利用摩擦壓接低碳鉻鉬鋼圓棒特性與偏心度探討

吳文玉

（林泉航天電機有限公司，貴州 貴陽 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

（林泉航天電機有限公司，貴州 貴陽 550081）

以SCM 415鉻鉬鋼材做摩擦壓接，通過未經熱處理材料相互壓接、未經熱處理與經熱處理后材料壓接、經熱處理后材料相互壓接、未經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；抗拉強度

現在摩擦壓接技術已發展到不僅同材質可壓接，異種材料亦可順利接合，以前不易完成非圓形同相位接合，現也能輕易控制其角度。摩擦壓接是利用回轉、加壓機械能投入，利用摩擦最大目的有兩個，一是將包含氧化皮膜外部表層強制破壞，另一個目的即是發熱。壓接時首先利用摩擦將接合面氧化皮膜強制破壞，同時也因摩擦而發熱，接合面溫度上升，很多情況下產生的最高溫度都在被接合材的融點以下，并將氧化皮膜切斷成相當細微，這些細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處于高溫、高加壓狀態下，結晶粒的細微化現象發生，在壓接的數秒到數十秒間產生奈米或微米程度原子發生擴散，摩擦壓接因此產生。文章選擇的SCM415材料常用于傳動零件，可施行熱處理使機械強度提升。

1 實驗方法與步驟

1.1 材料準備

本實驗使用低碳鉻鉬鋼（即JIS SCM415）材料，成分如表1所示。分別以未經熱處理素材、滲碳熱處理后材料、未經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械強度與性質。

1.2 摩擦壓接

本實驗接合利用日本日機制FF-15摩擦壓接機，設定摩擦壓力P1為12kg/mm2及壓接壓力P2為17kg/mm2、22kg/mm2、33kg/mm2壓接長度4.0mm、5.5mm和7.5mm條件進行摩擦壓接。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，并去除表面氧化物。然后于不同的壓力及長度變化量等參數下進行未經熱處理母材、滲碳熱處理后材料、母材接合后再滲碳熱處理等摩擦壓接，探討熱處理對壓接件機械強度影響。摩擦壓接后工件以游標卡尺將壓接成品量測毛邊直徑、寬度并量測總長，再與未壓接前長度比較，計算壓接短縮量、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度增加而增加，也因壓接壓力增加而有所增加。

2.2 總長度減少量

圖2（a）、圖2（b）分別為母材+母材總長變化量、母材+已熱處理總長變化量、已熱處理+已熱處理總長減少量，由于壓接長度增加，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度減少量會因壓接壓力增加而增加，當壓接壓力增加超過10 kg/mm2時，總長度減少量亦有明顯增加趨勢，由圖亦可得知總長度減少量因壓接長度增加而有大幅度增加趨勢。

圖1 不同材料壓接成品毛邊直徑

圖2 不同材料總長變化量

圖3 （a）（b）SCM415拉伸試驗后破斷面

2.3 壓接芯部細微結構

壓接壓力17kg/mm2壓接長度4.0mm壓接芯部斷面細微結構，并比較壓接壓力33kg/mm2，壓接長度7.5mm壓接芯部斷面細微結構并未有明顯差異，并可清楚看到壓接時材料因受軸向壓力，及高溫高熱產生塑性變形流痕，與母材壓縮變形與毛邊發生理論相合。

2.4 壓接部硬度變化

壓接面為準向兩側每間隔1mm測試其硬度變化，SCM 415未經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且兩側隨距離的增加，而硬度漸降呈倒”V”字型趨勢。SCM415經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，與未經滲碳熱處理素材互接后壓接面表面硬度HRC34相當，但硬度變化趨勢卻與其相反呈”V”字型，且于距壓接面兩側2mm處，發現瞬間硬度變化較劇情況。再以微硬度試驗機測試得SCM415素材相互壓接再經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已熱處理對已熱處理材料作摩擦壓接，壓接壓力33kg/mm2、壓接長度5.5mm，拉伸試驗后破斷面，圖中巨觀組織3（a）顯示破裂特性為斷面積較不規則扇形韌性破裂，其中心于壓接時因壓接時間和壓接長度較不足易使軸中心偏一邊產生偏心。3（b）顯示dimple破斷面組織和部分橢圓狀介在物。

3 結語

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

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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，大學本科，工程師，主要研究方向：結構設計、電機工藝。