濕式離合器對(duì)偶鋼片磨損機(jī)理研究

張志剛，李佳雪，張子陽，梁美林

（1.重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054；2.寧波圣龍（集團(tuán)）有限公司，浙江 寧波 315100；3.重慶鐵馬工業(yè)集團(tuán)有限公司，重慶 400054）

對(duì)偶鋼片是濕式離合器的關(guān)鍵部件，其磨損性能直接影響離合器的安全性和可靠性，特別對(duì)于中重型濕式離合器而言，其工況大多以高速、高載為主，使用過程中，對(duì)偶鋼片與摩擦片滑摩容易出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象，導(dǎo)致離合器工作性能下降，甚至失效，因此實(shí)際工程中要求對(duì)偶鋼片具有良好的耐磨性能。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要通過理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法分析對(duì)偶鋼片局部熱點(diǎn)處的微觀結(jié)構(gòu)變化，通過翹曲變形試驗(yàn)確定不同的載荷分布與不同的翹曲變形之間的關(guān)系，對(duì)摩擦副的溫度及應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行分析，并確定對(duì)偶鋼片的熱失效機(jī)理[1-5]。在實(shí)際應(yīng)用中，學(xué)者對(duì)其磨損失效機(jī)理的研究相對(duì)較少。對(duì)偶鋼片滑摩過程中，沿徑向受力不均勻[6]，微凸體反復(fù)滑摩產(chǎn)生的磨屑在對(duì)偶鋼片表面滑擦，使其表面形成深淺不一的犁溝。同時(shí)，滑摩表面材料出現(xiàn)塑性變形并軟化，微凸體在高溫高壓下發(fā)生粘著，表面與亞表面出現(xiàn)裂紋[7-8]，裂紋擴(kuò)展，出現(xiàn)疲勞剝落，因此其滑摩表面沿徑向產(chǎn)生不同程度的磨損。針對(duì)對(duì)偶鋼片的磨損現(xiàn)象，有學(xué)者通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察磨損表面的微觀形貌，并判斷其磨損機(jī)理[9]，但并未對(duì)其表面成分變化進(jìn)行具體研究。實(shí)際上，滑摩過程中產(chǎn)生的摩擦熱及塑性變形，會(huì)引起接觸表面的成分演變。對(duì)偶鋼片抗塑性變形能力及生成氧化層的速度，直接關(guān)系到摩擦副間的真實(shí)接觸面積及磨損程度，嚴(yán)重影響摩擦副的可靠性，造成摩擦副功能喪失，影響離合器壽命，甚至引起安全問題，因此研究對(duì)偶鋼片接觸表面磨損后的微觀結(jié)構(gòu)及成分變化至關(guān)重要。

本文針對(duì)以上研究的不足，對(duì)某車在實(shí)際坡道上進(jìn)行了道路試驗(yàn)。針對(duì)實(shí)際工況下的濕式離合器對(duì)偶鋼片磨損情況，在表征對(duì)偶鋼片表面磨損形貌的基礎(chǔ)上，對(duì)其磨損剖面進(jìn)行了形貌觀察，并對(duì)剖面在磨損過程中的成分演變進(jìn)行了檢測(cè)，分析對(duì)偶鋼片的磨損失效機(jī)理。

1 試驗(yàn)

某濕式DCT 內(nèi)離合器摩擦副實(shí)物如圖1 所示，包含5 副對(duì)偶鋼片和4 副摩擦片，將對(duì)偶鋼片由壓盤向活塞依次編號(hào)為#1、#2、#3、#4、#5。對(duì)偶鋼片采用SPCC 鋼，其成分見表1。樣件經(jīng)過退火處理，得到的微觀組織結(jié)構(gòu)如圖2 所示。由圖2 可知，SPCC鋼經(jīng)熱處理后的金相組織為鐵素體和珠光體，其上分布著較小的顆粒物，硬度≥85HRB。經(jīng)拉伸試驗(yàn)后，材料的抗拉強(qiáng)度σb≥270 MPa，斷面伸長率δ≥39%，內(nèi)外直徑分別為105.4 mm 和139 mm，齒高為72.5 mm，厚度為1.84 mm。

圖1 某濕式DCT 摩擦副實(shí)物Fig.1 Physical picture of friction pair of a certain wet DCT

圖2 SPCC 鋼熱處理后的金相組織Fig.2 Microstructures of SPCC steel after heat treatment

表1 SPCC 鋼的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of SPCC steel wt%

試驗(yàn)在無風(fēng)或微風(fēng)條件下進(jìn)行，試驗(yàn)道路為混凝土鋪裝的自然直線坡道，表面平整、堅(jiān)實(shí)，坡度為30%，坡道長度為2 km。試驗(yàn)前，試驗(yàn)車預(yù)熱行駛，保證油溫、水溫等各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到正常狀態(tài)，試驗(yàn)車停于坡道前端的水平道路上。將試驗(yàn)車變速器掛倒擋，緩緩踩下加速踏板，保證試驗(yàn)車能夠?qū)崿F(xiàn)倒擋爬坡，試驗(yàn)過程中盡可能保證試驗(yàn)車以5 km/h 的速度勻速行駛，直至試驗(yàn)車爬上該坡道。將試驗(yàn)車緩緩駛向坡道前的平直路面上，該試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3 次。試驗(yàn)后，取下內(nèi)離合器摩擦副表面磨損最嚴(yán)重的對(duì)偶鋼片#3（見圖3），可以看出，滑摩表面沿周向磨損均勻，沿徑向出現(xiàn)不同程度的磨損。將樣品進(jìn)行切割，并根據(jù)磨損程度將其表面沿徑向分為a、b、c、d 等4 個(gè)區(qū)域，用酒精對(duì)試樣進(jìn)行清洗和烘干，最終樣品如圖4 所示。其中，區(qū)域b、c 代表對(duì)偶鋼片中徑，區(qū)域a、d 分別代表對(duì)偶鋼片內(nèi)、外徑。使用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)磨損表面各區(qū)域及其剖面進(jìn)行形貌觀察，通過X 射線能譜儀（EDS）對(duì)磨損剖面進(jìn)行成分檢測(cè)，分析對(duì)偶鋼片的磨損機(jī)理。

圖3 對(duì)偶鋼片#3 滑摩表面Fig.3 Sliding friction surface of steel disc #3

圖4 對(duì)偶鋼片#3 試驗(yàn)樣品Fig.4 Test sample of steel disc #3

2 結(jié)果與討論

2.1 磨損表面分析

由圖5 可見，對(duì)偶鋼片滑摩表面局部區(qū)域呈現(xiàn)粘著磨損特征。沿滑動(dòng)方向有明顯的切削痕跡，產(chǎn)生了深淺不一的犁溝和劃痕，多數(shù)犁溝端部區(qū)域存在材料堆積，這是典型的磨粒磨損特征。整個(gè)滑摩表面零散分布著大小不一的顆粒狀磨屑和剝落坑，產(chǎn)生了疲勞磨損。

磨粒磨損是附著在摩擦表面的硬質(zhì)顆粒相互切削滑擦的過程，最終導(dǎo)致材料產(chǎn)生破壞，磨損量與磨粒的大小和形態(tài)有關(guān)[10-11]。濕式離合器接合過程中，接合壓力分布不均勻，對(duì)偶鋼片內(nèi)外徑區(qū)域承受的載荷較小[6]，摩擦副兩表面微凸體接觸點(diǎn)少，滑摩產(chǎn)生的少量磨屑脫落在對(duì)偶鋼片滑摩表面，在摩擦力的作用下，沿摩擦副相對(duì)滑動(dòng)方向滑擦、耕犁，容易形成微小的劃痕和淺而長的犁溝，如圖5a、d 中C、D 所示。中徑區(qū)域承受較大載荷，微凸體接觸點(diǎn)的數(shù)量和尺寸增加，滑摩過程中產(chǎn)生較大的磨屑顆粒，這些顆粒在摩擦副滑動(dòng)過程中滾動(dòng)且滑擦[12]。磨屑顆粒越大，在法向載荷作用下，嵌入基體內(nèi)部的深度越大，沿滑動(dòng)方向摩擦阻力越大[11]，從而形成較深且短的犁溝，如圖5b 中C 所示?；^程產(chǎn)生的厚度較小的片狀磨屑與滑摩表面接觸面積大，嵌入基體內(nèi)部的深度淺，在滑動(dòng)過程中容易壓實(shí)，如圖5c 中B 處所示。磨粒磨損在形成過程中，往往伴隨著不同程度的塑性變形，顆粒磨屑在滑摩表面的耕犁作用，使犁溝中部分材料受到的應(yīng)力超出其屈服極限。這些材料在滑動(dòng)過程中向犁溝邊緣移動(dòng)[11]，在往復(fù)應(yīng)力作用下，擠出的材料壓實(shí)在滑摩表面上，如圖5b 中F 所示。

圖5b、c 中的A 處為典型的粘著磨損特征。粘著磨損是指滑摩表面微凸體接觸點(diǎn)在高溫、高應(yīng)力下發(fā)生塑性變形或剪切，表層金屬局部軟化，使接觸點(diǎn)發(fā)生粘著的現(xiàn)象[13]。對(duì)偶鋼片中徑區(qū)域微凸體接觸面積和應(yīng)力較大，磨粒在法向載荷作用下，嵌入對(duì)偶鋼片滑摩表面后，滑摩區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，摩擦熱使周圍材料軟化[14]，兩表面接觸微凸體在瞬間高溫下發(fā)生粘著，因此對(duì)偶鋼片中徑區(qū)域發(fā)生粘著磨損。

圖5b、c 中E 處為磨損材料因疲勞剝落形成的大小不一的剝落坑。疲勞磨損是指材料在往復(fù)應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞破壞而形成剝落坑的過程[15]。對(duì)偶鋼片承受往復(fù)應(yīng)力，引起材料軟化，次表面應(yīng)力集中處開始萌生裂紋，導(dǎo)致微觀缺陷或硬質(zhì)顆粒產(chǎn)生。裂紋沿著最大剪應(yīng)力方向擴(kuò)展，并形成不同程度的剝落坑[11,16]。兩表面滑動(dòng)接觸過程中，在摩擦力作用下，微凸體表面產(chǎn)生變形，微凸體前面的材料受壓，后面的材料受拉，加速微觀裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。當(dāng)應(yīng)力循環(huán)達(dá)到一定次數(shù)時(shí)，就開始產(chǎn)生疲勞破壞。

圖5 對(duì)偶鋼片#3 滑摩表面微觀形貌Fig.5 Micromorphology of sliding friction surface of steel disc #3: a) region a, b) region b, c) region c, d) region d

2.2 磨損剖面分析

由于區(qū)域a 和區(qū)域d 的磨損程度較輕，且磨損情況類似，故只對(duì)區(qū)域a、b、c 對(duì)應(yīng)剖面進(jìn)行微觀形貌觀察和能譜分析。圖6a 為對(duì)偶鋼片區(qū)域a 的剖面微觀形貌，可以看出，區(qū)域a 未出現(xiàn)明顯涂層。由圖6b 可知，區(qū)域a 所受溫度和應(yīng)力小，該區(qū)域沿軸向方向元素含量無明顯變化。觀察圖6b、c 可以發(fā)現(xiàn)，靠近對(duì)偶鋼片表面區(qū)域，碳元素含量較大，鐵元素含量較小，出現(xiàn)碳富集化。這是由于制樣過程中試樣未保存好，試樣表面較臟，沾染了較多油脂。

圖6 對(duì)偶鋼片區(qū)域aFig.6 Region a of steel disc: a) section micromorphology; b) changes in element content; c) element composition at different locations

由對(duì)偶鋼片區(qū)域b 的剖面微觀形貌圖（圖7a）可知，區(qū)域b 對(duì)應(yīng)剖面邊界上出現(xiàn)了不同于基體內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)。對(duì)線數(shù)據(jù)9 進(jìn)行線能譜檢測(cè)（如圖7b）發(fā)現(xiàn)，鐵元素和氧元素含量在0～1 μm 厚度范圍內(nèi)有輕微波動(dòng)，元素含量波動(dòng)范圍與圖7a 中已發(fā)生變化的組織結(jié)構(gòu)厚度相對(duì)應(yīng)。與基體內(nèi)部相比，該區(qū)域鐵元素含量下降，氧元素含量上升。這是由于滑摩過程中產(chǎn)生的摩擦熱使對(duì)偶鋼片材料發(fā)生塑性變形，溫度升高而被氧化，故磨損表面氧元素含量較基體略高，認(rèn)為對(duì)偶鋼片表面在高溫作用下產(chǎn)生了輕微氧化，氧化層厚度約為1 μm。從圖7a 中還可以看出，氧化層與基體的過渡區(qū)出現(xiàn)裂紋，這是由于氧化層在摩擦熱作用下發(fā)生塑性變形，加速了裂紋的產(chǎn)生。圖7c 為區(qū)域b 剖面的點(diǎn)能譜檢測(cè)結(jié)果，可以看到，磨損表面局部碳元素含量有所增加。這是由于摩擦副在滑摩過程中，對(duì)偶鋼片和摩擦片之間的微凸體接觸面積小，接觸應(yīng)力較大，塑性變形較周圍區(qū)域大，碳相析出量增加，經(jīng)過往復(fù)摩擦力作用，聚集于表面，故磨損表面碳元素含量有所差異，出現(xiàn)局部碳富集現(xiàn)象。

圖7 對(duì)偶鋼片區(qū)域bFig.7 Region b of steel disc: a) section micromorphology; b) changes in element content; c) element composition at different locations

由對(duì)偶鋼片區(qū)域c 的剖面微觀形貌圖（圖8a）可知，區(qū)域c 對(duì)應(yīng)剖面邊界上組織結(jié)構(gòu)疏松，并出現(xiàn)了不同程度的剝落坑。由線數(shù)據(jù)2 處的線能譜檢測(cè)結(jié)果（見圖8b）可知，區(qū)域c 內(nèi)，鐵元素和氧元素含量在0～8.5 μm 厚度范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯波動(dòng)，鐵元素含量較小，氧元素含量較大。這是由于摩擦副滑摩過程中，對(duì)偶鋼片中徑區(qū)域受到較大的應(yīng)力，滑摩表面產(chǎn)生大量摩擦熱，高溫環(huán)境下，磨損表面生成了一定厚度的氧化層。由圖8b 可以判斷，該氧化層的厚度約為8.5 μm，可以認(rèn)為區(qū)域c 發(fā)生了氧化磨損。滑摩產(chǎn)生的大量摩擦熱使氧化層出現(xiàn)塑性變形和軟化，這直接加速了氧化物的分層，并間接導(dǎo)致次表面裂紋的萌生。雙層氧化物的出現(xiàn)，導(dǎo)致氧化物沿內(nèi)氧化物與基體的界面開始剝落[17]，同時(shí)裂紋向基體內(nèi)部擴(kuò)展，導(dǎo)致氧化膜破碎成塊狀，并產(chǎn)生剝落。由區(qū)域c 剖面的點(diǎn)能譜檢測(cè)結(jié)果（如圖8c 所示）可知，與基體內(nèi)部相比，磨損表面鐵元素含量下降，氧元素含量上升。這是因?yàn)榛^程中，沿軸向方向，對(duì)偶鋼片表面受到的溫度和應(yīng)力較基體內(nèi)部大，因此越靠近磨損表面，氧化程度越高。從圖8c 中還可以看出，磨損表面平均碳元素含量接近基體，元素含量波動(dòng)不明顯。

圖8 對(duì)偶鋼片區(qū)域cFig.8 Region c of steel disc: a) section micromorphology; b) changes in element content; c) element composition at different locations

2.3 磨損機(jī)制分析

對(duì)偶鋼片磨損機(jī)制與其滑摩過程中表面的溫度和應(yīng)力密切相關(guān)，滑摩產(chǎn)生的大量熱可加速磨損表面氧化物的生成，對(duì)磨損行為有重要影響[18]。摩擦熱和載荷、速度的關(guān)系可表示為：

式中：μ為摩擦系數(shù)；FN為對(duì)偶鋼片與摩擦片之間的法向載荷；v為滑摩速度；A為接觸面積。根據(jù)式(1)可知，滑摩產(chǎn)生的摩擦熱主要與載荷和滑摩速度有關(guān)。

摩擦副滑摩過程中，區(qū)域a 受到的法向載荷最小，區(qū)域b 次之，區(qū)域c 最大。摩擦副表面在外力作用下相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，真實(shí)接觸的微凸峰上受到的力往往超過材料的屈服極限，此時(shí)材料會(huì)出現(xiàn)塑性變形，甚至撕裂，故鋼片接觸表面出現(xiàn)了不同程度的粘著磨損。區(qū)域a 和區(qū)域d 承受小的載荷，生成的摩擦熱不足以使滑摩表面產(chǎn)生氧化，磨損機(jī)制主要為輕微的磨粒磨損。區(qū)域b 受到的載荷較小，其表面的塑性變形程度及生成的摩擦熱都較小，接觸表面生成一層薄的氧化層，并且零散分布著少量顆粒狀磨屑。該氧化層無法完全阻隔對(duì)偶鋼片與摩擦片之間的直接接觸，這在楊子潤[19]的研究中有所提及，故磨損機(jī)制主要為粘著磨損伴隨輕微的磨粒磨損和疲勞損傷。

區(qū)域c 承受較大載荷，滑摩初期產(chǎn)生的大量摩擦熱使該區(qū)域生成一定厚度的氧化層，接觸區(qū)域材料軟化，并產(chǎn)生塑性變形，氧化膜開始出現(xiàn)裂紋。經(jīng)過反復(fù)滑摩，裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致氧化膜逐漸脫落。因此滑摩初期，區(qū)域c 的磨損機(jī)制主要為粘著磨損和磨粒磨損。隨著接合進(jìn)行，摩擦熱不斷積累，并持續(xù)作用到對(duì)偶鋼片滑摩表面，在這樣的條件下，磨損表面生成了一些連續(xù)的氧化膜。同時(shí)，高溫高壓下，雙層氧化物加速形成，磨損表面出現(xiàn)大的塑性變形，次表面生成的裂紋不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致氧化物出現(xiàn)大面積剝落，并形成凹坑。這說明雙層氧化物并不能防止磨損，甚至?xí)铀倌p[17,20]，此時(shí)的磨損機(jī)制為氧化磨損和疲勞磨損。

3 結(jié)論

1）在給定工況下進(jìn)行試驗(yàn)后，觀察到磨損表面不同區(qū)域出現(xiàn)程度不一的劃痕、粘著和剝落坑，磨損形式主要為磨粒磨損、粘著磨損，并伴有疲勞磨損，且應(yīng)力越大，磨損越明顯。

2）從磨損剖面上觀察，中徑不同區(qū)域出現(xiàn)因摩擦熱生成的氧化層。在塑性變形作用下，出現(xiàn)雙氧化層及裂紋，裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致氧化層剝落，形成凹坑，磨損形式為氧化磨損和疲勞損傷，且距離磨損表面越近，磨損程度越大。

3）從整個(gè)磨損過程分析，磨損表面出現(xiàn)劃痕，材料軟化發(fā)生粘著，滑摩初期生成的少量氧化物在塑性變形作用下生成裂紋，并開始剝落，故滑摩初期的主要磨損機(jī)制為粘著磨損伴隨輕微的磨粒磨損?；笃?，氧化物逐漸增多，在高溫高壓下逐漸剝落，形成大面積凹坑，故磨損后期的主要磨損機(jī)制為氧化磨損和疲勞損傷。