高壓開關(guān)設(shè)備彈簧斷裂分析

王曉生 史潤軍

（河南平芝高壓開關(guān)有限公司，河南 平頂山 467013）

0 引言

彈簧操作機(jī)構(gòu)由彈簧儲能、合閘維持、分閘維持、分閘組成，利用機(jī)構(gòu)內(nèi)彈簧拉伸和收縮儲存的能量可進(jìn)行斷路器合、分閘控制操作。因此，斷路器操作機(jī)構(gòu)的工作性能和可靠性決定了斷路器的工作性能和可靠性，也就決定了供電的可靠性［1］。在一次高壓開關(guān)設(shè)備在進(jìn)行壽命模擬操作試驗過程中，動作約9 800 次后發(fā)生斷裂，拆解后發(fā)現(xiàn)彈簧一端R4折彎處斷裂，失效前產(chǎn)品無異常。彈簧的材質(zhì)為SWPB琴鋼絲，琴鋼絲強(qiáng)度和彈性均優(yōu)于碳素彈簧鋼絲和彈簧用不銹鋼絲，其采用的標(biāo)準(zhǔn)為JIS G3522［2］。彈簧的自由高度為155 mm±3 mm、材料的直徑為2.3 mm、有效圈數(shù)為n=35，表面防銹工藝為磷化處理。彈簧的制造流程如下，卷簧→去應(yīng)力回火→端面磨削→校正→二次回火→倒角、去毛刺→防銹處理→終檢。斷裂彈簧斷口的實物如圖1所示。基于以上情況，需要分析彈簧斷裂失效的原因。

1 化學(xué)成分分析

試樣取自斷裂彈簧，采用ICP-OES 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，具體分析結(jié)果見表1。由表1可知，失效彈簧的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)JIS G3522：2014 中牌號SWPB 的技術(shù)要求。

表1 失效彈簧的化學(xué)成分

2 硬度測試

對取自斷裂彈簧的試樣采用顯微維氏硬度計進(jìn)行硬度測試，測試結(jié)果見表2。由表2 可知，失效彈簧近表面和芯部的平均硬度分別約為562 N/mm2和548 N/mm2。

表2 顯微維氏硬度測試結(jié)果

3 宏觀檢測與SEM分析

采用體視顯微鏡和SEM 掃描電鏡觀察失效彈簧斷口的宏觀和微觀形貌，結(jié)果如圖2到圖6所示。由圖2 可以看出，斷口呈現(xiàn)不規(guī)則狀，斷口處未觀察到空洞、夾雜等缺陷［3］，斷口近表面存在損傷缺陷。圖3 是損傷處的放大照片，可以看出有明顯銹蝕的痕跡。將失效彈簧斷口表面的宏觀形貌劃分為1～3三個區(qū)域。區(qū)域1較為平整，且靠近損失缺陷處，為斷裂起始區(qū)域。在往復(fù)應(yīng)力作用下，形成區(qū)域2。區(qū)域3 為塑性斷裂，即瞬斷區(qū)域，也是最終斷裂區(qū)。圖4到圖6為圖3中1～3區(qū)域SEM微觀形貌照片。由圖可知，失效彈簧斷口裂紋源近表面存在損傷缺陷。斷口上的裂紋源區(qū)（1 區(qū)）無較明顯形貌特征；2 區(qū)微觀形貌主要是疲勞輝紋，未見明顯氧化產(chǎn)物和夾雜，疲勞特征明顯；3區(qū)斷口呈纖維狀形貌的過載斷口形貌特征。

圖2 斷口附近表面損傷

圖3 失效彈簧斷口表面

圖6 3區(qū)的SEM照片——纖維狀斷口

4 金相測試

在失效彈簧斷口附近，橫向和縱向制取金相試樣，依次鑲嵌、磨拋，經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后［4］，采用金相顯微鏡進(jìn)行觀測，觀察結(jié)果如圖7、圖8 所示。圖7 為失效彈簧200x 金相組織照片，可以看到，晶體經(jīng)冷拉后沿形變方向呈纖維狀組織，未見組織偏析、嚴(yán)重帶狀組織、裂紋等缺陷。斷口處的金相組織與非斷口處的金相組織一致，且未發(fā)現(xiàn)夾雜物。故該斷裂與彈簧組織異常無關(guān)，與非金屬夾雜無關(guān)。圖8 為失效彈簧500x金相組織照片，金相形貌為鐵素體和細(xì)珠光體組織，在斷口邊緣發(fā)現(xiàn)氧化物，這是因斷口處存在銹蝕而造成的。此外，在該失效件下未觀察到脫碳現(xiàn)象，排除脫碳降低表面硬度導(dǎo)致截面面積縮小，從而引發(fā)失效的情況。

圖7 失效彈簧的金相形貌（200x）

圖8 失效彈簧近表面的金相形貌（500x）

5 結(jié)語

由化學(xué)成分分析可知，失效彈簧的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)JIS G3522:2014 中牌號SWPB 的技術(shù)要求。硬度測試結(jié)果顯示，失效彈簧近表面和芯部的平均硬度分別約為562 N/mm2和548 N/mm2，符合圖紙技術(shù)要求。金相測試顯示，該失效彈簧的金相形貌為細(xì)珠光體，經(jīng)冷拉后沿形變方向呈纖維狀組織，未觀察到脫碳現(xiàn)象。宏觀檢測與SEM 分析顯示，失效彈簧斷口裂紋源近表面存在損傷缺陷，斷口上的裂紋源區(qū)無明顯形貌特征，裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌主要呈疲勞輝紋特征，斷口上瞬斷區(qū)的微觀形貌主要呈纖維狀形貌特征。

分析彈簧發(fā)生斷裂的原因表明，彈簧斷裂為疲勞斷裂，斷口微觀形貌存在較為明顯的疲勞輝紋，斷裂源指向的彈簧R4 折彎處，即斷口裂紋源近表面存在表面損傷缺陷，彈簧的金相組織為正常冷拉形成的纖維狀組織，金相形貌為正常的鐵素體和細(xì)珠光體組織。

彈簧的斷裂失效主要因為其折彎處存在表面損傷缺陷，降低了彈簧的疲勞強(qiáng)度，從而導(dǎo)致載荷能力下降，表面缺陷則造成局部應(yīng)力集中。當(dāng)彈簧操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作試驗時，該損傷處易萌生裂紋，最終導(dǎo)致彈簧發(fā)生疲勞擴(kuò)展和斷裂。

后續(xù)在彈簧的制作過程中，應(yīng)注意以下工藝要點，以確保彈簧質(zhì)量。①彈簧端面R 折彎處應(yīng)圓滑過渡，避免機(jī)械損失的產(chǎn)生，在工藝過程卡中追加R 折彎處的檢查確認(rèn)，確保零件質(zhì)量；②彈簧制作完成后追加退應(yīng)力去火工藝，消除內(nèi)應(yīng)力［5］。