利用摩擦壓接低碳鉻鉬鋼圓棒特性與偏心度探討

吳文玉

（林泉航天電機(jī)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081）

利用摩擦壓接低碳鉻鉬鋼圓棒特性與偏心度探討

吳文玉

（林泉航天電機(jī)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081）

以SCM 415鉻鉬鋼材做摩擦壓接，通過(guò)未經(jīng)熱處理材料相互壓接、未經(jīng)熱處理與經(jīng)熱處理后材料壓接、經(jīng)熱處理后材料相互壓接、未經(jīng)熱處理材料壓接后再施行熱處理等四種壓接條件，探討摩擦壓接后壓接處試棒硬度、偏心量、巨觀和微觀組織變化。

摩擦壓接；抗拉強(qiáng)度

現(xiàn)在摩擦壓接技術(shù)已發(fā)展到不僅同材質(zhì)可壓接，異種材料亦可順利接合，以前不易完成非圓形同相位接合，現(xiàn)也能輕易控制其角度。摩擦壓接是利用回轉(zhuǎn)、加壓機(jī)械能投入，利用摩擦最大目的有兩個(gè)，一是將包含氧化皮膜外部表層強(qiáng)制破壞，另一個(gè)目的即是發(fā)熱。壓接時(shí)首先利用摩擦將接合面氧化皮膜強(qiáng)制破壞，同時(shí)也因摩擦而發(fā)熱，接合面溫度上升，很多情況下產(chǎn)生的最高溫度都在被接合材的融點(diǎn)以下，并將氧化皮膜切斷成相當(dāng)細(xì)微，這些細(xì)微皮膜大部分都隨著毛邊排出到外部，一部分固溶于材料中，氧化皮膜消失金屬表面同時(shí)處于高溫、高加壓狀態(tài)下，結(jié)晶粒的細(xì)微化現(xiàn)象發(fā)生，在壓接的數(shù)秒到數(shù)十秒間產(chǎn)生奈米或微米程度原子發(fā)生擴(kuò)散，摩擦壓接因此產(chǎn)生。文章選擇的SCM415材料常用于傳動(dòng)零件，可施行熱處理使機(jī)械強(qiáng)度提升。

1 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

1.1 材料準(zhǔn)備

本實(shí)驗(yàn)使用低碳鉻鉬鋼（即JIS SCM415）材料，成分如表1所示。分別以未經(jīng)熱處理素材、滲碳熱處理后材料、未經(jīng)熱處理素材與滲碳熱處理后材料作摩擦壓接及素材壓接完成試棒施以滲碳熱處理等條件探討其機(jī)械強(qiáng)度與性質(zhì)。

1.2 摩擦壓接

本實(shí)驗(yàn)接合利用日本日機(jī)制FF-15摩擦壓接機(jī)，設(shè)定摩擦壓力P1為12kg/mm2及壓接壓力P2為17kg/mm2、22kg/mm2、33kg/mm2壓接長(zhǎng)度4.0mm、5.5mm和7.5mm條件進(jìn)行摩擦壓接。于摩擦接合前，接合面均以＃1200SiC砂紙研磨，以去除切割造成的毛邊及熱影響區(qū)，并去除表面氧化物。然后于不同的壓力及長(zhǎng)度變化量等參數(shù)下進(jìn)行未經(jīng)熱處理母材、滲碳熱處理后材料、母材接合后再滲碳熱處理等摩擦壓接，探討熱處理對(duì)壓接件機(jī)械強(qiáng)度影響。摩擦壓接后工件以游標(biāo)卡尺將壓接成品量測(cè)毛邊直徑、寬度并量測(cè)總長(zhǎng)，再與未壓接前長(zhǎng)度比較，計(jì)算壓接短縮量、試棒壓接處硬度、偏心量、巨觀和微觀組織變化。

表1 SCM415成分表

2 結(jié)果與討論

2.1 毛邊直徑

圖1（a）為母材+母材壓接成品毛邊直徑，圖1（b）為母材+已熱處理壓接成品毛邊直徑。因壓接長(zhǎng)度增加使被壓接體積變大而擠出越多毛邊，且壓接壓力增加使流出成毛邊速度變快，由圖顯示毛邊直徑因壓接長(zhǎng)度增加而增加，也因壓接壓力增加而有所增加。

2.2 總長(zhǎng)度減少量

圖2（a）、圖2（b）分別為母材+母材總長(zhǎng)變化量、母材+已熱處理總長(zhǎng)變化量、已熱處理+已熱處理總長(zhǎng)減少量，由于壓接長(zhǎng)度增加，使得被擠壓的體積增加，擠出毛邊也多，由圖我們可以看出總長(zhǎng)度減少量會(huì)因壓接壓力增加而增加，當(dāng)壓接壓力增加超過(guò)10 kg/mm2時(shí)，總長(zhǎng)度減少量亦有明顯增加趨勢(shì)，由圖亦可得知總長(zhǎng)度減少量因壓接長(zhǎng)度增加而有大幅度增加趨勢(shì)。

圖1 不同材料壓接成品毛邊直徑

圖2 不同材料總長(zhǎng)變化量

圖3 （a）（b）SCM415拉伸試驗(yàn)后破斷面

2.3 壓接芯部細(xì)微結(jié)構(gòu)

壓接壓力17kg/mm2壓接長(zhǎng)度4.0mm壓接芯部斷面細(xì)微結(jié)構(gòu)，并比較壓接壓力33kg/mm2，壓接長(zhǎng)度7.5mm壓接芯部斷面細(xì)微結(jié)構(gòu)并未有明顯差異，并可清楚看到壓接時(shí)材料因受軸向壓力，及高溫高熱產(chǎn)生塑性變形流痕，與母材壓縮變形與毛邊發(fā)生理論相合。

2.4 壓接部硬度變化

壓接面為準(zhǔn)向兩側(cè)每間隔1mm測(cè)試其硬度變化，SCM 415未經(jīng)滲碳熱處理素材互接后壓接部硬度變化，壓接處表面硬度由原材料硬度HRC12壓接后上升至HRC34且兩側(cè)隨距離的增加，而硬度漸降呈倒”V”字型趨勢(shì)。SCM415經(jīng)滲碳熱處理材料互接后壓接部表面硬度變化，原素材硬度HRC 12經(jīng)滲碳熱處理后硬度HRC58，摩擦壓接后壓接面表面硬度下降至HRC34，與未經(jīng)滲碳熱處理素材互接后壓接面表面硬度HRC34相當(dāng)，但硬度變化趨勢(shì)卻與其相反呈”V”字型，且于距壓接面兩側(cè)2mm處，發(fā)現(xiàn)瞬間硬度變化較劇情況。再以微硬度試驗(yàn)機(jī)測(cè)試得SCM415素材相互壓接再經(jīng)滲碳熱處理后壓接硬度層變化，亦得到距壓接面2mm處表面硬度急速升高至HRC730。

2.5 破斷面組織觀察

圖3顯示SCM415已熱處理對(duì)已熱處理材料作摩擦壓接，壓接壓力33kg/mm2、壓接長(zhǎng)度5.5mm，拉伸試驗(yàn)后破斷面，圖中巨觀組織3（a）顯示破裂特性為斷面積較不規(guī)則扇形韌性破裂，其中心于壓接時(shí)因壓接時(shí)間和壓接長(zhǎng)度較不足易使軸中心偏一邊產(chǎn)生偏心。3（b）顯示dimple破斷面組織和部分橢圓狀介在物。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)不論熱處理與否，壓接后壓接部硬度和抗拉強(qiáng)度均高于原熱處理前母材，且摩擦壓接后再行熱處理，不僅母材硬度強(qiáng)度提升，且壓接部位硬度強(qiáng)度也相對(duì)提高。并發(fā)現(xiàn)材料摩擦壓接后再行熱處理，其接合部熱影響區(qū)已不明顯，與原母材熱處理一致。且偏心度隨壓接條件鍛壓時(shí)間和鍛壓長(zhǎng)度增加而有減少趨勢(shì)，且破斷面更為細(xì)致和強(qiáng)化。SCM 415摩擦壓接所生毛邊直徑會(huì)隨壓接壓力及壓接長(zhǎng)度增加而增加。總長(zhǎng)度則因塑性變形區(qū)域的厚度與形狀增加，及壓接壓力和壓接長(zhǎng)度增加其總長(zhǎng)度明顯減少，而呈現(xiàn)毛邊寬度直徑變大。SCM 415經(jīng)滲碳熱處理材料互接后壓接部表面硬度變化，因壓接時(shí)產(chǎn)生高熱具熱斷壓熱機(jī)恢復(fù)與重溶作用，使接合面硬度與表面相差較大有下降趨勢(shì)，但硬度變化趨勢(shì)卻與其相反呈”V”字型，且于距壓接面兩側(cè)2 mm處，發(fā)現(xiàn)瞬間硬度變化較劇情況破裂斷面積較規(guī)則扇形韌性破裂，其中心于壓接時(shí)因壓接時(shí)間較長(zhǎng)和壓接長(zhǎng)度較長(zhǎng)易使軸中心較不易產(chǎn)生偏心。

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A Study of Properties and Eccentricity of SCM415 Round Bar Welded by Friction Welding

WU Wen-yu
(Nymphs Aerospace electrical co.,LTD.,Guiyang,Guizhou 550081,China).

based on the friction welding for SCM 415 chrome molybdenum steel,throught welding jointly unheated materials,unheated and heated materials,heated materials and heating the unheated materials which have been welded, this paper investigated the hardness,eccentricity,the changes ofmacroscopic and microscopic organizations of the test bar after friction welding.

friction welding;tensile strength

TG142.15

A

2095-980X（2015）02-0072-02

2015-01-14

吳文玉(1981-)，男，湖南省汝城人，大學(xué)本科，工程師，主要研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電機(jī)工藝。