CN107378167B - 一种提高SiCp/Al复合材料搅拌摩擦焊搅拌头耐磨性的方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高SiCp/Al复合材料搅拌摩擦焊搅拌头耐磨性的方法，其特征是利用钎焊技术将纳米金刚石粉末钎焊在搅拌头轴肩端面和搅拌针表面，形成纳米金刚石耐磨层，提高搅拌头轴肩和搅拌针的耐磨性。本发明的搅拌头具有高强度、高耐磨性和使用寿命长的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种搅拌摩擦技术，尤其是一种搅拌摩擦头，具体地说是一种提高SiCp/Al复合材料搅拌摩擦焊搅拌头耐磨性的方法。
背景技术
碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al复合材料）具有较高的比刚度、比强度、高热稳定性和高耐磨性的优点，并具有优异的力学性能，在航空航天、军用装备、汽车制造及精密仪器等领域具有广阔的应用前景。SiCp/Al复合材料采用的常规连接方法主要有：钎焊、扩散焊、激光焊、电子束焊等技术。其中，有些技术需要填充材料，从而大大降低了连接部位的性能；而有的虽然连接性能好，但对加工设备要求高，工艺复杂，生产周期长，整体加工效率不能满足研制及生产需求。搅拌摩擦焊是一项高效、节能、环保的固相连接技术，设备要求不高、工艺相对简单、连接性能好，近年来受到学术界和工业界的广泛关注，在航空航天、轨道交通等领域的铝合金、镁合金等轻金属连接中应用广泛。
SiCp/Al复合材料搅拌摩擦焊接加工中存在的核心问题是搅拌头磨损非常严重，搅拌头的磨损将使搅拌摩擦区域机械力和摩擦热发生变化，最终影响接头的结合和力学性能。SiCp/Al复合材料由于SiC颗粒增强相的加入使得材料在硬度、强度和耐磨性等方面大幅度提高，然而增强相颗粒的存在使其后续加工困难，且加工中难以保证零件的加工精度和表面质量，这在很大程度上制约了该材料的广泛应用。因此，提高搅拌摩擦焊搅拌头的耐磨性对SiCp/Al复合材料搅拌摩擦焊接有着重要的意义。
对于提高搅拌头耐磨性的专利和报道较多，如搅拌头材料采用纯钨(CPW)、多晶立方氮化硼( PCBN )、钨基合金等，对于这些硬度高的难加工材料，加工工艺复杂，制作成本高昂。中国专利（授权号：CN 103934566 B）公开了一种提高搅拌摩擦焊接高强铝合金的搅拌头耐磨性的方法，具体方法是，是通过激光熔覆技术在搅拌头轴肩和搅拌针表面均匀熔敷一层由激光熔敷合金和WC颗粒混合组成的条纹状激光熔覆耐磨涂层。中国专利（申请号：201510867276.4）公开了一种提高搅拌摩擦焊用搅拌头耐磨耐高温性能的方法，将铸态高速工具钢W18Cr4V 采用自由锻+模锻锻造技术加工成所需凹型轴肩和锥形搅拌针形貌搅拌头，在搅拌头轴肩和搅拌针基体表面预置镍基陶瓷复合合金粉末，采用激光熔敷技术将轴肩和搅拌针基体表层与预置在其上的镍基陶瓷复合合金粉末一起加热熔化并迅速冷凝制备环形和螺旋形耐磨耐高温涂层。中国专利（申请号：201611051239.7）公开了一种提高搅拌摩擦焊搅拌头寿命的方法，通过采用超音速火焰喷涂将纳米结构的WC-Co系粉末材料喷涂于搅拌针和轴肩的表面，形成WC-Co基涂层。以上方法都是通过在搅拌针和轴肩的表面制作耐磨涂层，以提高搅拌头的耐磨性和寿命，带有耐磨涂层的搅拌头比普通搅拌头耐磨性要好，但涂层的厚度较薄，对于SiC颗粒增强相的复合材料焊接效果有限。
发明内容
本发明的目的是针对SiCp/Al复合材料搅拌摩擦焊时搅拌头容易磨损的问题，发明一种提高SiCp/Al复合材料搅拌摩擦焊搅拌头耐磨性的方法。
本发明的技术方案是：
一种提高SiCp/Al复合材料搅拌摩擦焊搅拌头耐磨性的方法，其特征是利用钎焊技术将纳米金刚石粉末钎焊在搅拌头轴肩端面和搅拌针表面，形成纳米金刚石耐磨层，提高搅拌头轴肩和搅拌针的耐磨性。
具体步骤如下：
第一步，将合金工具钢坯料通过机械加工制造成所需要的搅拌头基体；
第二步，在搅拌头的轴肩端面和/或锥形搅拌针表面加工微小孔阵列或者微凹槽，加工完成后将搅拌头除锈，除油清洗干净；
第三步，配置纳米金刚石粉末与钎料合金的混合物；纳米金刚石粉末、钎料合金、Cu粉末和稀土Nd粉末按质量百分比为纳米金刚石粉末30-35%、Cu2-5%、Nd0.1-1%，余量为钎料合金；将上述原料按比例配置好放置于密封容器中，进行混合均匀，制成纳米金刚石钎焊混合物；
第四步，将混合均匀的纳米金刚石钎焊混合物通过粘结剂调成膏状，利用注射器将膏状混合物均匀涂敷搅拌头的轴肩端面和搅拌针表面的微小孔阵列或微凹槽内，使涂覆的材料略高于孔口表面和凹槽表面。
第五步，将制作好的涂覆有纳米金刚石钎焊混合物的搅拌头放入真空炉内，设置钎焊参数，进行钎焊，最终得到轴肩端面和搅拌针表面钎焊有纳米金刚石耐磨层的搅拌头。
所述的轴肩端面预制的微小孔阵列的排列方式可以是放射形、螺旋放射形或交错排列，微凹槽的形状可以是涡线状或者扇叶形。
所述的搅拌针表面预制的微小孔阵列或者微凹槽，微小孔阵列可以是整齐排布也可以是交错排布，或者是呈螺旋状排列；微凹槽为螺旋结构排列。
所述的纳米金刚石粉末的粒度在100-200nm之间，钎料合金、Cu粉末和稀土Nd粉末的平均粒度在20-40μm。
所述的搅拌头基体包括夹持部分、轴肩和锥形搅拌针。
所述的轴肩带有凹面结构。
所述的钎料合金成分按质量百分比分别为：碳0.6～1.25％，硅4.0～4.9％，硼2.4～3.1％，铁2.9～4％，铬15.5～18.1％，余量为Ni。
本发明的有益效果：
本发明所提供的提高SiCp/Al复合材料搅拌摩擦焊搅拌头耐磨性的方法，通过在搅拌头轴肩和搅拌针表面预制微小孔阵列或者微凹槽，采用钎焊技术将纳米金刚石钎焊于搅拌头轴肩和搅拌针表面的微小孔阵列或者微凹槽，微小孔阵列或者微凹槽能够增加纳米金刚石与搅拌头基体的结合强度，最终形成具有高强度、高耐磨性的耐磨层，从而提高搅拌头的耐磨性和延长使用寿命。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图。
图2 为本发明的搅拌针放大结构示意图。
图3 为本发明的轴肩结构示意图一。
图4 为本发明的轴肩结构示意图二。
图中：1-装夹柄、2-过渡圆柱体、3-轴肩、4-轴肩端面、5-锥形搅拌针、6-钎焊的纳米金刚石。
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。
如图1-4所示。
一种提高SiCp/Al复合材料搅拌摩擦焊搅拌头耐磨性的方法，包括以下步骤：
（1）将合金工具钢坯料通过机械加工制造成所需要的搅拌头基体，搅拌头基体包括装夹柄1、过渡圆柱体2、轴肩3和锥形搅拌针5，如图1所示，轴肩端面4是内凹形结构。
（2）在搅拌头的凹形轴肩端面4上预制微小孔阵列，排列方式可以是放射形、螺旋放射形、交错排列等多种方式，也可以在端面预制微凹槽，其凹槽的形状可以是涡线状或者扇叶形等，如图3和图4所示。在锥形搅拌针5表面加工微小孔阵列或者螺旋凹槽，微小孔阵列可以是整齐排布也可以是交错排布或者是螺旋排布，如2所示；微小孔阵列或微凹槽加工完成后，将搅拌头轴肩3和搅拌头5除锈，除油清洗干净。
所述的搅拌头轴肩3和搅拌针5表面加工的微小孔阵列或者微凹槽能够增加纳米金刚石与搅拌头基体的结合强度。
（3）配置纳米金刚石粉末与钎料合金的混合物，混合物包括纳米金刚石粉末、钎料合金、Cu粉末和稀土Nd粉末，按质量百分比为纳米金刚石粉末30-35%、Cu2-5%、Nd0.1-1%，余量为钎料合金，所述的钎料合金成分按质量百分比含量为：碳0.6～1.25％，硅4.0～4.9％，硼2.4～3.1％，铁2.9～4％，铬15.5～18.1％，余量为Ni。 将上述原料按比例配置好放置于密封容器中，进行混合均匀，制成纳米金刚石钎焊混合物。所述的Cu粉末能够降低钎焊对金刚石的热损伤；所述的稀土Nd粉末既能强化钎料的性能，又能够增强金刚石与钎料之间的结合强度。所述的纳米金刚石的粒度在100-200nm之间，钎料合金、Cu粉末和稀土Nd粉末的平均粒度在20-40μm。本领域技术人员可以根据上述配比自行配制钎料。
（4）再用粘结剂将混合均匀的纳米金刚石钎焊混合物调成膏状，利用注射器将膏状料均匀涂敷搅拌头轴肩端面4上，轴肩端面4涂覆的形状可以是涡线状，也可以是扇形状等，同时还应往搅拌针5表面的小孔内注射膏状原料，使涂覆的材料略高于孔口表面和凹槽表面。
（5）将制作好的涂覆有纳米金刚石钎焊混合物的搅拌头放入真空炉内，设置钎焊参数，进行钎焊，最终得到轴肩端面和搅拌针表面钎焊有纳米金刚石耐磨层的搅拌头。
实例一。
按照本发明的方法，在搅拌头凹型轴肩端面和锥形搅拌针表面预制了微小孔阵列，在孔内钎焊了纳米金刚石耐磨层，钎焊纳米金刚石原料质量百分比为纳米金刚石粉末30%、Cu4%、Nd0.8%，余量为钎料合金，钎料合金成分按质量百分比含量为：碳1％，硅4.5％，硼3％，铁3.5％，铬17％，余量为Ni。纳米金刚石的粒度在100-200nm之间，钎料合金、Cu粉末和稀土Nd粉末的平均粒度在20-40μm。真空钎焊工艺参数为：真空度≤10-2Pa，钎焊温度1020℃，保温时间10min，升降温速度10℃/ min。经检测，搅拌头凹型轴肩和搅拌针表面钎焊的纳米金刚石耐磨层的高度高于孔口表面0.2-0.3mm。通过摩擦磨损试验机进行磨损试验，结果显示，与未经钎焊处理搅拌头相比较，本发明的通过钎焊技术在搅拌头轴肩和搅拌针表面钎焊纳米金刚石耐磨层的方法，使搅拌头轴肩和搅拌针的耐磨性提高5倍以上。可见，本发明所述方法制造的搅拌头有显著的耐磨性。
实例二
按照本发明的方法，采用与实例一相同的纳米金刚石原料配方和钎焊工艺参数在凹型轴肩端面和锥形搅拌针表面钎焊纳米金刚石，用钎焊纳米金刚石的搅拌头焊接2024Al＋5%SiC颗粒的复合材料，搅拌摩擦焊接的工艺参数：旋转速度600r/min，焊接速度800mm/min，下压量0.1mm，复合材料板厚8mm，累积焊接焊缝长度3m。搅拌头无明显磨损，焊缝质量可靠。试验证明，本发明所述方法制造的搅拌头对于焊接SiCp/Al复合材料有着优越的耐磨性能。
实例三。
根据纳米金刚石粉末30-35%、Cu2-5%、Nd0.1-1%，余量为钎料合金，所述的钎料合金成分按质量百分比含量为：碳0.6～1.25％，硅4.0～4.9％，硼2.4～3.1％，铁2.9～4％，铬15.5～18.1％，余量为Ni，配置钎料合金和混合物得到不同配比的钎料合金，以及钎料合金与纳米金刚石粉的混合物，进行试验，性能与实例一相近似。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (6)
1.一种提高SiCp/Al复合材料搅拌摩擦焊搅拌头耐磨性的方法，其特征是利用钎焊技术将纳米金刚石粉末钎焊在搅拌头轴肩端面和搅拌针表面，形成纳米金刚石耐磨层，提高搅拌头轴肩和搅拌针的耐磨性；它包括以下步骤：
第一步，将合金工具钢坯料通过机械加工制造成所需要的搅拌头基体；
第二步，在搅拌头的轴肩端面和/或锥形搅拌针表面加工微小孔阵列或者微凹槽，加工完成后将搅拌头除锈，除油清洗干净；
第三步，配置纳米金刚石粉末与钎料合金的混合物；纳米金刚石粉末、钎料合金、Cu粉末和稀土Nd粉末按质量百分比为纳米金刚石粉末30-35%、Cu2-5%、Nd0.1-1%，余量为钎料合金；将上述原料按比例配置好放置于密封容器中，进行混合均匀，制成纳米金刚石钎焊混合物；所述的钎料合金成分按质量百分比分别为：碳0.6～1.25％，硅4.0～4.9％，硼2.4～3.1％，铁2.9～4％，铬15.5～18.1％，余量为Ni；
第四步，将混合均匀的纳米金刚石钎焊混合物通过粘结剂调成膏状，利用注射器将膏状混合物均匀涂敷搅拌头的轴肩端面和搅拌针表面的微小孔阵列或微凹槽内，使涂覆的材料略高于孔口表面和凹槽表面；
第五步，将制作好的涂覆有纳米金刚石钎焊混合物的搅拌头放入真空炉内，设置钎焊参数，进行钎焊，最终得到轴肩端面和搅拌针表面钎焊有纳米金刚石耐磨层的搅拌头。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的轴肩端面预制的微小孔阵列的排列方式可以是放射形、螺旋放射形或交错排列，微凹槽的形状可以是涡线状或者扇叶形。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的搅拌针表面预制的微小孔阵列或者微凹槽，微小孔阵列可以是整齐排布也可以是交错排布，或者是呈螺旋状排列；微凹槽为螺旋结构排列。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的纳米金刚石粉末的粒度在100-200nm之间，钎料合金、Cu粉末和稀土Nd粉末的平均粒度在20-40μm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的搅拌头基体包括夹持部分、轴肩和锥形搅拌针。
6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征是所述的轴肩带有凹面结构。
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