shí)運(yùn)用有限元分析方法，分析了某鑄態(tài)高鋁鋅基合金ZA27電梯曳引機(jī)蝸輪輪齒斷裂產(chǎn)生的機(jī)理及原因，并探討了輪齒齒面點(diǎn)蝕形成的機(jī)理。結(jié)果表明：該曳引機(jī)蝸輪輪齒斷裂是疲勞斷裂，齒根處為交變載荷的應(yīng)力集中點(diǎn)，該處的鑄造缺陷加速了疲勞裂紋源的形成；輪齒齒面點(diǎn)蝕坑的形成與其次表面的鑄造缺陷有關(guān)。

鑄態(tài)高鋁鋅基合金；蝸輪；輪齒；疲勞斷裂;點(diǎn)蝕坑;鑄造缺陷

某公司YJ220電梯在運(yùn)行過程中，曳引機(jī)發(fā)出異常響聲，拆開曳引機(jī)頂蓋，發(fā)現(xiàn)蝸輪上有輪齒折斷現(xiàn)象。該臺(tái)電梯為貨運(yùn)電梯，其額定運(yùn)行速率為0.5 m·s-1，額定載重為3 t，使用時(shí)間不到3 a(年)。蝸輪設(shè)計(jì)材料為ZZnAl27Cu2(即ZA27)鑄態(tài)高鋁鋅基合金。筆者對該曳引機(jī)蝸輪進(jìn)行了失效分析，從而為降低該類材料曳引機(jī)蝸輪發(fā)生斷齒的概率提供參考。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 現(xiàn)場勘察

現(xiàn)場開箱勘驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，蝸桿表面沒有損傷，整只蝸輪在3個(gè)不同區(qū)域共有4個(gè)輪齒發(fā)生半齒斷裂，如圖1和圖2所示。

蝸輪斷齒實(shí)物形貌如圖3所示，通過肉眼對蝸輪及斷齒外觀質(zhì)量進(jìn)行檢查。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，輪齒斷裂位置集中在齒根部；齒輪的加工精度較高；斷面存在疲勞貝殼紋，斷齒齒面有點(diǎn)蝕坑。斷齒長為3.7～4.2 cm,寬為1.5～1.7 cm。

圖2 失效蝸輪宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the failure worm gear

圖3 斷齒宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of the fractured teeth:(a) the side surface; (b) the fracture surface

圖4 首損齒宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of the first damaged tooth:(a) the bottom surface; (b) the fracture surface

根據(jù)斷面出現(xiàn)的疲勞貝殼紋特征，可以判定蝸輪斷齒的失效模式為疲勞斷裂[1-2]。同時(shí)，根據(jù)斷面貝殼紋區(qū)域的大小以及貝殼紋的疏密程度可以確定首損齒。

首損齒實(shí)物形貌如圖4所示。由圖4可見，疲勞貝殼紋的凸出部位背向齒根區(qū)域，可以判定斷裂起源于齒根部位；靠近齒頂區(qū)域，斷口表面較為粗糙，厚度較薄，并且疲勞貝殼紋的凸出部位指向齒頂，從而可以判定齒頂區(qū)域?yàn)樗矓鄥^(qū)；疲勞裂紋的產(chǎn)生始于齒根區(qū)域，并與壓應(yīng)力呈45°角的方向向里擴(kuò)展，然后沿著與壓應(yīng)力垂直的方向向齒頂區(qū)域擴(kuò)展[3]。

1.2 化學(xué)成分分析

靠近蝸輪外沿，從任意位置開始，順時(shí)針方向每120°對蝸輪進(jìn)行鉆屑取樣，制成溶液后，采用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP-OEM)對溶液進(jìn)行化學(xué)成分分析。由表1可見，曳引機(jī)蝸輪材料中的主要元素鋁和銅的含量均符合GB/T 1175-1997《鑄造鋅合金》對ZZnAl27Cu2鋅合金成分的技術(shù)要求，從而可以確定曳引機(jī)蝸輪材料為鑄態(tài)高鋁鋅基合金ZA27。

1.3 金相分析

斷齒底面經(jīng)磨拋和2%硝酸酒精溶液(體積分?jǐn)?shù))侵蝕后，在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行顯微組織觀察。由圖5可見，蝸輪的顯微組織由初生呈樹枝狀的淺色富鋁α相、灰色的α+η共析體、亮白色顆粒狀的ε相以及沿晶界呈長條狀分布的白色β+η共晶體組成[4]。其中，局部組織中有過于粗大的樹枝狀α相存在；晶界上共晶組織沿晶界連續(xù)分布，破壞了基體組織的連續(xù)性，降低了合金的塑性；在靠近斷口處，組織中的疏松缺陷較為明顯，因而在該處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，同時(shí)降低了材料的強(qiáng)度。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Analysis results of chemical compositions (mass) %

圖5 斷齒顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of the fractured tooth:(a) near fracture; (b) far from fracture

圖6 起裂區(qū)形貌Fig.6 Morphology of the fracture source zone

圖7 疏松形貌Fig.7 Loose morphology

圖8 夾雜物形貌Fig.8 Inclusion morphology

圖9 夾雜物EDS譜Fig.9 EDS spectrum of the inclusion

1.4 斷口分析

將首損輪齒的斷口置于掃描電子顯微鏡(SEM)下進(jìn)行表面形貌觀察，結(jié)果如圖6～8所示。在斷口的起裂區(qū)，可以看到許多河流花樣，表明斷裂起裂源以解理形貌為主。在斷口起裂源附近還發(fā)現(xiàn)疏松、夾雜等缺陷。對其中的夾雜物進(jìn)行能譜分析(EDS)，結(jié)果如圖9所示，可見夾雜物中主要含有鋅、鋁、氧、硫、鐵等元素。

斷口起裂源附近的夾雜物割裂高鋁鋅基合金ZA27基體，破壞基體連續(xù)性，間接引起應(yīng)力集中，降低ZA27合金的力學(xué)性能；斷口起裂源附近疏松缺陷直接引起應(yīng)力集中，降低高鋁鋅基合金ZA27的力學(xué)性能。

2 有限元分析

2.1 有限元力學(xué)數(shù)學(xué)模型材料說明

YJ220蝸輪、蝸桿材料及力學(xué)性能如表2所示。

表2 蝸輪、蝸桿材料及力學(xué)性能Tab.2 Materials and mechanical properties of worm gear and worm

2.2 設(shè)置邊界條件

約束曳引機(jī)蝸桿徑向自由度、一端軸向自由度以及曳引機(jī)蝸輪輪轂部自由度[5]。

2.3 設(shè)置載荷

YJ220電梯主要技術(shù)參數(shù)如下：轎廂(Elevator Car)質(zhì)量P=1 700 kg；平衡系數(shù)ψ=0.45；額定載重Q=2 000 kg；緊急制停時(shí)最大減速度α=9.8 m·s-2；提升高度H=5.5 m；鋼絲繩(Rope)單位長度質(zhì)量m=0.573 kg ；鋼絲繩數(shù)量q=5 ；曳引輪(Driving Sheave)半徑R=0.265 m；曳引比i=2∶1。

當(dāng)轎廂以125%額定載荷靜止于底層時(shí)，蝸輪(Worm Gear)所受扭矩可由下式計(jì)算得出：

Mworm gear=Mdriving sheare=T·R

=(Televator car+rope-Tcounter weight)·R

式中：Televator car為裝載有1.25倍載重的轎廂對繩索的拉力；Televator car+rope為裝載有1.25倍載重的轎廂在底層的時(shí)候?qū)ξ佪喴粋?cè)的拉力；Tcounter weight為對重；g為重力加速度；Mworm gear，Mdriving sheare分別為蝸輪和曳引輪的力矩。

由計(jì)算結(jié)果可知，蝸輪所受扭矩為211 8 N·m。

2.4 結(jié)果分析

蝸桿與蝸輪所受應(yīng)力分布如圖10所示。蝸輪的有限元計(jì)算結(jié)果分布如圖11所示。

圖10 蝸桿與蝸輪所受應(yīng)力分布Fig.10 Stress distribution of the worm and worm gear

圖11 蝸輪所受應(yīng)力分布Fig.11 Stress distribution of the worm gear

由圖10和圖11可知，蝸輪所受應(yīng)力主要集中在齒根部位,且蝸輪受到的最大應(yīng)力為273.3 MPa，小于其抗拉強(qiáng)度(310 MPa)，故正常情況下蝸輪不會(huì)發(fā)生斷齒失效。從而表明，在保證蝸輪顯微組織正常的情況下，高鋁鋅基合金ZA27可以用于曳引機(jī)蝸輪。

3 分析與討論

3.1 蝸輪斷裂機(jī)理

電梯運(yùn)行時(shí)，蝸輪輪齒齒面承受的是交變壓應(yīng)力。應(yīng)力由齒頂向齒根轉(zhuǎn)移，齒根處為交變載荷的應(yīng)力集中點(diǎn)。首損齒齒根處存在氣孔、疏松、夾雜等鑄造缺陷，其中局部疏松相連形成缺陷聚集區(qū)。這些缺陷的存在產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，降低材料的抗拉強(qiáng)度，加速齒根部位疲勞裂紋源的形成。裂紋在此處萌生并由此向內(nèi)擴(kuò)展。在交變載荷作用下，裂紋擴(kuò)展分成兩個(gè)階段進(jìn)行。在第一階段時(shí)，裂紋與齒面所受壓應(yīng)力成45°角進(jìn)行擴(kuò)展；當(dāng)裂紋擴(kuò)展到輪齒中部剪切應(yīng)力得到釋放后，裂紋改變方向沿著與壓應(yīng)力相垂直的方向進(jìn)行擴(kuò)展。最后超過臨界裂紋長度，即在靠近齒頂不遠(yuǎn)的位置出現(xiàn)折斷；即輪齒發(fā)生疲勞斷裂。

3.2 點(diǎn)蝕機(jī)理

此處點(diǎn)蝕是行業(yè)內(nèi)對蝸輪齒面點(diǎn)狀缺陷的統(tǒng)稱。而金屬腐蝕科學(xué)中認(rèn)為的點(diǎn)蝕，其形成必須同時(shí)具備3個(gè)條件，即需要有不同的電極電位，不同的電極電位之間需要有物質(zhì)連接，不同的電極電位需在同一個(gè)電解溶液中。但是，曳引機(jī)蝸輪在整個(gè)運(yùn)行當(dāng)中，一直浸泡在潤滑油中，蝸輪表面與空氣隔絕，并且潤滑油不具有腐蝕性，因此曳引機(jī)蝸輪本身應(yīng)不具備產(chǎn)生點(diǎn)蝕的條件。為此，通過光學(xué)顯微鏡觀察點(diǎn)蝕坑橫截面處的顯微組織，并結(jié)合掃描電子顯微鏡觀察點(diǎn)蝕坑表面形貌與能譜儀分析點(diǎn)蝕坑成分，尋找點(diǎn)蝕產(chǎn)生的原因。

由圖12的顯微組織可知，點(diǎn)蝕坑附近，疏松缺陷較為明顯。結(jié)合圖13中的點(diǎn)蝕坑表面形貌可知，在點(diǎn)蝕坑內(nèi)有代表疏松形貌特征的枝晶露頭存在；在點(diǎn)蝕坑周圍有裂紋存在；點(diǎn)蝕坑內(nèi)部較為光滑，沒有明顯的腐蝕痕跡出現(xiàn)。結(jié)合圖14及圖15可知，點(diǎn)蝕坑中的成分以合金原始成分元素鋅及元素鋁為主，沒有明顯的腐蝕性元素存在。從而表明，點(diǎn)蝕坑是由于輪齒表面在外力作用下發(fā)生壓潰后的遺留特征形貌，其存在與蝸輪次表面的鑄造缺陷有關(guān)。

圖12 截面顯微組織形貌Fig.12 Sectional microstructure morphology

圖13 枝晶形貌Fig.13 Dendrite morphology

圖14 點(diǎn)蝕坑形貌Fig.14 Pit morphology

圖15 圖14中點(diǎn)蝕坑的EDS譜Fig.15 EDS spectrum of the pit in Fig.14

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

(1) 鑄態(tài)高鋁鋅基合金ZA27電梯曳引機(jī)蝸輪輪齒斷裂是疲勞斷裂，其斷裂的主要原因是齒根處存在鑄造缺陷，鑄造缺陷的種類以疏松、夾雜為主。

(2) 斷齒表面有剝落點(diǎn)蝕坑存在，經(jīng)驗(yàn)證，輪齒齒面點(diǎn)蝕坑出現(xiàn)的概率與其組織中的鑄造缺陷分布與大小有關(guān)。

4.2 建議

對于蝸輪輪齒出現(xiàn)折斷的現(xiàn)象，可以通過減少齒根區(qū)域的鑄造缺陷數(shù)量來降低輪齒的折斷率；對于輪齒表面出現(xiàn)的點(diǎn)蝕坑，可以通過消除或者轉(zhuǎn)移輪齒次表面的鑄造缺陷來降低點(diǎn)蝕率。

[1] 鐘道培.斷裂失效分析(續(xù))[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊,2005,41(10):535-539.

[2] 傅國如,張錚.失效分析(續(xù))[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊,2005,41(6):318-323.

[3] 張棟,鐘道培,陶春虎,等.失效分析[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004:123-125.

[4] 陳體軍,郝遠(yuǎn),孫軍,等.ZA27合金的微觀組織[J].中國有色金屬學(xué)報(bào),2002,12(2):294-299.

[5] 李立新,江玉剛,曹誼勃.基于精確齒面建模的ZA蝸桿蝸輪有限元接觸分析[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào),2011,18(1):38-42.

Failure Analysis on Casting High Aluminum Zinc Based Alloy ZA27 Worm Gear in Elevator Traction Machine

ZHANG Jie1, LI Xiao-hua1, WU Ji-quan2
(1. College of Materials Science and Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China;2. Institute of Special Equipment Inspection and Test, Shenzhen 518029, China)

By means of field investigation, combined with ICP-OEM, OM, SEM, EDS and finite element analysis, the mechanism and cause of fracture of the casting high aluminum zinc based alloy ZA27 worm gear tooth in elevator traction machine were analyzed. At the same time, the tooth surface pitting formation mechanism was explored. The results show that the tooth fracture of the worm gear was fatigue fracture. The tooth root was alternating load stress concentration point, and the casting defects here accelerated the formation of fatigue crack source. The formation of pits on the worm gear tooth surface was related to the casting defects of the second surface.

casting high aluminum zinc based alloy; worm gear; gear tooth; fatigue fracture; pit; casting defect

2016-04-19

張 杰(1991-)，男，碩士研究生,主要從事金屬材料的理化檢驗(yàn)及失效分析工作。

黎曉華(1969-)，男，高級(jí)工程師，主要從事金屬材料的失效分析與安全評(píng)估工作與研究,lxh@szu.edu.cn。

10.11973/lhjy-wl201702013

TG27

B

1001-4012(2017)02-0127-05