主变黄铜抱箍断裂失效分析

2019-04-01方振邦王若民陈国宏

安徽电气工程职业技术学院学报 2019年1期

关键词：黄铜单相当量

方振邦，王若民，陈国宏，张健，张洁

(国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽合肥 230601)

0 引言

断裂是材料或构件力学性能的基本表征。断裂力学是固体力学的一个新的分支。借助于理论实验和数值分析相结合[1- 4]的研究方法，断裂力学已在航空航天、机械、材料、电力能源等工程领域得到广泛应用。

抱箍是用一种材料抱住或箍住另外一种材料的构件。作为电力金具紧固件之一，抱箍被广泛应用于各个领域，种类较多[5,6]。因此，作为主变压器裸露在外金属附件，如果抱箍发生断裂，会严重影响设备的安全稳定运行。

本文以某主变有载调压开关连杆上发生断裂的抱箍为例，对抱箍采取宏观检查、化学成分、金相分析，分析抱箍发生断裂的原因并提出改进措施。

1 检测试验

1.1 宏观断口检查

对抱箍进行宏观观察，从图1、图2可以看出，失效位置的开裂部位位于抱箍圆周，裂纹沿轴向，贯穿内外表面，开裂方向与螺栓紧固受力一致。图3为抱箍断口形貌图，宏观上看，断口附近形变极少，没有明显塑性变形，呈脆性断裂特征。

图1 抱箍开裂现场

1.2 化学成分分析

在SPECTRO TEST全定量光谱仪上对开裂抱箍进行光谱分析，结果见表1，抱箍为复杂黄铜材质。其中Al和Mn等Zn当量元素含量均超过1%，Cu含量仅为56%左右，低于GB/T 1176中黄铜的含Cu量[7]，相应含Zn量偏高，为非标黄铜。

表1 光谱分析结果

1.3 金相组织分析

对该抱箍进行显微组织分析，腐蚀剂采用氯化高铁盐酸水溶液。抱箍断口金相照片见图4，试样为典型的铸造组织，为单相组织，未出现常见的α+β两相组织，晶粒度为3～5级别。

黄铜为铜锌二元合金，加入少量Pb形成铅黄铜，但Pb几乎不固溶于铜锌二元合金，以游离状态孤立地分布固溶体中，以改善切屑性能为目的。铜中加入不同含量Zn后显微组织会发生改变，从而获得不同性能的合金。黄铜的室温组织有三种：Zn含量(Zn%)<35%时，为单相α组织，随着Zn增加，强度和塑性同时得到改善。Zn含量(Zn%)在36～45%时，为α+β两相组织，随着Zn%的增加，β相随之出现并增多，塑性会急剧下降，强度则一直增加，并当Zn含量(Zn%)≈45%时，强度达到顶峰。Zn含量(Zn%)>45%，α相全部消失，组织为单相β组织，强度、塑性都会急剧下降，甚至可能会出现γ相，一种硬而脆的复杂立方晶格固溶体，性能极差，基本无法塑性变形[8]。

本例中抱箍的Zn含量分别为40.01%，金相组织为单相组织，从铜锌合金二元相图分析，在该Zn含量附近的单相组织为β相。前文指出Zn含量(Zn%)>45%，组织为单相β组织，正是由于该合金组织含有Al、Sn、Pb和Fe等Zn当量元素，使得该抱箍的Zn当量系数超过了45%，因此组织呈单相β组织。开裂的抱箍的显微组织为单相β相+灰色游离的铁和铅，强度、塑性较差，工业上应该避免出现类似组织。

图4 抱箍显微组织

2 原因分析

抱箍是用一种材料抱住另一种材料的构件，属于紧固件的一种。目前有载调压开关连杆上抱箍多用黄铜铸造，造价便宜，但容易存在以下问题：一是Zn当量系数超标，材料含有大量Zn当量元素，导致出现有害显微组织，本例的情况即是如此，单相β组织导致材料强度、塑性均下降，在紧固螺栓的作用下发生开裂；二是Pb元素超标，多余Pb在晶界呈网状分布，致使合金力学性能下降；三是铸造工艺容易产生气孔、疏松等缺陷。

目前已经有部分厂家开始采用紫铜板冲压成型的工艺，可以避免上述铅黄铜不规范生产引入的各种缺陷，但对冲压质量要求较高，特别是在截面突变区域要注意圆滑过渡，避免留下冲压台阶，加剧应力集中，省内也曾发生过紫铜抱箍线夹因成型质量差发生开裂的事件。

另外，抱箍一般用紧固螺栓紧固，安装时要按照抱箍的螺栓规格和预紧力要求使用力矩扳手进行紧固，避免不规范施工引起变形开裂。