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，最終找到斷裂的原因，然后通過芯板淬火工藝優化及對熱處理過程的質量管控，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，主要用于太陽能熱風發電站的基建工作，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，變速箱內部出現異響，服務人員檢查發現變速箱內部摩擦片斷裂。
（2）失效形式
故障件的斷裂狀態如圖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看，潤滑油槽清晰，無明顯的磨損、脫落、燒結等異常狀態，由此判定，摩擦片斷裂不是由于超負荷傳遞扭矩造成的。
圖1摩擦片斷裂形式
圖2是斷口的宏觀狀態，斷口齊平，呈直線狀態，并且無塑性變形，斷面處的摩擦材料完好，無損失、脫落等狀態。由此判定芯板斷裂為脆性斷裂。
圖2斷口的宏觀狀態
由摩擦片的另一處故障點圖3可看出，微裂紋起源于摩擦片的花鍵根部，工作時摩擦片不斷地結合、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。
圖3摩擦片裂紋源
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射光譜法》（GB/T4336—2016）對芯板材質進行化驗，結果如表1所示。
圖4摩擦片芯板材質化驗取樣
由表1可知：齒輪的化學成分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、淬硬層深度進行檢查。花鍵的齒部硬度要求≥40HRC，實測54.8HRC，硬度合格。
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《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，不是發生脆性斷裂的主要原因。
圖6非金屬夾雜物（100×）
（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。
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）對試樣進行檢驗，微觀組織形態如圖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。
圖8齒部沿晶裂紋狀態（500×）
通過故障件的生產批次號，對摩擦片的淬火工序進行追溯。作業基準書中，淬火溫度要求845℃。根據操作者記錄，在對加熱爐進行設備檢點時發現，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。
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行標識、隔離。為了最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。為了最大限度地減少不合格品的出現，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，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、環等方面要定期檢驗，對加熱爐的溫度儀表、操縱者專業技能、人員變動、崗前培訓等方面的管理和監控尤其重要。 |
