摘 要:在斷路器１０００~２０００次機械操作試驗中,３０CrNi３合金鋼滲氮軸銷發生斷裂.通過化學成分分析、斷口分析、低倍檢驗、金相檢驗、力學性能測試的方法,對軸銷的斷裂原因進行了分析.結果表明:該軸銷的斷裂性質為雙向彎曲疲勞斷裂;軸銷材料滲氮層存在脈狀氮化物,內部存在疏松、大尺寸夾雜物和氣泡缺陷,降低了材料的力學性能;在周期性旋轉彎曲力作用下,軸銷表面缺陷處出現裂紋并不斷擴展,最終導致軸銷疲勞斷裂.

關鍵詞:３０CrNi３合金鋼;軸銷;機械操作試驗;缺陷;雙向彎曲疲勞斷裂

中圖分類號:TG１５７ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０５Ｇ０３４９Ｇ０４

收稿日期:２０１６Ｇ０８Ｇ３１

AnalysisonFractureReasonsoftheAxisPinofOperationMechanism

forthe５５０kVBreaker

SUN Mingdao,LIUXi,GUOGuofang,LIUXiaofeng

(HenanPingzhiHighＧvoltageSwitchgearCo．,Ltd．,PingGaoGroup,Pingdingshan４６７０１３,China)

Abstract:The３０CrNi３alloysteelnitrideaxispinfracturedduring mechanicaloperationaltestingofthe

breakerfor１０００－２０００times．Thefracturereasonsoftheaxispin wereanalyzedbychemicalcomposition

analysis,fractureanalysis,macroexamination,metallographicexaminationand mechanicalpropertytesting．The

resultsshowthat:thefracturepropertyoftheaxispinwasthebiaxialbendingfatiguefracture;veinednitrides

existedinthenitridelayeroftheaxispinmaterial,andinteriordefectssuchasporosity,largeＧscaleinclusionsand

bubblesalsoexisted,whichreducedthemechanicalpropertyofthematerial;undertheactionofperiodicrotating

bendingforce,cracksappearedonthepositionofsurfacedefectsandconstantlyextended,andfinallyresultedinthe

fatiguefractureoftheaxispin．

Keywords:３０CrNi３alloysteel;axispin;mechanicaloperationaltesting;defect;biaxialbendingfatiguefracture

氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS)具有裝置結構緊湊、占地面積小、可靠性高、配置靈活、便于安裝、使用周期長、維護工作少等特點,廣泛應用于高壓輸電系統.GIS斷路器進行機械操作試驗是為了保證開關裝置滿足規定的操作條件且機械聯鎖工作正常.依據相關標準應對 GIS斷路器進行機械開斷特性出廠試驗,以驗證開關裝置在操動機構的電源電壓和操作壓力規定的范圍內是否能夠正確地合閘和分閘[１].

在某５５０kV 斷路器１０００~２０００次機械操作試驗中,操作機構中連接拐臂與操作桿的軸銷在開閘和合閘周期運動中發生斷裂,其軸銷裝配、斷裂位置及受力情況如圖 １ 所示.軸銷尺寸規格為直徑３０mm、長１４５ mm,材料為３０CrNi３合金鋼,經過調質處理,軸銷表面進行擴散滲氮處理.為尋找軸銷早期斷裂的原因,筆者通過一系列理化檢驗方法,對斷裂的軸銷及同批次未斷裂的軸銷進行了調查分析,并提出相應的預防措施[２].

１ 理化檢驗

１．１ 化學成分分析

斷裂的軸銷基體材料為３０CrNi３合金鋼,對軸銷基體取樣,采用島津 PDA７０００型直讀光譜儀進行化學成分分析,結果見表１.由表１可知,該斷裂軸 銷 的 化 學 成 分 符 合 GB/T３０７７－２０１５ 的要求.

１．３ 低倍檢驗

對斷裂軸銷橫向取樣,經磨制、拋光后,放入腐蝕液(硝酸與鹽酸的體積比為１∶３)進行酸浸試驗,直至顯示出宏觀缺陷.清洗后觀察試樣,其宏觀形貌如圖３(a)所示,可見橫截面存在有較多斑點狀疏松,這是由材料中不規則孔洞和夾雜物導致的.為進一步分析缺陷產生原因,對同批次軸銷縱向取樣,進行低倍酸浸試驗,觀察其宏觀形貌,如圖３(b)所示.可見縱截面有明顯發紋,這是夾雜物或氣泡在鋼的加工變形過程中沿加工方向延伸所致,其長度達到３mm.大尺寸帶狀分布夾雜物會嚴重影響材料的力學性能,尤其是疲勞強度[５Ｇ６].

１．４ 金相檢驗

從軸銷斷裂部位截取橫向試樣,磨制、拋光后使用４％(體積分數)硝酸酒精溶液進行侵蝕,然后通過 OLYMPUSGX５１型金相顯微鏡進行觀察,其顯微組織形貌如圖４所示.由圖４(a)可見,軸銷的滲氮層表層存在白亮層和脈狀氮化物,軸銷滲氮的化合物白亮層厚度為２~４μm,滲氮層深度(化合物層＋擴散層)約為１２０~１３０μm,高于產品技術規定值(２０μm).由圖４(b)可見,軸銷的基體顯微組織為回火索氏體,并保持馬氏體位相[７Ｇ８].按照 GB/T６３９４－２００２«金屬平均晶粒度測定法»對軸銷組織的晶粒度進行評定,其級別約為４．５級.

１．５ 力學性能測試

使用 HVSＧ５型顯微硬度計對軸銷斷口附近表面及 心 部 硬 度 進 行 測 試,試 驗 載 荷 為 ２．９４ N(０．３kgf),加載時間為１０s,結果顯示軸銷的表面硬度為 ７１０．５,７２４．２,７１７．６ HV０．３,心 部 硬 度 為３２０．０,３２０．０,３１５．２HV０．３.可以看出軸銷的表面

硬度和心部硬度 均 符 合 產 品 技 術 條 件 要 求(表 面硬度５００~７５０ HV,心部硬度２６０~３２５ HV),且表面硬度遠 高 于 心 部 硬 度,這 是 由 于 軸 銷 表 面 進行了滲氮處理.沿軸銷縱向取樣,試樣規格為１０mm×１０mm×５５mm,開 V 型 缺 口.使 用 BDＧ３００８ 型 沖 擊 試 驗機,在２０ ℃條件下,依據 GB/T２２９－２００７«金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法»對軸銷基體材料進行沖擊試驗.結 果 顯 示,軸 銷 的 沖 擊 吸 收 能 量 為 １１６,１１４J,而產品技術要求為１１８J.對比軸銷初次供貨時的沖擊吸收能量(１２８,１３８J),斷裂軸銷的沖擊吸收能量明顯低于初次試驗的結果.

２ 分析及討論

由斷裂軸銷的宏觀夾雜物檢驗結果可知,軸銷材料內部存在疏松、大尺寸夾雜物和氣泡缺陷,降低了材料的沖擊性能和疲勞強度.軸銷的沖擊試驗結果表明,缺陷的存在增加了材料脆性,導致沖擊吸收能量小于初次試驗記錄的正常軸銷的沖擊吸收能量.軸銷基體材料的金相檢驗結果表明,其滲氮層存在脆性較大的白亮層和脈狀氮化物,容易萌生微裂紋,成為疲勞裂紋源,顯微組織為回火索氏體,并保持馬氏體位相,可知材料的熱處理工藝正常,保證了軸銷基本的力學性能.斷口分析結果顯示軸銷發生了典型的疲勞斷裂,斷口包括裂紋源區、疲勞擴展區、最終斷裂區,有撕裂剪切唇特征[９].軸銷進行往復弧線周期性運動時,受到旋轉彎曲應力,而軸銷材料內存在疏松、大尺寸夾雜物和氣泡缺陷,在周期旋轉彎曲應力的作用下,尤其是在大尺寸帶狀夾雜物處容易產生沿晶開裂[１０],如圖５所示斷裂源處的沿晶裂紋花樣.軸銷表面可能存在微小加工刀紋、滲氮化合物層和外部磕碰缺陷,導致了裂紋的形成.但軸銷在操作１０００~２０００次過程中經歷多次摩擦,因此還無法確定裂紋源的最初誘導因素.

軸銷承受周期性高應力往復作用,并且開閘力大于合閘力,載荷不平衡,裂紋源 A 位置對側裂紋產生相對滯后,因此軸銷斷裂趨勢是由 A 位置及其對側逐步向中間推進的.軸銷的顯微組織為回火索氏體,并保持馬氏體位相,具有較好的力學性能.在周期性載荷作用下,裂紋源緩慢逐步擴展,并在推進過程中形成疲勞紋路,呈現出偏心模式的橢圓貝殼狀形貌.最終軸銷在中心偏 A 位置對側處斷裂,這是由于 A 位置對側所受力相對較小,裂紋源起始晚且推進速率低.

３ 結論及建議

該軸銷的斷裂失效形式為周期性高應力往復作用引起的雙向彎曲疲勞斷裂.斷裂原因是軸銷材料滲氮層存在脈狀氮化物,內部存在疏松、大尺寸夾雜物和氣泡缺陷,在周期性旋轉彎曲應力的作用下產生沿晶開裂,軸銷表面可能存在微小加工刀紋、滲氮化合物層和外部磕碰缺陷,加速了裂紋源的形成.建議嚴格控制軸銷的原材料質量,對購入原材料進行宏觀組織檢查,控制疏松和夾雜物級別,避免使用帶有密集疏松和大尺寸帶狀夾雜物缺陷的原材料;在加工生產中避免微小加工刀紋、滲氮化合物層的產生,并且在運輸和搬運過程中避免軸銷磕碰.

（文章來源：材料與測試網-理化檢驗-物理分冊）