鲁达 李俊1，陈胜2
(1 .)。国网上海市电力公司电力科学研究院，上海200437；2.上海电力股份有限公司怀高桥电厂有限责任公司，上海200245)
摘要：通过对断口分析、化学成分、金相组织、刚度系数的比较，发现变电站真空断路器的梅花接触弹簧断裂是由于弹簧钢丝外表面存在的机械损伤造成的裂纹和组织性能不平衡造成的。
国产弹簧在Ni、Mn含量比控制和热处理工艺方面不及进口弹簧材料；进口和国产弹簧在未使用状态下，刚性系数非常接近，经过使用后，国产弹簧刚性增加，塑韧性下降。0 引言
某变电站开关柜梅花触头及触头紧固弹簧发生烧损，如图1所示。在对开关修复过程中发现，该开关未烧损触头有一弹簧发生断裂。为确定弹簧的断裂原因及相关弹簧性能，该供电公司提供了进口触头弹簧1根和国产触头弹簧3根，弹簧规格相同，如图2所示，弹簧直径及外径分别为1 mm及6 mm。进口触头弹簧未经使用（进口A），国产触头弹簧分别是烧损触头中的弹簧（国产B烧断）、未烧损触头中断裂弹簧（国产B老化）和新弹簧（国产B新）。
对弹簧相关性能的分析，采用将进口触头弹簧A与国产触头弹簧B老化、B新的性能数据进行比较的方法，得出弹簧材料及工艺的优劣评价。
1 理化检验分析
1.1 扫描电镜断口分析
对B老化断裂弹簧进行了扫描电镜（SEM）断口分析。断口在SEM下具有如下特征：(1)断口呈韧窝断口形貌，韧窝花样约占整个断口截面的1/3，见图3；(2)韧窝形态显示断裂的作用力主要为剪切及撕裂力，见图4；(3)断裂自弹簧丝截面外壁向内壁发展；(4)弹簧镀层存在缺损，该缺损已破坏镀层，见图5所示。
1.2 化学成分比较
对进口A及国产B触头弹簧进行了化学成分的分析，分析是在去除表面镀层条件下进行的，分析结果见表1和图6。
由表1和图6可见，除Mn和Ni元素相差很多之外，进口A及国产B触头弹簧其他元素含量相差不多。这两种弹簧都属于铬锰镍不锈钢，但国产B弹簧的Ni含量很低，Mn含量很高，是一种以Mn代替Ni的不锈钢。Ni是不锈钢中的重要元素之一，除了可提高耐蚀性外，还是γ相稳定剂元素，是不锈钢中获得单相奥氏体和促进奥氏体相形成的主要元素。由于全球Ni资源紧缺，很多国家纷纷发展这种以Mn、N代替Ni的不锈钢，有研究表明[1]，以Mn代替Ni从获得奥氏体来说是可行的。Mn有比Ni大的固溶强化效应，使锰钢的机械性能改善，但Mn不能像Ni那样促进钢的钝化，还比较容易促使铬钢形成σ相，易导致钢的脆性。Cr-Mn系不锈钢具有较高的冷加工硬化率、高的强化系数等优良性能，虽然Mn使钢的机械性能改善，但其也易导致钢的脆性，Mn的数量以及Cr、Ni、Mn元素之比对钢的性能起决定性作用。
1.3 弹簧刚性系数比较
采用应力（F）－应变（ε）作图法对国产B烧断、B老化、B新弹簧及进口A弹簧进行刚性系数分析比较，结果见图7。在弹性范围内，国产B老化弹簧与B烧断弹簧刚性系数完全相同，国产B新与进口A弹簧刚性系数十分接近；前者两弹簧刚性系数大于后者。说明使用一定时间后，弹簧的刚性增加，即再发生同等量的变形需要更大的力，一般而言，材料刚性的增加对应塑韧性的降低，导致材料在受到外力冲击作用下更容易产生裂纹。
1.4 金相组织形态比较
对进口A与国产B弹簧材料进行了金相组织分析比较，见图8和图9。两弹簧金相组织均为回火索氏体，不同的是，后者金相组织保留有明显的淬火组织的方向性，前者的金相组织均匀且无方向性。就金相组织形态而言，国产B弹簧热处理不及进口A弹簧充分。国产B弹簧材料的这种组织会导致局部强度、硬度偏高，热应力集中，在外力的作用下容易在有缺陷部位产生裂纹。
2 分析与结论
（1）国产B老化弹簧的断裂系由于弹簧丝外表面所存在的机械损伤和材料本身组织性能的不均匀所导致。从镀层损伤的形貌来看，该机械损伤在弹簧使用前（如制造或安装过程中）就已经形成。
（2）国产B弹簧及进口A弹簧在作为主要元素的Mn及Ni的含量上存在较大差异，生产商为了降低成本，以大量Mn代替Ni的方式进行材料替换，同时又不注重Cr-Ni-Mn元素含量配比，这种差异是决定进口和国产材料性能及组织优劣的关键因素。
（3）国产B弹簧的热处理不如进口A弹簧充分，使得国产B弹簧材料组织中保留了更多的残余热应力，使得材料性能不均匀。
（4）国产B和进口A弹簧在未使用状态下刚性系数非常接近。而国产B弹簧材料经过一定时间使用之后，刚性增大，导致塑韧性降低。
3 结束语
真空断路器梅花触头弹簧的断裂主要是由于弹簧丝外表面所存在的机械损伤和材料本身组织性能的不均匀所导致。国产梅花触头弹簧在Ni、Mn含量比控制和热处理工艺方面不及进口弹簧材料；经过使用后，国产弹簧刚性增加，塑韧性下降。建议在选材用材过程中，严格按照设计和标准要求选择成分、性能优良者，加强备品备件的质量验收，确保电力设备的安全运行。
参考文献
[1] 王笑天.金属材料学[M].北京：机械工业出版社，1987.