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

鋼絲繩被廣泛應用于礦山機械、航空航天、橋梁建設和電梯曳引等領域，可以說是關系生命及生產安全的重要設備的關鍵部件。所以，國內外已經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]發現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、制造工藝、強度、規格和韌性等參數對鋼絲繩疲勞壽命進行研究。廖紅衛[3]研究繩槽硬度、繩槽材質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?？傊?，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、鋅層韌性強等優點，成為工業生產中應用較廣泛的鍍鋅方法[6]。熱鍍鋅鋼絲繩生產過程中發現，不同鍍層重量的鋼絲在生產相同規格鋼絲繩，繩的疲勞值相差較大，針對這一現場實際情況進行相關研究。

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，記錄數據，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，鋅和鋼絲基體發生一系列物理化學反應，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，部分ζ相(FeZn13)減少，δ相(FeZn8 .87)增加，同時出現Γ相(Fe3Zn10)?！霸嚇覩” 由于鍍層太厚，表層以η純鋅相為主?！霸嚇覼”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分開[10]?！霸嚇覦”就是因為鍍層相對較薄，在熱鍍鋅過程中反應比較徹底，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中數據可以看出“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]發現了斷絲的根本原因是劇烈摩擦后鋼絲表面產生了脆性馬氏體薄層。這些都說明單絲表面狀態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不一樣，無法清晰地判定鋼絲繩的磨損情況，因此統一將鋼絲繩做彎曲達到相同次數后檢測繩表面磨損(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過相同次數的彎曲，但表面狀態有明顯區別，“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，這也就導致進行彎曲試驗時純鋅層容易磨掉或產生裂紋源，進而磨損到鋼絲基體，產生機械磨損；“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)轉變，增加了耐磨程度又提高了塑性不至于產生裂紋；“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?！钡拿撀湎喈斢诋愇?，產生磨粒磨損，更加劇了鋼絲的損傷程度。主要是鍍層重量低鍍層薄，產生Γ相(Fe3Zn10)，導致鍍層整體變脆，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生麻點或凹坑，導致彎曲值降低，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 相同彎曲次數下單絲表面狀態(200倍)

通過對不同鍍層重量的鋼絲繩疲勞的研究發現，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，工業生產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”，容易產生脆性的Γ相(Fe3Zn10)，表面裂紋較多，彎曲疲勞產生大量麻點和凹坑，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”，容易產生脆性的Γ相(Fe3Zn10)，表面裂紋較多，彎曲疲勞產生大量麻點和凹坑，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。