HBM-8型液壓彈簧操作機構具有優異的動作特性，且安全性高，被用于斷路器操作機構中，而斷路器的分合閘動作是由操作機構工作缸內的工作活塞完成的，故工作缸的安全可靠運行對斷路器的正常分合閘至關重要[1-3]。HBM-8型液壓彈簧操作機構的工作缸材料一般為T6（固溶處理+人工時效）態7020鋁合金。7020鋁合金屬于中高強Al-Zn-Mg合金，具有較高的強度和良好的工藝性能，被廣泛應用于多個領域[4-6]。固溶處理和時效處理是改善鋁合金組織和性能的兩大主要工藝過程[7-8]，經過適當的固溶處理和時效處理后，鋁合金具有較好的組織和力學性能[9-10]。 

2020年9月，某500 kV變電站500 kV斷路器在分閘狀態頻繁打壓（合閘狀態下不會頻繁打壓），推斷該斷路器機構存在內部油路密封不嚴的問題。更換了新的機構后，對異常機構開展機構解體檢查，發現主工作缸與轉換孔間有裂紋。筆者采用一系列理化檢驗方法對開裂的工作缸進行分析，以探究斷路器工作缸開裂并在分閘狀態頻繁打壓的原因。 

1.   理化檢驗

某500 kV變電站500 kV斷路器液壓彈簧操作機構工作缸材料為7020鋁合金，熱處理狀態為固溶處理+人工時效處理。 

采用目視方法，體視顯微鏡和內窺鏡對工作缸進行宏觀觀察。 

在工作缸未開裂區域取樣，加工5個直徑為10 mm的圓形截面比例拉伸試樣，其中比例系數k取值5.65，參照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，采用萬能試驗機對試樣進行抗拉強度和斷后伸長率測試。 

在工作缸橫截面和裂紋附近截取試樣，將其拋光、腐蝕后，采用光學顯微鏡進行觀察，腐蝕液中HF和H2O的體積比為1∶1，腐蝕時間為15 s。采用掃描電鏡（SEM）對工作缸斷口形貌進行觀察，并對金相試樣進行能譜分析。 

1.1   宏觀觀察

液壓機構型號為HMB-8，工作缸表面呈暗灰色，油路孔及法蘭密封面保持金屬光澤，工作缸外側表面未發現肉眼可識別的缺陷。工作缸的材料為T6態7020鋁合金，機械加工后對其進行陽極氧化處理，其表面呈暗灰色。 

使用內窺鏡對工作缸內壁進行檢查，確定裂紋的分布及位置，結果如圖1所示。由圖1可知：主工作缸、轉換孔內壁有明顯的裂紋缺陷，主工作缸內壁有3條連續縱向分布的裂紋，均位于主工作缸和轉換孔之間，內壁有活塞滑動留下的劃痕；轉換孔內壁有1條連續分布的裂紋，方向與主工作缸一致。 

圖  1  主工作缸及轉換孔裂紋宏觀形貌

采用電火花線切割機床沿工作缸對稱面切開，對工作缸內壁進行宏觀觀察，裂紋表面陽極氧化層已脫落，裂紋表面呈銀白色，如圖2所示。為觀察油缸內裂紋發展的情況，用鋸床沿試樣橫截面切開，用砂紙打磨橫截面，結果如圖3所示。由圖2~3可知：裂紋貫穿整個工作缸和轉換孔，裂紋沿兩個方向擴展，在截面中間位置交匯。 

圖  2  主工作缸內壁裂紋宏觀形貌

圖  3  主工作缸橫截面裂紋宏觀形貌

將圖3的截面用腐蝕液腐蝕后，用體視顯微鏡觀察截面，結果如圖4所示。由圖4可知：有的裂紋未貫穿，有的主裂紋已貫穿橫截面，主裂紋附近有多條細小裂紋，呈樹枝狀分布；有的位置存在晶界裂紋。 

圖  4  腐蝕后工作缸截面低倍檢驗形貌

1.2   化學成分分析

參照GB/T 16597—2019《冶金產品分析方法 X射線熒光光譜法通則》和GB/T 3190—2020《變形鋁及鋁合金化學成分》，采用手持式熒光光譜儀對工作缸進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知：工作缸材料的化學成分符合GB/T 3190—2020對7020鋁合金的要求。 

1.3   力學性能測試

參照GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，采用硬度計對工作缸進行布氏硬度測試，保載時間為15 s。工作缸的布氏硬度測試結果分別為127.1，129.6，128.7 HBW。工作缸的布氏硬度達到128.5 HBW標準值，布氏硬度滿足設計要求（不小于125 HBW）。 

工作缸室溫拉伸試驗結果如表2所示。工作缸的抗拉強度設計要求為不小于410 MPa，斷后伸長率的設計要求為不小于9%，工作缸的抗拉強度和斷后伸長率分別為467 MPa、12.68%，可見抗拉強度和斷后伸長率滿足要求。 

1.4   微觀分析

故障工作缸的基體組織為粗大的α固溶體，局部晶界復熔，出現復熔球，如圖5所示。故障工作缸SEM形貌如圖6所示。晶界復熔組織和基體的能譜分析結果如表3所示，晶界處復熔球組成元素主要為Al、Zn、Mg，其中Zn元素含量較基體偏高，復熔球屬于析出的第二相。工作缸原材料成型前經過固溶處理+人工時效熱處理，且為了增加工作缸的耐磨性，工作缸成型后表面經過陽極氧化熱處理。當熱處理溫度過高時，在α固溶體的晶界容易發生復熔，形成復熔球。 

圖  5  故障工作缸顯微組織形貌

圖  6  故障工作缸SEM形貌

故障工作缸裂紋位置微觀形貌如圖7所示，裂紋在晶界萌生，并沿晶界向組織內部擴展，形成沿晶裂紋。 

圖  7  故障工作缸裂紋位置微觀形貌

故障工作缸斷口無明顯塑性變形，斷面存在方向不同的“小平面”，如圖8（a）所示；高倍下斷口呈沿晶斷裂特征，斷口表面未發現韌窩特征，如圖8（b）所示。脆性沿晶斷裂是由晶界上形成的脆性相、氫脆、應力腐蝕、過熱等導致的，這種過程沒有明顯的塑性變形，斷口顯示出“石狀”特征。 

圖  8  故障工作缸斷口SEM形貌

2.   綜合分析

故障斷路器操作機構工作缸的主工作缸內壁有3條位于主工作缸和轉換孔之間連續縱向分布的裂紋，其中1條裂紋貫穿主工作缸和轉換孔。故障工作缸的晶粒粗大，局部晶界形成復熔球組織。在熱處理時,由于溫度過高，低熔點共晶物融化后沿晶界析出,形成復熔球，復熔球沿晶界析出會造成晶界應力集中，晶界上的復熔球數量較多會對基體產生削弱作用，導致斷口呈沿晶斷裂形貌特征[11-15]。由于工作缸的晶界存在復熔球，在油壓的長時間作用下，裂紋會在晶界復熔球位置萌生并沿晶界擴展，發生沿晶斷裂。 

由于斷路器操作機構工作缸的主工作缸和轉換孔之間存在貫穿性裂紋，當斷路器在分閘已儲能狀態時，主工作缸內為高壓油[圖9（a）中紅色部分]，轉換孔內為低壓油[圖9（a）中藍色部分]，主工作缸和轉換孔內的油存在油壓差，高壓油會通過貫穿的裂紋向低壓油方向泄漏，導致高壓油內的油壓減小，當主工作缸內的油壓減小到臨界值時，斷路器機構開始通過打壓提高主工作缸內的油壓，如此反復造成斷路器在分閘狀態出現頻繁打壓故障。當斷路器在合閘儲能狀態時，主工作缸和轉換孔內均為高壓油，不存在油壓差[圖9（b）中紅色部分]，主工作缸和轉換孔之間的貫穿性裂紋不會影響高壓油路中的油壓，故斷路器不會在合閘狀態下頻繁打壓。 

圖  9  液壓碟簧機構分閘已儲能、合閘已儲能油路示意

3.   結論及建議

（1）工作缸在熱處理過程中溫度過高，造成缸體晶粒粗大，且局部晶界出現復熔球，使得晶界強度降低，工作缸在油壓的長時間作用下，裂紋在晶界復熔球處萌生并沿晶界擴展，最終貫穿工作缸，導致工作缸泄漏并在分閘狀態下頻繁打壓。 

（2）在熱處理過程中，要嚴格控制加熱溫度，防止材料整體或局部溫度過高，出現有害組織，降低工作缸的使用性能。

文章來源——材料與測試網