CN111001923B - 一种搅拌工具表面处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种搅拌工具表面处理方法，将加工好的搅拌工具进行表面清洗，涂覆一层钎剂并在钎剂激活温度下保温一段时间后浸入到熔化的钎料中，搅拌工具与钎料发生钎焊反应，在搅拌工具表面形成一层金属间化合物。本发明使搅拌工具在获得金属间化合物耐高温、耐磨损、不与被焊件发生化学反应等优异特性的同时，避免了金属间化合物搅拌工具加工性能差的缺点。整个表面处理工艺简单、高效、成本低，适合大规模生产。

Description

一种搅拌工具表面处理方法
技术领域
本发明公开了一种搅拌工具表面处理方法，涉及搅拌摩擦焊技术领域。
背景技术
搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW）是由英国焊接研究所于1991年发明的固相焊接方法，可有效避免熔化焊过程中产生的气孔、夹杂等问题，非常适用于铝合金、镁合金等金属的焊接。搅拌工具是搅拌摩擦焊的心脏，搅拌工具的设计、制造及表面处理工艺决定了其寿命和接头的性能。
常用的搅拌工具材料有模具钢（如H13、W360等），搅拌工具在使用过程中，受到高低温的循环作用，导致其常因高温磨损和热疲劳而失效。此外，对于一些高硬度、高强铝合金，搅拌工具因发生严重磨损而导致寿命大大降低。
金属间化合物是两种金属的原子按一定比例化合，形成与原来两者的晶格均不同的合金组成物，是受到普遍重视的新型材料。金属间化合物具有优于高温合金的耐热性、高的比强度、高的比寿命、高的导热性和高的抗氧化性，非常适用于搅拌摩擦焊工况条件，但是，金属间化合物通常较为硬脆，其加工性能非常差，难以加工成各种复杂的特征。
针对以上存在的问题，亟需一种表面处理方法，在加工好的搅拌工具表面形成一层金属间化合物，既提高了搅拌工具的耐磨性，又避免了金属间化合物搅拌工具加工性能差的不足。现有技术公开了一些在金属表面制备金属间化合物的技术，如：激光熔覆、电弧喷涂、反应烧结、真空等离子喷涂、激光等离子喷涂等,可以参考CN1167831C、CN1318637C、CN101139690A、CN100351421C和CN104174987A。但这些技术工艺复杂、设备昂贵，且工艺温度较高，会对搅拌工具造成一定的软化。钎焊是指加热温度高于钎料熔点而低于母材熔点，熔化的钎料润湿母材并与母材发生反应，形成金属间化合物，从而实现牢固焊接。
发明内容
本发明针对上述背景技术中的缺陷，提供一种搅拌工具表面处理方法，工艺简单、高效、成本低。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种搅拌工具表面处理方法，包括以下步骤：
步骤一：清洁搅拌工具表面；
步骤二：在搅拌工具表面均匀地涂覆一层钎剂后，将其置于真空炉中预热并保温；
步骤三：将钎料置于熔炉中，加热至钎料熔点以上30~50℃并保温；
步骤四：将搅拌工具从真空炉中取出，浸入钎料中进行钎焊反应10~60 min；
步骤五：取出钎焊反应后的搅拌工具置于水中冷却；
步骤六：将冷却后的搅拌工具浸入酸溶液中。
进一步的，所述搅拌工具的材料为时效硬化型镍基高温合金GH4169、热作模具钢H13和热作模具钢W360、硬质合金YG10等中的一种。
进一步的，所述的酸溶液为硫酸、盐酸、硝酸、磷酸、铬酸和氢氟酸等中的一种。
进一步的，所述钎料为Al基钎料、Mn基钎料、Ni基钎料和Ag基钎料中的一种。
进一步的，步骤一中，采用丙酮、酒精、CCl4等有机溶剂清洗搅拌工具表面。
进一步的，所述钎剂为BNi2、FB301、FB302和FB105中的一种。
进一步的，步骤二中的，预热到500~850℃，并保温时间为5~30 min。
有益效果：1.本发明采用钎焊的方法在搅拌工具表面形成一层金属间化合物，获得了金属间化合物耐高温、耐磨损，不与被焊件发生化学反应等优异特性，同时避免了金属间化合物搅拌工具加工性能差的缺点。
2. 本发明可以根据被焊材料的特性，合理选择钎料，在搅拌工具表面形成不同类型的金属间化合物，整个表面处理工艺简单、高效、成本低，适合大规模生产。
附图说明
图1为搅拌工具表面处理工艺示意图。
具体实施方式
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示的实施例1：GH 4169搅拌工具表面处理
步骤一：对GH 4169搅拌工具表面进行清洁去除油污，然后酸洗去除表面氧化物；
步骤二：在搅拌工具1表面涂覆一层FB301 钎剂，将其置于真空炉中保温激活钎剂，温度设置为800℃；
步骤三：将BNi-2镍基钎料3置于熔炉2中，加热到1100±20℃；
步骤四：将搅拌工具1从真空炉中取出，浸入钎料中进行钎焊反应20 min；
步骤五：取出钎焊反应后的搅拌工具置于水中冷却；
步骤六：将冷却后的搅拌工具浸入硝酸溶液中超声清洗，去除残留的钎料。
通过钎焊反应，在搅拌工具表面形成了20 μm厚的Cr-B金属间化合物。
实施例2：硬质合金钢YG10搅拌工具表面处理
步骤一：采用酒精对硬质合金钢YG10搅拌工具表面进行清洗去除油污，然后酸洗去除表面氧化物；
步骤二：在搅拌工具表面涂覆一层FB101 钎剂，将其置于真空炉中保温激活钎剂，温度设置为500℃；
步骤三：将B-Ag50CuZnCdNi银基钎料置于熔炉中，加热到650±20℃；
步骤四：将搅拌工具从真空炉中取出，浸入钎料中进行钎焊反应10 min；
步骤五：取出钎焊反应后的搅拌工具置于水中冷却；
步骤六：将冷却后的搅拌工具浸入硝酸溶液中超声清洗，去除残留的钎料。
通过钎焊反应，在搅拌工具表面形成了15 μm厚的金属间化合物。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种搅拌工具表面处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：清洁搅拌工具表面；
步骤二：在搅拌工具表面均匀地涂覆一层钎剂后，将其置于真空炉中预热并保温；
步骤三：将钎料置于熔炉中，加热至钎料熔点以上30~50℃并保温；
步骤四：将搅拌工具从真空炉中取出，浸入钎料中进行钎焊反应一段时间；
步骤五：取出钎焊反应后的搅拌工具置于水中冷却；
步骤六：将冷却后的搅拌工具浸入酸溶液中。
2.根据权利要求1所述的一种搅拌工具表面处理方法，其特征在于，所述搅拌工具的材料为时效硬化型镍基高温合金GH4169、热作模具钢H13和热作模具钢W360、硬质合金YG10中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种搅拌工具表面处理方法，其特征在于，所述的酸溶液为硫酸、盐酸、硝酸、磷酸、铬酸和氢氟酸中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种搅拌工具表面处理方法，其特征在于，所述钎料为Al基钎料、Mn基钎料、Ni基钎料和Ag基钎料中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种搅拌工具表面处理方法，其特征在于，步骤一中，采用丙酮或酒精清洗搅拌工具表面。
6.根据权利要求1所述的一种搅拌工具表面处理方法，其特征在于，所述钎剂为FB301、FB302和FB101~FB105中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种搅拌工具表面处理方法，其特征在于，步骤二中的，预热到500~850℃，并保温时间为5~30 min。
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