CN105436699A - 一种搅拌摩擦焊用的高氮钢搅拌头及其制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种搅拌摩擦焊用的高氮钢搅拌头及其制造工艺。制造搅拌头的高氮钢材料以重量百分比计，含有以下元素：Mn:16-19％；Cr:20-30％；N:0.5-0.9％；Mo:1.5-2.5％；Ni:≤0.2％；S:≤0.03％；P:≤0.03％；C:≤0.03％；Si:≤0.4％,余量为铁及不可避免杂质。该高氮钢材料强度高、抗蠕变、疲劳性能好，采用该高氮钢材料制作搅拌头，并对搅拌头进行热处理，使得所制作的搅拌头强度高，使用寿命长，产热稳定，能够满足铝合金等低熔点有色金属对搅拌头性能的要求。

Description

一种搅拌摩擦焊用的高氮钢搅拌头及其制造工艺
技术领域
本发明涉及用于铝合金的低熔点有色金属焊接的搅拌摩擦焊用的搅拌头及其制造工艺。
背景技术
搅拌摩擦焊是一种新兴的固相连接技术，主要通过搅拌头与被焊工件之间的摩擦热来加热被焊工件，并通过搅拌头的摩擦、搅拌作用实现被焊工件之间的连接。由于搅拌摩擦焊的特殊连接机理，使得搅拌头成为搅拌摩擦焊的关键部件，在工作过程中搅拌头会受到巨大的机械力以及高温的作用，因此对于搅拌头的高温稳定性及热强性有着特殊要求。目前搅拌头材质有不锈钢、工具钢、高温合金以及陶瓷等。搅拌摩擦焊的主要工作对象为铝、镁等低熔点金属，工作温度一般在400-500℃之间，高温合金和陶瓷等虽然能达到更高的工作温度，但考虑到加工、成本控制的诸多方面的因素，焊接铝、镁等低熔点金属的搅拌头还是以不锈钢、工具钢等材质为主，通过机械加工、热处理等工艺，加工出满足使用要求的搅拌头。如以18-8不锈钢为例，将棒材原料按图纸加工成规定形状，再通过热处理或表面处理等工艺来进一步改善搅拌头的使用性能。这样制作出来的搅拌头在使用前期能够很好的工作，但由于在工作过程中受到机械力的作用，会对搅拌头造成十分严重的磨损，致使其性能急剧下降，出现产热不均、工作质量差等诸多问题，这就极大的限制了搅拌头的使用寿命。
因此，现阶段急需一种能够用于铝、镁等低熔点金属焊接的搅拌头材料，能够在保证工作性能的前提下，提高搅拌头的使用寿命，这对低熔点金属的焊接具有极为深远的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种搅拌摩擦焊用的高氮钢搅拌头及其制造工艺，制造搅拌头的高氮钢材料强度高，疲劳寿命长，使得所制造的搅拌头具有强度高、产热稳定、使用寿命长的优点，完全能够满足铝合金等低熔点有色金属对搅拌性能的要求。为达到此目的，本发明采用如下技术方案：
一种搅拌摩擦焊用的高氮钢搅拌头及其制造工艺，所述制造搅拌头的髙氮钢以重量百分比计由下列元素组成：Mn:16-19％；Cr:20-30％；N:0.5-0.9％；Mo:1.5-2.5％；Ni:≤0.2％；S:≤0.03％；P:≤0.03％；C:≤0.03％；Si:≤0.4％,余量为铁及不可避免杂质。
优选，所述制造搅拌头的高氮钢以重量百分比计由下列元素组成：Mn:16.5-18.5％；Cr:22-28％；N:0.6-0.8％；Mo:1.7-2.3％；Ni:≤0.2％；S:≤0.03％；P:≤0.03％；C:≤0.03％；Si:≤0.4％,余量为铁及不可避免杂质。
所述的一种搅拌摩擦焊用的高氮钢搅拌头的制造工艺包含如下步骤：
(1)加热锻造：高氮钢粗胚加热至900-1000℃之间经锻造加工制成直径为35mm的棒材；
(2)退火：高氮钢棒材加热至730-750℃之间，保温2.5-3小时，再缓慢降温至550-500℃之间，保温1-1.5小时，最后随炉冷却至室温；
(3)切削：退火高氮钢棒材切削成直径为30mm粗胚，按照相应尺寸标准对粗胚进行铣削加工，制得高氮钢搅拌头半成品，最后对除搅拌针和轴肩意外的其他部位抛光；
(4)淬火：将搅拌头加热至730-750℃后，保温1.5-2小时,空冷至室温，将搅拌针与轴肩位置置于感应线圈中，加热2-2.5s后立即水冷。
退火过程中炉内充入氮气以减少氮元素溢出，炉内压强维持在2±0.5kPa左右，感应加热时，感应线圈的频率控制在750-800kHz之间。
本发明与现有技术相比，具有如下显著效果：
1)本发明的高氮钢搅拌头的高温强度高。本发明中主搅拌头是以高氮钢为原料，高氮钢中以氮作为强化元素，并通过与锰、钼等元素的配合，使其在400℃-600℃之间具有极佳的高温强度，因此该搅拌头在400℃-600℃之间高温性能好。
2)本发明的高氮钢搅拌头表面状态稳定。搅拌头在加工过程中进行了表面处理，使搅拌头的表面状态更加稳定，不会因为使用时间过长导致搅拌头表面出现“光化”或“毛化”现象，造成使用过程中产热不稳定、产品质量下降等问题。
3)本发明的高氮钢搅拌头综合性价比高。该搅拌头采用高氮钢制造而成，加工过程中对搅拌头表面进行了处理，在最大限度的保持高氮钢性能的同时有改善了搅拌头的表面状态，使得所制造的搅拌头具有很好综合性能。而高氮钢主要以氮作为强化元素，极大的降低了材料的成本，因此采用高氮钢制造搅拌头在价格上具有很大优势。综上所述高氮钢搅拌头就有非常好的市场价值和应用前景。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
本发明一种搅拌摩擦焊的高氮钢搅拌头及其制造工艺，其中搅拌头的制造工艺包含如下步骤：
(1)将高氮钢的粗胚真空加热到950℃左右，将加热后的高氮钢粗胚放入压膜锻造机中进行冲压锻造，经多次冲压锻造之后将高氮钢粗胚加工成直径为35mm的高氮钢棒材；
(2)将锻造的高氮钢棒材加热至750℃，并保温3小时，再将温度缓慢降至550℃左右，保温1.5小时，最后高氮钢棒材随炉冷却至室温，整个退火过程中在炉内充入氮气作为保护气体，以减少高氮钢棒材中氮元素的溢出；
(3)先将高氮钢棒材切割成长度为150mm的短棒，再对其进行粗加工，加工成直径为30mm的搅拌头粗胚，按照图纸的尺寸要求对搅拌头粗胚进行切削加工，最后对搅拌头的除搅拌针和轴肩的其他位置进行抛光处理；
(4)将所制得搅拌头加热至730℃后，保温1.5小时后空冷至室温，再对搅拌头的轴肩和搅拌着进行表面淬火处理，将搅拌针和轴肩放置在感应线圈中，感应线圈的频率设置为750kHz，加热2s后迅速水冷。
为满足不同铝合金材料对搅拌头性能的要求，对制作搅拌头的高氮钢成分做出了调整，实施例1-4的具体成分如表1所示：
表1
Mn Cr N Mo Ni V S P C Si Fe
实施例1 17.5 25 0.7 2.0 0.2 0 0.02 0.02 0.02 0.3 余量
实施例2 16 28 0.85 2.1 0.2 0 0.02 0.02 0.02 0.3 余量
实施例3 18 23 0.8 1.9 0.2 0 0.02 0.02 0.02 0.3 余量
实施例4 18.5 30 0.9 2.2 0.2 0 0.02 0.02 0.02 0.3 余量
H13 0.5 5.5 0 2.0 0 0.6 0.02 0.02 0.33 0.3 余量
314不锈钢 1.8 25 0 0 20 0 0.03 0.04 0.22 1.5 余量
对高氮钢搅拌头的抗弯强度，使用寿命进行测试，测试结果如表2所示。采用6061铝合金试板对搅拌头的使用寿命进行测试，其中搅拌头转速为900r/min,焊接速度为80mm/min。
表2
强度/MPa 使用寿命/h
实施例1 340 52
实施例2 365 53
实施例3 364 49
实施例4 358 56
H13搅拌头 295 43
314不锈钢搅拌头 237 35
本发明的高氮钢搅拌头主要用于铝及铝合金、镁及镁合金的低熔点有色金属的焊接，本搅拌头强度高，使用寿命长，焊接质量好、制造成本低等优点，非常适合大规模工业生产的应用。

Claims (5)

1.一种搅拌摩擦焊用的高氮钢搅拌头，其特征在于，搅拌头由高氮钢材料制成，所述高氮钢以重量百分比计由下列元素组成：Mn:16-19％；Cr:20-30％；N:0.5-0.9％；Mo:1.5-2.5％；Ni:≤0.2％；S:≤0.03％；P:≤0.03％；C:≤0.03％；Si:≤0.4％,余量为铁及不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦焊用的高氮钢搅拌头，其特征在于，所述高氮钢材料以重量百分比计由下列元素组成：Mn:16.5-18.5％；Cr:22-28％；N:0.6-0.8％；Mo:1.7-2.3％；Ni:≤0.2％；S:≤0.03％；P:≤0.03％；C:≤0.03％；Si:≤0.4％,余量为铁及不可避免杂质。
3.根据权利要求1-2所述的一种搅拌摩擦焊用的高氮钢搅拌头的制造工艺，其特征在于，包含如下制造工艺步骤:
(1)加热锻造：高氮钢粗胚加热至900-1000℃之间经锻造加工制成直径为35±1mm的棒材；
(2)退火：高氮钢棒材加热至730-750℃，保温2.5-3小时，再缓慢降温至500-550℃之间，保温1-1.5小时，最后随炉冷却至室温；
(3)切削：后退火高氮钢棒材切削成直径为30±0.5mm粗胚，按照相应尺寸标准对粗胚进行铣削加工，制得高氮钢搅拌头半成品，再对搅拌头中除搅拌针和轴肩以外的其他部位抛光；
(4)淬火：将搅拌头以20±5℃/min的速率加热至730-750℃后，保温1.5-2小时，空冷至室温，再将搅拌针与轴肩置于感应线圈中，加热2-2.5s后立即水冷。
4.根据权利要求3所述的一种搅拌摩擦焊用的高氮钢搅拌头及其制造工艺，其特征在于，所述退火过程在氮气气氛下进行，压强在12±0.5kPa。
5.根据权利要求3所述的一种搅拌摩擦焊用的高氮钢搅拌头及其制造工艺，其特征在于，感应加热过程中感应线线圈的频率在750-800kHz之间。
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