GIS操作機構用止鎖凸輪開裂失效分析

王曉生 史潤軍 張明英

摘 要：某單位產品更新換代前，在驗證操作機構性能時出現異常報警，經檢查發現，該機構止鎖凸輪斷裂損壞。本文采用宏觀斷口分析、化學成分分析、硬度檢測、金相檢驗、掃描電鏡分析等方法對斷裂的原因進行了分析。結果表明：原材料呈帶狀分布的偏析帶，在熱處理淬火時極易產生微裂紋;熱處理不當破壞了凸輪“外硬內韌”的狀態，凸輪整體呈脆性，這兩個因素最終造成止鎖凸輪發生沿晶脆性斷裂。

關鍵詞：止鎖凸輪;帶狀偏析;應力集中;沿晶脆性斷裂

中圖分類號：TG115.28文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）08-0065-04

Failure Analysis of Locking Cam Used in GIS Operating Mechanism

WANG Xiaosheng SHI Runjun ZHANG Mingying

（Henan Pingzhi High Voltage Switch Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467013）

Abstract： Before the replacement of unit product， an abnormal alarm occurred when the performance of the operating mechanism was verified， and it was found that the locking cam of the mechanism was broken and damaged. In this paper， macro fracture analysis， chemical composition analysis， hardness testing， metallographic examination， scanning electron microscope analysis and other methods were used to analyze the causes of fracture. The results show that the raw materials were banded segregation bands， which were easy to produce microcracks during heat treatment and quenching; Improper heat treatment destroys the "hard outside and tough inside" state of the cam， and the whole cam was? brittle. These two factors eventually led to intergranular brittle fracture of the locking cam.

Keywords： stop locking cam;belt segregation;stress concentration;brittle fracture along

1 研究背景

某單位產品更新換代前，在驗證氣體絕緣金屬封閉開關設備（Gas Insulated Switchgear，GIS）操作機構性能時出現異常報警，連續操作中斷。經檢查發現，該機構止鎖凸輪開裂損壞，如圖1所示。

該凸輪材料為42CrMo耐熱鋼。42CrMo耐熱鋼屬于中碳低合金結構鋼，具有較高的強度、韌性以及良好的淬透性，淬火變形小，在高溫下仍有較高的蠕變強度和持久強度。42CrMo耐熱鋼一般在調質熱處理后試驗，調質后的組織為均勻細小的回火索氏體，具有較好的綜合力學性能，疲勞強度高，抗沖擊性能好，沒有明顯的回火脆性等。42CrMo耐熱鋼被廣泛用于制造起重機承重輪、汽車曲軸、連桿及發動機氣缸等[1-3]。

止鎖凸輪的生產工藝流程為：原材料→下料→粗機械加工→半精機械加工→調質熱處理→精加工→碳氮共滲。42CrMo耐熱鋼經過調質、碳氮共滲后獲得顯微組織表面為細馬氏體、殘余奧氏體和碳化物，心部組織為回火索氏體。零件經調質后具有良好的綜合力學性能，但不滿足凸輪工藝要求，所以要進行碳氮共滲工序，以達到所要求的力學性能。本文對開裂凸輪進行了檢驗和分析，希望查明其斷裂原因，為采取有效預防措施、避免類似質量問題的再次發生提供參考。

2 理化檢驗

2.1 化學成分分析

對斷裂凸輪取樣進行化學成分分析，結果如表1所示。從表1可知，各元素含量均符合《合金結構鋼》（GB/T 3077—2015）標準對42CrMo耐熱鋼成分的技術要求。

2.2 硬度檢測

采用TH320型數顯全洛氏硬度計對斷裂凸輪3#試樣橫截面由邊緣到心部進行洛氏硬度測試，對不同位置進行三次硬度試驗，結果如表2所示。表面邊緣硬度（HRC，洛氏硬度）平均值為57.6，符合圖紙要求;心部硬度（HRC）平均值為56.3，硬度過高，不滿足圖紙要求。工藝上，凸輪表面碳氮共滲增加硬度使得表面更具耐磨性，心部保持一定韌性以承受更大交變應力，斷裂凸輪心部硬度過高，破壞了凸輪“外硬內韌”的狀態，凸輪整體呈脆性。

2.3 凸輪斷口低倍檢驗

失效凸輪外表面無腐蝕，三處斷口均始于凸輪內方孔根部（圓滑過渡處），此處為應力集中位置，之后向外擴展至外圓最終造成斷裂。斷裂方向與凸輪軸線約呈30°角。觀察凸輪斷口宏觀形貌（見圖2），可以看出斷口有明顯的“河流狀”痕跡，河流的起始點即斷裂的源頭，且斷裂源正好位數字顯示異常，請核實于凸輪的應力集中位置。凸輪斷口表面泵軸斷口可分為3個區域：Ⅰ區為斷裂起始區域，由此沿凸輪軸線約30°方向擴展;Ⅱ區為斷裂擴展區;Ⅲ區為快速斷裂區，該區域可見存在河流狀放射條紋，表明凸輪表面泵軸斷裂時受到的應力較大。

2.3.1 凸輪斷口掃描電鏡微觀分析。用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）觀察斷口處的斷面，斷口為典型的冰糖狀斷口，呈脆性斷裂。晶界棱線清楚，晶界無第二相物質，晶界面比較光滑，晶界處二次裂紋清晰可見，屬于典型的沿晶斷裂[4]。挑選多個視場進行觀察，均有類似現象，典型視場如圖3至圖6所示。

2.3.2 金相檢驗。從斷裂凸輪部位切取縱向試樣，經鑲嵌、磨拋、硝酸酒精腐蝕10 s后在光學顯微鏡下觀察金相組織，凸輪原材料上有白色帶狀分布的偏析帶，如圖7、圖8所示，這是原材料中存在的合金元素偏析所導致的。存在這種偏析的原材料在淬火處理時極易出現開裂。

工藝上凸輪表面滲碳，使表面硬度增加，在實際使用時保持更高的耐磨性，但心部應具有一定的韌性。

通常情況下，42CrMo耐熱鋼凸輪經過調質處理后的組織應為均細的回火索氏體，這種組織具有較好的綜合力學性能。但從圖9可以看出，心部組織為針狀馬氏體。在調質處理過程中，回火溫度偏低、回火不完全等原因都可能導致回火馬氏體的產生。回火馬氏體組織具有脆性大、韌性低等特點，硬度也遠大于基體回火索氏體，這一點從2.2章節的硬度檢測中也得到了證實。心部回火馬氏體組織使得凸輪的脆性大大增加，耐沖擊能力降低，具有高的脆性斷裂的風險。

圖10為42CrMo鋼調質后經氣體碳氮共滲的顯微組織，其表面形成了一定厚度的含有碳氮化合物的硬化層，即滲層。滲層的組織大體上分為白亮的碳氮化合物層和暗黑色的擴散層。其中，白亮的碳氮化合物層是由合金元素與碳、氮形成的化合物組成的，其基體為針狀馬氏體及殘余奧氏體;黑暗的擴散層緊挨著碳氮化合物層，其組織主要是含碳、氮的馬氏體及殘余奧氏體，即表面層是粒狀碳氮化合物和馬氏體及殘余奧氏體。其中，粒狀碳氮化合物能有效阻止位錯運動，增大變形抗力，提高滲層的硬度。同時，共滲后表面存在著殘余壓應力，也進一步使工件表面的耐磨性、抗彎曲疲勞強度大大提高。

3 分析與討論

通過上述對該機構止鎖凸輪的成分、硬度、微觀組織的金相分析、斷口形貌分析，得出以下結論。

從理化檢驗結果可知，該凸輪的化學成分符合標準技術要求，但凸輪原材料上有白色帶狀分布的偏析帶，在熱處理淬火時極易產生裂紋，使凸輪斷裂的風險加大。

凸輪熱處理過程控制不當，導致凸輪內外表面的組織均為針狀馬氏體，在此過程中發生了回火馬氏體脆性，凸輪的“外硬內韌”狀態遭到破壞，使得凸輪整體呈脆性狀態。從斷口分析可以看出，最終凸輪的斷裂方式為典型的脆性斷裂，且伴隨著晶界處二次裂紋的產生。

在本次事故中，由于機構控制回路故障，電機不能及時停止，限位凸輪發生碰撞，最終導致止鎖凸輪脆性斷裂。

4 建議

購買原材料時不僅要確認成分合格，而且要進行金相分析，確認材料是否存在嚴重偏析等不合格現象。

裝爐時確保凸輪各部位都能受熱均勻，不要靠近加熱器與爐門口，裝爐量也不要超載、過密和重疊。

凸輪調質處理過程中可適當提高回火溫度，使其充分回火，得到完全粒狀回火索氏體。

參考文獻：

[1]陳俊丹，莫文林，王培，等.回火溫度對42CrMo鋼沖擊韌性的影響[J].金屬學報，2012（10）：1186-1193.

[2]王健偉，王芝軍，王丹丹.42CrMo鋼連接桿鍛造后的超聲波探傷缺陷分析[J].金屬加工（熱加工），2011（11）：33.

[3]周同，索進平.42CrMo鋼連桿失效分析[J].化學工程與裝備，2016（4）：21-24.

[4]王俊，王玉玲.擺動凸輪失效分析[J].理化檢驗（物理分冊），2009（3）：179-180.