鍍層重量對鋼絲繩疲勞的影響研究

陶文明， 蔣紅兵

(江蘇亞盛金屬制品有限公司， 江蘇 泰州 225721)

引 言

鋼絲繩被廣泛應(yīng)用于礦山機械、航空航天、橋梁建設(shè)和電梯曳引等領(lǐng)域，可以說是關(guān)系生命及生產(chǎn)安全的重要設(shè)備的關(guān)鍵部件。所以，國內(nèi)外已經(jīng)有大量的學者對鋼絲繩的彎曲疲勞損傷行為及損傷機理進行了研究，Marco Giglio 等[1]發(fā)現(xiàn)限制測試裝置的擺動角度可以減少鋼絲繩的機械性能的損傷。朱永剛等[2]從不同材質(zhì)、制造工藝、強度、規(guī)格和韌性等參數(shù)對鋼絲繩疲勞壽命進行研究。廖紅衛(wèi)[3]研究繩槽硬度、繩槽材質(zhì)等對鋼絲繩疲勞壽命的影響。范旭琪等[4]指出只有在組織強度、塑性和韌性合理配合的情況下，鋼絲繩才能獲得最佳理想的疲勞性能，馬光全[5]得出了鋼絲繩的疲勞壽命受滑輪表面硬度影響較大。總之，影響鋼絲繩疲勞壽命的因素有很多，而目前熱鍍鋅因其加工費用低、防腐性能好、鋅層韌性強等優(yōu)點，成為工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較廣泛的鍍鋅方法[6]。熱鍍鋅鋼絲繩生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，不同鍍層重量的鋼絲在生產(chǎn)相同規(guī)格鋼絲繩，繩的疲勞值相差較大，針對這一現(xiàn)場實際情況進行相關(guān)研究。

1 實驗材料與方法

實驗原材料采用Φ1.20 mm熱處理光面絲，經(jīng)過熱鍍鋅工藝得到鍍層重量為5 g/kg、25 g/kg和45 g/kg鋼絲，不同鋼絲拉拔單絲并捻制成0.25+6×0.24+6×(0.24+6×0.21)鋼絲繩。將鋼絲繩進行彎曲疲勞檢測并收集斷口，記錄數(shù)據(jù)，彎曲疲勞機的示意圖如圖1所示。彎曲疲勞檢測過程中施加一定的張力，然后以一定的包角通過試驗輪。平面單向彎曲疲勞檢測的包角一般為90±2°。彎曲疲勞檢測中張力44 kg、彎曲疲勞頻率200 次/min、試驗輪內(nèi)徑22 mm。

圖1 彎曲疲勞機示意圖

實驗采用德國ZEISS掃描電子顯微鏡(SEM)觀察鍍層及表面；采用理學Ultima IV組合型多功能 X射線衍儀(XRD)分析鍍層物相進行檢測。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 不同鍍層重量鋼絲鍍層分析

圖2是SEM拍攝的不同鍍層重量鋼絲的鍍層斷面形貌。圖2中“試樣G”表示鍍層重量為45 g/kg鋼絲，“試樣Z”表示鍍層重量為25 g/kg鋼絲，“試樣D”表示鍍層重量為5 g/kg鋼絲。從典型的熱浸鍍工藝看，當鋼絲浸入鋅液后，鋅和鋼絲基體發(fā)生一系列物理化學反應(yīng)，鋼絲表面形成鋅鐵合金層[7]。從鋼鐵基體到鍍層表面的相分別為Γ相(Fe3Zn10)、Γ1相(Fe5Zn21)、δ相(FeZn7)、ζ相(FeZn13)和η純鋅相[8-9]。

從圖2中可以清楚的看出， “試樣G”鍍層最厚，延箭頭方向明顯的分為兩部分，最左面為純鋅層，右面為鐵與鋅組成的鐵鋅合金層，最右面灰色面是鋼絲基體；“試樣Z”鍍層適中，只能見到一層且鍍層相對光滑致密鐵鋅合金層；“試樣D”鍍層最薄，為方便觀察，使用倍率比另兩個大，鍍層僅可見一層，并且鍍層表面存在明顯裂紋。

圖2 不同鍍層重量鋼絲的鍍層斷面形貌照片

鐵鋅合金相形成的過程是鍍層最開始為η純鋅相，隨著擴散進行η純鋅相被消耗，逐步轉(zhuǎn)化成ζ相(FeZn13)，ζ相(FeZn13)向鍍層表面生長使η純鋅相消失，擴散繼續(xù)，部分ζ相(FeZn13)減少，δ相(FeZn8 .87)增加，同時出現(xiàn)Γ相(Fe3Zn10)。“試樣G” 由于鍍層太厚，表層以η純鋅相為主。“試樣Z”鍍層主要以δ相(FeZn8.87)為主，實際上δ相由FeZn7、FeZn10.98、FeZn8.87和FeZn6.67組成，用X射線衍射無法將它們區(qū)分開[10]。“試樣D”就是因為鍍層相對較薄，在熱鍍鋅過程中反應(yīng)比較徹底，生成了Γ相(Fe3Zn10)，整個鍍層比較脆，容易形成裂紋

2.2 不同鍍層重量鋼絲繩疲勞分析

斷裂是鋼絲繩最常見的失效類型，宏觀上看可分為斷絲、斷股和斷繩三種類型。斷絲的形式較多，斷絲發(fā)展到一定程度后就會變成斷股或斷繩[11]。對鋼絲繩進行彎曲疲勞檢測，如表1所示。從表1中數(shù)據(jù)可以看出“試樣Z”的彎曲疲勞平均值較“試樣G”的略高，而“試樣D”的彎曲疲勞平均值明顯要低于另外兩組樣。

表1 不同鍍層重量鋼絲繩進行彎曲疲勞檢測

對經(jīng)過彎曲疲勞斷裂后的單絲斷口進行掃描觀察(如圖3所示)。從圖3中斷口形貌可以看出，三組試樣鋼絲繩斷裂后單絲斷口均比較平整，斷口形貌基本一致，均符合疲勞斷裂的情況。

圖3 疲勞斷裂單絲斷口形貌

徐濤[12]研究得出鋼絲繩表面損傷對其力學性能有較大的影響。張德英等分析[13]發(fā)現(xiàn)了斷絲的根本原因是劇烈摩擦后鋼絲表面產(chǎn)生了脆性馬氏體薄層。這些都說明單絲表面狀態(tài)對鋼絲繩的疲勞有較大影響，而在彎曲疲勞檢測中由于每組試樣繩的疲勞次數(shù)不一樣，無法清晰地判定鋼絲繩的磨損情況，因此統(tǒng)一將鋼絲繩做彎曲達到相同次數(shù)后檢測繩表面磨損(如圖4所示)。從圖4中可以看出不同鍍層重量的鋼絲繩雖然經(jīng)過相同次數(shù)的彎曲，但表面狀態(tài)有明顯區(qū)別，“試驗G”鍍層純鋅層較多，單絲表面主要是機械磨損，此類磨損主要是磨掉鍍層后直接磨損到單絲基體，使得單絲基體產(chǎn)生較大的損傷，主要是“試樣G”表面為η純鋅相，屬于塑性不耐磨相，同時η純鋅相的延伸率比鐵鋅合金相高很多，這也就導(dǎo)致進行彎曲試驗時純鋅層容易磨掉或產(chǎn)生裂紋源，進而磨損到鋼絲基體，產(chǎn)生機械磨損；“試驗Z”單絲表面主要是鍍層脫落，此類磨損是在彎曲過程中鍍層脫落，但還沒有磨損到鋼絲基體，說明鍍層具有一定的耐磨性，這主要是鍍層中η純鋅相向δ相(FeZn8.87)轉(zhuǎn)變，增加了耐磨程度又提高了塑性不至于產(chǎn)生裂紋；“試樣D”單絲表面存在大量麻點和凹坑，這類磨損對鋼絲的性能影響最大，大量麻點和凹坑的存在直接降低了鋼絲的性能，另外彎曲疲勞檢測過程中表面細小“顆粒”的脫落相當于異物，產(chǎn)生磨粒磨損，更加劇了鋼絲的損傷程度。主要是鍍層重量低鍍層薄，產(chǎn)生Γ相(Fe3Zn10)，導(dǎo)致鍍層整體變脆，形成的鐵鋅合金層存在較多裂紋，在拉拔或彎曲過程中容易脫落產(chǎn)生麻點或凹坑，導(dǎo)致彎曲值降低，并且與“試樣G”相比，這種損傷更加厲害，這也就導(dǎo)致了“試樣D”樣品彎曲疲勞值明顯低于其它兩組鍍層重量的樣品。

圖4 相同彎曲次數(shù)下單絲表面狀態(tài)(200倍)

通過對不同鍍層重量的鋼絲繩疲勞的研究發(fā)現(xiàn)，鍍層重量影響鋼絲繩的疲勞，實際上是鍍層中不同組成相在影響繩的彎曲疲勞，工業(yè)生產(chǎn)中鍍層重量的多少會直接影響鍍層相的組成。鍍層重量太低，熱鍍鋅擴散比較“徹底”，容易產(chǎn)生脆性的Γ相(Fe3Zn10)，表面裂紋較多，彎曲疲勞產(chǎn)生大量麻點和凹坑，使得疲勞壽命很低；鍍層重量適中，易得到δ相(FeZn8.87)，增加了耐磨程度又提高了塑性不至于產(chǎn)生裂紋，疲勞性能相對較好；鍍層重量太高，表面存在大量η純鋅相，彎曲疲勞時純鋅易磨損脫落，從而磨損基體，降低彎曲疲勞。

3 結(jié)論

鋼絲繩的鍍層重量對繩的疲勞有較大影響，不同鍍層重量的鋼絲繩在實際生產(chǎn)中會使得鍍層生成不同的物相，從而影響繩的彎曲疲勞。鍍層重量太低，熱鍍鋅擴散比較“徹底”，容易產(chǎn)生脆性的Γ相(Fe3Zn10)，表面裂紋較多，彎曲疲勞產(chǎn)生大量麻點和凹坑，使得疲勞壽命很低；鍍層重量適中，易得到δ相(FeZn8.87)，增加了耐磨程度又提高了塑性不至于產(chǎn)生裂紋，疲勞性能相對較好；鍍層重量太高，表面存在大量η純鋅相，彎曲疲勞時純鋅易磨損脫落，從而磨損基體，降低彎曲疲勞。