CN108677075B - 一种搅拌摩擦焊搅拌头材料以及搅拌头的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种搅拌摩擦焊搅拌头材料以及搅拌头的制备方法，属于焊接用搅拌头制备技术领域。该搅拌摩擦焊搅拌头材料包括：按照重量百分比计的钨粉75‑85％和碳合金粉15‑25％，所述碳合金粉为碳化钛粉和碳化锆粉中的一种或两种组合。搅拌头的制备方法，包括：(1)按照上述配比将钨粉和碳合金粉混合后置于搅拌头模具中进行预成型处理，制得预成型坯体；(2)将所述预成型坯体置于炉中，随炉升温至2000‑2200℃，调节炉内压力为20‑25MPa，保温1‑1.5h，随炉自然冷却后制得。本发明制备的搅拌头具有优异的强度和耐磨损性能，能够显著提高搅拌头的使用寿命，采用的合金粉末容易获得，原材料成本大幅降低。
Description
技术领域
本发明涉及焊用搅拌头制备技术领域，具体涉及一种搅拌摩擦焊搅拌头材料以及搅拌头的制备方法，主要用于铝合金、镁合金、铜合金、钛合金等合金搅拌摩擦焊工艺。
背景技术
搅拌摩擦焊接技术，以其独特的工作原理和技术特点成为了焊接领域的新星和研究热点。搅拌摩擦焊不需要焊丝、焊条和保护气体，是一种绿色环保的焊接技术。搅拌头是其最主要的耗材，但同时也是搅拌摩擦焊最为致命的弱点；搅拌头的好坏不仅决定了搅拌摩擦焊接头的性能，而且决定着搅拌摩擦焊的生产成本。在搅拌摩擦焊接过程中，搅拌头旋转着插入工件并沿焊接方向持续运动，轴肩底部要紧密贴合在被焊工件表面，并保持一定的压入量；焊缝的形成需要搅拌头与工件的剧烈摩擦作用产生，整个焊接过程中，搅拌头都处于十分恶劣的工作环境下，因此，需要搅拌头具有优异的高温力学性能，尤其是高温耐磨损性能。
基于搅拌头对材料耐磨损及耐高温稳定性的要求，现阶段比较常用的搅拌头材料有H13工具钢、模具钢、镍基合金、纯钨、钨基合金(W-Re、W-La等)、多晶立方氮化硼；或者采用激光熔敷、超音速火焰喷涂、钎焊等技术将两种材料进行组合等。
采用上述材料或方法制备的搅拌头虽然能在一定程度上提高搅拌头的耐磨性能，但其制作工艺复杂，成本高昂，如钨铼合金价格十分昂贵，后期铣削车削加工困难等，不适用于工业化应用；而若采用传统的低成本材料，如工具钢、模具钢等，搅拌头使用寿命大幅度下降，同样会给生产带来困扰，同时焊接接头质量难以保证。
发明内容
本发明的目的在于提供一种搅拌摩擦焊搅拌头材料，以解决现有搅拌头力学性能低、使用寿命短、生产成本高的问题。本发明能够同时兼顾使用寿命和生产成本，提高企业的经济效益。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种搅拌摩擦焊搅拌头材料，包括：按照重量百分比计的钨粉75-85％和碳合金粉15-25％，所述碳合金粉为碳化钛粉和碳化锆粉中的一种或两种组合。
本发明以钨粉作为搅拌头基体，代替传统的工具钢和模具钢，其强度和耐磨性能明显得到改善；同时，相较于现有的钨基搅拌头，本发明将高成本、不易得的金属铼和氧化镧等替换为碳化钛粉和/或碳化锆粉,用碳化钛粉、碳化锆粉作为增强体，不仅保证其力学性能不受影响，而且极大地节约了成本。
本发明以钨作为基体，碳化钛、碳化锆作为增强体并非随意选材。对于复合材料而言，基体和增强体属于不同的材料，其具有完全不同的物理、化学性质，因此，两者之间的结合程度成为影响复合材料综合力学性能的关键因素。碳化钛和碳化锆具有与金属钨相近的热膨胀系数，碳化钛和碳化锆弥散分布于钨金属基体中，可以提高金属基体的强度和韧性。同时，碳化钛、碳化锆与钨界面处态密度形状与内部相似，碳化钛、碳化锆在与钨形成界面时不会引起两侧材料电子结构的突变，可以形成稳定且两侧态密度畸变小的界面；而且在界面处，C原子得到电子，W失去电子，界面处W和C原子已经成键，由此，钨与碳化钛和碳化锆之间形成的界面不仅仅是简单的机械结合，还有化学键形成，因此，加入的增强体碳合金(碳化钛和碳化锆)颗粒不易脱落，保证了整个搅拌头具有稳定的力学性能，使用寿命延长。此外，由于TiC/W和ZrC/W界面结合较强，在受到外加载荷时，界面能有效地把载荷传递给碳化物颗粒，使碳化物颗粒承载；同时，碳化钛和碳化锆颗粒的加入，阻碍了W晶粒长大，起到了细晶强化的作用；因此，在载荷传递和细晶强化的共同作用下，复合材料的综合力学性能得到了进一步提高。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述搅拌头包括：按照重量百分比计的钨粉80％和碳化钛粉20％。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述搅拌头包括：按照重量百分比计的钨粉80％和碳化锆粉20％。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述搅拌头包括：按照重量百分比计的钨粉80％、碳化钛粉10％和碳化锆粉10％。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述钨粉的颗粒尺寸为5-30μm，所述碳化钛粉的颗粒尺寸均为5-30μm，碳化锆粉的颗粒尺寸为5-30μm。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述钨粉的颗粒尺寸为5-8μm，所述碳化钛粉的颗粒尺寸均为5-8μm，碳化锆粉的颗粒尺寸为5-8μm。
通过进一步细化钨粉以及碳化钛粉、碳化锆粉的颗粒尺寸，使得搅拌头在烧结的过程中能形成更多的弥散分布以及更多的W/碳化钨的界面，进一步优化搅拌头的力学性能。
一种搅拌摩擦焊搅拌头的制备方法，采用上述的搅拌头材料制备而成，其步骤包括：
(1)按照上述配比将钨粉和碳合金粉混合后置于搅拌头模具中进行预成型处理，制得预成型坯体；
(2)将所述预成型坯体置于炉中，随炉升温至2000-2200℃，调节炉内压力为20-25MPa，保温1-1.5h，随炉自然冷却后，制得。
本发明在烧结的过程中，施加一定的压力，在温度和压力的共同作用下，有助于原料粉末颗粒接触扩散、流动传质过程的进行；同时，由于在烧结过程中施加有压力，其还能降低烧结温度，缩短烧结时间，从而抵制晶粒长大，得到晶粒细小、致密度高和机械性能优良的复合材料，并且由于缩短了反应时间，进而缩短了产品的制造周期，耗时少，提高了工作效率。此外，本发明的制备方法简单，整个过程只需要一次升温和保温就能完成。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述制备方法还包括：(3)将步骤(2)制得的搅拌头进行精磨抛光处理。
本发明具有以下有益效果：
本发明制备的搅拌头具有优异的强度和耐磨损性能，尤其是高温耐磨损性能，能够显著提高搅拌头的使用寿命。本发明采用的合金粉末容易获得，相对于昂贵的钨铼、钨镧合金，原材料成本大幅降低。同时，本发明通过粉末冶金的方式制备搅拌头，可根据实际需要精确调控各合金粉末的比例，对搅拌头的宏观性能进行调控。此外，本发明通过预先制作好模具实现搅拌头的净尺寸一体化成型，减小了后期的打磨工作量，克服了钨基金属铣削和车削加工困难的缺点，大大简化了工艺流程，节约生产成本并提高了生产效率。本发明制得的搅拌头应用范围广，可以适用于铝合金、镁合金、铜合金、钛合金等多种合金搅拌摩擦焊工艺。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备的碳化钛/钨基颗粒增强复合材料的金相图；
图2为本发明实施例2所制备的碳化锆/钨基颗粒增强复合材料的金相图；
图3为本发明实施例3所制备的碳化钛+碳化锆/钨基颗粒增强复合材料的金相图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通购买获得。
实施例1
按照本发明的方法，原材料采用80％钨粉和20％碳化钛粉(80％W+20％TiC)，其中，两种粉末的纯度均为99.99％，钨粉的颗粒尺寸为8μm，碳化钛粉的颗粒尺寸为8μm；将上述合金粉末混合均匀后放入提前制作好的搅拌头模具中，压紧后放入烧结炉中进行热压烧结，工艺步骤和参数如下：1)将炉温升至2000℃，施加压力20MPa，保温1h；2)待烧结炉自然冷却至室温，取出搅拌头进行精抛打磨处理。
实施例2
按照本发明的方法，原材料采用80％钨粉和20％碳化锆粉(80％W+20％ZrC)，其中，两种粉末的纯度均为99.99％，钨粉的颗粒尺寸为8μm，碳化锆粉的颗粒尺寸为8μm；将上述合金粉末混合均匀后放入提前制作好的搅拌头模具中，压紧后放入烧结炉中进行热压烧结，工艺步骤和参数如下：1)将炉温升至2000℃，施加压力20MPa，保温1h；2)待烧结炉自然冷却至室温，取出搅拌头进行精抛打磨处理。
实施例3
按照本发明的方法，原材料采用80％钨粉加10％碳化钛粉和10％碳化锆粉(80％W+10％TiC+10％ZrC)，其中，两种粉末的纯度均为99.99％，钨粉的颗粒尺寸为8μm，碳化钛粉和碳化锆粉的颗粒尺寸为8μm；将上述合金粉末混合均匀后放入提前制作好的搅拌头模具中，压紧后放入烧结炉中进行烧结，工艺步骤和参数如下：1)将炉温逐渐升至2000℃，施加压力20MPa，保温1h；2)待烧结炉自然冷却至室温，取出搅拌头进行精抛打磨处理。
实施例4
按照本发明的方法，原材料采用75％钨粉和25％碳化钛粉(75％W+25％TiC)，其中，两种粉末的纯度均为99.99％，钨粉的颗粒尺寸为30μm，碳化钛粉的颗粒尺寸为30μm；将上述合金粉末混合均匀后放入提前制作好的搅拌头模具中，压紧后放入烧结炉中进行热压烧结，工艺步骤和参数如下：1)将炉温升至2100℃，施加压力23MPa，保温1.2h；2)待烧结炉自然冷却至室温，取出搅拌头进行精抛打磨处理。
实施例5
按照本发明的方法，原材料采用85％钨粉和15％碳化锆粉(85％W+15％ZrC)，其中，两种粉末的纯度均为99.99％，钨粉的颗粒尺寸为5μm，碳化锆粉的颗粒尺寸为5μm；将上述合金粉末混合均匀后放入提前制作好的搅拌头模具中，压紧后放入烧结炉中进行热压烧结，工艺步骤和参数如下：1)将炉温升至2200℃，施加压力25MPa，保温1.5h；2)待烧结炉自然冷却至室温，取出搅拌头进行精抛打磨处理。
实施例6
按照本发明的方法，原材料采用80％钨粉加15％碳化钛粉和5％碳化锆粉(80％W+15％TiC+5％ZrC)，其中，两种粉末的纯度均为99.99％，钨粉的颗粒尺寸为10μm，碳化钛粉和碳化锆粉的颗粒尺寸为10μm；将上述合金粉末混合均匀后放入提前制作好的搅拌头模具中，压紧后放入烧结炉中进行烧结，工艺步骤和参数如下：1)将炉温逐渐升至2200℃，施加压力20MPa，保温1.5h；2)待烧结炉自然冷却至室温，取出搅拌头进行精抛打磨处理。
实施例7
按照本发明的方法，原材料采用75％钨粉加10％碳化钛粉和15％碳化锆粉(75％W+10％TiC+15％ZrC)，其中，两种粉末的纯度均为99.99％，钨粉的颗粒尺寸为6μm，碳化钛粉和碳化锆粉的颗粒尺寸为6μm；将上述合金粉末混合均匀后放入提前制作好的搅拌头模具中，压紧后放入烧结炉中进行烧结，工艺步骤和参数如下：1)将炉温逐渐升至2000℃，施加压力25MPa，保温1h；2)待烧结炉自然冷却至室温，取出搅拌头进行精抛打磨处理。
对上述7组实施例制得的搅拌头和现有的工具钢搅拌头进行高温耐磨损性能测试，试验条件为：600℃+1h，测试结果如表1所示：
表1
从上述测试结果可知：7种实施例下的搅拌头均具有优异的耐磨损性能，其中，实施例2(ZrC/W)所得的钨基搅拌头材料耐磨损性能最好，其质量磨损率仅为0.046g/h。同时，对上述几种情况下的搅拌头材料进行弯曲试验，试验结果如表2所示：
表2
从上述试验结果可以看出：7种实施例下的搅拌头材料的抗弯强度达到400MPa左右，其中最高达408MPa。
图1-3为实施例1-3的搅拌头的金相图。从图1-3可以看出，本发明实施例制得搅拌头其晶粒细小且分布均匀，与前述优良的耐磨性能相吻合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种搅拌摩擦焊搅拌头的制备方法，其特征在于，其步骤包括：
(1)将钨粉和碳合金粉混合后置于搅拌头模具中进行预成型处理，制得预成型坯体；
钨粉和碳合金粉的配比为：重量百分比计的钨粉75-85％和碳合金粉15-25％，其中，所述碳合金粉为碳化钛粉和碳化锆粉中的一种或两种组合，所述钨粉的颗粒尺寸为5-8μm，所述碳化钛粉的颗粒尺寸均为5-8μm，碳化锆粉的颗粒尺寸为5-8μm；
(2)将所述预成型坯体置于炉中，随炉升温至2000-2200℃，调节炉内压力为20-25MPa，保温1-1.5h，随炉自然冷却后制得。
2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊搅拌头的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：(3)将步骤(2)制得的搅拌头进行精磨抛光处理。
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