35 k V斷路器彈簧鋼的夾雜物微觀形態分析*

董重里，董 鏑，劉 昊，金朝海

（1.廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣東廣州 510080；2.北京航空航天大學，北京 100088）

1 斷路器彈簧機構操作原理

國內斷路器彈簧機構常見故障包括儲能故障和機構拒分、拒合故障。機構的機械故障中彈簧松弛或者疲勞失效占一定的比例，操作常規動作為：合閘彈簧儲能與合閘操作，也包括分閘操作和重合閘操作。

某供電局發現35 kV斷路器發生多起疑似合閘彈簧松弛導致合閘不到位的現象，更換合閘彈簧后能正常分合閘。出現故障情況的斷路器運行時間約5-7年。該斷路器的彈簧操作機構有獨立的合閘和分閘彈簧組，每組均有大小彈簧（外圈和內圈）各一個。上述彈簧為冷卷圓柱螺旋彈簧，其熱處理工藝如下：彈簧在有保護氣氛的高溫網帶爐淬火后油中冷卻，回火在有循環風機的回火箱式爐中進行。保溫一段時間后水冷。

拆下部分失效彈簧。根據送檢的未斷裂合閘彈簧情況，隨機抽取分閘舊彈簧（以下簡稱舊彈簧）和對照組新分閘小彈簧（以下簡稱新彈簧），進行力學性能試驗，在彈簧端部位置截取試樣進行理化分析。

2 試驗內容及結果

2.1 力學性能試驗和金相檢驗

用直讀光譜儀對操作分閘彈簧進行材質化學分析。彈簧材質符合GB/T 1222-2007中60Si2CrVA的要求。線切割后的試樣經過鑲樣、磨樣、拋光后用4%硝酸酒精溶液浸蝕，采用徠卡DMI 3000型光學顯微鏡，觀察選取試樣的顯微組織形貌。金相照片參見圖1所示。新舊彈簧的金相組織均為托氏體（屈氏體）加細晶粒鐵素體，舊彈簧依然可見鏈狀碳化夾雜物殘留，新彈簧的夾雜物呈圓形顆粒狀彌散分布。二者的脫碳層厚度均在50μm左右。金相組織顯示二者的熱處理工藝相近。

圖1 彈簧的組織形貌對比（500×）

2.2 夾雜物評級

線切割后的試樣經過鑲樣、磨樣、拋光后觀察鋼中的夾雜物，參照GB/T 10561進行夾雜物評級。具體參見表1所示。舊分閘彈簧，90%為碳化物夾雜，粗系D類環狀氧化物超標，具體照片參見圖2所示。新舊彈簧的夾雜物評級部分指標超標，部分視野內，細系C類硅酸鹽類超標，具體照片參見圖3所示。

表1 鋼中夾雜物初步評級

圖2 舊彈簧夾雜物照片(未浸蝕，100×)

圖3 新彈簧夾雜物照片(未浸蝕，100×)

2.3 夾雜物掃描電鏡及能譜分析

為確定夾雜物的性質，用Hitachi S-3400N型掃描電子顯微鏡（SEM）進行夾雜物分析（SEM掃描電子顯微鏡照片參見圖4-6所示）。同時利用EDAX進行微區能譜分析，圖4-6中箭頭指向處方框位置的夾雜物能譜如該圖中右圖所示。

彈簧力學性能不符合設計要求[1-2]，是導致該型號斷路器彈簧操作功不足的原因。一般存在三種可能性：一是設計階段彈簧選取存在問題，導致機構輸出功不足；二是制造階段彈簧材質存在問題，導致彈簧機械性能不足，影響機構輸出功[2];三是斷路器在運行中彈簧始終處于儲能狀態，長期儲能造成彈簧疲勞或松弛，導致機構輸出功不足，本質上也是彈簧材質問題[2]。

圖4 舊彈簧中夾雜物聚集區域

圖5 新彈簧中夾雜物聚集區域

圖6 新彈簧中夾雜物聚集區域

舊彈簧能譜分析顯示，其夾雜物為鏈狀的碳化物。舊彈簧的夾雜物主要來源于煉鋼氧化期和脫碳期[1]。新彈簧的能譜分析顯示，其夾雜物為Si-Mg-Ca的氧化物、Mn-V-Ti的硫化物、V第二相粒子析出和少量的C-Si化物圓形顆粒。新彈簧的夾雜物主要來源于煉鋼爐渣脫硫及成分微調中的粉劑[3]。新彈簧中礬顆粒為第二相粒子析出顆粒。超標夾雜物的存在尤其是鏈狀夾雜物的存在，會降低彈簧抗應力松弛的能力[1-3]。從力學性能角度，圓形顆粒狀夾雜物的力學性能優于鏈狀夾雜物。夾雜物的存在對材料的疲勞強度會造成影響，鏈狀夾雜物將是未來疲勞裂紋源[3-4]。彈簧制造中對彈簧的立定處理或強壓等工藝環節持續改進。

3 結論與建議

（1）部分舊彈簧運行5年后實測長度和力學性能不符合出廠設計要求。舊彈簧微觀組織中含有過量的未熔鏈狀碳化物，新彈簧也發現部分圓形夾雜物評級超過GB/T 1222標準的要求。彈簧鋼中夾雜物超標是彈簧松弛的主要原因。

（2）彈簧廠對外購的鋼廠彈簧鋼絲應加強抽檢，外購件進貨合同中應明確進行原材料成分及夾雜物級別評定。

［1］張英會，劉輝航，姜膺.彈簧的應力松弛及試驗研究［J］.機械工業標準化與質量，2008（10）：143-151.

［2］王大方，李駿.因斷路器分閘彈簧拉伸力不足引發事故的分析［J］.上海電力，2011（01）：90-92.

［3］王廷喜.彈簧鋼的應力松弛行為研究［D］.成都：西南交通大學，2012.

［4］柯曉濤，盧向陽.釩對Si-Mn系彈簧鋼松弛抗力的影響［J］.特殊鋼，2007，6（28）：4-6.