攪拌頭轉(zhuǎn)速對球墨鑄鐵/低碳鋼攪拌摩擦搭接接頭強度的影響

鄧子倫

（永城職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系， 河南 永城 476600）

引言

球墨鑄鐵是一種綜合性能特別好的鑄鐵，具有耐磨、減振及缺口應(yīng)力不敏感等優(yōu)點，且生產(chǎn)工藝簡單、性價比較高，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、石油、化工等領(lǐng)域[1-2]，特別是在大型風(fēng)電件、礦機(jī)設(shè)備、發(fā)電件上得到了廣泛的應(yīng)用[3-4]，正在逐漸代替鋼材。球墨鑄鐵已經(jīng)在汽車傳動軸、法蘭和一些設(shè)備的承重梁組件中逐漸替代低碳鋼[5-6]。但在替代過渡過程中必然用到球墨鑄鐵與低碳鋼的焊接。

球墨鑄鐵中不但含碳量高，而且還含有鎂和稀土等阻礙石墨化的元素。因焊接后冷卻速度快，容易導(dǎo)致焊接接頭處出現(xiàn)白口和麻口的萊氏體組織，這嚴(yán)重影響了焊接接頭的強度，球墨鑄鐵與低碳鋼等材質(zhì)的焊接就更加困難[7]。所以目前球墨鑄鐵與低碳鋼的焊接都要選用特殊焊條，并且還要對焊接件進(jìn)行預(yù)加熱，這嚴(yán)重降低了焊接效率、增加焊接成本。

攪拌摩擦焊是一項新的固態(tài)焊接技術(shù)，將轉(zhuǎn)動的攪拌頭插入被焊材料，通過對材料的攪拌、摩擦和頂鍛作用使材料局部產(chǎn)生塑性流動，達(dá)到材料接合的目的。該焊接方法經(jīng)濟(jì)實用，被廣泛應(yīng)用于有色金屬領(lǐng)域，但在黑色金屬焊接領(lǐng)域卻沒有得到廣泛應(yīng)用，近年來才受到重視[8-10]。

球墨鑄鐵焊接過程中容易出現(xiàn)裂紋、孔洞和力學(xué)性能惡化等缺點[11-12]，作者利用攪拌摩擦焊對球墨鑄鐵與低碳鋼實施了搭接焊，研究了攪拌頭轉(zhuǎn)速對接頭強度、宏觀形貌和顯微組織的影響。

1 試樣制備與實驗方法

母材選用鐵素體基球墨鑄鐵和80F 低碳鋼，其厚度分別為1.2 mm 和3 mm，尺寸均為90 mm×40 mm，化學(xué)成分如表1 所示。攪拌頭逆時針方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速ω 分別設(shè)定為60 r/min、70 r/min、80 r/min、85 r/min、90 r/min、1 000 r/min 和1100 r/min，進(jìn)給速度v 均為60 mm/min，實施攪拌摩擦搭接焊。選用平面圓錐型攪拌頭，材料為碳化鎢，攪拌頭軸肩直徑、攪拌針長度和下端直徑分別為12 mm、2.8 mm 和3.6 mm。拉剪試樣尺寸如圖1 所示。

表1 母材化學(xué)成分%

截取接頭橫截面進(jìn)行拋光和4%硝酸酒精溶液腐蝕后，利用JSM-5600 型掃描電鏡觀察其顯微組織，另取試樣只進(jìn)行拋光后利用光學(xué)顯微鏡觀察宏觀形貌。利用RG2000-20 型電子萬能實驗機(jī)進(jìn)行拉剪實驗，夾頭移動速度為2 mm/min，對各參數(shù)試樣進(jìn)行多次拉伸，對多個數(shù)據(jù)求平均值，并給出誤差帶。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 拉剪剝離強度

試樣拉剪剪剝離強度如下頁圖2 所示，攪拌頭轉(zhuǎn)速由低到高變化過程中，試樣拉剪剪剝離強度由1218 N/cm 緩慢下降至1 132 N/cm，當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速超過800 r/min 后，剪剝離強度出現(xiàn)大幅度增大，超過900 r/min 后，增幅放緩，轉(zhuǎn)速1 000 r/min 對應(yīng)的剪剝離強度最大，為3 907 N/cm，超過1 000 r/min 后，剪剝離強度呈緩降趨勢。

2.2 接頭宏觀形貌及顯微組織

圖3 所示為850 r/min、60 mm/min 試樣的宏觀形貌及顯微組織，其中圖3-2 為接頭宏觀形貌。攪拌區(qū)上部經(jīng)動態(tài)再結(jié)晶形成16～20 μm 的等軸鐵素體晶粒，如圖3-1 所示。圖3-2 右上角顯微組織如圖3-3所示，球墨鑄鐵中少量石墨在攪拌摩擦作用下被帶動到頂板中，頂板低碳鋼中，增加了低碳鋼中的碳元素含量，最終在冷卻過程中形成珠光體。攪拌區(qū)中部顯微組織如圖3-5 所示，球墨鑄鐵中的石墨核在塑性流動作用下形成帶狀結(jié)構(gòu)，基體中原有的鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w結(jié)構(gòu)。攪拌摩擦作用未使攪拌區(qū)左右兩側(cè)的接合面良好的接合，如圖3-4 和圖3-6 所示。

圖4 為1 000 r/min、60 mm/min 試樣的宏觀形貌及顯微組織。攪拌區(qū)上部低碳鋼經(jīng)動態(tài)再結(jié)晶形成約20 μm 等軸鐵素體晶粒，如圖4-1 所示。底板鑄鐵在強烈的塑性流作用下，被帶動到頂板中，促進(jìn)二者接合面處材料接合，在接頭的右上角可看到少量帶狀組織，如圖4-3 所示，該處材料以珠光體為主。攪拌區(qū)中部為球墨鑄鐵母材，石墨中的碳元素在攪拌摩擦作用下擴(kuò)散進(jìn)鐵素體，溫度升高至共析轉(zhuǎn)變溫度后，石墨附近的鐵素體基體形成奧氏體[13]，而在后續(xù)冷卻過程轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w和馬氏體如4-5 圖所示。攪拌摩擦的綜合作用使前進(jìn)邊和后退邊附近的接合面接合的更加緊密，如圖4-4 和圖4-6 所示。

通過分析拋光后未經(jīng)腐蝕的接頭橫截面石墨顆粒分布，進(jìn)一步分析接頭組織變化。圖5-1 為600 r/min 試樣宏觀形貌，在劇烈的攪拌摩擦作用下，石墨顆粒沿材料塑性流動方向被拉長形成帶狀，破壞了母材的均勻性，在拉伸剪切實驗中，裂縫沿拉長的石墨延伸并使試樣斷裂，如圖2 所示。850 r/min 試樣宏觀形貌如5-2 所示，接頭右上方出現(xiàn)長條狀石墨聚焦區(qū)，攪拌區(qū)底部存在大量石墨聚集，試樣受拉剪作用時，裂縫從右上方的石墨聚集區(qū)開始延伸至攪拌區(qū)底部石墨聚集區(qū)，使試樣斷裂。1 000 r/min 試樣宏觀形貌如5-3 所示，頂板與底板之間的界限已經(jīng)不太明顯，多數(shù)石墨顆粒分布均勻，高轉(zhuǎn)速攪拌作用破壞了原始的球狀石墨，產(chǎn)生的高溫作用促使石墨核重新形成，重新形成的石墨核增強了接頭的強度，試樣在拉剪作用下最終從低碳鋼處斷裂。

3 結(jié)論

1）固定攪拌頭進(jìn)給速度為60 mm/min，攪拌頭轉(zhuǎn)速超過800 r/min 后，對應(yīng)的接頭拉剪剪剝離強度提高很快，攪拌頭轉(zhuǎn)速1 000 r/min 對應(yīng)的接頭斷裂于低碳鋼母材處，其拉剪剪剝離強度最大，達(dá)到3 907 N/cm；

2）攪拌頭轉(zhuǎn)速過低會使接頭處形成帶狀石墨聚集區(qū)，成為接頭斷裂路徑，降低了接頭強度；

3）提高攪拌頭轉(zhuǎn)速可有效促進(jìn)兩材料接合面接合，且有利于石墨顆粒分布均勻，從而提高接頭強度。