CN102958639B

CN102958639B - 旋转工具

Info

Publication number: CN102958639B
Application number: CN201180030276.9A
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: 2010-12-28
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2031-12-27
Also published as: KR101361986B1; EP2564968A4; US20130087604A1; JP2012139696A; EP2564968A1; KR20130027514A; CN102958639A; WO2012091011A1

Abstract

本发明提供了一种摩擦搅拌焊接工具（1），该工具即使在对难接合材料进行接合加工时，也具有优异的耐磨性和高接合强度。本发明的摩擦搅拌焊接工具（1）用于摩擦搅拌焊接加工，并包括基材（4）。基材（4）包含硬质相和粘结相。硬质相包含TiCN。粘结相由铁族金属制成。在距基材（4）表面的厚度为20μm的区域内粘结相与基材（4）的质量比B_s小于距基材（4）表面的厚度超过20μm的区域内的粘结相与基材（4）的质量比B_i。

Description

旋转工具

技术领域

本发明涉及一种摩擦搅拌焊接工具。

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。

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工具时，也很少发生磨损，并且不需要频繁更换工具。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，代替熔融并接合铝合金的电阻焊接法，摩擦搅拌焊接技术已经在多种应用中作为接合铁路车辆、汽车或飞机部件的技术得到实际使用。

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，摩擦搅拌焊接工具本身暴露在高温下。结果，摩擦搅拌焊接工具发生塑性变形，并且该摩擦搅拌焊接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。

作为解决上述问题的尝试，（例如）日本专利特开No.2003-326372（PTL1）公开了一种使摩擦搅拌焊接工具实现长寿命的技术，该技术通过在该摩擦搅拌焊接工具的表面与被接合材料发生接触的部分覆盖金刚石膜，由此提高了表面硬度，并抑制了被接合材料的低熔点轻质合金成分（例如Al合金或Mg合金）熔融附着到摩擦搅拌焊接工具。在PTL1中所披露的摩擦搅拌焊接工具中，在接合低熔点轻质合金（例如Al合金或Mg合金）时，该摩擦搅拌焊接工具表面的耐磨性确实得到了提高，由此使摩擦搅拌焊接工具实现了长寿命。

尽管这种金刚石膜在低温接合中表现出优异的耐磨性，然而在摩擦搅拌焊接钢材等熔点超过1000℃的材料的过程中，金刚石膜容易被氧化。因此，不利的是，不能表现出足够的耐磨性。

为了解决这个问题，作为能够在高温下进行接合的摩擦搅拌焊接工具，日本国家专利公开No.2003-532542（PTL2）提出将诸如立方氮化硼（下面也称为“cBN”）烧结体之类的超高压烧结体应用至摩擦搅拌焊接工具，以取代工具用钢。然而首先，cBN烧结体是昂贵的材料。因此，从成本的角度考虑，据认为采用了这种cBN烧结体的摩擦搅拌焊接工具难以实现实用化。

作为另一个抑制摩擦搅拌焊接工具表面劣化的尝试，日本专利特开No.2005-152909（PTL3）公开了一种摩擦搅拌焊接工具，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：日本专利特开No.2003-326372

PTL2：日本国家专利公开No.2003-532542

PTL3：日本专利特开No.2005-152909

发明内容

技术问题

然而，当使用PTL3中所公开的摩擦搅拌焊接工具对诸如钢等熔点为1000℃以上的难接合材料进行接合时，摩擦搅拌焊接工具的表面暴露在1000℃以上的高温下，结果导致其磨损速度明显快于将Al合金或Mg合金等被接合材料彼此摩擦搅拌焊接的情况。这导致工具寿命变短。

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工具，该工具即使在将难接合材料彼此接合加工时，也具有优异的耐磨性和高接合强度。

解决问题的手段

本发明的摩擦搅拌焊接工具用于摩擦搅拌焊接加工，并且包括基材，所述基材包含硬质相和粘结相，所述硬质相包含TiCN，并且还包含化合物或者该化合物的固溶体，所述化合物由选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W所构成的组中的一种或多种金属和选自氮、碳、硼和氧所构成的组中的一种或多种元素构成，所述粘结相由铁族金属制成，在距基材表面的厚度为20μm的区域内粘结相与基材的质量比B_s小于距基材表面的厚度超过20μm的区域内的粘结相与基材的质量比B_i。

B_s与B_i的质量比B_s/B_i优选为0至0.9。优选的是，在距基材表面的厚度为20μm的区域内Ti化合物与基材的质量比大于距基材表面的厚度超过20μm的区域内的Ti化合物与基材的质量比。优选的是，基材中与被接合材料接触的部分的表面粗糙度Ra为0.3μm以下。

优选的是，摩擦搅拌焊接工具包括基材和形成于基材上的被覆层。优选的是，被覆层具有1000℃以上的抗氧化性。

优选的是，利用摩擦搅拌焊接工具的摩擦搅拌焊接加工为摩擦搅拌点焊。

本发明提供了一种使用上述摩擦搅拌焊接工具进行材料接合的方法，被接合材料的熔点为1000℃以上。

本发明的有益效果

由于本发明的摩擦搅拌焊接工具具有上述构造，因此该摩擦搅拌焊接工具表现出这样的效果：其在将难接合材料彼此接合的加工中，提供了优异的耐磨性和高接合强度。

附图简要说明

图1为示出本发明的一个示例性摩擦搅拌焊接工具的截面示意图。

图2为示出本发明的另一个示例性摩擦搅拌焊接工具的截面示意图。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明。

<摩擦搅拌焊接工具>

图1为示出本发明的摩擦搅拌焊接工具的截面示意图。如图1所示，本发明的摩擦搅拌焊接工具1的形状为包括小直径（例如，直径不小于2mm且不大于8mm）的探头部分2和大直径（例如，直径不小于4mm且不大于20mm）的圆柱部分3。摩擦搅拌焊接工具1可以十分有利地用于（例如）摩擦搅拌焊接（FSW）应用和摩擦搅拌点焊（spot FSW）应用。

当本发明的摩擦搅拌焊接工具用于接合时，探头部分2在探头部分2插入或压紧被接合材料的接合部分的状态下旋转。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2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2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，在摩擦搅拌点焊应用中，旋转的探头部分2压紧垂直堆叠或对接的两块被接合材料的期望的接合点，并且探头部分2在此位置持续旋转，由此使被接合材料接合。

本发明还涉及一种使用摩擦搅拌焊接工具进行材料接合的方法，其中被接合材料的熔点为1000℃以上。根据本发明的摩擦搅拌焊接工具还能够接合熔点为1000℃以上的材料，而这样的材料被认为是通常难以使用摩擦搅拌焊接工具进行接合。因此，根据本发明的摩擦搅拌焊接工具具有十分优异的工业实用性。

如上文所述，根据本发明的摩擦搅拌焊接工具1可以用于各种用途，特别是可适用于接合高张力钢，通常高张力刚的接合主要利用电阻焊接法进行。换言之，在上述高张力钢的接合中，根据本发明的摩擦搅拌焊接工具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，根据本发明的摩擦搅拌焊接工具可以十分有效地用于接合具有高比强度的高张力钢，特别是可以用于接合比强度为980MPa以上的超高张力钢。另外，所述摩擦搅拌焊接工具即使在对这种超高张力钢进行摩擦搅拌点焊时，也不易于产生缺陷。上述本发明的摩擦搅拌焊接工具可以适用于接合由高熔点材料制成的材料。此外，此工具也可以用于摩擦搅拌加工。

<基材>

本发明的摩擦搅拌焊接工具1包括基材。所述基材包含硬质相和粘结相。在距基材表面的厚度为20μm的区域（以下也称为“基材表面部分”）内粘结相与基材的质量比B_s小于距基材表面的厚度超过20μm的区域（以下也称为“基材内部”）内的粘结相与基材的质量比B_i。由于基材表面部分中的粘结相与基材的质量比B_s小于基材内部中的粘结相与基材的质量比，因此构成基材表面部分的硬质相相对增加，从而导致基材表面的硬度增加，并且提高了摩擦搅拌焊接工具的耐磨性和耐塑性变形性。

此外，即使由于摩擦搅拌焊接工具的旋转而产生的摩擦热导致摩擦搅拌焊接工具的表面具有高温，其表面也难以被氧化，因此可提高抗氧化性和接合质量。此外，由于基材表面部分中的粘结相相对减少，因此基材表面部分的热传导率降至低于基材内部的热传导率。因此，基材表面部分起到绝热层的作用，由此接合过程中产生的摩擦热难以传递至基材内部。这表现出摩擦搅拌接合工具所特有的效果，即：接合过程中所产生的摩擦热被有效地消耗于被接合材料的塑性流动。这导致了节能。此外，通过如上所述对基材表面部分中的粘结相与基材的质量比进行调节，可以在基材表面部分中产生大约0.2GPa至2GPa的压缩残余应力，由此提高了耐缺陷性。

B_s与B_i的质量比B_s/B_i优选为0至0.9。因此，能够提高摩擦搅拌焊接工具的耐磨性和抗氧化性。B_s/B_i更加优选为0至0.7，进一步优选为0至0.5。另一方面，当B_s/B_i超过0.9时，由降低基材表面部分中的粘结相的质量比而提供的效果会削弱，从而导致耐磨性和抗氧化性不足。需要注意的是，粘结相的质量比B_s/B_i所采用的值是基于以下值而计算得到的：所述值是通过采用电子探针微分析仪（EPMA）对摩擦搅拌焊接工具的截面进行定量分析，从而得到在距基材表面的厚度为20μm的区域内的粘结相与基材的质量比以及距基材表面的厚度超过20μm的区域内的粘结相与基材的质量比而获得的。

基材表面部分中的Ti化合物与基材的质量比优选大于基材内部中的Ti化合物与基材的质量比。所述Ti化合物具有优异的抗氧化性。因此，通过提高基材表面部分中Ti化合物与基材的质量比，可以提高摩擦搅拌焊接工具的耐磨性和抗氧化性。需要注意的是，基材中Ti化合物的质量比的波动是通过使用电子探针微分析仪（EPMA）对基材截面进行分析来评价的。需要注意的是，在本发明的基材中，在增加/减少基材表面部分和基材内部中的粘结相的比率的过程中，基材表面部分的表面粗糙度Ra可能会变得过于粗糙。因此，优选通过抛光处理或喷丸处理等，使与被接合材料接触的基材表面部分的表面粗糙度变平滑。具体而言，基材中与被接合材料接触的部分的表面粗糙度Ra优选为0.3μm以下。在为该表面粗糙度时，在接合的初始阶段，在基材表面难以产生摩擦热，从而使摩擦搅拌焊接工具实现长寿命。同时，当基材中与被接合材料接触的部分的表面粗糙度Ra超过0.3μm时，在接合的初始阶段会产生过多的摩擦热，从而会不利地导致摩擦搅拌焊接工具的寿命缩短。

当将硬质合金用作基材时，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，也可呈现出本发明的效果。

<硬质相>

在本发明中，基材中含有硬质相，以增加基材的硬度和耐塑性变形性。所述硬质相包含TiCN，并且还包含化合物或者该化合物的固溶体。所述化合物由选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W所构成的组中的一种或多种金属和选自氮、碳、硼和氧所构成的组中的一种或多种元素构成。其例子包括TiC、ZrCN、HfC、VC、NbC、TaC、Cr₃C₂、Mo₂C、WC、(Ti,Mo)(C,N)、(Ti,W,Mo)(C,N)和(Ti,W,Ta,Nb,Mo)(C,N)等。相对于基材而言，所含的这种硬质相优选为大于或等于75质量%且小于或等于98质量%。当硬质相小于75质量%时，硬度变低，从而导致耐塑性变形性等各种特性不足。当硬质相大于98质量%时，不利的是，强度可能会变得不足。

<粘结相>

在本发明中，基材中含有粘结相，以使硬质相彼此结合在一起。所述粘结相可以是任意粘结相，只要其由铁族金属制成即可。作为用于粘结相的铁族金属，可以使用Co或Ni。其组成均可适当地改变。此外，用于粘结相的材料不仅限于Co和Ni。可以使用Fe，并且可含有构成硬质相的元素或者Cr。相对于基材而言，所含的这种粘结相优选为大于或等于3质量%且小于或等于28质量%。当粘结相小于3质量%时，不利的是，强度可能会变得不足。另一方面，当粘结相大于28质量%时，硬质相的体积比相对降低，从而可能导致硬度和耐塑性变形性等各种特性不充分。

<基材的制造方法>

用于本发明的摩擦搅拌焊接工具的基材优选按照以下方式制造。首先，将构成硬质相的原料粉末和构成粘结相的原料粉末混合，然后添加乙醇，并使用磨碎机搅拌约4小时至10小时。待乙醇挥发后，以100MPa的压力进行单轴压制，然后在1200℃至1700℃下烧结约1小时至3小时，由此得到烧结体。使用金刚石磨石等对该烧结体进行研磨，然后进行喷丸处理，使表面平滑，从而制得摩擦搅拌焊接工具。

为了提高上述制得的基材中基材表面部分的Ti化合物的质量比率，有效的方式是适当控制烧结时的加热速率、气氛气体和压力等，或者烧结后的冷却速率、气氛气体和压力等。特别有效的是通过在烧结时引入氮气以提高氮气分压。优选将氮气分压设为10托至500托。此外，为了降低基材表面部分中的粘结相的质量比，（例如）有效的是在烧结后的冷却过程中，在减压条件下，于真空气氛、氮气或者惰性气体气氛中控制冷却速率。优选以约3℃/分钟至30℃/分钟的冷却速率进行冷却。

<被覆层>

图2为示出了根据本发明的摩擦搅拌焊接工具的另一个实施方案的截面示意图。如图2所示，本发明的摩擦搅拌焊接工具优选包括形成于基材4上的被覆层5。该被覆层5可以由具有单一组成的一层构成，或者可以由具有不同组成的两层或更多层的层叠体构成。所包括的这种被覆层可以提供改善耐磨性、抗氧化性和韧性等各种特性的功能。特别是，在基材表面部分中，本发明的基材中所含的热膨胀系数高的粘结相的含量相对较低，因此基材表面部分的热膨胀系数变得低于基材内部的热膨胀系数，并且接近被覆层的热膨胀系数。因此，在加热至1000℃以上、然后又进行冷却的摩擦搅拌焊接应用中，被覆层的剥落和破裂可以得到抑制，从而非常有助于延长摩擦搅拌焊接工具的寿命。

设置所述被覆层以提供上述性能。除了这些性能之外，所述被覆层还可以提供增强多种性能（例如，用于识别摩擦搅拌焊接工具1的使用过的探头的着色性能）的效果。此外，如图2所示，优选形成被覆层5以覆盖基材4的整个表面，然而所述被覆层可以不覆盖基材的一部分，或者所述被覆层可以在基材的任意部分具有不同的构成。需要说明的是，本发明中的被覆层可以仅覆盖接合加工过程中易于显著发生氧化的肩部。

此外，上述被覆层优选具有1000℃以上的抗氧化性。此处，表述“具有1000℃以上的抗氧化性”旨在表示，当使用热重/差热分析（TG/DTA）设备在大气中对所述被覆层进行评价时，被覆层重量增加时的温度为1000℃以上。

此处，所述被覆层优选由热膨胀系数大于或等于7×10^-6且小于或等于9×10^-6的材料制成。所述被覆层更优选由选自Ti、Al、Cr、Si、Hf、Zr、Mo、Nb、Ta、V和W所构成的组中的一种或多种金属的氮化物制成。该氮化物层可以含有氧或可以含有碳。当含有氧时，可以提高抗氧化性。当含有碳时，可以提高耐磨性。

具体而言，抗氧化性为1000℃以上的氮化物层的组成的例子包括TiMoSiN、TiSiN、AlWN、AlWSiN、AlTaN、AlTaSiN、AlHfN、AlHfSiN、AlMoN、AlMoSiN、AlNbSiN、AlZrN、AlZrSiN、AlSiN、VSiN、CrVN、CrMoN、CrSiN、CrZrN、CrAlN、CrWSiN、CrTiSiN、AlTiSiN、AlTiCrN、CrAlN、CrAlSiN、TiHfSiN、TiWSiN和TiAlSiN等。

本发明中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，由于被覆层的厚度为1μm以上，因此可以增强耐磨性，并且可以显著延长工具寿命。更优选的是，本发明中被覆层的厚度为大于或等于5μm且小于或等于40μm，并且更优选为大于或等于10μm且小于或等于20μm。这样，可以进一步延长工具寿命，并且还可以获得优异的耐缺陷性。

在本发明中，将使用透射式电子显微镜（TEM）计算得到的值用作被覆层的厚度。被覆层的厚度是指摩擦搅拌焊接工具表面的任意部分处的被覆层厚度。例如，被覆层的厚度是指形成于摩擦搅拌焊接工具的基材上的、位于探头部分的顶部的被覆层厚度。

<形成被覆层的方法>

要求本发明的被覆层5以与基材4具有高粘着性的方式覆盖基材4。因此，被覆层5优选通过使其与基材4的粘着性高的成膜法形成。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5形成之后，该被覆层不容易产生裂纹，并且可以提高抗氧化性。当被覆层破裂，并且在接合加工过程中摩擦搅拌焊接工具暴露于1000℃以上的高温时，氧会通过裂纹到达基材，导致基材被氧化，从而加速了工具的损坏。因此，在被覆层中不形成裂纹是非常重要的。在这一点上，PVD法比CVD法更加有利。此外，PVD法可使被覆层5在低温下形成，并且使被覆层5产生畸变。因此，晶粒易于形成为微粒。由此，有利的是，即使在被覆层磨损时，被磨损的粉末的尺寸也较小。

作为适用于本发明的PVD法，可以使用常规已知的PVD法而没有特别的限制。所述PVD法的例子可以包括溅射法、电弧离子镀法和气相沉积法等。特别优选采用电弧离子镀法或磁控溅射法。

例子

虽然下文将参照实施例对本发明进行更详细地描述，但本发明不限于此。

<实施例1至8和对比例1至3>

在各实施例1至8和对比例1至3中，制造了图1所示的摩擦搅拌焊接工具。本实施例中的摩擦搅拌焊接工具具有圆柱部分3以及探头部分2，其中圆柱部分3基本上为圆柱状，且直径为10mm、高为20mm，探头部分2与圆柱部分3同轴，且从圆柱部分3顶端的中心部分突出。探头部分2基本上为圆柱状，其直径为4mm且高为2mm。

首先，按照下表1所示的质量比，将构成硬质相的原料粉末和构成粘结相的原料粉末混合，得到混合粉末。此处所采用的构成硬质相的原料粉末为：平均粒径为1.5μm的TiCN (质量比TiC/TiN=1)；平均粒径为1.5μm的TiC粉末；平均粒径为0.8μm的WC粉末；平均粒径为1μm的NbC粉末；平均粒径为1μm的TaC粉末；以及平均粒径为1μm的Mo₂C粉末。所采用的构成粘结相的原料粉末为：平均粒径为1.5μm的Ni粉末；和平均粒径为1.5μm的Co粉末。

通过向混合粉末中添加乙醇、然后使用磨碎机将其搅拌7个小时，得到硬质相材料和粘结相材料相互混合在一起的浆料。然后，使该浆料中所含的乙醇挥发，从而获得烧结体原料。

例如，在实施例1中，导入烧结体原料以填充由硬质合金制成的模具，并以100MPa的压力对其进行单轴压制，从而获得压制成型体。在真空中于1500℃下将压制成型体烧结1小时，由此得到烧结体。使用金刚石磨石对该烧结体的外周进行研磨。同时，待与被接合材料接触的探头部分和肩部未被研磨，而是使用氧化铝粉对其进行喷丸处理，直至获得表面粗糙度Ra为0.25μm的平滑度，由此制得摩擦搅拌焊接工具。需要注意的是，与实施例3中的摩擦搅拌焊接工具的基材一样，实施例8中的摩擦搅拌焊接工具的基材具有增加的质量比B_s/B_i、以及增加的Ti化合物，但是其探头部分和肩部进行了轻微地平滑处理，使得其表面粗糙度Ra达到0.5μm。

应当注意的是，在各个实施例和对比例中，在氮气分压为1托至500托的气氛中，以1℃/分钟至5℃/分钟的加热速度来进行烧结。烧结后，在真空或惰性气体气氛中，以3℃/分钟至30℃/分钟的冷却速度进行冷却。由此制得这样的摩擦搅拌焊接工具，其中基材表面部分中的粘结相与基材的质量比（B_s/B_i）和Ti化合物与基材的质量比不同。

[表1]

实施例1至8中所制得的各摩擦搅拌焊接工具包括基材，其中基材包含硬质相和粘结相，并且质量比B_s与质量比B_i的比值B_s/B_i为0至0.9。质量比B_s为在距基材表面的厚度为20μm的区域内的粘结相与基材的质量比。质量比B_i为在距基材表面的厚度超过20μm的区域内的粘结相与基材的质量比。具体而言，在实施例1至6的各摩擦搅拌焊接工具中，在距基材表面厚度为20μm的区域内Ti化合物与基材的质量比大于距基材表面的厚度超过20μm的区域内的Ti化合物与基材的质量比。

另一方面，在实施例7的摩擦搅拌焊接工具中，在距基材表面厚度为20μm的区域内Ti化合物与基材的质量比小于距基材表面的厚度超过20μm的区域内的Ti化合物与基材的质量比。

对实施例和对比例中如上所述获得的各摩擦搅拌焊接工具进行镜面抛光，并使用扫描电子显微镜（SEM）以10000倍的放大倍率拍摄所述摩擦搅拌焊接工具的任意区域中的晶体结构照片。然后，使用附带的EPMA对摩擦搅拌焊接工具截面（垂直于探头部分的顶部方向的表面）中的硬质相的碳化物、碳氮化物和氮化物、以及粘结相的成分进行作图。然后，在确认其中成分的同时，对所述以10000倍的放大倍率所拍摄的照片使用图像处理软件，以识别硬质相中的碳化物、碳氮化物和氮化物以及粘结相。然后，计算照片中硬质相中的碳化物、碳氮化物和氮化物、以及粘结相各自的总面积。接着，计算照片中摩擦搅拌焊接工具的硬质相和粘结相各自所占比率的百分比。然后，基于各成分的质量来计算质量比。结果，上述原料的各混合比与构成最终所得到的摩擦搅拌焊接工具的各组成的质量比可以看作是大致相同的。

另外，对各实施例和对比例所制得的摩擦搅拌焊接工具的截面进行抛光，利用EPMA对抛光面进行定量分析，以测量在距基材表面的厚度为20μm的区域内的粘结相与基材的质量比B_s，以及在距基材表面的厚度超过20μm的区域内的粘结相与基材的质量比B_i。基于B_s和B_i的值，算出B_s/B_i。结果如表1中的“B_s/B_i”栏所示。

另外，使用EPMA对基材表面部分中的Ti化合物和基材内部中的Ti化合物进行评价，以评价基材表面部分是否比基材内部含有更大量的Ti化合物。当基材表面部分比基材内部含有更大量的Ti化合物时，“Ti化合物增加”栏中标记为“增加”。另一方面，当基材表面部分比基材内部含有更少量或等量的Ti化合物时，“Ti化合物增加”栏中标记为“未增加”。

<实施例9>

通过阴极电弧离子镀法，用厚度为10μm的被覆层覆盖实施例2的摩擦搅拌焊接工具的基材。该被覆层由Al_0.6Ti_0.35Si_0.05N制成。以此方式制造实施例9的摩擦搅拌焊接工具，使其具有如图2所示的形状。由Al_0.6Ti_0.35Si_0.05N制成的被覆层具有1130℃的氧化起始温度。使用TG/DTA设备（商标：TG-DTA2020SA(Bruker公司制造)）测量被覆层的重量增加时的温度，从而得到氧化起始温度。

<实施例10>

按照与实施例9类似的方法制造实施例10的摩擦搅拌焊接工具，不同之处在于：将实施例9的被覆层的组成改为Ti_0.5Al_0.5N。由Ti_0.5Al_0.5N制得的被覆层具有970℃的氧化起始温度。

尽管在实施例9和实施例10中被覆层均由阴极电弧离子镀法形成，但是该被覆层还可以由（例如）平衡和非平衡溅射法形成。需要注意的是，在各实施例中，被覆层的厚度是通过使用SEM或TEM直接观察其截面而测得的。

<摩擦搅拌焊接工具的评价>

在如下列表2所示条件下，对上面在实施例和对比例中制造的各摩擦搅拌焊接工具进行3000个点的摩擦搅拌点焊（FSW）。需要注意的是，对比例3在进行第1000个点的接合加工前就产生了缺陷，因此在进行5000个点的焊接前终止了焊接。

[表2]

*“压制深度”是指探头的顶部进入的深度。

在上述5000个点的摩擦搅拌点焊结束之后，将各摩擦搅拌焊接工具浸入盐酸中，加热10分钟，同时除去粘附于其表面的废料。然后，使用游标卡尺测量该摩擦搅拌焊接工具的肩部和探头部分的外径。对摩擦搅拌点焊前后的肩部和探头部分各自的外径的差进行评价，以作为磨损量，并记录在表3的“磨损量（mm）”一栏中。磨损量越小，表明耐磨性越优异。

[表3]

表3中的“毛刺的高度”一栏表示焊接后，被接合材料的表面上最突出的毛刺的高度。毛刺高度越小，表明接合质量越优异。

<摩擦搅拌焊接工具的评价结果>

由表3可清楚地看出，与对比例1至3相比，本发明实施例1至7的各摩擦搅拌焊接工具的探头部分和肩部具有更小的磨损量。因此，摩擦搅拌焊接工具的耐磨性和抗氧化性显然得到提高。另外，在实施例1至7的各摩擦搅拌焊接工具中，毛刺的高度低于对比例1至3中毛刺的高度。因此，摩擦搅拌焊接工具所提供的接合质量显然得到提升。

同时，在对比例1的摩擦搅拌焊接工具中，基材表面部分中的粘结相与基材的质量比等于基材内部的粘结相与基材的质量比，因此无法提高摩擦搅拌焊接工具的耐磨性和抗氧化性。另外，在对比例2的摩擦搅拌焊接工具中，B_s/B_i的值为0.95，即超过0.9，这明显导致了低的耐磨性和抗氧化性以及差的接合质量。另外，在对比例3的摩擦搅拌焊接工具中，采用了非铁族金属的Al作为构成粘结相的材料，从而明显导致了低的耐磨性和抗氧化性以及差的接合质量。

另外，与实施例7相比，实施例2的摩擦搅拌焊接工具明显表现出更为优异的耐磨性和接合质量。实施例2的摩擦搅拌焊接工具的性能如此优异，推测其原因在于：在实施例2的摩擦搅拌焊接工具的基材表面部分中，增加了Ti化合物，与此相对的是，在实施例7的摩擦搅拌焊接工具的基材表面部分中，增加了WC，而非增加了Ti化合物。

与实施例2相比，实施例9和10的各摩擦搅拌焊接工具明显表现出更优异的耐磨性和接合质量。据推测其原因在于：实施例9和10的各摩擦搅拌焊接工具的表面被被覆层覆盖，而实施例2的摩擦搅拌焊接工具的表面未被被覆层覆盖。

与实施例10相比，实施例9的摩擦搅拌焊接工具明显表现出更优异的耐磨性。实施例9的摩擦搅拌焊接工具的耐磨性如此优异，推测其原因在于实施例9的摩擦搅拌焊接工具的被覆层具有超过1000℃的氧化起始温度。据认为，实施例10的摩擦搅拌焊接工具的被覆层具有低于1000℃的氧化起始温度，由此导致其耐磨性比实施例9的耐磨性差。

至此已经描述了本发明的实施方案和实施例，但原本期望对上述实施方案和实施例的构造进行合适的组合。

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

参考符号列表

1：摩擦搅拌焊接工具；2：圆柱部分；3：探头部分；4：基材；5：被覆层。

Claims

1.一种用于摩擦搅拌焊接加工的摩擦搅拌焊接工具(1)，包括基材(4)，

所述基材(4)包含硬质相和粘结相，

所述硬质相包含TiCN，并且还包含化合物或者该化合物的固溶体，所述化合物由选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W所构成的组中的一种或多种金属和选自氮、碳、硼和氧所构成的组中的一种或多种元素构成，

所述粘结相由铁族金属制成，

在距所述基材(4)表面的厚度为20μm的区域内所述粘结相与所述基材(4)的质量比B_s小于距所述基材(4)表面的厚度超过20μm的区域内的所述粘结相与所述基材(4)的质量比B_i，

其中所述B_s与所述B_i的质量比B_s/B_i为0至0.3。

2.根据权利要求1所述的摩擦搅拌焊接工具(1)，其中在距所述基材(4)表面的厚度为20μm的区域内Ti化合物与所述基材(4)的质量比大于距所述基材(4)表面的厚度超过20μm的区域内的Ti化合物与所述基材(4)的质量比。

3.根据权利要求1所述的摩擦搅拌焊接工具(1)，其中所述基材(4)中与被接合材料接触的部分的表面粗糙度Ra为0.3μm以下。

4.根据权利要求1所述的摩擦搅拌焊接工具(1)，其中所述摩擦搅拌焊接工具(1)包括所述基材(4)和形成于所述基材(4)上的被覆层(5)。

5.根据权利要求4所述的摩擦搅拌焊接工具(1)，其中所述被覆层(5)具有1000℃以上的抗氧化性。

6.根据权利要求1所述的摩擦搅拌焊接工具(1)，其中利用所述摩擦搅拌焊接工具(1)的所述摩擦搅拌焊接加工为摩擦搅拌点焊。

7.一种利用权利要求1所述的摩擦搅拌焊接工具(1)进行材料接合的方法，被接合材料的熔点为1000℃以上。