0Cr17Ni7Al鋼制受電弓扭簧斷裂原因分析

(北京中車賽德鐵道電氣科技有限公司, 北京 100176)

采用電力牽引方式傳動(dòng)的動(dòng)車組需要從接觸網(wǎng)不間斷獲得電流來(lái)保證動(dòng)車組高速前行，受電弓是實(shí)現(xiàn)這一功能的重要設(shè)備，其性能好壞直接影響動(dòng)車組能否安全可靠地運(yùn)行，因此高性能受電弓被稱為高速動(dòng)車組十大關(guān)鍵配套技術(shù)之一[1]。某型號(hào)受電弓在弓頭長(zhǎng)度方向各安裝了一根扭簧，其主要作用是吸收和緩沖弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)耦合作用對(duì)弓頭及其他結(jié)構(gòu)件的橫向及縱向沖擊載荷，保證弓頭及其他結(jié)構(gòu)件在受電弓全壽命周期內(nèi)的正常運(yùn)行。某動(dòng)車組在入庫(kù)檢修時(shí)，一段時(shí)間陸續(xù)發(fā)現(xiàn)有受電弓弓頭扭簧斷裂，如圖1～2所示，(該扭簧由φ3.8 mm的鋼絲制成，材料為0Cr17Ni7Al鋼，鋼絲纏繞后在475 ℃保溫1 h進(jìn)行回火處理)。受電弓運(yùn)行里程為(4～50)×104km。

圖1 扭簧斷裂現(xiàn)場(chǎng)Fig.1 Site of the fractured torsion spring

圖2 斷裂扭簧的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the fractured torsion spring

為了保證受電弓持續(xù)正常運(yùn)行，防止類似故障再次大批量發(fā)生，筆者對(duì)斷裂扭簧進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢驗(yàn)

對(duì)斷裂扭簧的表面進(jìn)行清洗，使用50倍放大鏡觀察其狀態(tài)，由圖3可知扭簧表面明顯存在沿軸向分布的溝槽和疑似微裂紋。根據(jù)文獻(xiàn)[2]判斷這種缺陷為劃痕和拉絲，是彈簧鋼絲常見(jiàn)的表面缺陷。

1.2 化學(xué)成分分析

對(duì)斷裂扭簧取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1，可見(jiàn)各元素含量均符合GB/T 24588-2009《不銹彈簧鋼絲》對(duì)0Cr17Ni7Al鋼的成分要求。

表1 扭簧的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of torsion spring (mass fraction) %

1.3 拉伸試驗(yàn)

從斷裂扭簧上截取試樣，按照GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》和 GB/T 24588-2009進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2，可見(jiàn)各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果均符合技術(shù)要求。

表2 扭簧拉伸性能測(cè)試結(jié)果Tab.2 Tensile property test results of torsion spring

1.4 硬度測(cè)試

按照GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，對(duì)扭簧的外表面、內(nèi)表面及縱截面心部進(jìn)行硬度測(cè)試。由表3可知簧絲內(nèi)表面的硬度高于外表面和心部的，這與各部位的馬氏體含量有關(guān)。

表3 扭簧硬度測(cè)試結(jié)果Tab.3 Hardness test results of torsion spring HV0.2

圖3 扭簧表面形貌Fig.3 Morphology of torsion spring surfce

1.5 斷口分析

對(duì)扭簧斷口進(jìn)行超聲清洗后，在掃描電鏡下觀察其微觀形貌，結(jié)果如圖4所示?？梢?jiàn)斷口明顯分為兩個(gè)區(qū)域：A區(qū)為瞬斷區(qū)，表面有韌窩特征；B區(qū)有海灘狀輝紋，為典型疲勞斷口特征[3]。從圖4a)中位置1和2可見(jiàn)，疲勞裂紋源起始于扭簧表面[4]，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至扭簧中心部位時(shí)，又分為兩個(gè)疲勞源繼續(xù)擴(kuò)展(位置3和4)，直至扭簧發(fā)生瞬斷。

1.6 金相檢驗(yàn)

對(duì)扭簧的圓周截面及軸向截面分別取樣，利用金相顯微鏡觀察其顯微組織。由圖5和圖6可知，扭簧內(nèi)表面存在大小不一的凹坑缺陷，凹坑最大深度約為60 μm，組織為馬氏體+析出相，軸向截面上的析出相呈帶狀分布。

2 分析和討論

該斷裂扭簧的化學(xué)成分、力學(xué)性能及硬度均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，其顯微組織為馬氏體+析出相，未見(jiàn)異常，可以排除由于扭簧簧絲材料不合格引起的斷裂。

在扭簧表面發(fā)現(xiàn)有沿軸向分布的劃痕和拉絲，而扭簧對(duì)表面缺陷十分敏感，表面缺陷的存在會(huì)降低其使用壽命[5-6]。GB/T 24588-2009中明確規(guī)定簧絲表面不允許存在上述表面缺陷。在隨后的金相檢驗(yàn)中也觀察到扭簧圓周截面及軸向截面存在多處大小不同、深度不一的凹坑，凹坑最大深度達(dá)60 μm。唐剛[7]的研究結(jié)果表明，疲勞裂紋的形成主要是由于在交變載荷作用下金屬表面出現(xiàn)了不均勻的滑移，因此疲勞裂紋常產(chǎn)生在構(gòu)件表面，構(gòu)件的表面質(zhì)量對(duì)其疲勞壽命至關(guān)重要。扭簧表面的劃痕和拉絲缺陷通常是拉拔時(shí)模具的孔不光潔或潤(rùn)滑不良導(dǎo)致的。卷制簧絲時(shí)，卷制機(jī)的滾輪、導(dǎo)絲桿、頂桿等工具表面若長(zhǎng)時(shí)間使用而得不到維護(hù)或更新，也會(huì)在簧絲表面形成拉絲。受電弓受流時(shí)弓頭快速振動(dòng)，對(duì)扭簧的疲勞性能要求極高，因此要求扭簧表面質(zhì)量必須符合技術(shù)要求。

圖4 扭簧斷口微觀形貌Fig.4 Micro morphology of the fracture surface of torsion spring: a)whole; b) position 1; c) position 2; d) position 3; e) position 4

圖5 扭簧圓周截面形貌Fig.5 Morphology of circumferential section of torsion spring:a) whole; b) local magnified morphology; c) microstructure morphology

圖6 扭簧軸向截面形貌Fig.6 Morphology of axial section of torsion spring:a) whole; b) local magnified morphology; c) microstructure morphology

該扭簧的斷口呈典型疲勞斷裂特征，疲勞源位于簧絲表面，在受電弓受流過(guò)程中，由于頻繁吸收和緩沖弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)耦合作用下的交變載荷，扭簧纏繞部位產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，裂紋逐漸形成、擴(kuò)展直至發(fā)生斷裂。表面質(zhì)量不合格導(dǎo)致扭簧承受復(fù)雜應(yīng)力的能力下降，加速了該斷裂過(guò)程。

3 結(jié)論及建議

(1) 該扭簧的斷裂模式屬于疲勞斷裂，表面存在的劃痕和拉絲缺陷使其難以承受高頻交變載荷是扭簧發(fā)生疲勞斷裂的主要原因。

(2) 應(yīng)定期對(duì)簧絲拉拔模具包括卷制機(jī)的滾輪、導(dǎo)絲桿、頂桿等進(jìn)行檢查、維護(hù)和更新，防止簧絲表面再次出現(xiàn)劃痕和拉絲等表面缺陷；制定合理的檢驗(yàn)方案，加強(qiáng)對(duì)簧絲在拉拔、卷制成型后表面狀態(tài)的檢查，杜絕不合格品流入下一道工序。