高壓開關設備彈簧斷裂分析

王曉生 史潤軍

（河南平芝高壓開關有限公司，河南 平頂山 467013）

0 引言

彈簧操作機構由彈簧儲能、合閘維持、分閘維持、分閘組成，利用機構內彈簧拉伸和收縮儲存的能量可進行斷路器合、分閘控制操作。因此，斷路器操作機構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］。在一次高壓開關設備在進行壽命模擬操作試驗過程中，動作約9 800 次后發生斷裂，拆解后發現彈簧一端R4折彎處斷裂，失效前產品無異常。彈簧的材質為SWPB琴鋼絲，琴鋼絲強度和彈性均優于碳素彈簧鋼絲和彈簧用不銹鋼絲，其采用的標準為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射光譜儀對試樣進行化學成分分析，具體分析結果見表1。由表1可知，失效彈簧的化學成分符合標準JIS G3522：2014 中牌號SWPB 的技術要求。

表1 失效彈簧的化學成分

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行硬度測試，測試結果見表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，結果如圖2到圖6所示。由圖2 可以看出，斷口呈現不規則狀，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1～3三個區域。區域1較為平整，且靠近損失缺陷處，為斷裂起始區域。在往復應力作用下，形成區域2。區域3 為塑性斷裂，即瞬斷區域，也是最終斷裂區。圖4到圖6為圖3中1～3區域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（1 區）無較明顯形貌特征；2 區微觀形貌主要是疲勞輝紋，未見明顯氧化產物和夾雜，疲勞特征明顯；3區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4%硝酸酒精溶液腐蝕后［4］，采用金相顯微鏡進行觀測，觀察結果如圖7、圖8 所示。圖7 為失效彈簧200x 金相組織照片，可以看到，晶體經冷拉后沿形變方向呈纖維狀組織，未見組織偏析、嚴重帶狀組織、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，且未發現夾雜物。故該斷裂與彈簧組織異常無關，與非金屬夾雜無關。圖8 為失效彈簧500x金相組織照片，金相形貌為鐵素體和細珠光體組織，在斷口邊緣發現氧化物，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象，排除脫碳降低表面硬度導致截面面積縮小，從而引發失效的情況。

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 結語

由化學成分分析可知，失效彈簧的化學成分符合標準JIS G3522:2014 中牌號SWPB 的技術要求。硬度測試結果顯示，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，符合圖紙技術要求。金相測試顯示，該失效彈簧的金相形貌為細珠光體，經冷拉后沿形變方向呈纖維狀組織，未觀察到脫碳現象。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，斷口上的裂紋源區無明顯形貌特征，裂紋擴展區的微觀形貌主要呈疲勞輝紋特征，斷口上瞬斷區的微觀形貌主要呈纖維狀形貌特征。

分析彈簧發生斷裂的原因表明，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度，從而導致載荷能力下降，表面缺陷則造成局部應力集中。當彈簧操作機構進行操作試驗時，該損傷處易萌生裂紋，最終導致彈簧發生疲勞擴展和斷裂。

后續在彈簧的制作過程中，應注意以下工藝要點，以確保彈簧質量。①彈簧端面R 折彎處應圓滑過渡，避免機械損失的產生，在工藝過程卡中追加R 折彎處的檢查確認，確保零件質量；②彈簧制作完成后追加退應力去火工藝，消除內應力［5］。