摩擦攪拌用工具的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種生產(chǎn)效率優(yōu)良、高溫強(qiáng)度高、并且高溫耐摩耗性優(yōu)良的摩擦攪拌用工具。摩擦攪拌用工具,其特征在于,以Co基合金形成,該Co基合金具有:顯示A1結(jié)構(gòu)的γ相、以及于該γ相中析出的顯示L12結(jié)構(gòu)的γ′相;該γ′相包含(Co,X)3(Al,W,Z),式中,X主要為Ni,Z主要為Cr及Ta,所述Co基合金含Ni30~50at%。
【專利說(shuō)明】摩擦攪拌用工具
[0001]本申請(qǐng)為申請(qǐng)?zhí)?01010260766.5、申請(qǐng)日2010年8月20日、發(fā)明名稱為“摩擦攪
拌用工具”的分案申請(qǐng)。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及摩擦攪拌用工具。
【背景技術(shù)】
[0003]存在如下摩擦攪拌接合方法:一邊使比被接合材料實(shí)質(zhì)上硬的材質(zhì)的圓柱狀構(gòu)件(下面稱作旋轉(zhuǎn)工具、攪拌工具或摩擦攪拌用工具,有時(shí)也僅稱作工具)旋轉(zhuǎn)一邊插入被接合材料的接合部,通過(guò)一邊使該旋轉(zhuǎn)工具旋轉(zhuǎn)一邊移動(dòng),在上述旋轉(zhuǎn)工具與上述被接合材料之間通過(guò)發(fā)生的摩擦熱進(jìn)行接合。
[0004]專利文獻(xiàn)I公開了一種摩擦熔接方法,其特征在于,在結(jié)合區(qū)域(2)接合加工物(1A、1B)的方法中,在結(jié)合區(qū)域(2)及結(jié)合區(qū)域的2個(gè)側(cè)部的加工物的相對(duì)部分,插入比加工物材質(zhì)硬的材質(zhì)的探針(3),使在探針與加工物之間發(fā)生相對(duì)的循環(huán)運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生摩擦熱,在相對(duì)的部分產(chǎn)生塑性狀態(tài),取出探針(3),使塑性部分凝固,加工物彼此結(jié)合,由此沒(méi)有加工物之間的相對(duì)移動(dòng),加工物發(fā)生結(jié)合。該接合方法是,通過(guò)旋轉(zhuǎn)工具與被接合材料的摩擦熱使被接合材料軟化,利用伴隨著旋轉(zhuǎn)工具旋轉(zhuǎn)的塑性流動(dòng)現(xiàn)象,被接合材料發(fā)生熔融的熔接方法,例如,是基于與電孤熔接等不同的原理的熔接方法。
[0005]專利文獻(xiàn)2公開了一種摩擦攪拌接合用工具,其特征在于,該工具具有從圓柱狀旋轉(zhuǎn)體與其端面肩部,于同軸上突出設(shè)置的探針,在一對(duì)被接合構(gòu)件對(duì)接的接合部邊旋轉(zhuǎn)邊插入探針,通過(guò)發(fā)生的摩擦熱邊軟化邊攪拌接合。在上述摩擦攪拌接合用工具中,上述探針與上述旋轉(zhuǎn)體可裝卸,該探針用超硬合金或鈷類合金鋼(MP159)形成。
[0006]專利文獻(xiàn)3公開了旋轉(zhuǎn)工具,其特征在于,該旋轉(zhuǎn)工具是對(duì)金屬彼此的接合部進(jìn)行摩擦攪拌、形成整體化的用于摩擦攪拌接合的旋轉(zhuǎn)工具,在接觸金屬的部位表面形成阻止接合材料金屬附著的防止附著被膜。
[0007]專利文獻(xiàn)4公開了一種摩擦攪拌接合用工具,其特征在于,在一邊使由比金屬制工件硬的材質(zhì)所制造的摩擦攪拌接合用工具旋轉(zhuǎn),一邊擠壓、插入到一對(duì)金屬制工件的對(duì)接部中,對(duì)該金屬制工件進(jìn)行摩擦攪拌接合的摩擦攪拌接合用工具中,具有:由金屬形成的中心構(gòu)件,以及,把該中心構(gòu)件的至少與上述金屬制工件摩擦接觸的區(qū)域加以被覆的陶瓷構(gòu)件,該陶瓷構(gòu)件包含Si的氮化物,該中心構(gòu)件為以Fe、N1、Co、及W的至少I種作為主成分的耐熱性合金。
[0008]專利文獻(xiàn)5公開了一種摩擦攪拌接合用工具,其是能對(duì)金屬基復(fù)合材料(MMCs)、鐵合金、非鐵合金及超合金進(jìn)行摩擦攪拌接合的摩擦攪拌接合用工具,其特征在于,該工具包含軸部、肩部及針部,以及該肩部及針部的至少一部分上配置的高耐摩耗性材料,該肩部機(jī)械固定在上述軸部上用于防止該肩部相對(duì)于上述軸部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),該高耐摩耗性材料具有第I相及第2相,該高耐摩耗性材料在超高溫及超高壓下制造,能對(duì)MMCs、鐵合金、非鐵合金及超合金進(jìn)行功能上的摩擦攪拌接合。
[0009]專利文獻(xiàn)6公開了一種摩擦攪拌接合用工具,其特征在于,其是能把具有1600°C以上高熔點(diǎn)的金屬或合金作為被加工物進(jìn)行摩擦攪拌接合的摩擦攪拌接合用工具,至少與上述被加工物接觸的部分,具有以銥作為主成分,以錸、釕、鑰、鶴、銀、鉭、錯(cuò)或鉿或這些成分的2種以上作為副成分的組成,并且具有顯微維氏硬度為200Hv以上的硬度。
[0010]專利文獻(xiàn)7公開了一種摩擦攪拌接合用工具,其特征在于,在把從旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子前端面延伸出來(lái)的探針壓入被接合構(gòu)件的接合部,沿該接合部使探針移動(dòng),將接合部中的被接合構(gòu)件加以摩擦攪拌接合的摩擦攪拌接合用工具中,至少與上述被接合構(gòu)件接觸的探針及轉(zhuǎn)子部分,由含Co5~18重量%的WC類超硬合金構(gòu)成。
[0011]專利文獻(xiàn)8公開了一種高耐熱性、高強(qiáng)度Co基合金,其特征在于,除以質(zhì)量比計(jì):Al為0.1~10%、W為3.0~45%、其余為不可避兔的雜質(zhì)以外是Co的組成及析出了以原子比為Co3 (Al, W)的Ll2型金屬間化合物的金屬組織。
[0012][專利文獻(xiàn)]
[0013][專利文獻(xiàn)I]日本專利2712838號(hào)公報(bào)
[0014][專利文獻(xiàn)2]特開2008-36664號(hào)公報(bào)
[0015][專利文獻(xiàn)3]特開2005-152909號(hào)公報(bào)
[0016][專利文獻(xiàn)4]特開2004-82144號(hào)公報(bào)
[0017][專利文獻(xiàn)5]特開2003-532543號(hào)公報(bào)
[0018][專利文獻(xiàn)6]特開2006`-320958號(hào)公報(bào)
[0019][專利文獻(xiàn)7]特開2005-199281號(hào)公報(bào)
[0020][專利文獻(xiàn)8]國(guó)際公開2007/032293號(hào)公報(bào)
【發(fā)明內(nèi)容】
[0021]發(fā)明所要解決的課題
[0022]本發(fā)明的目的是提供一種高溫強(qiáng)度高,并且在高溫時(shí)的耐摩耗性優(yōu)良,生產(chǎn)率優(yōu)良的摩擦攪拌用工具。
[0023]用于解決課題的手段
[0024]本發(fā)明的摩擦攪拌用工具,其特征在于,以Co基合金形成,該Co基合金具有:含分散析出的Y ^析出相的晶粒、相鄰的上述晶粒間夾持的晶粒邊界區(qū)域及析出相。該析出相為選自μ相、萊夫斯相(laves phase)及碳化物相的至少I種相,特別優(yōu)選、' 析出相具有Co3 (A1,W)*(Co,X)3 (Al,W,Z)的組成。在這里,X主要為Ni,Z主要為Cr及Ta。
[0025]發(fā)明效果
[0026]按照本發(fā)明,可提供一種采用鑄造以降低生產(chǎn)成本,易加工成各種工具形狀等生產(chǎn)率優(yōu)良的、高溫時(shí)摩耗小的摩擦攪拌用旋轉(zhuǎn)工具。另外,通過(guò)采用上述工具,Ti及Zr等難熔接材料也容易接合。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1為表示本發(fā)明實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)工具結(jié)構(gòu)的側(cè)面圖。
[0028]圖2為本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)工具材料的Co基合金錠的外觀相片。[0029]圖3為表示本發(fā)明實(shí)施例的Co基合金錠的微觀組織的電子顯微鏡相片。
[0030]圖4為表示采用本發(fā)明的Co基合金旋轉(zhuǎn)工具制造的SS400鋼鐵材料的接合部的外觀相片。
[0031]圖5A為表示本發(fā)明的Co基合金制旋轉(zhuǎn)工具用于接合(360_X2次)后的表面部的外觀相片。
[0032]圖5B為表示本發(fā)明的Co基合金制旋轉(zhuǎn)工具用于接合(360mmX37次)后的表面部的外觀相片。
[0033]圖6為表示采用本發(fā)明的Co基合金制旋轉(zhuǎn)工具制造的T1-15V-3Cr-3Sn_3Al材料的對(duì)接接合部的外觀相片。
[0034][符號(hào)的說(shuō)明]
[0035]101,201:摩擦攪拌用工具、102:柄部、103:肩部、104:針部、105:針部-肩部連接部、106:針部前端部、301:晶粒、302: Y '析出相、303:晶粒邊界區(qū)域、304:析出相。
【具體實(shí)施方式】
[0036]本發(fā)明涉及把材料通過(guò)摩擦攪拌加以接合或改性的摩擦攪拌用工具。
[0037]在鋁合金等低熔點(diǎn)金屬材料的摩擦攪拌接合中,已全部達(dá)到實(shí)用化。另一方面,在鋼鐵材料等高熔點(diǎn)金屬材料的摩擦攪拌接合中,已較早就有報(bào)告,但鋼鐵材料的摩擦攪拌接合的研究報(bào)告例與鋁合金等相比少很多。
[0038]在鋁合金的接合中一般使用的工具鋼制的旋轉(zhuǎn)工具,當(dāng)用于鋼鐵材料接合時(shí),由于工具發(fā)生熱變形,不易接合,可作為其理由之一舉出。在鋼鐵材料等高熔點(diǎn)材料的摩擦攪拌接合中,作為旋轉(zhuǎn)工具材料的特性,要求高溫強(qiáng)度、耐摩耗性、無(wú)反應(yīng)性等。
[0039]專利文獻(xiàn)5公開了作為適于鋼鐵材料及高熔點(diǎn)材料接合用的旋轉(zhuǎn)工具材料的PCBN那樣的陶瓷材料(美國(guó)MegaStir制造的聚晶立方氮化硼)。
[0040]陶瓷材料,一般在高溫時(shí)的強(qiáng)度高,但由于在室溫切削困難,不易加工成各種工具形狀。另外,由于通過(guò)燒結(jié)進(jìn)行制造,從生產(chǎn)率這點(diǎn)考慮仍有改善的余地。
[0041]另一方面,Co基合金(鈷基合金)也有比較高的高溫強(qiáng)度,有希望作為旋轉(zhuǎn)工具。關(guān)于Co基合金可運(yùn)用于旋轉(zhuǎn)工具的,在專利文獻(xiàn)2、專利文獻(xiàn)3、專利文獻(xiàn)4、專利文獻(xiàn)6、專利文獻(xiàn)7等有記載。
[0042]Co基合金與陶瓷材料相比,由于室溫下的切削性較好,可較簡(jiǎn)單地加工成各種形狀,可期待其經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)點(diǎn)。但是,上述Co基合金中,在超過(guò)800°C的溫度,材料的強(qiáng)度急劇下降,當(dāng)上述Co基合金在鋼鐵材料那樣的高熔點(diǎn)材料接合中作為旋轉(zhuǎn)工具使用時(shí),工具材料本身發(fā)生老化,產(chǎn)生工具的摩耗或破損。
[0043]專利文獻(xiàn)8公開了即使在約1000°C的溫度(鋼鐵材料的摩擦攪拌接合中的一般接合溫度),仍可抑制急劇的強(qiáng)度下降的Co基合金。專利文獻(xiàn)8中記載了在Y'強(qiáng)化型Co-4Al-26.9W (質(zhì)量%)的3元類合金中,隨著Ni含量的增加,在保持高溫強(qiáng)度方面最重要的Y /固溶溫度上升。
[0044]作為攪拌工具的要求特性,除高溫強(qiáng)度外還可舉耐摩耗性。另一方面,專利文獻(xiàn)8記載的Co基合金中,影響耐摩耗性的因素還不清楚。作為上述因素,可考慮不僅是Y'固溶溫度還有Y'的量(體積分?jǐn)?shù))及其他析出物等。[0045]上述旋轉(zhuǎn)工具中的耐摩耗性問(wèn)題,作為旋轉(zhuǎn)工具的材質(zhì),采用使顯示Ll2結(jié)構(gòu)的Co3 (Al,W)的Y '相析出的體積分?jǐn)?shù)為10%至80%的Co基合金可以解決此問(wèn)題。
[0046]y !相的體積分?jǐn)?shù)限定為10%至80%的理由如下。
[0047]當(dāng)Y '相的體積分?jǐn)?shù)在10%以下時(shí),不能保持高溫強(qiáng)度,摩擦攪拌用工具的一部分發(fā)生變形,耐摩耗性也不充分。另一方面,當(dāng)Y '相的體積分?jǐn)?shù)在80%以上時(shí),Β2結(jié)構(gòu)的β相等過(guò)剩析出,耐摩耗性降低。
[0048]將除上述Co基合金的特征外,使選自μ相、萊夫斯相及碳化物(有時(shí)也稱碳化物相)的I種或2種以上(至少I種相)析出的Co基合金用于旋轉(zhuǎn)工具可以解決此問(wèn)題。 [0049]在摩擦攪拌的攪拌溫度區(qū)域中,可以保持高溫強(qiáng)度及耐摩耗性的Co基合金的化學(xué)組成,含有約10at%的Al、約7.5at%的W、約3at%的Ta、約10at%的Cr、約0.06at%的B、約0.6at%的C,含Ni30~50at%左右是所希望的。另外,含Co25at%以上是所希望的。在這里,at%表示用原子%表示的單位,表示各構(gòu)成原子的原子數(shù)對(duì)構(gòu)成合金的全部原子數(shù)之比。
[0050]在上述組成范圍的Co基合金的在室溫時(shí)的屈服強(qiáng)度為約800MPa,較易切削。另外,由于上述Co基合金可以精密鑄造,故可判斷工具生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益大。
[0051]本發(fā)明的摩擦攪拌用工具,其特征在于,含有圓柱狀的柄部、在該柄部的端部形成的肩部以及在該肩部的端部形成的針部。采用上述Co基合金鑄造的整體成型物或切削加工物是優(yōu)選的。本發(fā)明的摩擦攪拌用工具,安裝在摩擦攪拌接合裝置上使用。
[0052]下面,對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例參照附圖加以說(shuō)明。
[0053]實(shí)施例1
[0054]圖1為本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)工具中的工具構(gòu)成之一例。
[0055]摩擦攪拌用工具101,是從通過(guò)精密鑄造制成的錠切削加工成的整體。摩擦攪拌用工具101,通過(guò)加工成整體,可提高工具的剛性,同時(shí)可謀求工具制造的簡(jiǎn)化,可大幅削減成本。
[0056]摩擦攪拌用工具101,由與接合裝置的主軸連結(jié)的柄部102 ;接合時(shí),與被接合材料的表面接觸的肩部103 ;接合時(shí),插入被接合材料的針部104構(gòu)成。
[0057]作為工具101的形狀,肩部103的直徑采用15mm的值。針部104,在與肩部103連接的針部-肩部連接部105中直徑為6mm、針部前端部106為3.5mm。針部104的長(zhǎng)度為
1.8_。被接合材料的鐵類材料的厚度采用4_。作為接合條件,工具101的旋轉(zhuǎn)速度及接合速度分別采用250轉(zhuǎn)/分鐘及500mm/分鐘。
[0058]圖2為采用精密鑄造制作的Co基合金錠的外觀相片。
[0059]錠以Co-40N1-10Al-7.5ff-3Ta-10Cr-0.06B-0.6C 的組成制成。單位全部為 at%(原子%:各構(gòu)成原子的原子數(shù)相對(duì)構(gòu)成合金的全部原子數(shù)之比)。Co的含量為約29%。錠的外徑為約30_,長(zhǎng)度除冒口的部分外為IOOmm左右。是用于制作摩擦攪拌用旋轉(zhuǎn)工具足夠的大小。另外,錠可在數(shù)分鐘左右的非常短的時(shí)間內(nèi)制成,已確認(rèn)生產(chǎn)率優(yōu)良。另外,已確認(rèn)通過(guò)精密鑄造可以制成近終形(二 7彳、〃卜形狀)的工具。
[0060]在錠制成后,于1250°C熱處理后進(jìn)行空氣冷卻,然后,于1000°C進(jìn)行熱處理。這是由于保持高溫強(qiáng)度所必要的、為了顯示Ll2結(jié)構(gòu)的(Co,X)3 (Al,W,Z)的Y '相析出。在這里,X主要為Ni,Z主要為Cr及Ta。另外,上述熱處理的溫度,對(duì)于對(duì)耐摩耗性及晶粒邊界強(qiáng)化有效的μ相、萊夫斯相及碳化物的析出也有效。
[0061]圖3為上述錠的微觀組織相片。
[0062]錠的構(gòu)成含有:晶粒301 ;晶粒301的粒內(nèi)的Al結(jié)構(gòu)的Y相中細(xì)分散析出的Y '析出相302 ;晶粒邊界區(qū)域303 ;晶粒邊界區(qū)域303內(nèi)存在的析出相304。Y '析出相302的體積分?jǐn)?shù)為約60%。析出相304為μ相、萊夫斯相及碳化物相中的I種或多種的相。析出相304為使晶粒邊界穩(wěn)定的成分(晶粒邊界穩(wěn)定成分)。在這里,晶粒301是被晶粒邊界區(qū)域303圍繞的、于Co基體上使多數(shù)Y '析出相302 ( Y ;粒子)分散的I個(gè)粒子。
[0063]這樣的微觀組織對(duì)高溫強(qiáng)度及耐摩耗性的提高是有效的。
[0064]采用加工圖2所示的錠而制造的摩擦攪拌用工具,對(duì)SS400鐵類材料進(jìn)行接合。
[0065]圖4為表示采用圖2所示的錠加工成圖1形狀所制造的摩擦攪拌用工具接合的SS400鋼鐵材料(鐵類材料)的接合部的外觀相片。
[0066]如本圖(上述SS400材料接合部)所示,可以確認(rèn),采用本發(fā)明的摩擦攪拌用工具可進(jìn)行SS400材料的摩擦攪拌接合。
[0067]作為接合條件,工具101的旋轉(zhuǎn)速度及接合速度分別為250轉(zhuǎn)/分鐘及500mm/分鐘。接合距離為360mm,進(jìn)行多次反復(fù)接合。觀察伴隨著接合距離的摩擦攪拌用工具的形狀變化,評(píng)價(jià)摩擦攪拌用工具的性能。
[0068]圖5A及圖5B示出了 2次接合360mm后的工具表面部外觀及接合37次后的外觀。分別的總接合距離為0.72m及13.32m。
[0069]如本圖所示,即使在接合13.32m (37次)時(shí),針部及肩部上仍未見(jiàn)到明顯的損傷。由于接合材料在針部及肩部上有若干附著,接合后的工具的形狀變化未能明確測(cè)量出,但摩耗幾乎未發(fā)生。
[0070]采用上述工具實(shí)施連續(xù)壽命評(píng)價(jià)的結(jié)果可以確認(rèn),即使在45m以上的總接合距離,工具的摩耗仍少,可作為工具使用。
[0071]從以上的結(jié)果驗(yàn)證,可以提供一種對(duì)SS400鋼鐵材料,該Co基合金工具的變形及摩耗少的摩擦攪拌工具。
[0072]實(shí)施例2?4
[0073]得到以下見(jiàn)解:除鐵類材料外,對(duì)純鈦或鈦合金采用圖1的摩擦攪拌用工具101,能夠適用于摩擦攪拌接合。本實(shí)施例中使用的鈦材料,為工業(yè)用純鈦(實(shí)施例2)、鈦合金T1-6A1-4V (實(shí)施例 3)、鈦合金 T1-15V-3Cr-3Sn-3Al (實(shí)施例 4)。
[0074]作為接合條件,工具101的旋轉(zhuǎn)速度及接合速度分別為200轉(zhuǎn)/分鐘及IOOmm/分鐘。
[0075]圖6為采用圖1的摩擦攪拌工具101接合了 T1-15V-3Cr-3Sn-3Al材料的對(duì)接接合部的外觀相片。
[0076]從本圖可知,可以得到制成整齊的表面焊道(H - F)。另外,在摩擦攪拌用工具的肩部及針部中未發(fā)現(xiàn)摩耗、變形。在本實(shí)施例中,接合后的工具通過(guò)外觀檢查等發(fā)現(xiàn),上述Co基合金制旋轉(zhuǎn)工具與鈦合金幾乎未發(fā)生反應(yīng)。
[0077]從以上結(jié)果可知,本發(fā)明的摩擦攪拌用工具,即使對(duì)鈦合金的摩擦攪拌接合也有效。
[0078]實(shí)施例5[0079]下面示出采用具有Co-30N1-9.5A1-7.8ff-2Ta-10Cr-0.06B-0.6C 的組成的 Co 基合金形成的摩擦攪拌用工具的結(jié)果。單位全部為at%。Co的含量為約40%。該工具作為工具201。工具201采用與工具101同樣的方法制造。在上述工具201中,Y '析出相的體積分?jǐn)?shù)為約45%。
[0080]通過(guò)差示掃描量熱法測(cè)定(DSC),測(cè)定Y '析出物的固溶溫度的結(jié)果示于表1。在表中,工具101,即含40at%Ni的合金的場(chǎng)合,Y '固溶溫度為1163°C,工具201,即含30at%Ni的合金的場(chǎng)合,Y '固溶溫度為1094°C。
[0081]表1
【權(quán)利要求】
1.摩擦攪拌用工具,其特征在于,以Co基合金形成,該Co基合金具有:顯示Al結(jié)構(gòu)的gamma相、以及于該gamma相中析出的顯示Ll2結(jié)構(gòu)的gamma丨相;該gamma'相包含(Co,X)3 (A1,W,Z),式中,X主要為Ni,Z主要為Cr及Ta,所述Co基合金含Ni30~50at%。
2.按照權(quán)利要求1中所述的摩擦攪拌用工具,其特征在于,在該gamma相中,上述gamma'相以體積分?jǐn)?shù)含有10%至80%。
3.按照權(quán)利要求1中所述的摩擦攪拌用工具,其特征在于,所述Co基合金采用精密鑄造形成。
4.按照權(quán)利要求1中所述的摩擦攪拌用工具,其特征在于,上述Co基合金為含有μ相、萊夫斯相及碳化物的至少I種的析出物。
5.按照權(quán)利要求1中所述的摩擦攪拌用工具,其特征在于,上述Co基合金含有Co25原子%以上。
6.按照權(quán)利要求1中所述的摩擦攪拌用工具,其特征在于,包含圓柱狀的柄部、該柄部的端部形成的肩部、以及該肩部的端部形成的針部。
7.摩擦攪拌接合裝置,其特征在于,采用權(quán)利要求1~6中任一項(xiàng)所述的摩擦攪拌用工具。
【文檔編號(hào)】B23K20/12GK103521913SQ201310480184
【公開日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2010年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2009年9月17日
【發(fā)明者】樸勝煥, 平野聰, 今野晉也, 佐藤順, 粉川博之, 佐藤裕, 石田清仁, 大森俊洋 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所, 國(guó)立大學(xué)法人東北大學(xué)