35 k V断路器弹簧钢的夹杂物微观形态分析*

董重里，董 镝，刘 昊，金朝海

（1.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东广州 510080；2.北京航空航天大学，北京 100088）

1 断路器弹簧机构操作原理

国内断路器弹簧机构常见故障包括储能故障和机构拒分、拒合故障。机构的机械故障中弹簧松弛或者疲劳失效占一定的比例，操作常规动作为：合闸弹簧储能与合闸操作，也包括分闸操作和重合闸操作。

某供电局发现35 kV断路器发生多起疑似合闸弹簧松弛导致合闸不到位的现象，更换合闸弹簧后能正常分合闸。出现故障情况的断路器运行时间约5-7年。该断路器的弹簧操作机构有独立的合闸和分闸弹簧组，每组均有大小弹簧（外圈和内圈）各一个。上述弹簧为冷卷圆柱螺旋弹簧，其热处理工艺如下：弹簧在有保护气氛的高温网带炉淬火后油中冷却，回火在有循环风机的回火箱式炉中进行。保温一段时间后水冷。

拆下部分失效弹簧。根据送检的未断裂合闸弹簧情况，随机抽取分闸旧弹簧（以下简称旧弹簧）和对照组新分闸小弹簧（以下简称新弹簧），进行力学性能试验，在弹簧端部位置截取试样进行理化分析。

2 试验内容及结果

2.1 力学性能试验和金相检验

用直读光谱仪对操作分闸弹簧进行材质化学分析。弹簧材质符合GB/T 1222-2007中60Si2CrVA的要求。线切割后的试样经过镶样、磨样、抛光后用4%硝酸酒精溶液浸蚀，采用徕卡DMI 3000型光学显微镜，观察选取试样的显微组织形貌。金相照片参见图1所示。新旧弹簧的金相组织均为托氏体（屈氏体）加细晶粒铁素体，旧弹簧依然可见链状碳化夹杂物残留，新弹簧的夹杂物呈圆形颗粒状弥散分布。二者的脱碳层厚度均在50μm左右。金相组织显示二者的热处理工艺相近。

图1 弹簧的组织形貌对比（500×）

2.2 夹杂物评级

线切割后的试样经过镶样、磨样、抛光后观察钢中的夹杂物，参照GB/T 10561进行夹杂物评级。具体参见表1所示。旧分闸弹簧，90%为碳化物夹杂，粗系D类环状氧化物超标，具体照片参见图2所示。新旧弹簧的夹杂物评级部分指标超标，部分视野内，细系C类硅酸盐类超标，具体照片参见图3所示。

表1 钢中夹杂物初步评级

图2 旧弹簧夹杂物照片(未浸蚀，100×)

图3 新弹簧夹杂物照片(未浸蚀，100×)

2.3 夹杂物扫描电镜及能谱分析

为确定夹杂物的性质，用Hitachi S-3400N型扫描电子显微镜（SEM）进行夹杂物分析（SEM扫描电子显微镜照片参见图4-6所示）。同时利用EDAX进行微区能谱分析，图4-6中箭头指向处方框位置的夹杂物能谱如该图中右图所示。

弹簧力学性能不符合设计要求[1-2]，是导致该型号断路器弹簧操作功不足的原因。一般存在三种可能性：一是设计阶段弹簧选取存在问题，导致机构输出功不足；二是制造阶段弹簧材质存在问题，导致弹簧机械性能不足，影响机构输出功[2];三是断路器在运行中弹簧始终处于储能状态，长期储能造成弹簧疲劳或松弛，导致机构输出功不足，本质上也是弹簧材质问题[2]。

图4 旧弹簧中夹杂物聚集区域

图5 新弹簧中夹杂物聚集区域

图6 新弹簧中夹杂物聚集区域

旧弹簧能谱分析显示，其夹杂物为链状的碳化物。旧弹簧的夹杂物主要来源于炼钢氧化期和脱碳期[1]。新弹簧的能谱分析显示，其夹杂物为Si-Mg-Ca的氧化物、Mn-V-Ti的硫化物、V第二相粒子析出和少量的C-Si化物圆形颗粒。新弹簧的夹杂物主要来源于炼钢炉渣脱硫及成分微调中的粉剂[3]。新弹簧中矾颗粒为第二相粒子析出颗粒。超标夹杂物的存在尤其是链状夹杂物的存在，会降低弹簧抗应力松弛的能力[1-3]。从力学性能角度，圆形颗粒状夹杂物的力学性能优于链状夹杂物。夹杂物的存在对材料的疲劳强度会造成影响，链状夹杂物将是未来疲劳裂纹源[3-4]。弹簧制造中对弹簧的立定处理或强压等工艺环节持续改进。

3 结论与建议

（1）部分旧弹簧运行5年后实测长度和力学性能不符合出厂设计要求。旧弹簧微观组织中含有过量的未熔链状碳化物，新弹簧也发现部分圆形夹杂物评级超过GB/T 1222标准的要求。弹簧钢中夹杂物超标是弹簧松弛的主要原因。

（2）弹簧厂对外购的钢厂弹簧钢丝应加强抽检，外购件进货合同中应明确进行原材料成分及夹杂物级别评定。

［1］张英会，刘辉航，姜膺.弹簧的应力松弛及试验研究［J］.机械工业标准化与质量，2008（10）：143-151.

［2］王大方，李骏.因断路器分闸弹簧拉伸力不足引发事故的分析［J］.上海电力，2011（01）：90-92.

［3］王廷喜.弹簧钢的应力松弛行为研究［D］.成都：西南交通大学，2012.

［4］柯晓涛，卢向阳.钒对Si-Mn系弹簧钢松弛抗力的影响［J］.特殊钢，2007，6（28）：4-6.