變速箱摩擦片哪些原因斷裂?

淬火時溫度過高是主因

推土機主要在濕地、沙漠、礦山、大壩等野外工作，工況惡劣，具有負荷大、沖擊強、持續(xù)工作時間長等特點。目前，推土機大多采用行星式動力換擋變速箱，具有傳遞扭矩大、傳動比高、結構緊湊、輸入和輸出能實現(xiàn)同軸等優(yōu)點。

摩擦片是離合器的關鍵零件，不僅要求摩擦復合材料粘結強度高、耐磨性好，而且要求芯板韌性好、耐沖擊強。為此，摩擦片工藝過程復雜，芯板需要進行調質、淬火等熱處理工序，技術要求高。

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

變速箱摩擦片哪些原因斷裂?

1.故障信息

（1）工況信息

某型號推土機在內蒙古施工，主要用于太陽能熱風發(fā)電站的基建工作，推平沙丘和溝壑，平均每天工作時間約14h。該車在工作1600 h左右時，變速箱內部出現(xiàn)異響，服務人員檢查發(fā)現(xiàn)變速箱內部摩擦片斷裂。

（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，裂開的兩部分斷口吻合，無碎片、顆粒等脫落。從銅基摩擦材料的狀態(tài)看，潤滑油槽清晰，無明顯的磨損、脫落、燒結等異常狀態(tài)，由此判定，摩擦片斷裂不是由于超負荷傳遞扭矩造成的。

變速箱摩擦片哪些原因斷裂?

2.故障原因查找與分析

（1）材質化驗

摩擦片芯板的材質是45鋼，整體調質后，對花鍵的表面進行高頻感應淬火。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)國標《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定火花放電原子發(fā)射光譜法》（GB/T4336—2016）對芯板材質進行化驗.

（2）芯板硬度檢驗

將故障件在電火花切割機上取樣，如圖5所示。在溫度20℃、濕度50%的條件下，根據(jù)國標《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》（GB/T25744—2016）對硬度、淬硬層深度進行檢查?；ㄦI的齒部硬度要求≥40HRC，實測54.8HRC，硬度合格。

用4%硝酸酒精溶液腐蝕試樣，花鍵淬硬層要求4.5～9.0mm，實測6.0mm，淬硬層深度合格；齒根部淬硬層深度要求0.7～2.5mm，實測值為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

在4XC金相顯微鏡下檢測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定標準評級圖顯微檢驗法》（GB/T 10561—2005），芯板中非金屬夾雜物的含量如表2所示。從結果可看出，原材料中硫化物、氧化鋁等非金屬夾雜物含量符合技術要求，不是發(fā)生脆性斷裂的主要原因。

（4）脫碳層深度檢驗

利用光學顯微鏡，觀察故障件花鍵齒的脫碳層深度，如圖7所示。采用測試5點計算平均值法，單側脫碳層的深度為0.03～0.07mm，在技術要求≤0.1mm的范圍內，沒有嚴重的脫碳特征。

（5）原因分析

依據(jù)《金屬顯微組織檢驗方法》（GB/T13298—2015）對試樣進行檢驗，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，金相組織粗大，晶界變黑，有嚴重的沿晶裂紋，并且有過熱的特征，摩擦片早期斷裂是脆性過大引起的芯板脆性斷裂。

通過故障件的生產批次號，對摩擦片的淬火工序進行追溯。作業(yè)基準書中，淬火溫度要求845℃。根據(jù)操作者記錄，在對加熱爐進行設備檢點時發(fā)現(xiàn)，溫度顯示儀表出現(xiàn)故障，儀表溫度顯示為設定溫度845℃，而通過校核實際溫度已達到950℃，遠高于Ac3溫度，造成芯板過熱，從而引起奧氏體晶粒粗化。粗大的奧氏體晶粒存在，導致芯板的強度和韌性降低，力學性能下降，脆性轉變溫度升高，在淬火時，由于芯板為薄片形狀，花鍵根部應力集中，增加了淬火時裂紋的傾向，導致在花鍵根部出現(xiàn)微觀裂紋。工作過程中承受交變應力和沖擊力，經過一定時間后，造成摩擦片芯板的早期斷裂。

深圳市泰立儀器儀表有限公司成立于2005年，致力于引進先進的工業(yè)無損檢測設備，為中國工業(yè)領域提供高品質的檢測設備及測試儀器。主要針對自動化超聲檢測技術、超聲成像檢測技術、人工智能與機器人檢測技術、TOFD超聲檢測技術、超聲導波檢測技術、非接觸超聲技術、相控陣超聲檢測技術、激光超聲檢測技術、管棒材和焊管自動化檢測線使用的多通道超聲波探傷儀。

3.工藝改善及預防措施

（1）工藝改善

對庫存的同批次淬火的芯板取樣抽檢，金相組織存在相同特征，為了避免裝機后出現(xiàn)早期斷裂的隱患，對同批次淬火處理的件進行標識、隔離。為了大限度地降低生產成本，我們進行了反復試驗，在不同的溫度下，將摩擦片芯板進行退火、正火或高溫回火，使粗大晶粒重新奧氏化，晶粒得到細化。隨后，再對芯板加熱至Ac3以上30～50℃進行淬火，經檢驗，淬火后金相組織馬氏體細小均勻，晶粒度為馬氏體4級，表面硬度56HRC，心部硬度37HRC，達到圖樣技術要求。通過樣件試裝及市場驗證，工藝改善后，摩擦片的強度、韌性等力學綜合性能提升，外部市場上再未出現(xiàn)芯板斷裂故障。

（2）預防措施

熱處理工序是摩擦片生產過程中的關鍵和重要工序，同時它具有批量大的特點。為了大限度地減少不合格品的出現(xiàn)，需要定期對設備進行檢查，特別是溫度顯示儀、濕度儀表等儀表類部件。同時，對操縱人員的專業(yè)技能、人員變更、崗前培訓等方面加強管理。另外，在熱處理工序的工藝文件中將加熱溫度、保溫時間、冷卻方式等工藝參數(shù)進行完善和固化。

4.結語

通過對摩擦片早期斷裂故障的失效特征分析，并借助光譜元素測量儀、蔡司顯微鏡、顯微硬度計等儀器，對化學成分、斷口的微觀特征、金相組織、硬度及硬化層等方面進行檢測（超聲波硬度計，超聲波探傷儀等等），確定花鍵的齒面金相組織晶粒粗大，存在過熱特征，淬火時溫度過高是造成故障的主要原因。

（1）在淬火工序中，因加熱爐設備溫度儀表失靈、傳感器損壞等造成顯示的參數(shù)與實際不符時，需要對該批工件進行金相組織、硬度等分析，對有異常特征如過燒特征、過熱特征、欠熱特征等應及時進行隔離，不能心存僥幸、盲目裝機。針對不同的狀況，通過反復試驗如中間增加退火、正火或高溫回火等進行改善和驗證，達到技術要求后方能裝機。

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