動車組用氣動控制閥彈簧異常斷裂的失效分析

張成國 ，陳立彪 ，魏小鈞 ，曹欣旺 ，呂 晶 ，陳文佳 ，王恒聚

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081；2.北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司 金屬及化學研究所，北京 100081）

0 引言

彈簧在工作過程中具有儲存能量、自動控制、回位定位、安全保險等作用，在高速動車組的多個系統(tǒng)尤其是氣動控制閥中有大量的應用。作為動車組的關(guān)鍵零件之一，高速動車組的彈簧長期依賴進口。隨著動車組自主化研制進程的加速，彈簧等關(guān)鍵零件也進行了大量的國產(chǎn)化替代，并成功裝用。近期，動車組裝用的氣動控制閥在運行時連續(xù)發(fā)生數(shù)起回位彈簧異常斷裂故障，彈簧斷裂前沒有明顯預兆，具有一定突發(fā)性，氣動控制閥的回位彈簧異常斷裂不僅影響列車正常運行，甚至可能危及動車組的運行安全。

動車組零部件的自主化研制，多圍繞零件規(guī)格、材質(zhì)等設計工作展開，對制造過程及工藝實現(xiàn)的關(guān)注和研究不足。對動車組彈簧的分析研究，迄今也未見相關(guān)報道?；匚粡椈傻臄嗔眩赡芘c材料內(nèi)部缺陷、熱處理、表面處理、工作環(huán)境等因素有關(guān)；通過失效分析研究，確定其異常斷裂的原因，可以達到優(yōu)化工藝、提升零件質(zhì)量、預防失效的目的，并可為動車組其他彈簧的自主化研制提供借鑒。

收集到故障氣動控制閥2 套：一套氣動控制閥裝車運用約9 個月，運行約30 萬km；另一套氣動控制閥裝車運用3 個月，運行約10 萬km。這2 套閥均未經(jīng)過拆解檢修。將2 套氣動控制閥中的斷裂回位彈簧分別標記為1#、2#彈簧。按運行里程估算，1#彈簧壓縮累積動作次數(shù)不超過3000次，2#彈簧壓縮累積動作次數(shù)不超過1500 次?；匚粡椈刹馁|(zhì)選用的是奧氏體不銹鋼，1#彈簧為SUS304-WPB，2#彈簧為12Cr18Ni9。彈簧直徑為0.7 mm，總?cè)?shù)13 圈，有效圈數(shù)11.5 圈，彈簧承受最大作用力為28.5 N。彈簧制造工藝過程：卷簧→回火→強壓縮→端面磨平→修正→超聲波清洗→包裝。

本研究采用斷口宏微觀形貌觀察、掃描電鏡（SEM）及能譜分析、金相顯微組織分析、顯微維氏硬度測試等手段對失效彈簧進行分析，確定異常斷裂原因，并提出改進措施。

1 試驗結(jié)果與分析

1.1 斷口宏觀觀察

圖1 為2 套氣動控制閥回位彈簧的宏觀形貌及斷裂位置（圖中黑色箭頭所示）。2 個彈簧均斷裂為3 段，各有4 個斷口，斷口沿截面的45°切面方向，但斷裂位置不同。1#彈簧2 處斷裂均位于兩端側(cè)的第2 圈，即彈簧支撐圈和工作圈之間的接觸線處，其中斷口1、2 為耦合斷口，斷口3、4 為耦合斷口。2#彈簧第一處斷裂位于左端面的第2 圈，即彈簧支撐圈和工作圈之間的接觸線處，耦合斷口為斷口5、6；第二處斷裂位于左起第5 圈，耦合斷口為斷口7、8。

圖1 斷裂回位彈簧的宏觀形貌及斷裂位置Fig.1 Macro morphology and fracture position of fractured return springs

1.2 斷口微觀觀察

圖2 為1#彈簧斷口1 的SEM 低倍形貌，斷口由裂紋源區(qū)、擴展區(qū)、瞬斷區(qū)3 部分組成，裂紋起源于彈簧內(nèi)圈表面（圖2a），裂紋源處存在寬度約為55 μm、深度約為5 μm 的小凹坑，同時存在疲勞擴展臺階，從裂紋源處呈輻射狀向外擴展（圖2b）。瞬斷區(qū)具有大小不等的韌窩形貌，說明SUS304-WPB 彈簧斷裂時仍有一定韌性（圖2）。對圖2b 裂紋源處進行能譜成分分析，所含主要元素為Fe、Cr、Ni、Mn、C、Si 等，未見異常成分（表1）。

表1 裂紋源處成分分析（質(zhì)量分數(shù)/%）Table 1 Chemical composition nearby crack source (mass fraction/%)

圖2 1#彈簧斷口1 形貌Fig.2 SEM morphology of fracture 1 of 1# spring

SEM 觀察發(fā)現(xiàn)，1#彈簧內(nèi)圈表面存在2 條寬度各約為50 μm 的縱向磨損痕（圖3a），2 條磨損痕間隔約30 μm（圖3b 白色虛線區(qū)域），磨損痕延伸于整個彈簧內(nèi)圈表面（圖3c）；磨損痕間及磨損痕外緣附近部分材料因損傷出現(xiàn)龜裂，并有部分材料已剝落。斷口1 裂紋源就萌生于磨損痕附近的一凹坑處（圖3b），裂紋呈輻射狀擴散。在距離裂紋源約260 μm 處存在一條較深的縱向劃痕，劃痕寬度約5 μm，劃痕底端較圓潤（圖3a），劃痕也延伸于整個彈簧絲表面（圖3c）。

圖3 1#彈簧表面形貌Fig.3 Surface morphology of 1# spring

1#彈簧第二處斷裂位置的斷口3 形貌特征與第一處斷口形貌基本相同，裂紋起源于彈簧內(nèi)圈表面磨損痕附近的一個凹坑處，斷口輻射狀，擴散路徑上存在小的疲勞擴展臺階（圖3d）。綜合圖2和圖3 分析，斷口微觀形貌顯示，1#彈簧裂紋起源于磨損痕附近的凹坑，斷裂特征為疲勞斷裂。

圖4 為2#彈簧斷口8 的SEM 形貌，可見斷口由裂紋源區(qū)、擴展區(qū)、瞬斷區(qū)3 部分組成，裂紋源處存在疲勞臺階，輻射性向外擴散，擴展區(qū)具有明顯的貝殼狀弧線（圖4a）。斷口形貌非常典型地展示了由缺陷誘發(fā)裂紋萌生，并發(fā)生裂紋疲勞擴展，最后斷裂的過程。裂紋源附近可觀察到彈簧內(nèi)圈表面存在一條粗大的橫向外傷，端部尖銳，測量橫向外傷長約0.90 mm，裂紋起源于橫向外傷根部，從內(nèi)圈表面向外部疲勞擴展（圖4b）。對裂紋源處進行能譜成分分析，所含主要元素為Fe、Cr、Ni、Mn、C、Si 等，未見異常成分。

圖4 2#彈簧斷口8 的SEM 圖片F(xiàn)ig.4 SEM morphology of fracture 8 of 2# spring

1.3 顯微組織分析

在1#彈簧斷口1、2#彈簧斷口8 上縱向垂直于斷口切取金相試樣，制樣后用4%硝酸酒精（體積分數(shù)）腐蝕，在金相顯微鏡下觀察裂紋源處的金相組織形貌（圖5）。圖5a、圖5c 顯示，兩處斷口均未見粗大夾雜物或明顯折疊裂紋等缺陷，圖5b為1#彈簧裂紋源處的金相高倍形貌，顯微組織為奧氏體，由于冷拉形變的作用奧氏體組織上布滿了變形滑移線。對1#、2#回位彈簧內(nèi)表面至芯部維氏硬度進行測量，2#彈簧測量位置見圖5d，對應的硬度結(jié)果見表2。

表2 彈簧顯微維氏硬度及抗拉強度換算結(jié)果（HV0.3）Table 2 Vickers hardness and converted tensile strength and of springs (HV0.3)

圖5 彈簧斷口裂紋源顯微組織Fig.5 Microstructure of crack source at fracture of springs

1.4 力學性能分析

使用顯微維氏硬度計測試彈簧1/2 半徑處的顯微維氏硬度值，并依據(jù)GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》[1]，換算為對應的強度值，結(jié)果見表1。1#彈簧抗拉強度換算值1809 MPa，略低于JISG 4314—2013[2]對SUS304-WPB、直徑為0.7 mm 彈簧用不銹鋼絲抗拉強度1850～2100 MPa 的要求；2#彈簧抗拉強度換算值為1725 MPa，符合GB/T 24588—2009[3]對A 組12Cr18Ni9、直徑0.7 mm 的彈簧用不銹鋼絲的要求。

2 分析與討論

在變動載荷下工作的構(gòu)件疲勞斷裂是其主要失效形式，疲勞破壞在整個失效件中約占70%～80%[4]。疲勞裂紋的萌生一般在機件表面，常和缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺陷相連，因為這些位置易產(chǎn)生應力集中，誘發(fā)疲勞裂紋。根據(jù)回位彈簧斷口的宏觀和微觀形貌分析，斷裂的2 個彈簧表面均存在外傷。1#彈簧有2 條寬度約為50 μm 的縱向磨損痕延伸于整個彈簧內(nèi)圈表面，2 條磨損痕間及磨損痕外緣附近部分材料龜裂剝落，磨損痕附近有凹坑，凹坑寬為35～50 μm，深度為5～10 μm；2#彈簧斷口附近的內(nèi)圈表面發(fā)現(xiàn)橫向外傷。這2 個彈簧的斷口裂紋就萌生于這些凹坑和橫向外傷根部。表面凹坑、劃痕、銹蝕等材料表面缺陷導致彈簧出現(xiàn)失效曾有先例[5-10]。也有一些學者認為，材料內(nèi)部存在非金屬夾雜物、白點等嚴重缺陷時，因局部強度降低會在機件內(nèi)部產(chǎn)生疲勞源，這種內(nèi)部缺陷是造成彈簧使用過程中發(fā)生早期失效斷裂的原因[11-12]。本研究中金相組織顯示2 個彈簧均為奧氏體組織，裂紋源處未見粗大夾雜物和折疊裂紋等異常缺陷；裂紋源處能譜成分分析未見異常成分。2 個彈簧的裂紋均從彈簧內(nèi)圈表面向外部擴展；斷口裂紋源區(qū)、擴展區(qū)、瞬斷區(qū)清晰可辨。2 個彈簧的斷口上均觀察到疲勞臺階和貝殼狀疲勞擴展紋，為典型的表面缺陷誘發(fā)裂紋的疲勞斷口。

動車組該型氣動控制閥所用的回位彈簧為壓縮螺旋彈簧（壓簧），承受軸向壓力。1#彈簧斷裂失效的位置位于2 端側(cè)的第2 圈，2#彈簧的第一處斷口也位于左端側(cè)的第2 圈，此處為彈簧支撐圈和工作圈之間的接觸線。有資料表明，彈簧服役過程中，工作圈受到支撐圈的擠壓，在上述位置的工作應力較大[13]；若彈簧表面再存在易誘發(fā)裂紋的表面缺陷，會進一步導致局部應力集中，在交變載荷反復作用下萌生疲勞裂紋，發(fā)展成為疲勞源。值得注意的是，裂紋起源是應力狀態(tài)、工件表面損傷等多因素綜合作用的結(jié)果[4,12]。1#彈簧裂紋起源于磨損痕附近的凹坑，而不是劃痕處，這可能表明這些位置是1#彈簧表面損傷和應力集中等作用最嚴重處。2#彈簧斷裂，裂紋萌生于斷口8 的嚴重外傷缺陷處，在壓縮使用過程中經(jīng)疲勞擴展后，彈簧出現(xiàn)斷裂。這2 套故障氣動控制閥裝車運用較短（1#彈簧為9 個月，2#彈簧為3 個月），估算1#彈簧壓縮動作次數(shù)不超過3000 次，2#彈簧壓縮動作次數(shù)不超過1500 次，說明了裂紋一旦在表面缺陷處誘發(fā)萌生后，擴展速度是很快的。

這2 套故障氣動控制閥未經(jīng)拆解檢修，斷裂彈簧內(nèi)圈表面的條狀橫向外傷和延伸于簧絲的縱向磨損痕來自于制造過程。1#彈簧材質(zhì)為SUS304-WPB，2#彈簧材質(zhì)為12Cr18Ni9。SUS304-WPB、12Cr18Ni9 為應用廣泛的奧氏體不銹鋼，合金元素含量較高，抗腐蝕性能較好，但該種材料具有加工硬化的特征，卷制過程中會產(chǎn)生較大的加工硬化和殘余應力，使彈簧潛伏著直徑增大的回彈傾向；冷卷后彈簧回彈量不太好確定，兼之彈簧去應力退火后變形，為保證彈簧節(jié)距滿足要求，卷制時多采用鋼絲的導料工裝，若導料工裝材質(zhì)不匹配或工裝有傷痕，則在制造過程中可能會造成彈簧損傷。1#彈簧的磨損痕出現(xiàn)在內(nèi)圈表面，且延伸于整個簧絲，這種損傷應與導料工裝有關(guān)；彈簧制造工廠對1#彈簧的卷制導料工裝進行了回溯檢定，發(fā)現(xiàn)確實是導料工裝損傷造成的。在彈簧生產(chǎn)卷簧→回火→強壓縮→端面磨平→修正等工藝流程，若夾持工裝存在瑕疵或操作不當，也可能會對彈簧造成損傷；彈簧制造工廠對2#彈簧的追溯發(fā)現(xiàn)外傷是在修正過程中使用的固定夾持工裝存在損傷造成的；因此，對奧氏體不銹鋼材質(zhì)的冷卷彈簧制造時建議導料工裝選取摩擦系數(shù)小、較軟的材料（如黃銅），并對制造過程所用工裝定期檢修，以避免制造時損傷簧絲。因制造過程中出現(xiàn)問題造成彈簧產(chǎn)生缺陷，這種問題一旦發(fā)生經(jīng)常是批量性問題，對后續(xù)造成的影響較大，尤其要引起注意。

2#彈簧（12Cr18Ni9）1/2 半徑維氏硬度換算抗拉強度為1725 MPa，滿足技術(shù)要求，但1#彈簧（SUS304-WPB）1/2 半徑維氏硬度換算的抗拉強度為1809 MPa，略低于標準要求。1#彈簧抗拉強度偏低，抗疲勞性能可能稍差，但綜上分析，在本例中不是造成該彈簧早期異常斷裂失效的主要因素。

3 結(jié)論

1）氣動控制閥回位彈簧斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。彈簧表面存在凹坑或多條橫向外傷等表面缺陷，易誘發(fā)裂紋萌生，在反復壓縮使用服役過程中，裂紋從內(nèi)圈表面向外部疲勞擴展，最終造成回位彈簧的早期斷裂失效。

2）斷裂彈簧的顯微組織正常，為布滿變形滑移線的奧氏體，裂紋源處未發(fā)現(xiàn)粗大夾雜物等異常組織。1#彈簧抗拉強度略偏低，但不是造成該彈簧早期斷裂失效的主要原因。

3）造成該故障氣動控制閥回位彈簧早期斷裂失效的主要原因是彈簧內(nèi)圈表面存在橫向外傷和表面凹坑，對2 個彈簧的追溯證實這些外傷或凹坑是在彈簧制造過程中因工裝存在損傷而造成的。建議彈簧制造時導料工裝宜選取摩擦系數(shù)小、較軟的材料如黃銅，并對制造過程所用工裝定期檢修，以避免制造時損傷簧絲。