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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.icttalentglobal.com 發(fā)布時(shí)間:2018/11/29 閱讀:8507次 【字體:

摩擦片是離合器的關(guān)鍵零件,不僅要求摩擦復(fù)合材料粘結(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(jì)等儀器,對故障件的化學(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,最終找到斷裂的原因,然后通過芯板淬火工藝優(yōu)化及對熱處理過程的質(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(jī)在內(nèi)蒙古施工,主要用于太陽能熱風(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1600 h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,裂開的兩部分?jǐn)嗫谖呛,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(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是斷口的宏觀狀態(tài),斷口齊平,呈直線狀態(tài),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(tài)。由此判定芯板斷裂為脆性斷裂。

摩擦片斷口的宏觀狀態(tài)
圖2斷口的宏觀狀態(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(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。

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(yàn)

摩擦片芯板的材質(zhì)是45鋼,整體調(diào)質(zhì)后,對花鍵的表面進(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)國標(biāo)《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(yàn),結(jié)果如表1所示。

圖4摩擦片芯板材質(zhì)化驗(yàn)取樣
圖4摩擦片芯板材質(zhì)化驗(yàn)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(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)國標(biāo)《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗(yàn)》(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(yàn)

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(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(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。

非金屬夾雜物
圖6非金屬夾雜物(100×)

(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),沒有嚴(yán)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(jù)《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》(GB/T13298—2015)對試樣進(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,金相組織粗大,晶界變黑,有嚴(yán)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。

齒部沿晶裂紋狀態(tài)
圖8齒部沿晶裂紋狀態(tài)(500×)

通過故障件的生產(chǎn)批次號,對摩擦片的淬火工序進(jìn)行追溯。作業(yè)基準(zhǔn)書中,淬火溫度要求845℃。根據(jù)操作者記錄,在對加熱爐進(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℃,而通過校核實(shí)際溫度已達(dá)到950℃,遠(yuǎn)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(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。工作過程中承受交變應(yīng)力和沖擊力,經(jīng)過一定時(shí)間后,造成摩擦片芯板的早期斷裂。

3.工藝改善及預(yù)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(jī)后出現(xiàn)早期斷裂的隱患,對同批次淬火處理的件進(jìn)行標(biāo)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(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化,晶粒得到細(xì)化。隨后,再對芯板加熱至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,表面硬度56HRC,心部硬度37HRC,達(dá)到圖樣技術(shù)要求。通過樣件試裝及市場驗(yàn)證,工藝改善后,摩擦片的強(qiáng)度、韌性等力學(xué)綜合性能提升,外部市場上再未出現(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

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(jì)等儀器,對化學(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,確定花鍵的齒面金相組織晶粒粗大,存在過熱特征,淬火時(shí)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(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),需要對該批工件進(jìn)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(yīng)及時(shí)進(jìn)行隔離,不能心存僥幸、盲目裝機(jī)。針對不同的狀況,通過反復(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)。

(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。


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