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摩擦片斷裂故障原因分析
雙擊自動(dòng)滾屏 發(fā)布者:www.mediassengfuture.com 發(fā)布時(shí)間:2018/11/29 閱讀:8109次 【字體:

摩擦片是離合器的關(guān)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(guò)程復雜,芯板需要進(jìn)行調質(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?jì)x、蔡司顯微鏡、顯微硬度計等儀器,對故障件的化學(xué)成分、斷口的微觀(guān)特征、金相組織、硬度及硬化層等方面的檢測,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

某型號推土機在內蒙古施工,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(chē)在工作1600 h左右時(shí),變速箱內部出現異響,服務(wù)人員檢查發(fā)現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,出現貫通性整體斷裂,裂開(kāi)的兩部分斷口吻合,無(wú)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(wú)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。

摩擦片斷裂形式
圖1摩擦片斷裂形式

圖2是斷口的宏觀(guān)狀態(tài),斷口齊平,呈直線(xiàn)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。

摩擦片斷口的宏觀(guān)狀態(tài)
圖2斷口的宏觀(guān)狀態(tài)

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)摩擦片不斷地結合、分離,在旋轉扭矩和交變應力的作用下,裂紋逐步增大并逐漸向外延伸,直至出現整體性斷裂。

摩擦片裂紋源
圖3摩擦片裂紋源


2.故障原因查找與分析

(1)材質(zhì)化驗

摩擦片芯板的材質(zhì)是45鋼,整體調質(zhì)后,對花鍵的表面進(jìn)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(zhì)進(jìn)行化驗,結果如表1所示。

圖4摩擦片芯板材質(zhì)化驗取樣
圖4摩擦片芯板材質(zhì)化驗取樣

由表1可知:齒輪的化學(xué)成分C、Si、Mn、Cr等含量符合標準。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

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(jìn)行檢查;ㄦI的齒部硬度要求≥40HRC,實(shí)測54.8HRC,硬度合格。

摩擦片硬度及硬化層檢查樣塊
圖5摩擦片硬度及硬化層檢查樣塊

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《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(shù)要求,不是發(fā)生脆性斷裂的主要原因。

非金屬夾雜物
圖6非金屬夾雜物(100×)

(4)脫碳層深度檢驗

利用光學(xué)顯微鏡,觀(guān)察故障件花鍵齒的脫碳層深度,如圖7所示。采用測試5點(diǎn)計算平均值法,單側脫碳層的深度為0.03~0.07mm,在技術(shù)要求≤0.1mm的范圍內,沒(méi)有嚴重的脫碳特征。

脫碳層深度
圖7脫碳層深度(100×)

(5)原因分析

依據《金屬顯微組織檢驗方法》(GB/T13298—2015)對試樣進(jìn)行檢驗,微觀(guān)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(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。

齒部沿晶裂紋狀態(tài)
圖8齒部沿晶裂紋狀態(tài)(500×)

通過(guò)故障件的生產(chǎn)批次號,對摩擦片的淬火工序進(jìn)行追溯。作業(yè)基準書(shū)中,淬火溫度要求845℃。根據操作者記錄,在對加熱爐進(jìn)行設備檢點(diǎn)時(shí)發(fā)現,溫度顯示儀表出現故障,儀表溫度顯示為設定溫度845℃,而通過(guò)校核實(shí)際溫度已達到950℃,遠高于A(yíng)c3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,導致芯板的強度和韌性降低,力學(xué)性能下降,脆性轉變溫度升高,在淬火時(shí),由于芯板為薄片形狀,花鍵根部應力集中,增加了淬火時(shí)裂紋的傾向,導致在花鍵根部出現微觀(guān)裂紋。工作過(guò)程中承受交變應力和沖擊力,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后,造成摩擦片芯板的早期斷裂。

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早期斷裂的隱患,對同批次淬火處理的件進(jìn)行標識、隔離。為了最大限度地降低生產(chǎn)成本,我們進(jìn)行了反復試驗,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化,晶粒得到細化。隨后,再對芯板加熱至Ac3以上30~50℃進(jìn)行淬火,經(jīng)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(shù)要求。通過(guò)樣件試裝及市場(chǎng)驗證,工藝改善后,摩擦片的強度、韌性等力學(xué)綜合性能提升,外部市場(chǎng)上再未出現芯板斷裂故障。

(2)預防措施

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,需要定期對設備進(jìn)行檢查,特別是溫度顯示儀、濕度儀表等儀表類(lèi)部件。同時(shí),對操縱人員的專(zhuān)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(shí)間、冷卻方式等工藝參數進(jìn)行完善和固化。

4.結語(yǔ)

通過(guò)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?jì)x、蔡司顯微鏡、顯微硬度計等儀器,對化學(xué)成分、斷口的微觀(guān)特征、金相組織、硬度及硬化層等方面進(jìn)行檢測,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,因加熱爐設備溫度儀表失靈、傳感器損壞等造成顯示的參數與實(shí)際不符時(shí),需要對該批工件進(jìn)行金相組織、硬度等分析,對有異常特征如過(guò)燒特征、過(guò)熱特征、欠熱特征等應及時(shí)進(jìn)行隔離,不能心存僥幸、盲目裝機。針對不同的狀況,通過(guò)反復試驗如中間增加退火、正火或高溫回火等進(jìn)行改善和驗證,達到技術(shù)要求后方能裝機。

(2)熱處理工序是機械零件的關(guān)鍵工序,具有批量化的特點(diǎn)。因此,提前預防熱處理缺陷對于提高產(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、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(zhuān)業(yè)技能、人員變動(dòng)、崗前培訓等方面的管理和監控尤其重要。


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