球墨鑄鐵之銲接性一直是工程界亟待解決的問題

第二章 文獻探討

2-1 鐵-碳合金材料簡介

純鐵的強度低，所以不能作為需要強度的構造材料，而為了要增加它的 強度，或者賦予特殊的性能，通常會在鐵中加入碳作成合金，以便改良它的 性質，這種合金就是所謂的鋼和鑄鐵。鋼和鑄鐵都是鐵和碳的合金，這兩者 的分別在於它的含碳量，如圖2-1所示，實用上含碳量 0.02~2%的 Fe-C 合金 稱之為鋼(steel)，含碳量 2%以上的 Fe-C 合金叫做鑄鐵(cast iron)，含碳量 0.02 以下的 Fe-C 合金叫做鐵或純鐵(iron or pure iron) ^[8]。

2-2 球墨鑄鐵簡介

球墨鑄鐵於 1948 年由 BCIRA 所發明^[9]，其結合了灰口鑄鐵的主要優點(低 熔點、良好的流動性及鑄造性、優異的切削性、良好的耐磨性)和鋼在工程 上的優點(高強度、靭性、延性、熱處理性)，所以廣泛應用於各類機械零件，

如內燃機曲軸、凸輪軸、汽車離合器和底盤零件、機械中的閥體、液壓元件、

鑄管、軋輥和鋼錠模等^[10-11]。

球墨鑄鐵的製作過程，是在一般鑄鐵融液中，添加球化劑(鎂或鎂合金) 加以處理後，在鑄造狀態下析出球狀石墨組織。又適當地調節鑄鐵的成份 時，可以使得鑄鐵的基地成為波來鐵或肥粒鐵組織，而能得到強靭性差不多 和鋼相同的鑄件。球墨鑄鐵中的石墨形成球狀後，因表面積與體積之比小，

所以應力集中現象較不明顯，進而使得球墨鑄鐵中，金屬基體的強度和靭性 可以得到充分的發揮。球墨鑄鐵與一般鑄鐵相比，其具有較高的強度，和較 好的塑性和靭性^[8]。

球墨鑄鐵之銲接性一直是工程界亟待解決的問題。由於其含碳量較一般 碳鋼高出許多，在銲接熔融過程中，碳會擴散進入沃斯田體(austenite)相，

形成高碳之沃斯田鐵，熔融完成後由於急速的冷卻凝固，則會形成硬脆之麻

田散鐵(martensite)與雪明碳鐵等組織，此一結果會造成銲件之延性劣化與後 加工的問題^[12-14]。一些研究也希望藉由預熱、銲後退火及改變銲條熔融方式 等方法，來消除或降低因熔融銲接後重熔凝固區的硬脆相，但效果相當有限

[15,16]。

2-3 摩擦攪拌銲接

2-3-1 摩擦攪拌銲接之簡介與原理

摩擦攪拌銲接(friction stir welding, FSW)技術係在 1991 年，由 Wayne Thomas 於英國銲接研究中心(the welding institute, TWI)發表的一種新式銲接 製程技術^[2]。其原理係利用銑床高速旋轉攪拌桿，將攪拌桿中的凸梢(probe) 旋入材料並藉攪拌而生成塑性流，使受到摩擦攪拌的材料具備相當的流動性 以進行接合。在整個銲接過程中，銲道的溫度始終維持約 0.8 絕對熔點溫度 (T_m)而未達銲件熔點^[2]，所以在接合部位並未產生熔融的現象，僅是單純發 生組織變化(或相變態)。故不會有傳統銲接方式的諸多缺點，如：孔洞的生 成、銲後成分改變或外觀嚴重變形、材料熔融後濺出等；且具有操作容易、

異質接合^[17]等優點，是當前頗具潛力的接合技術。

2-3-2 摩擦攪拌銲接之製程

摩擦攪拌銲接製程如圖2-2所示^[18]，係使用非消耗性高強度圓鋼棒做為 攪拌桿，其前端為肩部(shoulder)並延伸出一凸梢或探針(pin or probe)，凸梢 之長度稍少於欲銲工件之厚度。銲接時銲件對接並使用夾具固定於機器床台 或工作台上，攪拌桿在高轉速下旋轉，凸梢壓入欲接合部位，下壓至凸肩接 觸到工作表面為止。下壓的過程中，經由攪拌桿摩擦攪拌所產生的摩擦熱，

加熱其周圍之金屬，使溫度升高至待銲件塑性變態的溫度狀態。隨著攪拌桿 的旋轉與移動，凸梢沿接合線對材料產生攪動作用，將塑性變形層兩邊的材 料攪拌在一起，待冷卻後即形成緻密的銲道並使工件產生接合的效果^[18]。在

接合的過程中，攪拌桿肩部緊密地與工件表面接觸，除提供摩擦熱外，對塑 性變形層亦有拘束作用，避免材料從銲道上方被擠出。

2-3-3 摩擦攪拌銲接之優點

摩擦攪拌銲接屬於固態銲接，具有三大治金上的優勢；首先，沒有液- 固相變，所以不會產生凝固裂縫；其次，合金元素於銲接過程中不會燒毀或 蒸發；最後，因為擠壓、鍛壓、攪拌作用使得銲道產生精緻細化的等軸晶粒。

而與傳統電弧銲接比較，具有下列所述優點^[19,20,21]： 1. 沒有煙氣、噴濺物、UV 輻射，因此銲接環境良好。

2. 沒有填料或遮蔽氣體的需求。

3. 銲接變形小、殘留應力小與抗疲勞強度高。

4. 不需要填加合金元素，適合異種金屬材料對接。

5. 使用機具加工技術，易於自動化。

6. 能在銲件任何方位上銲接，可適用於對接(butt)、搭接(lap)、T 型接合、

邊緣及角落銲接等多種幾何形狀的接合。

7. 以鋁合金為例，能夠得到與傳統銲接法等值甚至超出的機械性質。

2-3-4 摩擦攪拌銲接銲道流動行為

摩擦攪拌銲接依攪拌桿旋轉方向與前進方向的相互關係，銲道可分為進 給邊(advancing side)與退出邊(retreating side)，如圖2-3 所示^[22]。在攪拌桿往 接合線方向前進時，旋轉方向與前進方向相同側稱之為進給邊；旋轉方向與 前進方相反側稱之為退出邊。

Guerra 等人^[23]利用摩擦攪拌對接鋁合金加入銅箔片於接合線內，藉由銅 箔與鋁合金顏色差異性來觀察材料流動行為，發現進給邊(advancing side)前 方的材料被帶入旋轉區域後，與凸梢一起轉動並回填到後方行進過的區域，

而後退邊(retreating side) 銲道材料只被凸梢的旋轉所移動，但並未繞著凸梢

旋轉，此邊的材料隨後被用於填補入先前形成的空洞。

Lee 等人^[24]指出在鑄造 A356 與鍛造 6061 鋁合金異種金屬接合的實驗中 發現：銲道攪拌區(stir zone)的微觀組織及機械性質，主要是由固定在退出邊 的物質所構成。即退出邊的物質對銲道的微觀組織與機械性質影響較大。

Karlsson 等人^[25]在 5083 與 6082、2024 與 5083 異質鋁合金 FSW 接合實驗中 發現：銲後材料之機械性質亦隨著固定在退出邊物質的不同而不同。

Arbegast ^[26] 提出理想的摩擦攪拌銲接銲道製程，是在銲道擠製區寬度 能充分造成材料流動，恰好使材料回填到攪拌凸梢後方的孔洞，形成一鍛造 區域，如圖2-4、2-5所示。摩擦攪拌製程銲道周圍所產生的材料塑性流動，

可被視為一鍛造與擠製的過程^[2]。

摩擦攪拌銲接的材料流動行為相當的複雜，如圖 2-6 所示，第 1、2 種 塑性流場(flow fields)，是由攪拌桿凸梢在高速迴轉及橫向進給時，所產生的 平面流動方式，沒有上下移動的情況；而第 3 種塑性流場即環狀漩渦流(或 稱 maelstrom)環繞著凸梢，它使金屬塑流在凸梢附近上下移動，此為螺紋型 凸梢所驅使產生的封閉迴路，流動過程依序為從凸梢的底部到外緣、接著流 動到凸梢上側外緣，最後再回到凸肩下方連接凸梢邊緣處；此等量的線型流 (epuivalent streamilines)會形成甜甜圈(donut)或煙圈(smoke-ring)等形狀，圍繞 在凸梢周圍附近。此種塑流如與前兩種流場重疊包覆在一起，會引起非常複 雜的流動^[27]。

圖2-7為右螺紋攪拌探針逆時針旋轉摩擦攪拌銲接橫截面材料流動行為

[26]，起初肩部凹槽與螺紋作用，使接近銲道表面的材料開始流動，在前進邊 的材料一部份被往下帶，另一部份則在近表面處往後退邊帶，之後在給進邊 部份的金屬材料流，會在銲道頂部下三分之一處形成分流；接著材料被螺紋 作用往銲道底部流動，材料填於後退邊，同時後退邊形成流臂(flow arm)將 一部份材料往前進給邊帶，另一部份材料往洋蔥環區域帶與前進邊材料匯流 混合形成層狀洋蔥環結構，至於銲道最底部區域，因為攪拌探針為右螺紋逆

時針旋轉機制，加上攪拌凸梢最底部無螺紋作用，此層材料只會水平旋轉流 動不會垂直上下流動。

2-3-5 摩擦攪拌銲接銲道橫截面區域之金相觀察

由巨觀上觀察，當摩擦攪拌銲接工作完成後，會在銲道接合處的橫截 面，形成 A、B、C、D 四個顯微結構區^[28,29]，如圖2-8所示，其名稱與性質 分 述 如 下 ： A 區 為 母 材 (base metal, BM) 或 非 塑 性 影 響 區 (unaffected material)：此處的材料未受到 FSW 銲接過程影響，即原始施銲之材料。B 區 為熱影響區(heat affected zone, HAZ)：介於母材和熱機影響區之間，在熱影 響區的晶粒並沒有受到 FSW 銲接過程中攪拌桿旋轉與塑性變形的影響，其 晶粒組織與母材相似，但因受摩擦熱造成晶粒成長，通常此一區域的平均晶 粒尺寸，會由原本之晶粒再結晶，並進一步成長至更粗大的晶粒，而使得機 械性質因晶粒尺寸增加而變差。C 區為熱機影響區(thermo-mechanically affected zone, TMAZ)：介於攪拌區與熱影響區之間，為一既受熱影響又產生 變形的區域，具高變形組織。推進邊與退出邊兩側的微觀構造略有不同。D 區 為 攪 拌 區 或 動 態 再 結 晶 區 (stir zone, SZ or dynamically recrystallised zone)：位於銲道中央，直接受攪拌桿的攪拌、擠壓、鍛壓等激烈變形的影 響，為塑性變形後所產生的動態再結晶區，此區域特徵為具有微細之等軸再 結晶晶粒，有助於銲道強度增強作用。

2-3-6 摩擦攪拌銲接可控制變化之主要參數

摩擦攪拌銲接可控制之參數，包括：攪拌桿材質與外形、銲接材料、攪 拌桿下壓至母材的壓力及深度、攪拌桿轉速、銲接進給速度、攪拌桿轉向、

攪拌桿傾角，以上為主要可控制銲接參數。

1. 攪拌桿轉速參數變化：將攪拌桿轉速提高，攪拌桿與銲接材料的摩擦就 會越激烈，相對在銲接過程中熱輸入量就會越高。反之轉速減低則熱輸

入量越低。

2. 進給速率參數變化：即進給速度(mm/s)越快，攪拌桿停留在一段區間內 的時間就愈短，表示在相同時間內對於銲道的熱輸入量就越低。反之進 給速率越低，熱輸入量越高。

3. 攪拌桿凸梢的幾何形狀：變化攪拌凸梢上的螺紋為參數，螺紋對於銲道 內部材料流動變化有渦流、垂直和水平旋轉流動；加上螺紋的作用會產 生剪力，銲道的晶粒受塑性變形與剪力作用，使晶粒更容易均勻攪細

[30]。所以變化攪拌捍凸梢的形狀對於銲道晶粒結構和外形會有明顯不 同。

4. 攪拌桿轉向的參數變化：摩擦攪拌銲接攪拌凸梢上的螺紋旋向會因轉向 的不同(順時針或逆時針旋轉)，銲道的形狀也會跟著不同；而在異種材 接合時，因攪拌桿凸梢轉向不同的關係，也會造成異種材在銲道內部的 塑流分佈不同情況產生。

5. 攪拌桿下壓深度參數：攪拌桿上的肩部接觸母材的下壓深度與進給速度 有最佳關係，更影響製程的成功與否。

6. 攪拌桿傾角參數變化：攪拌桿傾角對於銲接過程中，產生各軸向分力，

對於材料流動的填補有著相當程度的影響。

2-4 再結晶之特性

在溫度較低時，因為原子的擴散較不容易，只能靠著空孔或差排的移 動，來降低材料經過大量的塑性變形後，內部所累積大量的應變能，但在溫 度提高的情況下，原子可充分地進行擴散及重新排列，就會形成差排量少之 新晶粒成核與成長的現象，新成長的晶粒多成核於舊晶粒晶界處，此現象即 所謂的再結晶。由再結晶所產生的晶粒其內部的差排密度低^[31,32]，甚至無差 排，由於差排密度降低，使得材料延性提高，強度下降。再結晶晶粒會在舊 晶粒界、過渡帶(transition band )、剪切帶(shear band)以及大的第二相顆粒等

高應變能處成核^[33,34]。

靜態再結晶(static recrystallization, SRX)是在變形後或變形之後，加以退 火所產生的再結晶行為，其成核的驅動力是來自於兩相鄰晶粒間之應變能 差，也就是當晶界兩邊的晶粒，其內部差排密度不同時，將促使再結晶開始 成核，形成一個具有完整晶格的新晶核。靜態再結晶發生的區域通常是在高 度晶格扭曲的位置，當再結晶晶界掠過充滿差排的晶粒，其掠過的區域將重 新排列成一個完美晶格的晶粒。

動態再結晶(dynamic recrystallization, DRX)一般是發生在材料高溫塑性

變形時^[33,35]。當材料發生塑性變形時，材料會硬化，而動態再結晶的產生，

將會使材料軟化，降低材料變形時的塑流應力(flow stress)。DRX 的發生受 到相當多因素影響，如材料純度、溫度、應變量及應變速率等^[36]。整體而言，

應變速率及溫度的上升會促進 DRX 之發生；當再結晶形成時，晶粒內部是 一完整晶格，因此當它的晶界掠過差排密度很高得區域時，會使差排密度下 降至零，可是隨著塑性變形的增加，新的晶粒內的差排密度又逐漸增加，所 以我們可以發現在新的晶粒內部遠離晶界的地方，差排密度會與被晶界掠過 的區域一樣。

根據動態再結晶的特性又可分為連續動態再結晶(continuous dynamic recrystallization, CDRX) 與 不 連 續 動 態 再 結 晶 (discontinuous dynamic recrystallization, DDRX)。而在文獻^[28,37]中指出 FSW 產生的效應為連續動態 再結晶，如圖 2-9 所示。CDRX 與 DDRX 的差異主要是指再結晶晶粒成核 後，晶粒成長狀況的不同而言。DDRX 會因為再結晶後，後續變形所引進的 差排會降低再結晶晶粒進一步成長的驅動力而抑制再結晶晶粒的成長；而 DDRX 的晶粒成長速率較 CDRX 快，且容易受不純物(impurity)的影響^[34]。 疊差能(stacking fault energy)可影響材料內部差排爬升的速率，進而控制 產生次晶界的速率，即較高疊差能之金屬所產生的差排較容易滑移。因此，

高疊差能的金屬及 BCC、HCP 結構的金屬由於多邊形(polygoniztion)化容易

產生^[10]，而不容易產生動態再結晶的現象；相反地，低疊差能的金屬如 FCC 結構合金(Cu、Ni 等)由於差排爬升速率較慢，不容易形成多邊形結構^[38]，所 以差排密度得以累積，由於差排密度的差異為再結晶的驅動力之一，所以產 生的差排密度足夠在變形過程中使再結晶晶粒成核，因此較易產生動態再結 晶，動態再結晶的階段示意圖如圖2-10 ^[33]所示。此種動態再結晶通常藉著 高角度晶界(大於 15 度)的生成而消除大量的差排，且晶界的取向差界會隨著 應變的增加而增加^[28,33]。

2-5 球墨鑄鐵之再結晶行為

Cheng 等^[39]人曾對肥粒鐵基球墨鑄鐵進行 500~900℃之高溫拉伸試驗，

以探討其高溫塑性變形行為，如圖2-11所示。結果發現拉伸溫度約在 700℃

以上時，拉伸變形之肥粒鐵基地中產生動態再結晶。動態再結晶現象的發生 受拉伸溫度、應變速率以及基地微觀組織影響。拉伸溫度較高、應變速率較 低、微觀組織細化等條件對動態再結晶之發生有促進作用，如表2-1所示。

而肥粒鐵基球墨鑄鐵在拉伸變形過程發生動態再結晶之臨界溫度約為 700℃

左右。先前研究曾探討球墨鑄鐵在反覆溫度劇烈變化下之熱疲勞行為^[40]，發 現在最高加熱溫度 800℃時熱循環過程所導致之高溫變形現象，亦由於熱誘 發應變作用使肥粒鐵基地產生再結晶作用，如圖 2-12 所示。前述之動態再 結晶特性應與摩擦攪拌接之銲道塑性變形特徵存在密切關係。

2-6 鐵-碳金屬之摩擦攪拌銲接相關研究

目前有許多研究報告已針對鐵-碳金屬板材之摩擦攪拌銲接進行冶金分 析，包括 AISI 1018 碳鋼、SS400 碳鋼、304 不銹鋼等，主要在探討同種材 或異種材在經 FSW 接合後，其析出物及微觀組織變化所造成的影響。

Lienert^[41] 等人利用摩擦攪拌銲接對 AISI 1018 碳鋼板材進行對接接 合，其使用碳化鎢所製成的攪拌桿，以轉速 450~650 rpm 及銲接進給率

0.42~1.68 mm/s 為製程參數進行施銲，由實驗結果可觀察到其攪拌區域內的 晶粒結構明顯細化，使得銲道區域中可明顯分辦出攪拌區(SZ)、熱機影響區 (TMAZ)及熱影響區(HAZ)等三個顯微結構區，這也使得銲道的機械性質有 明顯的提升；此結果說明了摩擦攪拌銲接不僅適用於鋁、鎂、銅等金屬，也 可以運用於碳鋼板材的銲接接合上，且接合效果也相當優異。Thomas^[42]等 人成功的將肥粒鐵系不銹鋼以摩擦攪拌銲接方式作接合，且獲得良好的接合 品質，此研究結果更提升了摩擦攪拌銲接的應用範圍。Park^[43]等人則利用摩 擦攪拌銲接對 304 不銹鋼板材進行對接接合，探討 FSW 製程對 304 不銹鋼 銲道的敏化現象的程度，並與 GTAW 銲接法作一比較；其實驗結果發現 304 不銹鋼在經過 FSW 製程後，其熱影響區的敏化作用的程度明顯降低許多，

但在攪拌區進給邊位置有σ相的形成，所以此處出現了嚴重的侵蝕現象。

摩擦攪拌銲接在鐵-碳合金的異質接合研究方面，Chen ^[44]及陳冠佑 ^[45]

等人探討 AISI 1018、SS400 碳鋼與 6061 鋁合金的異種接合，研究結果發現 FSW 製程可控制其 Fe/Al 介質層金屬間化合物形成量，有助於銲道強度的增 強，並且利用攪拌桿凸梢偏移的方式來進行施銲，因凸梢偏移量的不同，進 而改變了銲道區域內部的組織成份。在熱軋低碳鋼與 304 不銹鋼摩擦攪拌對 接方面，林偉邦^[46]等人以銲道表面平整與否作為認定是否為適當之摩擦拌接 合參數的評定依據，結果發現摩擦攪拌銲接對接時，304 不銹鋼置於進給側 的位置，其銲道外觀較為平整；而銲後的橫向抗接強度值，都較原先熱軋低 碳鋼片母材強度高，斷裂位置多在熱軋低碳鋼母材上，銲道接頭抗拉強度也 可較 304 不銹鋼母材高。

表 2-1 拉伸溫度及應變速率對矽含量 3.9wt%之球墨鑄鐵再結晶 發生的影響(true strain = 0.6~0.7)^[39]

圖 2-1 Fe-C 平衡圖^[1]

圖 2-3 銲道進給邊與退出邊示意圖^[22]

圖 2-2 摩擦攪拌銲接製程之示意圖^[18]

板片A 板片B

銲道 攪拌桿 銲

接 方 進給邊 向

advancing side) 退出邊

retreating side)

圖 2-4 摩擦攪拌銲接擠塑區的材料流動模型 ^[26]

Welding direction

圖 2-5 摩擦攪拌銲接擠塑區分佈^[26]

圖 2-6 三種流場模式合成環繞凸梢的塑流^[27]

(1)Rigid body rotation (2)Uniform translation (3)Ring vortex

Three incompressible flow fields

Retreating side

Advancing side

Maelstrom current Straight-Through

current

Two resultant currents

圖 2-7 摩擦攪拌銲接橫截面材料流動模型^[26]

A：母材(Parent Metal, PM)

B：熱影響區(Heat Affected Zone, HAZ)

C：熱機影響區(Thermomechanically Affected Zone, TMAZ)

D：攪拌區或動態再結晶區(Stir Zone, SZ or Dynamically Recrystallized Zone)

無比例尺 攪拌桿肩部寬度

A A B B C C

D

圖 2-8 FSW 銲道橫截面顯微結構示意圖^[28,29]

圖 2-9 摩擦攪拌銲接鋁鋰合金的動態再結晶結構^[37]

圖 2-10 動態再結晶階段示意圖：(a)動態再結晶在晶界 處開始成核；(b)、(c)由晶粒形成的項鍊狀結構；

(d)完全再結晶形成與(e)較大的再結晶晶粒示意 圖^[31]

圖 2-11 不同矽含量砂模鑄造試片拉伸性質與溫度之依存性：(a)5%

圖 2-12 球墨鑄鐵在最高加熱溫度 800℃之熱循環過程時 肥粒鐵基地產生再結晶^[40]