CN109562485B - 搅拌摩擦焊用工具构件和使用该工具构件的搅拌摩擦焊装置以及搅拌摩擦焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种搅拌摩擦焊用工具构件，其特征在于：在使台肩部和搅拌针部一体化的由陶瓷构件构成的搅拌摩擦焊用工具构件中，所述搅拌针部的根部以及台肩部的端部具有曲面形状，在将所述台肩部的端部的曲率半径设定为R1(mm)、台肩部的外径设定为D(mm)时，R1/D为0.02～0.20。另外，陶瓷构件优选由维氏硬度为1400HV1以上的氮化硅烧结体构成。根据上述构成，可以提供一种耐久性优良的搅拌摩擦焊用工具构件。

Description

搅拌摩擦焊用工具构件和使用该工具构件的搅拌摩擦焊装置 以及搅拌摩擦焊方法
技术领域
实施方式涉及搅拌摩擦焊用工具构件和使用该工具构件的搅拌摩擦焊装置以及搅拌摩擦焊方法。
背景技术
搅拌摩擦焊(FSW：Friction Stir Welding)为一种一边使被称之为搅拌针(probe)的焊接工具构件高速旋转一边按压在构件上，并利用摩擦热而使多个构件一体化的焊接方法。通过摩擦热而使构件(母材)软化，通过搅拌针的转矩而使焊接部周边产生塑性流动，从而可以使多个构件(母材和对应材料)一体化。因此，搅拌摩擦焊可以说是固相焊接的一种。
搅拌摩擦焊由于为固相焊接，向焊接部的输入热量较少，因而焊接对象的软化和应变的程度较少。另外，由于不使用焊接钎料，因而可以期待成本的降低。搅拌摩擦焊中使用的焊接工具构件要求可耐高速旋转的耐磨性、和可耐摩擦热的耐热性。作为以前的焊接工具构件，在日本特开2011-98842号公报(专利文献1)中公开了使用氮化硅烧结体的构件。专利文献1的氮化硅烧结体是大量含有达20vol％的cBN(立方晶氮化硼)、SiC(碳化硅)、TiN(氮化钛)的烧结体。
专利文献1的由氮化硅烧结体构成的焊接工具构件虽然可以看到一定的耐磨性的改善，但还要求进一步的改善。已经判明在如专利文献1那样大量添加达20vol％的cBN(立方晶氮化硼)、SiC(碳化硅)、TiN(氮化钛)的烧结体中，因变成难烧结性而不能得到致密的烧结体，从而氮化硅烧结体的耐磨性并不充分。
另一方面，在国际公布号WO2016/047376号公报(专利文献2)所记载的发明中，开发了一种将烧结助剂量设定为15质量％以下的由氮化硅烧结体构成的搅拌摩擦焊用工具构件。通过将烧结助剂设定为规定的组合，实现了烧结助剂量的降低。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-98842号公报
专利文献2：国际公布号WO2016/047376号公报
发明内容
发明所要解决的课题
专利文献2公开了一种使维氏硬度和断裂韧性值得以兼顾的氮化硅烧结体。由此，作为搅拌摩擦焊用工具构件，使性能得以提高。然而，从长期寿命的角度考虑，并不是可以令人满意的。对其原因进行了调查，结果判明其原因在于台肩部的形状。专利文献2的图2公开了一种断面有棱角这一形状的工具构件。在这样的结构中，台肩部于搅拌摩擦焊中与被焊接材料接触，结果存在的问题是台肩部欠缺而使功能丧失。
实施方式的搅拌摩擦焊用工具构件是为应对这样的问题而完成的。
用于解决课题的手段
实施方式涉及一种搅拌摩擦焊用工具构件，其特征在于：在使台肩部和搅拌针部一体化的由陶瓷构件构成的搅拌摩擦焊用工具中，搅拌针部的根部以及台肩部的端部具有曲面形状，在将台肩部的端部的曲率半径设定为R1(mm)、台肩部的外径设定为D(mm)时，R1/D为0.02～0.20。
附图说明
图1是表示实施方式的搅拌摩擦焊用工具构件的一构成例的半剖视图。
图2是表示工具构件的倾斜面的倾斜角度的一个例子的剖视图。
具体实施方式
实施方式涉及一种搅拌摩擦焊用工具构件，其特征在于：在使台肩部和搅拌针部一体化的由陶瓷构件构成的搅拌摩擦焊用工具中，搅拌针部的根部以及台肩部的端部具有曲面形状，在将台肩部的端部的曲率半径设定为R1(mm)、台肩部的外径设定为D(mm)时，R1/D为0.02～0.20。
图1是表示实施方式的搅拌摩擦焊用工具构件的一个例子的半剖视图。图中，符号1为搅拌摩擦焊用工具构件，2为搅拌针部的顶端部，3为台肩部的端部，4为搅拌针部的根部，5为倾斜面，W为搅拌针部的外径，D为台肩部的外径。
搅拌摩擦焊用工具构件1由使台肩部和搅拌针部一体化的陶瓷构件构成。所谓一体化，表示台肩部和搅拌针部由一个陶瓷烧结体形成的状态。例如，采用焊接钎料将台肩部和搅拌针部焊接在一起的被排除在外。同样，将台肩部和搅拌针部嵌合在一起的结构被排除在外。
台肩部和搅拌针部通过设计为成为一个陶瓷烧结体的一体化结构，可以提高工具构件的强度。
另外，搅拌针部的根部以及台肩部的端部具有曲面形状。搅拌针部为工具构件的顶端的凸部。通过将该凸部(搅拌针部)推到被焊接材料上而实施搅拌摩擦焊。该凸部的根成为根部。通过将根部设定为曲面形状，可以提高根部的强度。在如工具构件那样以高速旋转的情况下，如果根部为直角，则搅拌针部容易折断。通过赋予根部以曲面形状，便可以防止应力的集中。
另外，台肩部的端部的特征也在于具有曲面形状。如果在搅拌摩擦焊时将搅拌针部推到被焊接材料上，则台肩部与被焊接材料接触。如果台肩部的端部为方形，则端部和被焊接材料的接触成为线接触状态。在线接触下，由于向台肩部的端部过于施加应力，因而端部容易发生破损。与此相对照，通过将台肩部的端部设定为曲面形状，便可以使台肩部的端部和被焊接材料的接触成为面接触。由此，可以有效地抑制台肩部发生破损。
另外，在将台肩部的端部的曲率半径设定为R1(mm)、台肩部的外径设定为D(mm)时，R1/D设定在0.02～0.20的范围内。
台肩部的端部的曲率半径R1通过工具构件的断面观察或者图像分析(工具构件(立体)状态的图像分析)而求出。另外，台肩部的外径D设定为工具构件(陶瓷构件)的外径。从正面观察搅拌针部侧时，将台肩部的最长的直径设定为工具构件的外径D。
R1/D为0.02～0.20表示使曲率半径R1相对于外径D(mm)处在2～20％的范围。通过存在台肩部，作为工具构件的强度便得以提高。另外，通过使台肩部与被焊接材料接触，搅拌力便得以提高。
在不存在台肩部的形状中，成为只是搅拌针部的细长的形状。在细长的形状中，工具构件容易折断。如果存在台肩部，则可以提高工具构件的强度。另一方面，如果台肩部的端部为方形，则台肩部容易发生破损。
通过将R1/D设定为0.02～0.20，便可以兼顾整个工具构件的强度提高和台肩部端部的强度提高。在R1/D低于0.02时，台肩部的端部的曲率半径R1过小，从而设定为曲面形状的效果并不充分。另外，在R1/D超过0.20时，曲率半径R1增大。如果曲率半径R1过大，则台肩部成为细长的形状，工具构件的强度降低。因此，R1/D优选为0.02～0.20，进一步优选在0.05～0.15的范围内。
另外，台肩部的端部的曲率半径R1优选为0.5mm以上。在曲率半径R1低于0.5mm时，难以将R1/D控制在0.02～0.20的范围。特别地，为了在陶瓷构件中设计出这样的形状，必须使台肩部的外径D变细，从而加工困难。曲率半径R1的上限并没有特别的限定，但曲率半径R1优选为4mm以下。如果曲率半径R1较大而超过4mm，则台肩部成为溜肩膀形状。通过存在台肩部，在搅拌摩擦焊中便可以使搅拌针部进入被焊接材料中的深度稳定化。如果台肩部为溜肩膀形状，则难以使搅拌针部进入被焊接材料中的深度变得稳定。因此，台肩部的端部的曲率半径R1优选为0.5mm～4mm，进一步优选为1.2mm～2.3mm。
另外，在将搅拌针部的根部的曲率半径设定为R2(mm)时，R2优选为0.1mm以上。如果曲率半径R2低于0.1mm，则搅拌针部的根部成为接近于直角的形状，从而搅拌针部的结构的强度降低。根部的形状也可以是如富士山脚下的原野形状那样的平缓的曲面形状。另一方面，通过将曲率半径R2设定为0.1mm以上，可以提高根部的结构的强度。另外，带来由搅拌针部产生的搅拌力的提高。
另外，从台肩部的端部至搅拌针部的根部优选具有倾斜面。该倾斜面如图2所示，形成为从台肩部的端部向搅拌针的中心方向下降。也就是说，以在搅拌针的顶端部2的周围形成凹部的方式配置倾斜面。因此，搅拌针的水平方向与倾斜面成规定的倾斜角度θ。
另外，倾斜面的倾斜角度θ优选为超过0°且在10°以下。倾斜面的倾斜角度θ进一步优选为3～8°。
图2示出了从台肩部的端部3向搅拌针部的根部4延伸的倾斜面5的一构成例。倾斜面的倾斜角度θ在从搅拌针部的根部4的最下面的部位引出水平线时，表示该水平线(图2上的虚线)与倾斜面5所成的角度。
通过设置倾斜面，可以防止在搅拌摩擦焊中应力集中于搅拌针部的根部4。另外，由于将台肩部的端部3形成为曲面形状，因而可以防止台肩部与被焊接材料线接触。通过组合并形成倾斜面5，可以提高工具构件1的耐久性。
另外，倾斜面的倾斜角度θ优选超过0°且在10°以下，进一步优选为3～8°。如果倾斜角度θ较大而超过10°，则台肩部的端部3容易变得与被焊接材料线接触。另外，如果倾斜角度θ为0°(水平)，则应力容易施加于搅拌针部的根部。
另外，倾斜面的倾斜角度θ优选低于0°且在－10°以上，进一步优选为－3°～－8°。如果倾斜面的倾斜角度θ小于－10°，则应力容易施加于搅拌针部的根部。通过将倾斜面的倾斜角度θ设定为低于0°且在－10°以上，搅拌针部便容易搅拌被焊接材料。另外，由于将搅拌针部的根部设定为曲面形状，因而即便使倾斜角度向反方向倾斜，耐久性也不会降低。
另外，搅拌针部的外径W相对于台肩部的外径D优选为W≤0.7D(mm)。如果搅拌针部的外径W(mm)与台肩部的外径D(mm)接近，则设置台肩部的效果较小。
另外，搅拌针部的顶端部2优选为曲面形状。搅拌针部的顶端部2如果为球面形状，则在搅拌摩擦焊中容易进入被焊接构件。另外，顶端部2如果为平坦面，则搅拌针部的顶端部2的端部呈方形。如果呈方形，则裂痕容易发生，从而寿命降低。因此，搅拌针部的顶端部优选为曲面形状。
另外，搅拌针部的顶端部2的表面粗糙度Ra优选为10μm以下，进一步优选为5μm以下。另外，台肩部的端部3的表面粗糙度Ra也优选为10μm以下，进一步优选为5μm以下。如果使搅拌针部的顶端部2和台肩部的端部3的表面粗糙度减小，则在搅拌摩擦焊中可以防止因与被焊接材料接触而使工具构件发生破坏。
另外，表面粗糙度Ra优选为3μm以下，进一步优选为2.5μm以下。另外，表面粗糙度Ra的下限值并没有特别的限定，但优选为0.01μm以上。在Ra较小而低于0.01μm的情况下，搅拌针部的顶端部2和被焊接构件的密合性得以提高，而另一方面，搅拌针部的顶端部2的搅拌力降低。
在此，所谓搅拌针部的顶端部2的搅拌力，是使被焊接构件产生塑性变形(塑性流动)的力。如果搅拌力并不充分，则被焊接构件彼此之间的焊接力降低。另外，被焊接构件的塑性变形耗费时间，从而也可以认为焊接时间延长。因此，搅拌针部的顶端部2的表面粗糙度Ra优选为0.01～5μm，进一步优选为0.05～2.5μm。
另外，陶瓷构件优选由维氏硬度为1400HV1以上的氮化硅烧结体构成。维氏硬度HV1设定为按照JIS-R1610而在1kg的载荷下测得的值。
维氏硬度HV1优选为1400以上，进一步优选为1500以上。此外，维氏硬度的上限并没有特别的限定，但优选为1900HV1以下。如果维氏硬度较高而超过1900HV1，则难以加工成曲面形状。考虑到加工性，氮化硅烧结体的维氏硬度HV1优选为1400～1900，进一步优选为1500～1700。
另外，氮化硅烧结体优选的是含有15质量％以下的除氮化硅以外的添加成分，而且添加成分含有选自Y、镧系元素、Al、Mg、Si、Ti、Hf、Mo、C之中的3种以上的元素。
也就是说，氮化硅烧结体含有15质量％以下的添加成分。所谓添加成分，意味着除氮化硅以外的成分。在氮化硅烧结体中，所谓除氮化硅以外的添加成分，表示烧结助剂成分。烧结助剂成分构成晶界相。如果添加成分过剩较多而超过15质量％，则晶界相过多。氮化硅烧结体取细长的β-氮化硅晶体粒子复杂地互相缠绕在一起的结构。如果烧结助剂成分增多，则形成使氮化硅晶体粒子不会取复杂地互相缠绕在一起的结构的部分，因而是不优选的。
另外，添加成分量优选为3质量％～12.5质量％。添加成分进一步优选为5质量％～12.5质量％。在添加成分低于3质量％时，晶界相变得过少，从而氮化硅烧结体的密度有可能降低。如果将添加成分规定为3质量％以上，则容易将烧结体的相对密度形成为95％以上。另外，通过将添加成分规定为5质量％以上，容易使烧结体的相对密度形成为98％以上。
另外，作为添加成分，优选具有3种以上的选自Y、镧系元素、Al、Mg、Si、Ti、Hf、Mo、C之中的元素。只要含有作为添加成分的Y(钇)、镧系元素、Al(铝)、Mg(镁)、Si(硅)、Ti(钛)、Hf(铪)、Mo(钼)、C(碳)作为构成元素，其存在形态就不会受到限定。例如，可以列举出氧化物(包括复合氧化物)、氮化物(包括复合氮化物)、氮氧化物(包括复合氮氧化物)、碳化物(包括复合碳化物)等形态。另外，作为镧系元素，优选为选自Yb(镱)、Er(铒)、Lu(镥)、Ce(铈)之中的1种。
另外，如后所述，当在制造工序中作为烧结助剂添加时，优选为氧化物(包括复合氧化物)、氮化物(包括复合氮化物)、碳化物(复合碳化物)。在Y元素的情况下，优选为氧化钇(Y2O3)。另外，作为镧系元素，优选为选自氧化镱(Yb2O3)、氧化铒(Er2O3)、氧化钌(Lu2O3)、氧化铈(CeO2)之中的1种。
在Al元素的情况下，优选为氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、MgO·Al2O3尖晶石。在Mg元素的情况下，优选为氧化镁(MgO)、MgO·Al2O3尖晶石。在Si元素的情况下，优选为氧化硅(SiO2)、碳化硅(SiC)。
在Ti元素的情况下，优选为氧化钛(TiO2)、氮化钛(TiN)。另外，在Hf元素的情况下，优选为氧化铪(HfO2)。在Mo元素的情况下，优选为氧化钼(MoO2)、碳化钼(Mo2C)。关于C元素，优选以碳化硅(SiC)、碳化钛(TiC)、碳氮化钛(TiCN)的形式添加。通过组合添加这些添加成分的2种以上，可以构成具有3种以上的选自Y、镧系元素、Al、Mg、Si、Ti、Hf、Mo、C之中的元素的晶界相。另外，添加成分优选含有4种以上的选自Y、镧系元素、Al、Mg、Si、Ti、Hf、Mo、C之中的元素。
另外，作为在制造工序中添加的烧结助剂的组合，优选为以下所示的组合。
首先，作为第一组合，添加0.1～1.7质量％的MgO、0.1～4.3质量％的Al2O3、0.1～10质量％的SiC、0.1～2质量％的SiO2。由此，含有Mg、Al、Si、C这4种作为添加剂成分。此外，在添加MgO和Al2O3的情况下，也可以以MgO·Al2O3尖晶石的形式添加0.2～6质量％。
另外，在上述第一组合中，也可以追加0.1～2质量％的TiO2。通过在第一组合中添加TiO2，便含有Mg、Al、Si、C、Ti这5种作为添加剂成分。
另外，作为第二组合，添加0.2～3质量％的Y2O3、0.5～5质量％的MgO·Al2O3尖晶石、2～6质量％的AlN、0.5～3质量％的HfO2、0.1～3质量％的Mo2C。第二组合添加Y、Mg、Al、Hf、Mo、C这6种作为添加成分。
另外，也可以使用镧系元素的氧化物以代替Y2O3。在此情况下，添加镧系元素、Mg、Al、Hf、Mo、C这6种。
另外，作为第三组合，添加2～7质量％的Y2O3、3～7质量％的AlN、0.5～4质量％的HfO2。由此，将添加成分设定为Y、Al、Hf这3种。
另外，也可以使用镧系元素的氧化物以代替Y2O3。在此情况下，设定为镧系元素、Al、Hf这3种。
另外，在上述第一～第三组合中，烧结助剂成分的含量的上限合计设定为15质量％以下。
在上述第一～第三组合中，均未使用添加有Y2O3和Al2O3的组合。第一组合未使用Y2O3。另外，第二组合以MgO·Al2O3尖晶石的形式添加。另外，第三组合未使用Al2O3。Y2O3和Al2O3的组合如果进行烧结，则容易形成YAG(Al5Y3O12)、YAM(Al2Y4O9)、YAL(AlYO3)等钇铝氧化物。这些钇铝氧化物的耐热性较差。即使将Y置换成镧系元素也同样。关于搅拌摩擦焊用焊接工具构件，其摩擦面的温度处于800℃以上的高温环境。如果耐热性降低，则焊接工具构件的耐久性降低。
另外，上述添加成分作为烧结助剂的作用也优良。因此，可以使β型氮化硅晶体粒子的纵横尺寸比为2以上的比例提高达60％以上。此外，纵横尺寸比为2以上的比例按照以下的步骤求出。也就是说，对氮化硅烧结体的任意断面进行SEM观察而拍摄放大照片(放大倍数：3000倍以上)。接着，对放大照片所拍摄的氮化硅晶体粒子的长径和短径进行测定，从而求出纵横尺寸比。求出每单位面积50μm×50μm的、纵横尺寸比为2以上的氮化硅晶体粒子的面积比(％)。
另外，搅拌摩擦焊装置为了缩短被焊接材料的焊接时间，且提高生产效率，优选使焊接工具构件以300rpm以上的转速旋转，并在9.8kN(1ton)以上的压入载荷下使用。另外，在摩擦热的作用下，处于摩擦面的温度为800℃以上的高温环境。因此，工具构件要求耐热性和耐磨性。这样的氮化硅烧结体制焊接工具构件要求维氏硬度、断裂韧性值。
通过所述添加成分，氮化硅烧结体的维氏硬度可以设定为1400HV1以上。另外，氮化硅烧结体的断裂韧性值优选为6.0MPa·m1/2以上。再者，维氏硬度可以设定为1500HV1以上，断裂韧性值可以设定为6.5MPa·m1/2以上。另外，3点弯曲强度可以设定为900MPa以上，进而可以设定为1000MPa以上。
由上述的陶瓷构件构成的搅拌摩擦焊用焊接工具构件的耐热性和耐磨性优良。因此，即使在转速为300rpm以上、压入载荷为9.8kN(1ton)以上的苛刻的焊接环境下，也显示出优良的耐久性。另外，在进行线焊接的情况下，也可以将移动速度设定为300mm/分钟以上。
另外，作为搅拌摩擦焊工序的条件，工具构件的转速优选为300rpm～1000rpm的范围。在转速低于300rpm时，搅拌力有可能并不充分。另外，如果超过1000rpm，则搅拌力过强，从而被焊接材料的焊接痕的凹凸增大。如果焊接痕的凹凸增大，则外观恶化。因此，转速优选为300～1000rpm，进一步优选在400～800rpm的范围内。
另外，压入载荷优选为9.8kN～50kN。在低于9.8kN时，搅拌力并不充分。另外，如果超过50kN，则工具构件的寿命有可能降低。因此，压入载荷优选为14kN～35kN的范围。
上述转速以及压入载荷无论在点焊接、线焊接的哪种情况下都可以适用。另外，在进行线焊接的情况下，移动速度优选在300mm/分钟～1500mm/分钟的范围内。在移动速度低于300mm/分钟时，速度过慢而使批量生产率降低。另一方面，如果较快而超过1500rpm，则搅拌力局部降低，从而被焊接材料彼此之间的焊接强度降低。因此，移动速度优选为300～1500mm/分钟，进一步优选为400～1000mm/分钟。
此外，实施方式的焊接工具构件也可以在转速低于300rpm、压入载荷低于9.8kN的条件下使用。
另外，在将工具构件的转速设定为A(rpm)、转矩设定为B(kg·m)时，优选在B/A＝0.001～0.025的范围内。所谓转矩，用力与距离之积来表示。此外，转矩的单位设定为kg·m。另外，1kg·m＝9.8N·m。B/A＝0.001～0.025表示转矩相对于转速充分地大。如果转速较大，则搅拌力增大。在维持转速不变的状态下，可以维持规定的转矩。即便是这样的使用方法，也可以显示出优良的耐久性。另外，只要在B/A＝0.001～0.025的范围，就可以形成无缺陷的焊接部。
此外，转矩通过将使搅拌摩擦焊装置的工具材料旋转的伺服马达用作转矩计算机而算出。在此，所谓伺服马达(Servomotor)，是在伺服机构中使用于位置、速度等的控制用途的马达。从伺服放大器的监视器输出中将DC0V～DC10V左右的电压捕捉到时序器(sequencer)的模拟/数字转换单元。接着，将用时序器内部运算捕捉的模拟电压转换为数字电压。通过对其使用适合运行模式的计算式而算出转矩。
即使在以上的条件下，实施方式的搅拌摩擦焊用工具构件也显示出优良的耐久性。另外，即使在搅拌针部的顶端部的温度达800℃以上的苛刻的焊接环境下，也显示出优良的耐久性。
因此，适于被焊接材料为钢铁的焊接作业。作为钢铁的具体例子，可以列举出不锈钢、碳素钢、高强度钢等铁合金。钢铁可以使用于汽车、铁道、机床、家具等各种各样的产品。搅拌摩擦焊由于为不使用焊接钎料的焊接方法，因而对于产品的轻量化等是有效的。
钢铁使用厚度为0.5mm以上的材料，进而使用1mm以上厚的材料。此外，搅拌摩擦焊由于将2片以上的被焊接材料重叠而进行焊接，因而钢铁厚度的上限优选为3mm以下。因此，要求前述苛刻的焊接条件。实施方式的搅拌摩擦焊用工具构件由于耐久性优良，即使在前述苛刻的条件下也可以使用。
另外，搅拌摩擦焊除了是重合被焊接材料的焊接以外，还是将被焊接材料彼此之间连接在一起而进行焊接的方法。另外，也可以是线焊接、点焊接(点焊)的方法。另外，也可以适用于利用了摩擦搅拌的搅拌摩擦工艺(FSP)。换句话说，在实施方式中，搅拌摩擦焊(FSW)中包含搅拌摩擦工艺(FSP)。
另外，在搅拌摩擦焊工序中，根据需要使用背衬材料。背衬材料优选为由氮化硅烧结体构成。
接着，就实施方式的搅拌摩擦焊用工具构件的制造方法进行说明。实施方式的搅拌摩擦焊用工具构件只要具有上述构成，其制造方法就没有特别的限定，但作为用于高效地得到该构件的方法，可以列举出以下的方法。
首先，制作出陶瓷烧结体。陶瓷烧结体优选为氮化硅烧结体。氮化硅烧结体优选的是含有15质量％以下的除氮化硅以外的添加成分，而且添加成分具有3种以上的选自Y、镧系元素、Al、Mg、Si、Ti、Hf、Mo、C之中的元素。
另一方面，准备氮化硅粉末。氮化硅粉末优选的是平均粒径为2μm以下的α型氮化硅粉末。通过使用这样的氮化硅粉末，在烧结工序中α型便变化为β型，从而可以实现β型氮化硅晶体粒子复杂地互相缠绕在一起的结构。另外，氮化硅粉末中的杂质氧含量优选为2质量％以下。
接着，准备作为添加成分的烧结助剂粉末。烧结助剂粉末设定为具有3种以上的选自Y、镧系元素、Al、Mg、Si、Ti、Hf、Mo、C之中的元素的组合。作为添加的形态，为选自氧化物粉末(包括复合氧化物)、氮化物粉末(包括复合氮化物)、碳化物粉末(包括复合碳化物)、碳氮化物(包括复合碳氮化物)之中的1种以上。另外，其合计量被规定为15质量％以下。另外，烧结助剂粉末的平均粒径优选为3μm以下。在烧结助剂粉末优选的组合中，前述第一～第三组合是合适的。
接着，将氮化硅粉末以及烧结助剂粉末混合，然后采用球磨机进行混合，从而调配出原料粉末。接着，在原料粉末中添加有机粘结剂，以实施成形的工序。成形工序也可以使用具有目标形状的模具。另外，也可以制作出圆柱形状或者四棱柱形状的成形体。另外，关于成形工序，也可以使用模具成形或CIP(冷等静水压加压法)等。
接着，对在成形工序中得到的成形体进行脱脂。脱脂工序优选在氮中于400～800℃的温度下实施。另外，也可以加工成形体而接近于目标的形状。
接着，对在脱脂工序中得到的脱脂体进行烧结。烧结工序设定在1600℃以上的温度下实施。烧结工序优选在不活泼气氛中或者真空中实施。作为不活泼气氛，可以列举出氮气氛和氩气氛。另外，烧结工序可以列举出常压烧结、加压烧结、HIP(热等静水压加压法)。另外，也可以组合多种烧结方法。
另外，将得到的氮化硅烧结体最终加工成目标的形状。加工优选为研磨加工或放电加工。对于搅拌针部的根部的曲面形状，放电加工是合适的。另外，研磨加工优选为使用金刚石磨石的研磨加工。另外，对于搅拌针部的顶端部、台肩部的端部的表面粗糙度的调整，使用金刚石磨石的研磨加工也是合适的。
(实施例)
(实施例1～9以及比较例1～3)
作为陶瓷构件，准备添加了表1所示的氮化硅粉末和烧结助剂粉末的原料混合粉末。氮化硅粉末使用α化率为95％以上、平均粒径为1.2μm的粉末。另外，烧结助剂粉末使用平均粒径为0.7～2.0μm的粉末。
表1
Figure BDA0001966149260000131
接着，采用球磨机将各试料的原料混合粉末混合，然后混合2质量％的有机粘结剂。然后，进行模具成形。接着，对于各成形体，在温度1800℃×5小时的条件下，于氮气氛中进行常压烧结。然后，在1700℃×2小时的条件下实施HIP烧结。由此，便制作出试料1～6的氮化硅烧结体。
对得到的氮化硅烧结体的维氏硬度、断裂韧性值、3点弯曲强度进行了测定。维氏硬度HV1按照JIS-R1610、并在1kg的载荷下进行了试验。另外，断裂韧性值按照JIS-R-1607进行测定，基于IF法并由新原公式求出。另外，3点弯曲强度按照JIS-R1601进行了测定。其结果如下述表2所示。
表2
Figure BDA0001966149260000141
接着，对各试料进行加工而制作出工具构件。工具构件将台肩部的外径D统一为20mm，将搅拌针部的外径W统一为10mm。另外，各实施例以及比较例1～2将搅拌针部的顶端部设定为曲面形状。其它形状如表3所示，将台肩部的端部和搅拌针部的根部设定为曲面形状(参照图1)。另外，曲面形状的加工使用放电加工。
另外，作为比较例3，准备使用实施例1的氮化硅烧结体、且将台肩部的端部和搅拌针部的根部设定为直角形状的试样。
另外，在各实施例以及比较例的工具构件中，台肩部的端部和搅拌针部的顶端部的表面粗糙度Ra统一为2μm。另外，表面粗糙度的调整通过使用金刚石磨石的研磨加工而加以实施。
表3
Figure BDA0001966149260000151
接着，将各实施例以及比较例的搅拌摩擦焊用工具设置在搅拌摩擦焊装置上。作为被焊接材料，准备2片不锈钢(厚度1.5mm)。作为搅拌摩擦焊的焊接条件，在表4所示的2个线焊接条件下实施。实施搅拌摩擦焊直至线焊接长度为10m，然后就搅拌针部或者台肩部的破损的有无、工具构件的台肩部的磨损量进行了测定。另外，试验时，使用由氮化硅烧结体构成的背衬材料。
搅拌针部或者台肩部的破损的有无用肉眼进行了确认。另外，工具构件的台肩部的磨损量采用激光3维形状测量仪对试验后的工具构件求出。其结果如下述表5所示。
表4
条件 试验条件1 试验条件2
转速(rpm) 500 800
移动速度(mm/分钟) 400 800
压入载荷(kN) 19.6 29.4
表5
Figure BDA0001966149260000161
由上述表5所示的结果表明：各实施例的工具构件显示出优良的性能。特别是R1/D为0.05～0.15、R1为1.2～2.2mm、R2为0.1mm以上、倾斜面的角度为3～8°的工具构件，其磨损量较少。另外，倾斜面的角度为－3～－8°的工具构件也是磨损量较少。因此，已经判明倾斜面的角度优选为超过0°且在10°以下或者低于0°且在－10°以上。另一方面，比较例1～3在试验中，工具构件均发生了破损，不能耐受10m的焊接长度。这些结果表明：即便是相同的原材料，通过使形状最优化，工具构件的耐久性也得以提高。
(实施例1A～9A)
接着，对于实施例1～9的工具构件，改变转速和转矩而进行搅拌摩擦焊。设定转速A(rpm)、转矩B(kg·m)而在表6所示的条件下进行了搅拌摩擦焊。作为被焊接材料，准备2片不锈钢(厚度1.0mm)。
另外，在焊接后，对焊接部的缺陷的有无进行了测定。焊接部的缺陷的有无通过采用金属显微镜对焊接部断面进行观察，根据直径为0.2mm以上的孔(焊接缺陷)的有无来进行。其结果如下述表6所示。
表6
Figure BDA0001966149260000171
由表6所示的结果表明：使用满足优选的范围的实施例1、3～5、7～8者，在B/A＝0.001～0.025的范围可以得到无缺陷的焊接件。此外，用金属显微镜(2000倍)进行了确认，结果低于0.2mm的缺陷也没有看到。因此，可以谋求耐久性和焊接品质的兼顾。
另一方面，如实施例2(R1＝0.4mm)、实施例6(倾斜角度13°)、实施例9(倾斜角度－13°)那样偏离优选的范围者，在转矩增大时发生了缺陷。
所谓转矩，为用力与距离之积来表示的量(moment：力矩)。与距旋转轴中心的距离成反比。也就是说，工具构件的顶端部在旋转轴和台肩部所承载的力不同。实施方式的工具构件通过使B/A在0.001～0.025的范围进行搅拌摩擦焊，便可以实现无缺陷的焊接。换言之，可以说实施方式的工具构件适于在B/A＝0.001～0.025的条件下的搅拌摩擦焊。
以上就本发明的几个实施方式进行了例示，但这些实施方式是作为例子加以提示的，它并不谋求限定发明的范围。这些新颖的实施方式能够以其它各种方式加以实施，在不脱离发明要旨的范围内，能够进行各种的省略、置换和变更等。这些实施方式及其变形例包含在发明的范围和要旨内，而且包含在权利要求书中记载的发明及其等同置换的范围内。另外，前述的各实施方式可以相互组合而加以实施。
符号说明：
1 搅拌摩擦焊用工具构件
2 搅拌针部的顶端部
3 台肩部的端部
4 搅拌针部的根部
5 倾斜面
W 搅拌针部的外径
D 台肩部的外径
θ 倾斜面的倾斜角度

Claims (9)

1.一种搅拌摩擦焊用工具构件，其特征在于：在使台肩部和搅拌针部一体化的由陶瓷构件构成的搅拌摩擦焊用工具构件中，搅拌针部的根部以及台肩部的端部具有曲面形状，在将台肩部的端部的曲率半径设定为R1(mm)、台肩部的外径设定为D(mm)时，R1/D为0.02～0.20；
所述陶瓷构件是每单位面积50μm×50μm的纵横尺寸比为2以上的氮化硅晶体粒子以面积比(％)计为60％以上的氮化硅烧结体；
所述氮化硅烧结体含有15质量％以下的除氮化硅以外的添加成分，而且所述添加成分含有3种以上的选自Y、镧系元素、Al、Mg、Si、Ti、Hf、Mo、C之中的元素；
从所述台肩部的端部至搅拌针部的根部具有倾斜面，所述倾斜面相对于所述搅拌针部的轴直角方向的倾斜角度θ低于0°且在－10°以上；
所述台肩部的端部的曲率半径R1(mm)为0.5mm以上。
2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊用工具构件，其特征在于：所述陶瓷构件由维氏硬度为1400HV1以上的氮化硅烧结体构成。
3.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊用工具构件，其特征在于：所述搅拌针部的根部的曲率半径R2(mm)为0.1mm以上。
4.根据权利要求2所述的搅拌摩擦焊用工具构件，其特征在于：所述搅拌针部的根部的曲率半径R2(mm)为0.1mm以上。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的搅拌摩擦焊用工具构件，其特征在于：所述搅拌针部的顶端部为曲面形状。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的搅拌摩擦焊用工具构件，其特征在于：在所述台肩部的端部形成的曲面形状部的表面粗糙度Ra为10μm以下。
7.一种搅拌摩擦焊装置，其特征在于：其搭载有权利要求1～6中任一项所述的搅拌摩擦焊用工具构件。
8.一种使用权利要求7所述的搅拌摩擦焊装置的搅拌摩擦焊方法，其特征在于：将2个以上的被焊接材料重合，使搅拌摩擦焊用工具构件一边以300rpm以上的转速旋转，一边被推到被焊接材料上。
9.根据权利要求8所述的搅拌摩擦焊方法，其特征在于：所述被焊接材料为钢铁。
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