0Cr17Ni7Al鋼制受電弓扭簧斷裂原因分析

(北京中車賽德鐵道電氣科技有限公司, 北京 100176)

采用電力牽引方式傳動的動車組需要從接觸網不間斷獲得電流來保證動車組高速前行，受電弓是實現這一功能的重要設備，其性能好壞直接影響動車組能否安全可靠地運行，因此高性能受電弓被稱為高速動車組十大關鍵配套技術之一[1]。某型號受電弓在弓頭長度方向各安裝了一根扭簧，其主要作用是吸收和緩沖弓網動態耦合作用對弓頭及其他結構件的橫向及縱向沖擊載荷，保證弓頭及其他結構件在受電弓全壽命周期內的正常運行。某動車組在入庫檢修時，一段時間陸續發現有受電弓弓頭扭簧斷裂，如圖1～2所示，(該扭簧由φ3.8 mm的鋼絲制成，材料為0Cr17Ni7Al鋼，鋼絲纏繞后在475 ℃保溫1 h進行回火處理)。受電弓運行里程為(4～50)×104km。

圖1 扭簧斷裂現場Fig.1 Site of the fractured torsion spring

圖2 斷裂扭簧的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the fractured torsion spring

為了保證受電弓持續正常運行，防止類似故障再次大批量發生，筆者對斷裂扭簧進行了一系列理化檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢驗

對斷裂扭簧的表面進行清洗，使用50倍放大鏡觀察其狀態，由圖3可知扭簧表面明顯存在沿軸向分布的溝槽和疑似微裂紋。根據文獻[2]判斷這種缺陷為劃痕和拉絲，是彈簧鋼絲常見的表面缺陷。

1.2 化學成分分析

對斷裂扭簧取樣進行化學成分分析，結果見表1，可見各元素含量均符合GB/T 24588-2009《不銹彈簧鋼絲》對0Cr17Ni7Al鋼的成分要求。

表1 扭簧的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of torsion spring (mass fraction) %

1.3 拉伸試驗

從斷裂扭簧上截取試樣，按照GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》和 GB/T 24588-2009進行拉伸試驗，結果見表2，可見各項測試結果均符合技術要求。

表2 扭簧拉伸性能測試結果Tab.2 Tensile property test results of torsion spring

1.4 硬度測試

按照GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，對扭簧的外表面、內表面及縱截面心部進行硬度測試。由表3可知簧絲內表面的硬度高于外表面和心部的，這與各部位的馬氏體含量有關。

表3 扭簧硬度測試結果Tab.3 Hardness test results of torsion spring HV0.2

圖3 扭簧表面形貌Fig.3 Morphology of torsion spring surfce

1.5 斷口分析

對扭簧斷口進行超聲清洗后，在掃描電鏡下觀察其微觀形貌，結果如圖4所示。可見斷口明顯分為兩個區域：A區為瞬斷區，表面有韌窩特征；B區有海灘狀輝紋，為典型疲勞斷口特征[3]。從圖4a)中位置1和2可見，疲勞裂紋源起始于扭簧表面[4]，當裂紋擴展至扭簧中心部位時，又分為兩個疲勞源繼續擴展(位置3和4)，直至扭簧發生瞬斷。

1.6 金相檢驗

對扭簧的圓周截面及軸向截面分別取樣，利用金相顯微鏡觀察其顯微組織。由圖5和圖6可知，扭簧內表面存在大小不一的凹坑缺陷，凹坑最大深度約為60 μm，組織為馬氏體+析出相，軸向截面上的析出相呈帶狀分布。

2 分析和討論

該斷裂扭簧的化學成分、力學性能及硬度均符合相關標準的技術要求，其顯微組織為馬氏體+析出相，未見異常，可以排除由于扭簧簧絲材料不合格引起的斷裂。

在扭簧表面發現有沿軸向分布的劃痕和拉絲，而扭簧對表面缺陷十分敏感，表面缺陷的存在會降低其使用壽命[5-6]。GB/T 24588-2009中明確規定簧絲表面不允許存在上述表面缺陷。在隨后的金相檢驗中也觀察到扭簧圓周截面及軸向截面存在多處大小不同、深度不一的凹坑，凹坑最大深度達60 μm。唐剛[7]的研究結果表明，疲勞裂紋的形成主要是由于在交變載荷作用下金屬表面出現了不均勻的滑移，因此疲勞裂紋常產生在構件表面，構件的表面質量對其疲勞壽命至關重要。扭簧表面的劃痕和拉絲缺陷通常是拉拔時模具的孔不光潔或潤滑不良導致的。卷制簧絲時，卷制機的滾輪、導絲桿、頂桿等工具表面若長時間使用而得不到維護或更新，也會在簧絲表面形成拉絲。受電弓受流時弓頭快速振動，對扭簧的疲勞性能要求極高，因此要求扭簧表面質量必須符合技術要求。

圖4 扭簧斷口微觀形貌Fig.4 Micro morphology of the fracture surface of torsion spring: a)whole; b) position 1; c) position 2; d) position 3; e) position 4

圖5 扭簧圓周截面形貌Fig.5 Morphology of circumferential section of torsion spring:a) whole; b) local magnified morphology; c) microstructure morphology

圖6 扭簧軸向截面形貌Fig.6 Morphology of axial section of torsion spring:a) whole; b) local magnified morphology; c) microstructure morphology

該扭簧的斷口呈典型疲勞斷裂特征，疲勞源位于簧絲表面，在受電弓受流過程中，由于頻繁吸收和緩沖弓網動態耦合作用下的交變載荷，扭簧纏繞部位產生彎曲應力，裂紋逐漸形成、擴展直至發生斷裂。表面質量不合格導致扭簧承受復雜應力的能力下降，加速了該斷裂過程。

3 結論及建議

(1) 該扭簧的斷裂模式屬于疲勞斷裂，表面存在的劃痕和拉絲缺陷使其難以承受高頻交變載荷是扭簧發生疲勞斷裂的主要原因。

(2) 應定期對簧絲拉拔模具包括卷制機的滾輪、導絲桿、頂桿等進行檢查、維護和更新，防止簧絲表面再次出現劃痕和拉絲等表面缺陷；制定合理的檢驗方案，加強對簧絲在拉拔、卷制成型后表面狀態的檢查，杜絕不合格品流入下一道工序。