變速箱摩擦片斷裂原因分析及改善措施

■ 李若國(guó)，張慶武，董道智

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推土機(jī)主要在濕地、沙漠、礦山、大壩等野外工作，工況惡劣，具有負(fù)荷大、沖擊強(qiáng)、持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。目前，推土機(jī)大多采用行星式動(dòng)力換檔變速箱，具有傳遞轉(zhuǎn)矩大、傳動(dòng)比高、結(jié)構(gòu)緊湊、輸入和輸出能實(shí)現(xiàn)同軸等優(yōu)點(diǎn)。

摩擦片是離合器的關(guān)鍵零件，不僅要求摩擦復(fù)合材料黏結(jié)強(qiáng)度高、耐磨性好，而且要求芯板韌性好、耐沖擊強(qiáng)。為此，摩擦片工藝過(guò)程復(fù)雜，芯板需要進(jìn)行調(diào)質(zhì)、淬火等熱處理工序，技術(shù)要求高。

本文以摩擦片早期斷裂故障為案例，通過(guò)對(duì)故障件失效形式、斷口特征等方面的檢查與分析，借助光譜元素測(cè)量?jī)x、蔡司顯微鏡、顯微硬度計(jì)等儀器，對(duì)故障件的化學(xué)成分、斷口的微觀特征、金相組織、硬度及硬化層等方面的檢測(cè)，最終找到斷裂的原因，然后通過(guò)芯板淬火工藝優(yōu)化及對(duì)熱處理過(guò)程的質(zhì)量管控，排除該故障。

1. 故障信息

（1）工況信息 某型號(hào)推土機(jī)在內(nèi)蒙古施工，主要用于太陽(yáng)能熱風(fēng)發(fā)電站的基建工作，推平沙丘和溝壑，平均每天工作時(shí)間約14h。該車在工作1600h左右時(shí)，變速箱內(nèi)部出現(xiàn)異響，服務(wù)人員檢查發(fā)現(xiàn)變速箱內(nèi)部摩擦片斷裂。

（2）失效形式 故障件的斷裂狀態(tài)如圖1所示，裂紋從摩擦片的花鍵根部呈放射狀延至外沿，出現(xiàn)貫通性整體斷裂，裂開(kāi)的兩部分?jǐn)嗫谖呛?，無(wú)碎片、顆粒等脫落。從銅基摩擦材料的狀態(tài)看，潤(rùn)滑油槽清晰，無(wú)明顯的磨損、脫落、燒結(jié)等異常狀態(tài)，由此判定，摩擦片斷裂不是由于超負(fù)荷傳遞轉(zhuǎn)矩造成的。

圖1 摩擦片斷裂形式

圖2 是斷口的宏觀狀態(tài)，斷口齊平，呈直線狀態(tài)，并且無(wú)塑性變形，斷面處的摩擦材料完好，無(wú)損失、脫落等狀態(tài)。由此判定芯板斷裂為脆性斷裂。

由摩擦片的另一處故障點(diǎn)圖3可看出，微裂紋起源于摩擦片的花鍵根部，工作時(shí)摩擦片不斷地結(jié)合、分離，在旋轉(zhuǎn)扭矩和交變應(yīng)力的作用下，裂紋逐步增大并逐漸向外延伸，直至出現(xiàn)整體性斷裂。

圖2 斷口宏觀狀態(tài)

圖3 摩擦片裂紋源

2. 故障原因查找與分析

（1）材質(zhì)化驗(yàn) 摩擦片芯板的材質(zhì)是45鋼，整體調(diào)質(zhì)后，對(duì)花鍵的表面進(jìn)行高頻感應(yīng)淬火。將摩擦材料在平面磨床上去除后，取試樣如圖4所示，依據(jù)國(guó)標(biāo)《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜法》（GB/T4336—2016）對(duì)芯板材質(zhì)進(jìn)行化驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

由表1可知：齒輪的化學(xué)成分C、Si、Mn、Cr等含量符合標(biāo)準(zhǔn)。由此推斷，原材料合格，不是造成摩擦片早期斷裂的主要因素。

（2）芯板硬度檢驗(yàn) 將故障件在電火花切割機(jī)上取樣，如圖5所示。在溫度20℃、濕度50%的條件下，根據(jù)國(guó)標(biāo)《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗(yàn)》（GB/T25744—2016）對(duì)硬度、淬硬層深度進(jìn)行檢查。花鍵的齒部硬度要求≥40HRC，實(shí)測(cè)54.8HRC，硬度合格。

圖4 摩擦片芯板材質(zhì)化驗(yàn)取樣

用4%硝酸酒精溶液腐蝕試樣，花鍵淬硬層要求4.5～9.0mm，實(shí)測(cè)6.0mm，淬硬層深度合格；齒根部淬硬層深度要求0.7～2.5mm，實(shí)測(cè)值為0.9mm。由此判定，花鍵的硬度和淬硬層深度等符合圖樣要求，不是造成摩擦片早期斷裂的主要因素。

（3）非金屬夾雜物檢驗(yàn) 在4XC金相顯微鏡下檢測(cè)非金屬夾雜物的含量，如圖6所示，依據(jù)《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》（GB/T 10561—2005），芯板中非金屬夾雜物的含量如表2所示。從結(jié)果可看出，原材料中硫化物、氧化鋁等非金屬夾雜物含量符合技術(shù)要求，不是發(fā)生脆性斷裂的主要原因。

圖5 摩擦片硬度及硬化層檢查樣塊

圖6 非金屬夾雜物（100×）

表1 芯板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（4）脫碳層深度檢驗(yàn) 利用光學(xué)顯微鏡，觀察故障件花鍵齒的脫碳層深度，如圖7所示。采用測(cè)試5點(diǎn)計(jì)算平均值法，單側(cè)脫碳層的深度為0.03～0.07mm，在技術(shù)要求≤0.1mm的范圍內(nèi)，沒(méi)有嚴(yán)重的脫碳特征。

（5）原因分析 依據(jù)《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》（GB/T13298—2015）對(duì)試樣進(jìn)行檢驗(yàn)，微觀組織形態(tài)如圖8所示，花鍵的金相組織為回火馬氏體，晶粒度8級(jí)，金相組織粗大，晶界變黑，有嚴(yán)重的沿晶裂紋，并且有過(guò)熱的特征，摩擦片早期斷裂是脆性過(guò)大引起的芯板脆性斷裂。

通過(guò)故障件的生產(chǎn)批次號(hào)，對(duì)摩擦片的淬火工序進(jìn)行追溯。作業(yè)基準(zhǔn)書(shū)中，淬火溫度要求845℃。根據(jù)操作者記錄，在對(duì)加熱爐進(jìn)行設(shè)備檢點(diǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，溫度顯示儀表出現(xiàn)故障，儀表溫度顯示為設(shè)定溫度845℃，而通過(guò)校核實(shí)際溫度已達(dá)到950℃，遠(yuǎn)高于Ac3溫度，造成芯板過(guò)熱，從而引起奧氏體晶粒粗化。粗大的奧氏體晶粒存在，導(dǎo)致芯板的強(qiáng)度和韌性降低，力學(xué)性能下降，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，在淬火時(shí)，由于芯板為薄片形狀，花鍵根部應(yīng)力集中，增加了淬火時(shí)裂紋的傾向，導(dǎo)致在花鍵根部出現(xiàn)微觀裂紋。工作過(guò)程中承受交變應(yīng)力和沖擊力，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，造成摩擦片芯板的早期斷裂。

圖7 脫碳層深度（100×）

表2 非金屬夾雜物檢測(cè)

3. 工藝改善及預(yù)防措施

（1）工藝改善 對(duì)庫(kù)存的同批次淬火的芯板取樣抽檢，金相組織存在相同特征，為了避免裝機(jī)后出現(xiàn)早期斷裂的隱患，對(duì)同批次淬火處理的件進(jìn)行標(biāo)識(shí)、隔離。為了最大限度地降低生產(chǎn)成本，我們進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)，在不同的溫度下，將摩擦片芯板進(jìn)行退火、正火或高溫回火，使粗大晶粒重新奧氏體化，晶粒得到細(xì)化。隨后，再對(duì)芯板加熱至Ac3以上30～50℃進(jìn)行淬火，經(jīng)檢驗(yàn)，淬火后金相組織馬氏體細(xì)小均勻，晶粒度為馬氏體4級(jí)，表面硬度56HRC，心部硬度37HRC，達(dá)到圖樣技術(shù)要求。通過(guò)樣件試裝及市場(chǎng)驗(yàn)證，工藝改善后，摩擦片的強(qiáng)度、韌性等力學(xué)性能提升，外部市場(chǎng)上再未出現(xiàn)芯板斷裂故障。

（2）預(yù)防措施 熱處理工序是摩擦片生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵和重要工序，同時(shí)它具有批量大的特點(diǎn)。為了最大限度地減少不合格品的出現(xiàn)，需要定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查，特別是溫度顯示儀、濕度儀表等儀表類部件。同時(shí)，對(duì)操縱人員的專業(yè)技能、人員變更、崗前培訓(xùn)等方面加強(qiáng)管理。另外，在熱處理工序的工藝文件中將加熱溫度、保溫時(shí)間、冷卻方式等工藝參數(shù)進(jìn)行完善和固化。

4. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)摩擦片早期斷裂故障的失效特征分析，并借助光譜元素測(cè)量?jī)x、蔡司顯微鏡、顯微硬度計(jì)等儀器，對(duì)化學(xué)成分、斷口的微觀特征、金相組織、硬度及硬化層等方面進(jìn)行檢測(cè)，確定花鍵的齒面金相組織晶粒粗大，存在過(guò)熱特征，淬火時(shí)溫度過(guò)高是造成故障的主要原因。

（1）在淬火工序中，因加熱爐設(shè)備溫度儀表失靈、傳感器損壞等造成顯示的參數(shù)與實(shí)際不符時(shí)，需要對(duì)該批工件進(jìn)行金相組織、硬度等分析，對(duì)有異常特征如過(guò)燒特征、過(guò)熱特征、欠熱特征等應(yīng)及時(shí)進(jìn)行隔離，不能心存僥幸、盲目裝機(jī)。針對(duì)不同的狀況，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)如中間增加退火、正火或高溫回火等進(jìn)行改善和驗(yàn)證，達(dá)到技術(shù)要求后方能裝機(jī)。

圖8 齒部沿晶裂紋狀態(tài)（500×）

（2）熱處理工序是機(jī)械零件的關(guān)鍵工序，具有批量化的特點(diǎn)。因此，提前預(yù)防熱處理缺陷對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低不合格率和降低生產(chǎn)成本尤為重要。從人、機(jī)、料、法、環(huán)等方面要定期檢驗(yàn)，對(duì)加熱爐的溫度儀表、操縱者專業(yè)技能、人員變動(dòng)、崗前培訓(xùn)等方面的管理和監(jiān)控尤其重要。