CN103920984A - 一种双材料组合式搅拌摩擦焊接搅拌头及其制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双材料组合式搅拌摩擦焊接搅拌头及其制造工艺，其目的是解决现有技术存在的搅拌头耐磨性差等问题。所提出的一种双材料组合式搅拌摩擦焊接搅拌头由两种完全不同成分和性能的材料组成，轴肩（2）和夹持部位（1）采用热处理的合金工具钢，搅拌针（3）采用c-BN超硬耐磨复合材料。其中，c-BN超硬耐磨复合材料由粉状粘结合金与c-BN颗粒配比混合，采用放电等离子烧结技术制备，粉状粘结合金与c-BN颗粒配比为c-BN颗粒占总体积的10-30％。其粘结合金以镍Ni为基础合金成分，添加钴Co、钛Ti、铟In构成高温镍基合金，按重量百分比计算Wt％，粘结合金成分为，Co：25-30；Ti：15-20；In：0.5-2；Ni：余量。应用该技术可以提高搅拌头的耐磨性和抗冲击性。

Description

一种双材料组合式搅拌摩擦焊接搅拌头及其制造工艺
技术领域
本发明涉及一种可提高搅拌头耐磨性的双材料组合式搅拌摩擦焊接搅拌头及其制造工艺，属于焊接与连接技术领域。
背景技术
搅拌摩擦焊接是利用机械摩擦产生热源作为连接金属材料的一种焊接方法，其原理是由一个圆柱体形状的搅拌头伸入工件的连接区，通过搅拌头的高速旋转与被焊接金属材料摩擦，使连接部位的金属材料局部产生摩擦热和发生高温塑性变形，连接区金属材料通过相互扩散与再结晶，最后形成金属间连接。搅拌摩擦焊接作为一种固相焊接方法，焊接时的温度相对较低，焊接后结构的残余应力和变形较小，可避免熔化焊接带来的诸多焊接性问题；同时，焊接过程中不需要填充其它焊接材料，非常适合焊接一些组织与性能对温度和成分变化极为敏感的金属材料，如热处理强化铝合金、镁合金及钛合金等。
搅拌摩擦焊接对设备的要求并不高，最基本的要求是实现搅拌头的旋转运动和工件的相对运动。因此，搅拌摩擦焊接的核心部件就是搅拌头。搅拌头由夹持部分、轴肩和搅拌针组成。搅拌摩擦焊接过程中，搅拌针要旋转着插入工件被焊金属材料的连接部位，旋转的搅拌头与工件之间产生摩擦热使搅拌头前面的金属材料发生高温塑性变形。搅拌头轴肩可以和工件表面相互摩擦产生摩擦热，并防止搅拌头在高速旋转时塑性变形的金属材料从焊缝区喷射出来，同时起到清除表面氧化膜的作用。随着搅拌头的移动，高温塑性变形的金属材料流向搅拌头的背后，搅拌头后方的金属材料冷却后形成固态焊缝。
搅拌头作为搅拌摩擦焊接生产中的易耗品，不仅消耗量大，而且其质量的好坏直接影响焊接质量、生产率和成本。搅拌头的材料和结构设计是搅拌摩擦焊接技术的核心，也是搅拌摩擦焊接工艺中最重要技术之一，对焊缝成形质量和金属流动性有重要的影响。搅拌头材料应具有热强性、耐磨性、抗蠕变性、耐冲击性、易加工性、材料惰性、热稳定性、摩擦效果优良等特性。合适材料的搅拌头能够增加摩擦，提高热量的输入，有利于焊缝金属材料高温塑性变形和提高焊接质量。
近几年，搅拌头的材料和结构设计一直受到焊接工作者和搅拌摩擦焊接工艺使用者的关注，并在相关学术期刊发表多篇论文，见[1]Journal of Materials Processing technology，2006，178(1-3)：342-349；[2]Materials Transactions，2005，46(10)：2211-2217；[3]Proceedings of the Japan Welding Society，2005，23(2)：186-193等学术期刊。相关发明专利也很多，如中国专利201310410290.2，201180065081.8，201310316992.4等。查阅已有文献可见，可用作搅拌摩擦焊接的搅拌头材料很多，均为耐磨性较好且具有一定高温热稳定性能的金属材料，如热处理的工具钢、模具钢、镍基合金、WC-Co合金钢、纯钨、钼合金、Co-Al-W合金以及采用两种金属材料组合的搅拌头（轴肩采用模具钢，搅拌针材料为WC-Co合金钢等）。另外，搅拌头的搅拌针在摩擦焊过程中不仅提供热输入，而且起到机械搅拌作用，搅拌针的形貌和几何尺寸影响着高温塑性软化金属材料的流动形式和被切削材料的体积，进而影响接头的力学性能。随着焊接工作者和搅拌摩擦焊接工艺使用者对搅拌摩擦焊接越来越深入的研究，设计出了多种形貌和几何尺寸搅拌针，如柱形搅拌针、锥形螺纹搅拌针、三槽锥形螺纹搅拌针、偏心圆搅拌针、偏心圆螺纹搅拌针和非对称搅拌针等。由于金属材料的耐磨性是非常有限的，因此现有技术采用的单一金属材料或双金属材料制造的搅拌头很难同时满足对高温热稳定性和耐磨性的要求。而且搅拌针在摩擦焊接过程中磨损最为严重，尺寸变化将改变焊接热输入量，最终影响着高温塑性软化金属材料的流动形式和被切削材料的体积，结果使接头力学性能发生变化。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的上述不足，提供一种采用两种完全不同成分和性能的材料组合而成的组合式搅拌头。其中，轴肩（2）和夹持部位（1）采用热处理的合金工具钢，搅拌针（3）采用立方氮化硼（简称c-BN）超硬耐磨复合材料，最后通过焊接工艺将热处理的合金工具钢与c-BN超硬耐磨复合材料连接起来形成组合式搅拌头。
本发明的上述目的可以通过以下技术方案实现，结合附图说明如下：
1、一种双材料组合式搅拌摩擦焊接搅拌头及其制造工艺，其中搅拌头由两种完全不同成分和性能的材料组成，轴肩（2）和夹持部位（1）采用热处理的合金工具钢，搅拌针（3）采用c-BN超硬耐磨复合材料；该超硬耐磨复合材料的粘结合金以镍Ni为基础合金成分，添加钴Co、钛Ti、铟In构成高温镍基合金，按重量百分比计算Wt％，粘结合金成分为，Co：25-30；Ti：15-20；In：0.5-2；Ni：余量。
2、所述的一种双材料组合式搅拌摩擦焊接搅拌头及其制造工艺，包括以下工艺步骤：
第一步，应用热处理的工具钢加工制造搅拌头的轴肩（2）和夹持部位（1）；
第二步，采用颗粒大小为30－50μm，纯度为99.99%的Ni、Co、Ti、In金属混合制备成粉状粘结合金；其中，c-BN颗粒尺寸应选择在80－120μm范围内；将制备好的粉状粘结合金再与c-BN颗粒混合均匀，采用放电等离子烧结技术制备c-BN超硬耐磨复合材料，制造搅拌针（3）；
第三步，将轴肩（2）和夹持部位（1）与搅拌针（3）连接起来形成双材料组合式搅拌头。
3、所述的制造搅拌针（3）的c-BN超硬耐磨复合材料，其c-BN颗粒与粘结合金的体积之比为c-BN颗粒占总体积的10-30％。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
本发明所提出的组合式搅拌头轴肩和夹持部位采用热处理的合金工具钢制造，既可保持夹持部分（1）的刚性，又可保持轴肩（2）的耐磨性。本发明所述加工制造搅拌针（3）采用的c-BN超硬耐磨复合材料具有良好的致密性、极好的抗冲击性和耐磨性，采用阿基米德排水法测得的c-BN超硬耐磨复合材料致密度均大于90%；在磨损试验机进行磨损试验，c-BN超硬耐磨复合材料的耐磨性是热处理的合金工具钢耐磨性的6-10倍。
附图说明
图1是本发明的搅拌头结构示意图。
图中：1、夹持部位；2、轴肩；3、搅拌针。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式：
一、参阅图1，本发明所述的一种双材料组合式搅拌摩擦焊接搅拌头，搅拌头采用两种完全不同成分和性能材料组合而成：轴肩（2）和夹持部位（1）采用热处理的合金工具钢，搅拌针（3）采用立方氮化硼（简称：c-BN）超硬耐磨复合材料，最后通过焊接工艺将热处理的合金工具钢与c-BN超硬耐磨复合材料连接起来形成组合式搅拌头。
二、所述的热处理的合金工具钢易于锻造成形，切削加工性好，具有红硬性高、耐磨性好、强度高等特性。热处理后的合金工具钢硬度可达63-65HRC，采用热处理的合金工具钢加工制造搅拌头的夹持部分（2）和轴肩部位（1），即可保持夹持部分（2）的刚性，又可保持轴肩（1）的耐磨性。
三、所述的加工制造搅拌针的c-BN超硬耐磨复合材料，选择c-BN作为增强相是因为其硬度仅低于金刚石，密度低（3.486g/cm3），具有优越的物理、化学、力学和高温热稳定性能，在大气中加热至1000℃时不发生氧化。
四、所述的加工制造搅拌针的c-BN超硬耐磨复合材料，其合金元素的选择和高温粘结合金成分的确定非常重要，需要同时兼顾粘结合金的高温性能并与c-BN颗粒能够烧结形成致密的高温耐磨复合材料。本发明所述的加工制造搅拌针（3）的c-BN超硬耐磨复合材料，所采用的粘结合金以镍为基础合金成分，添加钴（Co）、钛（Ti）、铟（In）构成高温镍基合金，粘结合金成分（按重量百分比计算Wt％）：Co：25-30；Ti：15-20；In：0.5-2；Ni：余量。其原因是，Ni具有较好的延展性、高温性、抗腐蚀性和抗氧化性能，镍基合金常用于制造高温工作的零件和高温烧结粘结合金；钴延展性好，且与镍互溶性较好，在高温下能保持其原有的强度；Ti的延展性也非常好且是活性元素，高温烧结能与c-BN增强相发生化学冶金反应，提高粘结合金与c-BN增强相结合性能；In是表面活性物质，熔点低（156℃），可塑性和导热性好，表面容易先期活化和熔化并在粉体接触点形成焊接态，提高复合材料的致密性。
五、所述的加工制造搅拌针的c-BN超硬耐磨复合材料将采用放电等离子烧结技术制备。具体方法为：采用颗粒大小为30－50μm，纯度为99.99%的Ni、Co、Ti、In金属按一定成分配比组合均匀混合制备成粉状粘结合金。其中，粘结合金成分（按重量百分比计算Wt％）：Co：25-30；Ti：15-20；In：0.5-2；Ni：余量。将按设计成分制备好的粉状粘结合金再与c-BN颗粒按一定配比混合均匀，采用放电等离子烧结技术制备c-BN超硬耐磨复合材料。采用放电等离子烧结技术烧结制备c-BN耐磨复合材料的常规工艺参数为：真空度必须控制在2×10-2Pa以上，烧结温度700-1000℃，轴向压力20-30MPa，保温时间3-10min。
六、所述的c-BN颗粒的颗粒尺寸选择在80-120μm范围内，c-BN颗粒与粉状粘结合金的体积之比控制为c-BN颗粒占总体积的10-30％。其原因如下：粘结合金与c-BN的颗粒尺寸对耐磨复合材料的性能有一定影响，即，颗粒尺寸小可以提高c-BN超硬耐磨复合材料的粘结合金与c-BN颗粒的结合强度及搅拌针表面的比表面积，从而增加搅拌针与工件之间摩擦系数，提高机械摩擦热效率。当颗粒尺寸过小，粉状粘结合金由于比表面积增大易氧化反而会降低粘结合金与c-BN颗粒的结合强度。此外，c-BN超硬耐磨复合材料体内的c-BN颗粒与粉状粘结合金的体积之比对性能也有一定的影响，即，c-BN颗粒与粉状粘结合金的体积之比增加可以提高c-BN超硬耐磨复合材料的耐磨性，从而提高搅拌针的耐磨性。实际应用过程中也应考虑轴肩与搅拌针的等寿命。
七、所述的一种双材料组合式搅拌摩擦焊接搅拌头，其具体的制造工艺步骤为：
第一步，加工制造搅拌头的轴肩（2）和夹持部位（1）。采用市售热处理的合金工具钢通过锻造和机械加工工艺加工制造搅拌头的轴肩（2）和夹持部位（1）。热处理后的合金工具钢硬度可达63-65HRC，采用热处理的合金工具钢加工制造搅拌头的轴肩（2）和夹持部位（1），即可保持轴肩的耐磨性，又可保持夹持部分的刚性。
第二步，加工制造搅拌针的c-BN超硬耐磨复合材料。采用颗粒大小为30－50μm，纯度为99.99%的Ni、Co、Ti、In金属按一定成分配比组合均匀混合制备成粉状粘结合金。粘结合金成分（按重量百分比计算Wt％）：Co：25-30；Ti：15-20；In：0.5-2；Ni：余量。c-BN颗粒尺寸选择在80-120μm范围内，c-BN颗粒与粉状粘结合金的体积之比控制为c-BN颗粒占总体积的10-30％。将按设计成分制备好的粉状粘结合金再与c-BN颗粒按一定配比混合均匀，采用放电等离子烧结技术制备c-BN超硬耐磨复合材料。采用放电等离子烧结技术烧结制备c-BN耐磨复合材料的常规工艺参数为：真空度必须控制在2×10-2Pa以上，烧结温度700-1000℃，轴向压力20-30MPa，保温时间3-10min。表1是加工制造搅拌针的c-BN超硬耐磨复合材料成分及其性能。
第三步，采用市售焊接材料将热处理的工具钢与c-BN超硬耐磨复合材料连接起来形成双材料组合式搅拌头。
表1加工制造搅拌针的c-BN超硬耐磨复合材料成分及其性能
八、通过反复的实验验证，本发明加工制造搅拌针的c-BN超硬耐磨复合材料达到了良好的致密性和耐磨性。采用阿基米德排水法测得的c-BN超硬耐磨复合材料致密度均大于90%；在磨损试验机进行磨损试验，c-BN超硬耐磨复合材料的耐磨性是热处理的合金工具钢耐磨性的6-10倍。

Claims (3)

1.一种双材料组合式搅拌摩擦焊接搅拌头及其制造工艺，其特征在于搅拌头由两种完全不同成分和性能的材料组成，轴肩（2）和夹持部位（1）采用热处理的合金工具钢，搅拌针（3）采用c-BN超硬耐磨复合材料；该超硬耐磨复合材料的粘结合金以镍Ni为基础合金成分，添加钴Co、钛Ti、铟In构成高温镍基合金，按重量百分比计算Wt％，粘结合金成分为，Co：25-30；Ti：15-20；In：0.5-2；Ni：余量。
2.根据权利要求1所述的一种双材料组合式搅拌摩擦焊接搅拌头及其制造工艺，其特征在于，包括以下工艺步骤：
第一步，应用热处理的工具钢加工制造搅拌头的轴肩（2）和夹持部位（1）；
第二步，采用颗粒大小为30－50μm，纯度为99.99%的Ni、Co、Ti、In金属混合制备成粉状粘结合金；其中，c-BN颗粒尺寸应选择在80－120μm范围内；将制备好的粉状粘结合金再与c-BN颗粒混合均匀，采用放电等离子烧结技术制备c-BN超硬耐磨复合材料，制造搅拌针（3）；
第三步，将轴肩（2）和夹持部位（1）与搅拌针（3）连接起来形成双材料组合式搅拌头。
3.根据权利要求1所述的一种双材料组合式搅拌摩擦焊接搅拌头及其制造工艺，其特征在于，制造搅拌针（3）的c-BN超硬耐磨复合材料，其c-BN颗粒与粘结合金的体积之比为c-BN颗粒占总体积的10-30％。
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