濕式離合器對偶鋼片磨損機理研究

張志剛，李佳雪，張子陽，梁美林

（1.重慶理工大學 汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶 400054；2.寧波圣龍（集團）有限公司，浙江 寧波 315100；3.重慶鐵馬工業集團有限公司，重慶 400054）

對偶鋼片是濕式離合器的關鍵部件，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，對偶鋼片與摩擦片滑摩容易出現嚴重的磨損現象，導致離合器工作性能下降，甚至失效，因此實際工程中要求對偶鋼片具有良好的耐磨性能。目前，國內外學者主要通過理論分析與實驗驗證相結合的方法分析對偶鋼片局部熱點處的微觀結構變化，通過翹曲變形試驗確定不同的載荷分布與不同的翹曲變形之間的關系，對摩擦副的溫度及應力變化規律進行分析，并確定對偶鋼片的熱失效機理[1-5]。在實際應用中，學者對其磨損失效機理的研究相對較少。對偶鋼片滑摩過程中，沿徑向受力不均勻[6]，微凸體反復滑摩產生的磨屑在對偶鋼片表面滑擦，使其表面形成深淺不一的犁溝。同時，滑摩表面材料出現塑性變形并軟化，微凸體在高溫高壓下發生粘著，表面與亞表面出現裂紋[7-8]，裂紋擴展，出現疲勞剝落，因此其滑摩表面沿徑向產生不同程度的磨損。針對對偶鋼片的磨損現象，有學者通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察磨損表面的微觀形貌，并判斷其磨損機理[9]，但并未對其表面成分變化進行具體研究。實際上，滑摩過程中產生的摩擦熱及塑性變形，會引起接觸表面的成分演變。對偶鋼片抗塑性變形能力及生成氧化層的速度，直接關系到摩擦副間的真實接觸面積及磨損程度，嚴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，因此研究對偶鋼片接觸表面磨損后的微觀結構及成分變化至關重要。

本文針對以上研究的不足，對某車在實際坡道上進行了道路試驗。針對實際工況下的濕式離合器對偶鋼片磨損情況，在表征對偶鋼片表面磨損形貌的基礎上，對其磨損剖面進行了形貌觀察，并對剖面在磨損過程中的成分演變進行了檢測，分析對偶鋼片的磨損失效機理。

1 試驗

某濕式DCT 內離合器摩擦副實物如圖1 所示，包含5 副對偶鋼片和4 副摩擦片，將對偶鋼片由壓盤向活塞依次編號為#1、#2、#3、#4、#5。對偶鋼片采用SPCC 鋼，其成分見表1。樣件經過退火處理，得到的微觀組織結構如圖2 所示。由圖2 可知，SPCC鋼經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。經拉伸試驗后，材料的抗拉強度σb≥270 MPa，斷面伸長率δ≥39%，內外直徑分別為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 鋼的化學成分Tab.1 Chemical composition of SPCC steel wt%

試驗在無風或微風條件下進行，試驗道路為混凝土鋪裝的自然直線坡道，表面平整、堅實，坡度為30%，坡道長度為2 km。試驗前，試驗車預熱行駛，保證油溫、水溫等各項指標達到正常狀態，試驗車停于坡道前端的水平道路上。將試驗車變速器掛倒擋，緩緩踩下加速踏板，保證試驗車能夠實現倒擋爬坡，試驗過程中盡可能保證試驗車以5 km/h 的速度勻速行駛，直至試驗車爬上該坡道。將試驗車緩緩駛向坡道前的平直路面上，該試驗重復進行3 次。試驗后，取下內離合器摩擦副表面磨損最嚴重的對偶鋼片#3（見圖3），可以看出，滑摩表面沿周向磨損均勻，沿徑向出現不同程度的磨損。將樣品進行切割，并根據磨損程度將其表面沿徑向分為a、b、c、d 等4 個區域，用酒精對試樣進行清洗和烘干，最終樣品如圖4 所示。其中，區域b、c 代表對偶鋼片中徑，區域a、d 分別代表對偶鋼片內、外徑。使用掃描電子顯微鏡（SEM）對磨損表面各區域及其剖面進行形貌觀察，通過X 射線能譜儀（EDS）對磨損剖面進行成分檢測，分析對偶鋼片的磨損機理。

圖3 對偶鋼片#3 滑摩表面Fig.3 Sliding friction surface of steel disc #3

圖4 對偶鋼片#3 試驗樣品Fig.4 Test sample of steel disc #3

2 結果與討論

2.1 磨損表面分析

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

磨粒磨損是附著在摩擦表面的硬質顆粒相互切削滑擦的過程，最終導致材料產生破壞，磨損量與磨粒的大小和形態有關[10-11]。濕式離合器接合過程中，接合壓力分布不均勻，對偶鋼片內外徑區域承受的載荷較小[6]，摩擦副兩表面微凸體接觸點少，滑摩產生的少量磨屑脫落在對偶鋼片滑摩表面，在摩擦力的作用下，沿摩擦副相對滑動方向滑擦、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。中徑區域承受較大載荷，微凸體接觸點的數量和尺寸增加，滑摩過程中產生較大的磨屑顆粒，這些顆粒在摩擦副滑動過程中滾動且滑擦[12]。磨屑顆粒越大，在法向載荷作用下，嵌入基體內部的深度越大，沿滑動方向摩擦阻力越大[11]，從而形成較深且短的犁溝，如圖5b 中C 所示。滑摩過程產生的厚度較小的片狀磨屑與滑摩表面接觸面積大，嵌入基體內部的深度淺，在滑動過程中容易壓實，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力超出其屈服極限。這些材料在滑動過程中向犁溝邊緣移動[11]，在往復應力作用下，擠出的材料壓實在滑摩表面上，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在高溫、高應力下發生塑性變形或剪切，表層金屬局部軟化，使接觸點發生粘著的現象[13]。對偶鋼片中徑區域微凸體接觸面積和應力較大，磨粒在法向載荷作用下，嵌入對偶鋼片滑摩表面后，滑摩區域產生塑性變形，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生粘著，因此對偶鋼片中徑區域發生粘著磨損。

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應力作用下產生疲勞破壞而形成剝落坑的過程[15]。對偶鋼片承受往復應力，引起材料軟化，次表面應力集中處開始萌生裂紋，導致微觀缺陷或硬質顆粒產生。裂紋沿著最大剪應力方向擴展，并形成不同程度的剝落坑[11,16]。兩表面滑動接觸過程中，在摩擦力作用下，微凸體表面產生變形，微凸體前面的材料受壓，后面的材料受拉，加速微觀裂紋的產生和擴展。當應力循環達到一定次數時，就開始產生疲勞破壞。

圖5 對偶鋼片#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

由于區域a 和區域d 的磨損程度較輕，且磨損情況類似，故只對區域a、b、c 對應剖面進行微觀形貌觀察和能譜分析。圖6a 為對偶鋼片區域a 的剖面微觀形貌，可以看出，區域a 未出現明顯涂層。由圖6b 可知，區域a 所受溫度和應力小，該區域沿軸向方向元素含量無明顯變化。觀察圖6b、c 可以發現，靠近對偶鋼片表面區域，碳元素含量較大，鐵元素含量較小，出現碳富集化。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 對偶鋼片區域aFig.6 Region a of steel disc: a) section micromorphology; b) changes in element content; c) element composition at different locations

由對偶鋼片區域b 的剖面微觀形貌圖（圖7a）可知，區域b 對應剖面邊界上出現了不同于基體內部的組織結構。對線數據9 進行線能譜檢測（如圖7b）發現，鐵元素和氧元素含量在0～1 μm 厚度范圍內有輕微波動，元素含量波動范圍與圖7a 中已發生變化的組織結構厚度相對應。與基體內部相比，該區域鐵元素含量下降，氧元素含量上升。這是由于滑摩過程中產生的摩擦熱使對偶鋼片材料發生塑性變形，溫度升高而被氧化，故磨損表面氧元素含量較基體略高，認為對偶鋼片表面在高溫作用下產生了輕微氧化，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出現裂紋，這是由于氧化層在摩擦熱作用下發生塑性變形，加速了裂紋的產生。圖7c 為區域b 剖面的點能譜檢測結果，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，對偶鋼片和摩擦片之間的微凸體接觸面積小，接觸應力較大，塑性變形較周圍區域大，碳相析出量增加，經過往復摩擦力作用，聚集于表面，故磨損表面碳元素含量有所差異，出現局部碳富集現象。

圖7 對偶鋼片區域bFig.7 Region b of steel disc: a) section micromorphology; b) changes in element content; c) element composition at different locations

由對偶鋼片區域c 的剖面微觀形貌圖（圖8a）可知，區域c 對應剖面邊界上組織結構疏松，并出現了不同程度的剝落坑。由線數據2 處的線能譜檢測結果（見圖8b）可知，區域c 內，鐵元素和氧元素含量在0～8.5 μm 厚度范圍內出現明顯波動，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，對偶鋼片中徑區域受到較大的應力，滑摩表面產生大量摩擦熱，高溫環境下，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，可以認為區域c 發生了氧化磨損。滑摩產生的大量摩擦熱使氧化層出現塑性變形和軟化，這直接加速了氧化物的分層，并間接導致次表面裂紋的萌生。雙層氧化物的出現，導致氧化物沿內氧化物與基體的界面開始剝落[17]，同時裂紋向基體內部擴展，導致氧化膜破碎成塊狀，并產生剝落。由區域c 剖面的點能譜檢測結果（如圖8c 所示）可知，與基體內部相比，磨損表面鐵元素含量下降，氧元素含量上升。這是因為滑摩過程中，沿軸向方向，對偶鋼片表面受到的溫度和應力較基體內部大，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，元素含量波動不明顯。

圖8 對偶鋼片區域cFig.8 Region c of steel disc: a) section micromorphology; b) changes in element content; c) element composition at different locations

2.3 磨損機制分析

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

式中：μ為摩擦系數；FN為對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。根據式(1)可知，滑摩產生的摩擦熱主要與載荷和滑摩速度有關。

摩擦副滑摩過程中，區域a 受到的法向載荷最小，區域b 次之，區域c 最大。摩擦副表面在外力作用下相對滑動時，真實接觸的微凸峰上受到的力往往超過材料的屈服極限，此時材料會出現塑性變形，甚至撕裂，故鋼片接觸表面出現了不同程度的粘著磨損。區域a 和區域d 承受小的載荷，生成的摩擦熱不足以使滑摩表面產生氧化，磨損機制主要為輕微的磨粒磨損。區域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，故磨損機制主要為粘著磨損伴隨輕微的磨粒磨損和疲勞損傷。

區域c 承受較大載荷，滑摩初期產生的大量摩擦熱使該區域生成一定厚度的氧化層，接觸區域材料軟化，并產生塑性變形，氧化膜開始出現裂紋。經過反復滑摩，裂紋擴展，導致氧化膜逐漸脫落。因此滑摩初期，區域c 的磨損機制主要為粘著磨損和磨粒磨損。隨著接合進行，摩擦熱不斷積累，并持續作用到對偶鋼片滑摩表面，在這樣的條件下，磨損表面生成了一些連續的氧化膜。同時，高溫高壓下，雙層氧化物加速形成，磨損表面出現大的塑性變形，次表面生成的裂紋不斷擴展，導致氧化物出現大面積剝落，并形成凹坑。這說明雙層氧化物并不能防止磨損，甚至會加速磨損[17,20]，此時的磨損機制為氧化磨損和疲勞磨損。

3 結論

1）在給定工況下進行試驗后，觀察到磨損表面不同區域出現程度不一的劃痕、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，且應力越大，磨損越明顯。

2）從磨損剖面上觀察，中徑不同區域出現因摩擦熱生成的氧化層。在塑性變形作用下，出現雙氧化層及裂紋，裂紋擴展導致氧化層剝落，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）從整個磨損過程分析，磨損表面出現劃痕，材料軟化發生粘著，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制為粘著磨損伴隨輕微的磨粒磨損。滑摩后期，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制為氧化磨損和疲勞損傷。