CN102655977B

CN102655977B - 被覆旋转工具

Info

Publication number: CN102655977B
Application number: CN201080057562.XA
Authority: CN
Inventors: 森口秀树; 内海庆春; 宫崎博香
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2009-12-17
Filing date: 2010-12-13
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2030-12-13
Also published as: JPWO2011074530A1; US8701964B2; WO2011074530A1; JP2015098061A; EP2514552A4; EP2514552A1; KR20120093362A; KR101344170B1; US20120248175A1; CN102655977A; US20140084044A1; US8978957B2

Abstract

本发明提供了一种摩擦搅拌焊接用工具（1），其能够促进被接合材料在接合过程中的温度的升高，从而实现短时间内的摩擦搅拌焊接，并且其被覆层（3）具有优异的绝热性能、耐氧化性和耐磨性。具体而言，本发明公开了一种摩擦搅拌焊接用工具（1），其包括基材（2）和形成于所述基材（2）上的被覆层（3），其中所述被覆层（3）由一层或多层形成，并且所述被覆层（3）中的至少一层的透热率小于或等于5000J/s^0.5·m²·K。

Description

被覆旋转工具

技术领域

本发明涉及一种摩擦搅拌焊接用工具。

背景技术

1991年，在英国建立了接合诸如铝合金等金属材料的摩擦搅拌焊接技术。该项技术用于接合金属材料，并且通过以下方式进行：使在顶端具有小直径突起的圆柱状摩擦搅拌焊接用工具压紧被接合的金属材料的接合面，并且使该摩擦搅拌焊接用工具旋转，产生摩擦热，并且利用该摩擦热使金属材料的接合部分软化并且发生塑性流动（日本国家专利公开No.07-505090（PTL1））。

在本文中，“接合部分”是指，需要通过将金属材料对接或将一块金属材料置于另一块金属材料之上来接合金属材料的接合界面部分。在该接合界面附近，金属材料被软化并发生塑性流动，并且该金属材料得到搅拌。结果，接合界面消失并且进行接合。此外，金属材料同时发生动态再结晶。由于此动态再结晶，接合界面附近的金属材料变为细颗粒，由此该金属材料能够以高强度进行接合。

当使用铝合金作为上述金属材料时，塑性流动在大约500℃的较低温度下发生。因此，即使在使用由廉价工具钢制成的摩擦搅拌焊接用工具时，工具也很少磨损，并且不需要频繁更换摩擦搅拌焊接用工具。因此，在摩擦搅拌焊接技术中，接合铝合金所需的成本低。因此，摩擦搅拌焊接技术已经替代熔融并接合铝合金的电阻焊接法，在多种实际应用中被用作接合铁路车辆、车辆或飞机部件的技术。

目前，摩擦搅拌焊接技术主要应用于在较低的温度下发生塑性流动的非铁金属，例如铝合金或镁合金。在接合所需的成本和时间、接合部分的强度等方面，这种摩擦搅拌焊接技术优于电阻焊接法。因此，不仅需要将摩擦搅拌焊接技术应用于在低温下发生塑性流动的材料的接合中，还需要将其应用于在1000℃或更高的高温下发生塑性流动的铜合金或钢材的接合中。

然而，当将摩擦搅拌焊接技术应用于钢材时，在接合期间，摩擦搅拌焊接用工具本身暴露在高温下。结果，摩擦搅拌焊接用工具发生塑性变形，并且该摩擦搅拌焊接用工具与被接合材料接触的部分容易氧化并且磨损，这导致工具寿命明显缩短。

为了试图解决上述问题，（例如）日本专利特开No.2003-326372（PTL2）公开了一种摩擦搅拌焊接用工具，其中该摩擦搅拌焊接用工具与被接合材料发生接触的部分的表面被覆有金刚石膜，由此增加了表面硬度，抑制了作为被接合从材料的低熔点轻质合金成分（例如Al合金或Mg合金）与摩擦搅拌焊接用工具的焊接，并且延长了工具寿命。根据PTL2中所公开的摩擦搅拌焊接用工具，可以提高其表面的耐磨性，并且可以延长工具寿命。

然而，金刚石膜的导热率极高。因此，由摩擦搅拌焊接用工具旋转而产生的摩擦热一部分逸散到摩擦搅拌焊接用工具侧，并且摩擦热难以充分传导至被接合材料侧。结果，从使摩擦搅拌焊接用工具的小直径突起压紧被接合材料直到发生塑性流动，需要大量的时间。

在对高温下发生塑性流动的材料进行接合的情况中，摩擦搅拌焊接用工具必须高速旋转，从而使被接合材料的温度上升加快。因此，如果在被接合材料发生塑性流动之前耗费时间，则不能享受摩擦搅拌焊接技术能够降低接合所需的成本和时间的优点。为了尝试解决上述问题，日本国家专利公开No.2003-532542（PTL3）公开了一种提供热流屏障从而使热量不会传导至摩擦搅拌焊接用工具的轴部分的技术。如上文所述的热流屏障的设置使得摩擦热集中在被接合材料上。

为了试图抑制摩擦搅拌焊接用工具的表面的劣化，日本专利特开No.2005-152909（PTL4）公开了一种摩擦搅拌焊接用工具，其包括设置在基材上的底层，以及设置在该底层上的由TiN、TiAlN等制成的抗粘着覆膜。根据此摩擦搅拌焊接用工具，即便长期使用，也可以防止被接合材料中的金属成分（铝）的粘着，因此可以持续进行稳定的加工。

引用列表

专利文献

PTL1：日本国家专利公开No.07-505090

PTL2：日本专利特开No.2003-326372

PTL3：日本国家专利公开No.2003-532542

PTL4：日本专利特开No.2005-152909

发明内容

技术问题

然而，当使用PTL4中所描述的具有抗粘着覆膜的摩擦搅拌焊接用工具对诸如钢等熔点大于或等于1000℃的难接合材料进行加工时，摩擦搅拌焊接用工具的表面暴露在1000℃或更高的高温下，所产生的摩擦热热传导至基材，因此基材容易发生塑性变形。因此，不能够获得足够长的工具寿命。

特别地，PTL4中的抗粘着覆膜具有高的透热率。因此，由相对于被接合材料旋转而产生的摩擦热被热传导至基材，并且摩擦热不能够充分地传送至被接合材料。因此，在被接合材料的温度升高和发生塑性流动之前耗费了时间。

鉴于上述情况完成了本发明，本发明的目的是提供一种摩擦搅拌焊接用工具，该工具能够加速被接合材料在接合过程中的温度升高，并且能够在短时间内使得被接合材料发生塑性流动，从而实现有效的摩擦搅拌焊接，使得在低旋转速度下进行优异的接合，并且具有优异的耐氧化性和耐磨性。

解决问题的手段

本发明的摩擦搅拌焊接用工具包括基材和形成于所述基材上的被覆层，其中所述被覆层由一层或多层形成，并且所述被覆层中的至少一层的透热率小于或等于5000J/s^0.5·m²·K。优选地，所述被覆层中厚度最大的层的透热率小于或等于5000J/s^0.5·m²·K。

优选地，所述被覆层包括一层或多层第一绝热层，所述第一绝热层的透热率小于或等于5000J/s^0.5·m²·K，并且由以下化合物或该化合物的固溶体形成，所述化合物为Al和选自由Ti、Si、Zr、Hf和Cr组成的组中的至少一种或多种元素的氮化物或氧化物，并且所述Al与包含在所述第一绝热层中的金属元素的原子比大于或等于60％。

优选地，所述被覆层包括一层或多层第二绝热层，所述第二绝热层的透热率小于或等于5000J/s^0.5·m²·K，并且由以下化合物或该化合物的固溶体形成，所述化合物为Si和选自由Al、Ti、Zr、Hf和Cr组成的组中的至少一种或多种元素的氮化物或氧化物，并且所述Si与包含在所述第二绝热层中的金属元素的原子比大于或等于50％。优选地，所述被覆层包含六方晶体结构和/或非晶结构。

优选地，所述摩擦搅拌焊接用工具具有插入支架中的夹柄部分，并且所述被覆层形成于除所述夹柄部分之外的全部或部分所述基材上。

优选地，所述被覆层至少形成于所述基材中的在接合加工过程时与被接合材料接触的部分上。优选地，所述被覆层中不存在从所述被覆层的表面延伸至所述基材的裂纹。优选地，所述被覆层中的至少一层是通过物理气相沉积法形成的。

本发明涉及一种利用所述的摩擦搅拌焊接用工具对被接合材料进行接合的方法，其中所述接合是对熔点大于或等于1000℃的被接合材料而进行的。

本发明的上述摩擦搅拌焊接用工具可以合适地用于接合由高熔点材料制成的被接合材料。

本发明的有益效果

由于本发明的摩擦搅拌焊接用工具具有上述构造，因此本发明的摩擦搅拌焊接用工具产生这样的效果：促进了被接合材料在接合过程中的温度的升高，从而实现了在短时间内的摩擦搅拌焊接；被覆层具有优异的绝热性能；并且获得了优异的耐氧化性和耐磨性。与PTL2中的包括由不同种材料制成的热流屏障的结构相比，具有上述构造的摩擦搅拌焊接用工具简单且廉价。此外，在该摩擦搅拌焊接用工具中，基材的温度难以升高，因此能够在短时间内进行接合，并且能够获得优异的耐磨性。

附图说明

图1为示出本发明的摩擦搅拌焊接用工具的一个实例的示意性截面图。

图2为示出本发明的摩擦搅拌焊接用工具的另一个实例的示意性截面图。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明。

<摩擦搅拌焊接用工具>

图1为本发明的摩擦搅拌焊接用工具的示意性截面图。如图1所示，本发明的摩擦搅拌焊接用工具1包括基材2和形成在基材2上的被覆层3。具有上述构造的本发明的摩擦搅拌焊接用工具1可以十分有用地用于（例如）摩擦搅拌焊接（FSW）应用、摩擦点接合（FSJ）应用等。将本发明的摩擦搅拌焊接用工具1成形为包括小直径（例如，直径大于或等于2mm且小于或等于8mm）的探头部分4和大直径（例如，直径大于或等于4mm且小于或等于20mm）的圆柱部分5。当该工具用于接合时，探头部分4旋转，并且探头部分4插入或压紧被接合材料的接合部分，由此使被接合材料接合。在这种情况中，在摩擦搅拌焊接应用中，探头部分4压紧或插入以线接触方式堆叠或对接的两块被接合材料，并且旋转的探头部分4相对于堆叠或对接的部分线性移动，由此使被接合材料接合。另一方面，在摩擦点接合应用中，旋转的探头部分4压紧垂直堆叠或对接的两块被接合材料的所需的接合点，并且探头部分4在此位置持续旋转，由此使被接合材料接合。

本发明还涉及一种利用所述摩擦搅拌焊接用工具接合被接合材料的方法，其中接合可以对熔点大于或等于1000℃的被接合材料进行。利用本发明的摩擦搅拌焊接用工具，还可以对熔点大于或等于1000℃的被接合材料进行接合，通常这被认为是困难的。因此，本发明的摩擦搅拌焊接用工具具有十分优异的工业应用性。

如上文所述，本发明的摩擦搅拌焊接用工具1可以用于多种应用，并且特别地，可适用于接合高强度钢，通常高强度刚的接合主要利用电阻焊接法进行。换言之，在上述高强度钢的接合中，本发明的摩擦搅拌焊接用工具1为常规的电阻焊接法提供了另一种选择。在摩擦搅拌焊接中，被接合材料以固相状态被接合，并且在接头部分发生动态再结晶，因此组织变得微细化。结果，与被接合材料在接合过程中转变成液相的常规电阻焊接法相比，接合部分的强度增加。因此，本发明的摩擦搅拌焊接用工具可以十分有效地用于接合具有高比强度的高强度钢，并且特别地，可以用于接合比强度大于或等于980MPa的超高强度钢。

图2为本发明的摩擦搅拌焊接用工具的优选实施方案的示意性截面图。如图2所示，本发明的摩擦搅拌焊接用工具1优选具有夹柄部分7，从而使圆柱部分5插入支架中。该夹柄部分7可以通过（例如）切除圆柱部分5的一部分侧面而形成。另一方面，在接合加工中与被接合材料接触的部分还称为肩部6。

本发明的摩擦搅拌焊接用工具1优选包括基材2和位于除夹柄部分7以外的全部或部分基材2上的被覆层3。如上文所述，由于被覆层3不形成在基材2上的夹柄部分7的表面上，因此，已经由于摩擦热的传导而温度升高的摩擦搅拌焊接用工具1的热量可以散逸至与摩擦搅拌焊接用工具1接触的支架上，因此，基材2的温度难以升高。如上文所述，由于防止了基材2的温度上升，因此可以增强摩擦搅拌焊接用工具1的耐塑性变形性和耐磨性。

如图2所示，被覆层3更优选至少形成在基材2中的在接合加工过程时与被接合材料接触的部分上。如上文所述，由于被覆层3仅形成在与被接合材料接触的部分上，因此，由摩擦产生的热量容易从没有被覆层3的部分释放至支架上。结果，基材2的温度难以升高，因此，可以防止基材2发生塑性变形和工具寿命的缩短。

<基材>

可以使用常规已知的被用作上述接合加工的基材2的材料作为本发明的摩擦搅拌焊接用工具的基材2，而没有特别的限定。上述基材2的例子可以包括（例如）硬质合金（例如，WC系硬质合金、除WC之外还含有Co的材料、或进一步添加Ti、Ta、Nb等的碳氮化物等的材料）、金属陶瓷（主要由TiC、TiN、TiCN等构成）、高速钢、工具钢、陶瓷（例如，碳化钛、碳化硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝、赛隆及其混合物）、烧结的立方碳化硼、烧结的金刚石、具有分散于其中的cBN颗粒的硬质材料等。

当使用硬质合金作为基材2时，即便当该硬质合金的组织中包含游离碳或称作η相的异常相时也可实现本发明的效果。

<被覆层>

在本发明的摩擦搅拌焊接用工具中，形成在基材2上的被覆层3由一层或多层形成，并且被覆层3中的至少一层的透热率小于或等于5000J/s^0.5·m²·K。由于至少一层具有上述透热率的层形成为被覆层3，因此，由摩擦搅拌焊接用工具旋转而产生的摩擦热难以传导至基材侧，而是容易传导至被接合材料。结果，促进了被接合材料的温度的升高，并且可以加快被接合材料的塑性流动。更优选地，上述被覆层3的至少一层的透热率小于或等于4700J/s^0.5·m²·K，更优选小于或等于4200J/s^0.5·m²·K。应当指出，在本发明中，采用根据热反射法利用热物性显微镜（产品名：Thermal Microscope TM3(BETHEL株式会社)）计算的值作为被覆层3的透热率。

形成在本发明的摩擦搅拌焊接用工具1的基材2上的被覆层3包括一层或多层。换言之，此被覆层3可以由具有单一组成的一层形成，或者可以由具有不同组成的两层或更多层形成。在本发明中，由于被覆层3的至少一层具有热屏蔽性，从而使摩擦热难以透过基材，因此实现了本发明的效果。优选地，被覆层中厚度最大的层的透热率小于或等于5000J/s^0.5·m²·K，更优选地，整个被覆层3的透热率小于或等于5000J/s^0.5·m²·K。

设置上述被覆层3以提供上述性能。除此性能之外，被覆层3还可以提供增强摩擦搅拌焊接用工具1的多种性能（例如，耐磨性、抗氧化性、韧性和用于识别使用过的探头的着色性能）的效果。为了尤其增强被覆层3的抗氧化性和耐磨性，被覆层3优选包括透热率小于或等于5000J/s^0.5·m²·K的一层或多层第一绝热层或第二绝热层。

本发明的第一绝热层由以下化合物或该化合物的固溶体形成，所述化合物为Al和选自由Ti、Si、Zr、Hf和Cr组成的组中的至少一种或多种元素的氮化物或氧化物，并且Al与包含在所述第一绝热层中的金属元素的原子比大于或等于60％。另一方面，第二绝热层由以下化合物或该化合物的固溶体形成，所述化合物为Si和选自由Al、Ti、Zr、Hf和Cr组成的组中的至少一种或多种元素的氮化物或氧化物，并且Si与包含在所述第二绝热层中的金属元素的原子比大于或等于50％。

在本发明中，被覆层3优选包含六方晶体结构和/或非晶结构。特别地，在被覆层3包含非晶结构的情况中，由旋转产生的摩擦热难以传导至基材2侧，而是易于传导至被接合材料。结果，促进了被接合材料的温度升高，并且可以加快被接合材料的塑性流动。

优选地，上述被覆层不存在从被覆层的表面延伸至基材的裂纹。由于被覆层不存在上述裂纹，因此可以防止氧气通过该裂纹流入基材，并且可以防止基材在由工具旋转产生的摩擦热所形成的高温环境下发生氧化。因此，可以解决工具寿命缩短的问题。

此外，在本发明中，被覆层3中的至少一层必须形成为具有与基材2的高粘着性，因此，被覆层3的至少一层优选通过使其具有与基材2的高粘着性的成膜法形成。可以采用任何常规已知的成膜法作为上述成膜法。例如，可以采用PVD（物理气相沉积）法、CVD（化学气相沉积）等，并且可以组合采用两种或更多种常规已知的成膜方法。

在这些成膜法中，特别优选采用PVD法，这是因为在被覆层3形成之后，该被覆层不容易产生裂纹，并且可以增强耐氧化性。与CVD法相比，在PVD法中，被覆层3可以在低温下形成，并且在形成被覆层3的同时，被覆层3中会产生畸变。因此，晶粒趋于微细化，并且可以形成透热率低的被覆层。

可以采用常规已知的PVD法而没有特别的限制，只要该PVD 法适用于本发明即可。上述PVD法可以包括（例如）溅射法、电弧离子镀法、气相沉积法等。特别地，优选采用电弧离子镀法或磁控溅射法。

本发明的被覆层的厚度优选为大于或等于1μm且小于或等于50μm。如上文所述，由于被覆层的厚度大于或等于1μm，因此可以增强耐磨性，并且可以显著延长工具寿命。更优选地，本发明的被覆层的厚度优选为大于或等于1.5μm且小于或等于30μm，并且更优选大于或等于2μm且小于或等于20μm。最终，可以进一步延长工具寿命，并且还可以获得优异的耐崩裂性。

在本发明中，被覆层的厚度是指，位于摩擦搅拌焊接用工具的表面上任何部分处的被覆层的厚度，并且是指，（例如）位于探头部分的顶部的被覆层的厚度、形成在摩擦搅拌焊接用工具的基材上的被覆层的厚度。

虽然本发明的被覆层优选形成为覆盖基材的整个表面，但被覆层未覆盖部分基材，或者被覆层在基材的任意部分处具有不同构造均不脱离本发明的范围。如上文所述，本发明的被覆层优选至少形成于除夹柄部分之外的全部或部分基材上，并且更优选至少形成于在接合加工过程时与被接合材料接触的部分上。

<被覆层的形成方法>

如上文所述，本发明的被覆层中的至少一层优选通过物理气相沉积（PVD）法形成。本发明的被覆层中的至少一层也可以通过任意的PVD法形成，对形成方法的类型并无特别的限制，只要采用的是PVD法即可。

当对基材2施加小的衬底偏压时，以低能量将构成被覆层3的元素以离子状态提供至基材。因此，元素与基材撞击时的冲击力小，并且所形成的被覆层的结晶度降低。因此，可以降低所形成的被覆层的透热率。

在形成被覆层3的表面区域时，通过控制衬底偏压、基材温度和加热器的开/关，并且将被覆层3构造为使其具有六方晶体结构或非晶结构，可以使被覆层中的至少一层的透热率小于或等于5000 J/s^0.5·m²·K。

形成被覆层3之前的轰击处理是提高在基材2和被覆层3之间的界面区域中，包含在被覆层3中的晶粒与包含在基材中的硬质相颗粒（例如WC）的晶粒之间的整合性的重要步骤。具体地，在引入氩气之后，将衬底偏压保持在-1500V，并且在释放W丝中的热电子的同时，对硬质合金基材的表面进行轰击处理，之后，形成了被覆层3。这样，在基材2和被覆层3之间的界面区域中，包含在被覆层3中的晶粒与包含在基材中的硬质相颗粒（例如WC）的晶粒可具有整合性。

认为上述情况的原因如下。轰击处理可以去除界面区域中的硬质相颗粒（例如WC）的晶粒表面上的污垢和氧化层，并且硬质相颗粒（例如WC）的晶粒表面上的活性程度增加。结果，被覆层中的晶粒以与硬质相颗粒（例如WC）的晶粒整合的方式生长。如上文所述，由于包含在被覆层3中的晶粒与包含在基材中的硬质相颗粒（例如WC）的晶粒之间的整合性提高，因此，被覆层与硬质相颗粒（例如WC）的晶粒（即基材）之间的结合力增强，并且可以获得优异的耐剥离性。

例子

虽然下文将参照实施例对本发明进行更详细的描述，但本发明不限于此。应当指出，通过利用扫描电子显微镜（SEM）直接观察被覆层的截面，从而测量了各例子中的被覆层的厚度。

虽然在以下描述中，被覆层由阴极电弧离子镀法形成，但被覆层也可以由（例如）平衡或非平衡溅射法形成。

<实施例1>

在本实施例中，制造了图1所示的摩擦搅拌焊接用工具。本实施例中的摩擦搅拌焊接用工具具有圆柱部分5以及探头部分4，其中圆柱部分5基本上为圆柱状，且直径为10mm、高为20mm，探头部分4与圆柱部分5同轴，且从圆柱部分5顶端的中心部分突出。探头部分4基本上为圆柱状，其直径为4mm且高为2mm。

在本实施例中，形成具有单一组成的层作为被覆层。然而，即使所形成的层具有不同于本实施例中所使用的组成，或者形成两层或多层具有不同组成的层，并将其作为被覆层，或者即使被覆层的至少一部分包括超多层结构，也可以获得相似的效果，只要被覆层的至少一层的透热率小于或等于5000J/s^0.5·m²·K即可。

<摩擦搅拌焊接用工具的制造>

首先，制备具有上述工具形状、并且由下表1所示的材料制成的基材（基材No.1），以作为摩擦搅拌焊接用工具的基材。该基材由硬质合金制成，并且包含WC晶粒，各晶粒（位于基材的表面(与被覆层的界面部分)的晶粒）的平均粒径在表1中示出。

[表1]

随后，利用真空泵降低装置室内部的压力，并且利用置于装置中的加热器将基材加热至450℃。对室进行抽真空，直至室内部的压力达到1.0×10^-4Pa。

接下来，引入氩气，并且使室内部的压力保持在3.0Pa。使基材的衬底偏压电源的电压逐渐升至-1500V，并且清洁基材的表面15分钟，同时加热W丝并释放热电子。随后排出氩气。

之后，为了在基材上形成与该基材直接接触的、具有表2所示厚度的Al_0.7Ti_0.3N（透热率：4500J/s^0.5·m²·K）作为被覆层，使用了作为金属蒸发源的预设合金靶，导入作为反应气体的氮气，将反应气体的压力设定至4.0Pa，并且改变衬底偏压和基材温度。通过这种方式，将100A的电弧电流供至阴极电极，并且从电弧式蒸发源产生金属离子。由此制造了实施例1的摩擦搅拌焊接用工具，该工具包括厚度如下表2所示的被覆层。

[表2]

<实施例2至4>

在以下各实施例2至4中，利用与实施例1相似的方法制造摩擦搅拌焊接用工具，不同之处在于：如上表2所示，被覆层的构造和组成与实施例1不同。例如，在实施例3中，在基材上形成厚度为5μm的Ti_0.5Al_0.5N，之后，形成厚度为5μm的SiO_0.1N_0.9以形成被覆层。如上文所述，当在表2的被覆层的“组成”部分中列出两种类型的组成时，意指形成具有右侧所示的组成的层，并且之后直接在该层上形成具有左侧所示的组成的层。

在表2中的实施例3、4、7和8中，形成了包括两层的被覆层，即，由Ti_0.5Al_0.5N制成的层和组成不同于Ti_0.5Al_0.5N的层。然而，在表2的“透热率”部分中，示出了组成不为Ti_0.5Al_0.5N的层的透热率，而未示出由Ti_0.5Al_0.5N制成的被覆层的透热率，这是因为其透热率为5900J/s^0.5·m²·K。

在按照上述方法制造的实施例1至4中的摩擦搅拌焊接用工具中，被覆层中的至少一层的透热率为小于或等于5000J/s^0.5·m²·K。

<实施例5至8>

在以下各实施例5至8中，制造了如图2所示的摩擦搅拌焊接用工具。实施例5至8中的各摩擦搅拌焊接用工具的探头部分4与实施例1至4中的各探头相似，并且具有夹柄部分7，从而将圆柱部分5插入支架中。此夹柄部分7是将圆柱部分5的上部分表面切除长度为10mm的侧面而形成的，并且夹柄部分7的截面基本上为圆柱状，其中切除是以两个相向方向进行的。当从支架侧观察夹柄部分7时，通过上述切割而形成的弦的长度为7mm。

将夹具与除探头部分4和肩部6以外的其他部分连接，并且将具有上述形状的基材安装在阴极电弧离子镀装置上。

之后，利用与上述实施例1中相似的方法，清洁基材的表面15分钟。之后，使用作为金属蒸发源的预设合金靶，并且改变衬底偏压和基材温度。由此，在探头部分4和肩部6上形成了具有上表2中所示出的构造和厚度的被覆层。

之后，从装置中取出基材，并且移除与除探头部分4和肩部6 以外的其他部分连接的夹具。由此制造了实施例5至8的各摩擦搅拌焊接用工具。

在按照上述方法制造的实施例5至8中的各摩擦搅拌焊接用工具中，被覆层中的至少一层的透热率小于或等于5000J/s^0.5·m²·K。

<对比例1至4>

利用与实施例1相似的方法制造对比例1至3中的各摩擦搅拌焊接用工具，不同之处在于：如表2所示，被覆层的组成与实施例1的被覆层组成不同。构成具有这种组成的被覆层的各层的透热率均超过5000J/s^0.5·m²·K。此外，关于对比例4中的摩擦搅拌焊接用工具，未形成被覆层。

<摩擦搅拌焊接用工具的评价>

在上表1所示的条件下进行摩擦点接合（FSJ），并且对上面制得的实施例1至8以及对比例1至4中的各摩擦搅拌焊接用工具的耐磨性进行评价。按照以下方式做出评价：每完成500个点的摩擦点接合，测量探头部分的直径，当直径的减少量超过0.2mm时停止进行摩擦点接合，并对在摩擦点接合停止之前所接合的点的数目进行计数。

下表3示出了上文中的接合的点的数目，以作为摩擦搅拌焊接用工具的耐磨性的评价结果。表3表明，接合的点的数目越多，所获得的耐磨性越优异。表3中的“耐磨性评价”部分中的“少于500”意指，在完成500个点的摩擦点接合之前，探头部分的直径便减小0.2mm或更多。

[表3]

由表3明显可知，实施例1至8中的各摩擦搅拌焊接用工具的寿命明显长于对比例1至4中各摩擦搅拌焊接用工具的寿命。认为其原因如下：通过利用被覆层中的至少一层的透热率小于或等于5000J/s^0.5·m²·K的摩擦搅拌焊接用工具，基材的耐热性得以增强，并且耐磨性得以增强。

此外，实施例1至8中的各摩擦搅拌焊接用工具的接合效率高于对比例1至4中的各摩擦搅拌焊接用工具的接合效率。认为其原因如下：通过利用被覆层中的至少一层的透热率小于或等于5000J/s^0.5·m²·K的摩擦搅拌焊接用工具，由摩擦搅拌焊接用工具旋转而产生的摩擦热被传导至被接合材料，因而被接合材料的温度易于上升。

基于上述结果，证实了实施例1至8中的各本发明的摩擦搅拌焊接用工具的寿命长于对比例1至4中的各摩擦搅拌焊接用工具的寿命，并且前者的接合效率高于后者的接合效率。

据认为，实施例6中的摩擦搅拌焊接用工具的寿命长于实施例2中的摩擦搅拌焊接用工具的寿命。认为其原因如下：在实施例2中的摩擦搅拌焊接用工具中，被覆层形成于基材的整个表面上。因此，该摩擦搅拌焊接用工具的温度已经由于摩擦热的传导而升高，其热量不能够散逸至与摩擦搅拌焊接用工具接触的支架上。这样，热量被限制在基材内部，从而使基材的温度升高，由此使耐塑性变形性降低。

尽管上文已经描述了本发明的实施方案和实施例，但原本旨在对上述实施方案和实施例的构造进行合适的组合。

应当理解，本文所公开的实施方案和实施例在各方面都是示例性的，而非限定性的。本发明的范围由权利要求来限定，而不是由上文的说明来限定，并且本发明旨在涵盖与权利要求等同的范围和含义内的任何更改。

引用标号列表

1摩擦搅拌焊接用工具；2基材；3被覆层；4探头部分；5圆柱部分；6肩部；7夹柄部分。

Claims

1.一种摩擦搅拌焊接用工具(1)，其包括基材(2)和形成于所述基材(2)上的被覆层(3)，其中

所述被覆层(3)包括一层或多层第一绝热层，

所述第一绝热层的透热率小于或等于5000J/s^0.5·m²·K，并且由以下化合物或该化合物的固溶体形成，所述化合物为Al和选自由Ti、Si、Zr、Hf和Cr组成的组中的至少一种或多种元素的氮化物或氧化物，并且

所述Al与包含在所述第一绝热层中的金属元素的原子比大于或等于60％。

2.根据权利要求1所述的摩擦搅拌焊接用工具(1)，其中

所述被覆层(3)中厚度最大的层的透热率小于或等于5000J/s^0.5·m²·K。

3.根据权利要求1所述的摩擦搅拌焊接用工具(1)，其中

所述被覆层(3)包括一层或多层第二绝热层，

所述第二绝热层的透热率小于或等于5000J/s^0.5·m²·K，并且由以下化合物或该化合物的固溶体形成，所述化合物为Si和选自由Al、Ti、Zr、Hf和Cr组成的组中的至少一种或多种元素的氮化物或氧化物，并且

所述Si与包含在所述第二绝热层中的金属元素的原子比大于或等于50％。

4.根据权利要求1所述的摩擦搅拌焊接用工具(1)，其中

所述被覆层(3)包含六方晶体结构和/或非晶结构。

5.根据权利要求1所述的摩擦搅拌焊接用工具(1)，其中

所述摩擦搅拌焊接用工具(1)具有插入支架中的夹柄部分，并且

所述被覆层(3)形成于除所述夹柄部分(7)之外的全部或部分所述基材(2)上。

6.根据权利要求1所述的摩擦搅拌焊接用工具(1)，其中

所述被覆层(3)至少形成于所述基材(2)中的在接合加工过程时与被接合材料接触的部分上。

7.根据权利要求1所述的摩擦搅拌焊接用工具(1)，其中

所述被覆层(3)中不存在从所述被覆层(3)的表面延伸至所述基材(2)的裂纹。

8.根据权利要求1所述的摩擦搅拌焊接用工具(1)，其中

所述被覆层(3)中的至少一层是通过物理气相沉积法形成的。

9.一种利用权利要求1中所述的摩擦搅拌焊接用工具(1)对被接合材料进行接合的方法，其中

所述接合是对熔点大于或等于1000℃的被接合材料而进行的。