HBM-8型液壓彈簧操作機(jī)構(gòu)具有優(yōu)異的動作特性，且安全性高，被用于斷路器操作機(jī)構(gòu)中，而斷路器的分合閘動作是由操作機(jī)構(gòu)工作缸內(nèi)的工作活塞完成的，故工作缸的安全可靠運(yùn)行對斷路器的正常分合閘至關(guān)重要[1-3]。HBM-8型液壓彈簧操作機(jī)構(gòu)的工作缸材料一般為T6（固溶處理+人工時(shí)效）態(tài)7020鋁合金。7020鋁合金屬于中高強(qiáng)Al-Zn-Mg合金，具有較高的強(qiáng)度和良好的工藝性能，被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域[4-6]。固溶處理和時(shí)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(jīng)過適當(dāng)?shù)墓倘芴幚砗蜁r(shí)效處理后，鋁合金具有較好的組織和力學(xué)性能[9-10]。 

2020年9月，某500 kV變電站500 kV斷路器在分閘狀態(tài)頻繁打壓（合閘狀態(tài)下不會頻繁打壓），推斷該斷路器機(jī)構(gòu)存在內(nèi)部油路密封不嚴(yán)的問題。更換了新的機(jī)構(gòu)后，對異常機(jī)構(gòu)開展機(jī)構(gòu)解體檢查，發(fā)現(xiàn)主工作缸與轉(zhuǎn)換孔間有裂紋。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對開裂的工作缸進(jìn)行分析，以探究斷路器工作缸開裂并在分閘狀態(tài)頻繁打壓的原因。 

1.   理化檢驗(yàn)

某500 kV變電站500 kV斷路器液壓彈簧操作機(jī)構(gòu)工作缸材料為7020鋁合金，熱處理狀態(tài)為固溶處理+人工時(shí)效處理。 

采用目視方法，體視顯微鏡和內(nèi)窺鏡對工作缸進(jìn)行宏觀觀察。 

在工作缸未開裂區(qū)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(shù)k取值5.65，參照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，采用萬能試驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行抗拉強(qiáng)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(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察，腐蝕液中HF和H2O的體積比為1∶1，腐蝕時(shí)間為15 s。采用掃描電鏡（SEM）對工作缸斷口形貌進(jìn)行觀察，并對金相試樣進(jìn)行能譜分析。 

1.1   宏觀觀察

液壓機(jī)構(gòu)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(cè)表面未發(fā)現(xiàn)肉眼可識別的缺陷。工作缸的材料為T6態(tài)7020鋁合金，機(jī)械加工后對其進(jìn)行陽極氧化處理，其表面呈暗灰色。 

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

圖  1  主工作缸及轉(zhuǎn)換孔裂紋宏觀形貌

采用電火花線切割機(jī)床沿工作缸對稱面切開，對工作缸內(nèi)壁進(jìn)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(nèi)裂紋發(fā)展的情況，用鋸床沿試樣橫截面切開，用砂紙打磨橫截面，結(jié)果如圖3所示。由圖2~3可知：裂紋貫穿整個工作缸和轉(zhuǎn)換孔，裂紋沿兩個方向擴(kuò)展，在截面中間位置交匯。 

圖  2  主工作缸內(nèi)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(jié)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(xì)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(yàn)形貌

1.2   化學(xué)成分分析

參照GB/T 16597—2019《冶金產(chǎn)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(xué)成分》，采用手持式熒光光譜儀對工作缸進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：工作缸材料的化學(xué)成分符合GB/T 3190—2020對7020鋁合金的要求。 

1.3   力學(xué)性能測試

參照GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，采用硬度計(jì)對工作缸進(jìn)行布氏硬度測試，保載時(shí)間為15 s。工作缸的布氏硬度測試結(jié)果分別為127.1，129.6，128.7 HBW。工作缸的布氏硬度達(dá)到128.5 HBW標(biāo)準(zhǔn)值，布氏硬度滿足設(shè)計(jì)要求（不小于125 HBW）。 

工作缸室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。工作缸的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求為不小于410 MPa，斷后伸長率的設(shè)計(jì)要求為不小于9%，工作缸的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率分別為467 MPa、12.68%，可見抗拉強(qiáng)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(fù)熔，出現(xiàn)復(fù)熔球，如圖5所示。故障工作缸SEM形貌如圖6所示。晶界復(fù)熔組織和基體的能譜分析結(jié)果如表3所示，晶界處復(fù)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(fù)熔球?qū)儆谖龀龅牡诙?。工作缸原材料成型前?jīng)過固溶處理+人工時(shí)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(jīng)過陽極氧化熱處理。當(dāng)熱處理溫度過高時(shí)，在α固溶體的晶界容易發(fā)生復(fù)熔，形成復(fù)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(nèi)部擴(kuò)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(fā)現(xiàn)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(yīng)力腐蝕、過熱等導(dǎo)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(jī)構(gòu)工作缸的主工作缸內(nèi)壁有3條位于主工作缸和轉(zhuǎn)換孔之間連續(xù)縱向分布的裂紋，其中1條裂紋貫穿主工作缸和轉(zhuǎn)換孔。故障工作缸的晶粒粗大，局部晶界形成復(fù)熔球組織。在熱處理時(shí),由于溫度過高，低熔點(diǎn)共晶物融化后沿晶界析出,形成復(fù)熔球，復(fù)熔球沿晶界析出會造成晶界應(yīng)力集中，晶界上的復(fù)熔球數(shù)量較多會對基體產(chǎn)生削弱作用，導(dǎo)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(fù)熔球，在油壓的長時(shí)間作用下，裂紋會在晶界復(fù)熔球位置萌生并沿晶界擴(kuò)展，發(fā)生沿晶斷裂。 

由于斷路器操作機(jī)構(gòu)工作缸的主工作缸和轉(zhuǎn)換孔之間存在貫穿性裂紋，當(dāng)斷路器在分閘已儲能狀態(tài)時(shí)，主工作缸內(nèi)為高壓油[圖9（a）中紅色部分]，轉(zhuǎn)換孔內(nèi)為低壓油[圖9（a）中藍(lán)色部分]，主工作缸和轉(zhuǎn)換孔內(nèi)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(dǎo)致高壓油內(nèi)的油壓減小，當(dāng)主工作缸內(nèi)的油壓減小到臨界值時(shí)，斷路器機(jī)構(gòu)開始通過打壓提高主工作缸內(nèi)的油壓，如此反復(fù)造成斷路器在分閘狀態(tài)出現(xiàn)頻繁打壓故障。當(dāng)斷路器在合閘儲能狀態(tài)時(shí)，主工作缸和轉(zhuǎn)換孔內(nèi)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(zhuǎn)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(tài)下頻繁打壓。 

圖  9  液壓碟簧機(jī)構(gòu)分閘已儲能、合閘已儲能油路示意

3.   結(jié)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(xiàn)復(fù)熔球，使得晶界強(qiáng)度降低，工作缸在油壓的長時(shí)間作用下，裂紋在晶界復(fù)熔球處萌生并沿晶界擴(kuò)展，最終貫穿工作缸，導(dǎo)致工作缸泄漏并在分閘狀態(tài)下頻繁打壓。 

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

文章來源——材料與測試網(wǎng)