被覆旋轉(zhuǎn)工具及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種摩擦攪拌焊接工具（1），其用于摩擦攪拌焊接，并且其特征在于包括：基材（2）；和覆層（3），其至少形成于所述基材（2）的在焊接過程中將與待接合材料接觸的區(qū)域的表面上。所述摩擦攪拌焊接工具（1）的特征還在于：所述覆層（3）含有立方晶體（WC1-x）。
【專利說明】被覆旋轉(zhuǎn)工具及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及摩擦攪拌焊接工具及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]1991年，在英國建立了將諸如鋁合金等金屬材料接合在一起的摩擦攪拌焊接技術(shù)。該項技術(shù)通過以下方式將金屬材料彼此接合。使在頂端形成有小直徑突起的圓柱狀摩擦攪拌焊接工具壓緊待接合的金屬材料的接合面。同時，使該摩擦攪拌焊接工具旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生摩擦熱。該摩擦熱使金屬材料的接合部分軟化并且發(fā)生塑性流動，由此將金屬材料接合在一起。
[0003]在本文中，“接合部分”是指，需要通過將金屬材料對接或?qū)⒁粔K金屬材料置于另一塊金屬材料之上來接合金屬材料的接合界面部分。在該接合界面附近，金屬材料被軟化并發(fā)生塑性流動，并且該金屬材料得到攪拌。結(jié)果，接合界面消失并且金屬材料進(jìn)行接合。與接合同時進(jìn)行的是，金屬材料發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。由于此動態(tài)再結(jié)晶，接合界面附近的金屬材料變?yōu)榧?xì)顆粒，由此該金屬材料能夠以高強(qiáng)度進(jìn)行接合(日本專利特開N0.2003-326372(PTDl))。
[0004]當(dāng)使用鋁合金作為上述金屬材料時，塑性流動在大約500°C的相對低溫下發(fā)生。因此，即使在使用由廉價工具鋼制成的摩擦攪拌焊接工具時，也很少發(fā)生磨損，并且不需要頻繁更換摩擦攪拌焊接工具。因此，對于摩擦攪拌焊接技術(shù)，接合鋁合金所需的成本低。因此，摩擦攪拌焊接技術(shù)已經(jīng)替代熔融并接合鋁合金的電阻焊接法，在多種實際應(yīng)用中被用作接合鐵路車輛、機(jī)動車輛或飛機(jī)部件的技術(shù)。
[0005]為了延長摩擦攪拌焊接工具的壽命，需要提高摩擦攪拌焊接工具的耐磨性和抗粘著性。摩擦攪拌焊接利用在摩擦攪拌焊接工具和待接合工件之間的摩擦產(chǎn)生的摩擦熱，使所述工件軟化并發(fā)生塑性流動，由此將工件接合在一起。因此，為了提高接合強(qiáng)度以將工件接合在一起，需要有效地產(chǎn)生摩擦熱。
[0006]PTDU日本專利特開N0.2005-199281 (PTD2)和日本專利特開N0.2005-152909 (PTD3)都公開了試圖通過提高摩擦攪拌焊接工具的耐磨性和抗粘著性來延長工具壽命。
[0007]例如，PTDl的摩擦攪拌焊接工具在由硬質(zhì)合金或氮化硅形成的基材表面上具有金剛石覆膜。由于金剛石膜的硬度和耐磨性優(yōu)異，并且摩擦系數(shù)低，因此工件不容易粘著到摩擦攪拌焊接工具上。因此，能夠成功地將工件接合在一起。
[0008]相比之下，根據(jù)PTD2，構(gòu)成摩擦攪拌焊接工具的部分表面并與工件接觸的探針和轉(zhuǎn)子由含有5質(zhì)量％至18質(zhì)量％的Co的硬質(zhì)合金形成。由于具有這種含量的Co，因此摩擦攪拌焊接工具對工件的親和力低，并且工件不容易粘著到工具上。此外，由于將熱導(dǎo)率為60ff/m.K以上的硬質(zhì)合金用作基材，因此熱量容易釋放并擴(kuò)散到外部，而且轉(zhuǎn)子和探頭的彎曲以及工件接合部分的熱變形幾乎不會發(fā)生。
[0009]根據(jù)PTD3，摩擦攪拌焊接工具具有由類金剛石碳、TiN, CrN, TiC, SiC, TiAlN和AlCrSiN中任一種制成的抗粘著層，并且該抗粘著層覆蓋在工具中將與工件接觸的部分表面上。根據(jù)PTD3，所述工具還具有由TiN、CrN、TiC、SiC、TiAlN和AlCrSiN中任一種制成的底層，并且該底層設(shè)置在基材和抗粘著層之間以覆蓋所述基材。由此，底層的設(shè)置可提高基材和抗粘著層之間的粘著力，使得抗粘著層不容易斷裂，并提高耐磨性。此外，用作抗粘著層的類金剛石碳對諸如鋁等軟金屬的親和力低，因此具有優(yōu)異的抗粘著性。
[0010]參考列表
[0011]專利文獻(xiàn)
[0012]PTDl:日本專利特開 N0.2003-326372
[0013]PTD2:日本專利特開 N0.2005-199281
[0014]PTD3:日本專利特開 N0.2005-152909

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]技術(shù)問題
[0016]PTDl的金剛石膜本身具有較大的表面粗糙度。如果增加金剛石膜的厚度以提高耐磨性，則會使得表面粗糙度隨著金剛石膜厚度的增加而升高。由此帶來的缺點是，除非在覆蓋金剛石膜后對金剛石膜的表面進(jìn)行拋光，否則其耐磨性相當(dāng)?shù)汀?br> [0017]另外，由于金剛石膜的熱導(dǎo)率非常高，因此由工具和工件之間的摩擦產(chǎn)生的摩擦熱容易擴(kuò)散到外部，這就使得在接合開始后的初始階段難以提高工具的溫度。因此，在接合的初始階段，工件的塑性流動受到阻礙，并且不能達(dá)到穩(wěn)定的接合強(qiáng)度。此外，金剛石膜還存在這樣的問題，由于金剛石膜的生長速率慢，因此制造成本高。
[0018]盡管PTD2的摩擦攪拌焊接工具具有如下優(yōu)點，即，高含量的Co使得工具不容易斷裂，但是當(dāng)將該工具用于接合諸如鋁等軟金屬時，其在抗粘著性方面不足。此外，由于PTD2使用了高熱導(dǎo)率的硬質(zhì)合金，因此在接合開始后的初始階段，摩擦熱會擴(kuò)散，因此不能達(dá)到穩(wěn)定的接合強(qiáng)度。
[0019]至于PTD3，用作抗粘著層的類金剛石碳具有非常小的摩擦系數(shù)，因此工具和工件之間的摩擦很難產(chǎn)生摩擦熱。由此帶來的問題是，探頭不能插入到工件中，或者，即使探頭能夠插入到工件中，但是接合的完成也需要很長的時間。此外，在對諸如鋁等軟金屬的抗粘著性方面，用作PTD3的抗粘著層的氮化物系抗粘著層也是不足的。
[0020]從上述內(nèi)容可以看到，PTDl至PTD3的摩擦攪拌焊接工具都不能成功地實現(xiàn)接合初始階段的接合穩(wěn)定性以及抗粘著性，并且還需要具有更高的耐磨性和耐碎裂性。
[0021 ] 鑒于上述情況完成了本發(fā)明，并且本發(fā)明的目的在于提供這樣的摩擦攪拌焊接工具，即使在將其用于接合軟金屬時也表現(xiàn)出優(yōu)異的抗粘著性以及優(yōu)異的耐磨性，并且從開始接合后的初始階段始終保持穩(wěn)定的接合強(qiáng)度和穩(wěn)定的接合質(zhì)量。
[0022]解決問題的方案
[0023]本發(fā)明的發(fā)明人為了提高摩擦攪拌焊接工具的抗粘著性而進(jìn)行了深入的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)可以在基材的表面上形成含有立方WCh的覆層，從而提高抗粘著性而不減少摩擦熱。本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)可以對制成基材的硬質(zhì)合金的熱導(dǎo)率、WC粒徑和Co含量進(jìn)行優(yōu)化，由此即使在接合軟金屬時也能提供優(yōu)異的抗粘著性，并能夠提供優(yōu)異的耐磨性和耐碎裂性，因此從開始接合后的初始階段開始能夠提供始終穩(wěn)定的接合質(zhì)量。[0024]更具體而言，本發(fā)明的摩擦攪拌焊接工具用于摩擦攪拌焊接，并包括:基材；和覆層，其至少形成于所述基材的在摩擦攪拌焊接過程中將與工件接觸的部分的表面上，所述覆層含有立方WCh。此處，所述基材優(yōu)選為硬質(zhì)合金或工具鋼。
[0025]所述覆層優(yōu)選地通過物理氣相沉積法形成。所述基材優(yōu)選地由熱導(dǎo)率小于60W/m ?K的硬質(zhì)合金形成。所述基材優(yōu)選地含有平均粒徑大于等于0.1 μ m且小于等于I μ m的WC,并且優(yōu)選地含有大于等于3質(zhì)量％且小于等于15質(zhì)量％的Co。
[0026]經(jīng)過X射線衍射，所述覆層的I(WCh)A(W2C)不低于2，其中I(WCVx)為(111)衍射光束和(200)衍射光束各自的衍射光束強(qiáng)度中的較高者，并且I(W2C)為(1000)衍射光束、(0002)衍射光束和(1001)衍射光束各自的衍射光束強(qiáng)度中的最高者。
[0027]通過所述摩擦攪拌焊接工具進(jìn)行的摩擦攪拌焊接優(yōu)選為點接合。
[0028]本發(fā)明還提供一種制造摩擦攪拌焊接工具的方法，包括以下步驟:通過物理氣相沉積法，至少在所述基材的將與工件接觸的部分的表面上形成覆層，所述覆層含有立方WCh。
[0029]本發(fā)明的有益效果
[0030]本發(fā)明的摩擦攪拌焊接工具具有上述構(gòu)造，因此表現(xiàn)出優(yōu)異的效果，即，所述工具在即使用于接合軟金屬時也具有優(yōu)異的抗粘著性，并且具有優(yōu)異的耐磨性和耐碎裂性，并且從開始接合后的初始階段開始提供始終穩(wěn)定的接合質(zhì)量。
[0031]附圖簡要說明
[0032]圖1為示出根據(jù)本發(fā)明的摩擦攪拌焊接工具的一個例子的示意性截面圖。 【具體實施方式】
[0033]以下將對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
[0034]<摩擦攪拌焊接工具>
[0035]圖1為根據(jù)本發(fā)明的摩擦攪拌焊接工具的示意性截面圖。如圖1所示，本發(fā)明的摩擦攪拌焊接工具I包括基材2和形成在所述基材2上的覆層3。具有上述構(gòu)造的本發(fā)明的摩擦攪拌焊接工具I可以十分有利地用于(例如)線接合(摩擦攪拌焊接FSW)和點接合(點FSff)等應(yīng)用。本發(fā)明的摩擦攪拌焊接工具I的形狀為包括直徑相對較小(直徑不小于2mm且不大于8mm)的探頭部分4和直徑相對較大(直徑不小于4mm且不大于20mm)的圓柱部分
5。當(dāng)將該工具用于接合時，探頭部分4以插入或壓緊工件的接合部分的狀態(tài)旋轉(zhuǎn)，由此使工件接合在一起。在這種情況下，對于線接合的應(yīng)用，探頭部分4壓緊或插入以線接觸方式堆疊或?qū)拥膬蓚€工件，并且旋轉(zhuǎn)的探頭部分4相對于堆疊或?qū)拥牟糠志€性移動，由此使工件接合在一起。相比之下，對于點接合的應(yīng)用，旋轉(zhuǎn)的探頭部分4壓緊垂直堆疊或?qū)拥膬蓚€工件的所需的接合點，并且探頭部分4在此位置連續(xù)旋轉(zhuǎn)，由此使工件接合在一起。
[0036]如圖1所示，本發(fā)明的摩擦攪拌焊接用工具I優(yōu)選具有夾柄部分7，從而使圓柱部分5保持在支架中。該夾柄部分7可以通過(例如)切除圓柱部分5的一部分側(cè)面而形成。對于在接合過程中將與工件接觸的部分，將該部分稱為肩部6。
[0037]優(yōu)選地，本發(fā)明的摩擦攪拌焊接工具具有如圖1所示的形成在探頭部分4的側(cè)面的螺旋式螺紋部分8。當(dāng)工件為鋁等軟金屬時，所設(shè)置的螺紋部分8有助于使工件發(fā)生塑性流動，并能夠從接合開始后的初始階段開始始終進(jìn)行穩(wěn)定接合。應(yīng)當(dāng)注意的是，本發(fā)明的摩擦攪拌焊接工具不僅適用于在相對低溫下發(fā)生塑性流動的非鐵金屬(如鋁合金和鎂合金)的接合加工，還適用于在1000°c或更高的相對高溫下發(fā)生塑性流動的銅合金或鐵質(zhì)材料的接合加工。當(dāng)用于接合諸如鋁、鋁合金、鎂、鎂合金、銅和銅合金等的軟金屬時，本發(fā)明的摩擦攪拌焊接工具在抗粘著性方面也是優(yōu)異的。
[0038]< 基材 >
[0039]本發(fā)明的摩擦攪拌焊接工具中的基材2優(yōu)選含有硬質(zhì)合金(例如，WC基硬質(zhì)合金、除WC之外還含有Co的材料、或者其中還添加了 T1、Ta、Nb等的碳氮化物等的材料)。所述硬質(zhì)合金可在其結(jié)構(gòu)中含有游離碳或者稱作n相的異常相。相對于通常用于摩擦攪拌焊接工具的基材的SKD和SKH等工具鋼，上述硬質(zhì)合金具有更高的硬度，因此有利的是其具有優(yōu)異的耐磨性。應(yīng)當(dāng)注意的是，在構(gòu)成基材的硬質(zhì)合金中的WC具有六方晶體結(jié)構(gòu)。
[0040]優(yōu)選地，所述基材為熱導(dǎo)率低于60W/m.Κ的硬質(zhì)合金，更優(yōu)選地為50W/m.Κ以下，并且仍更優(yōu)選地為40W/m.K以下。所述熱導(dǎo)率的下限優(yōu)選為20W/m.K以上，并且更優(yōu)選為25W/m.Κ以上?？蓪⒕哂羞@種熱導(dǎo)率的硬質(zhì)合金用于基材，以使得即使當(dāng)摩擦攪拌焊接工具的旋轉(zhuǎn)速率低并且接合負(fù)載量小時，通過摩擦產(chǎn)生的摩擦熱也不容易擴(kuò)散，因此有助于提高工件的溫度。因此，可在短時間內(nèi)將探頭部分插入到工件中，因此也縮短了點接合所需要的時間。特別是在點接合的情況下，摩擦攪拌焊接工具的溫度從接合開始后的初始階段開始急劇地增加。還是在這種情況下，從接合開始后的初始階段開始，始終能達(dá)到穩(wěn)定的接合強(qiáng)度。硬質(zhì)合金的熱導(dǎo)率在60W/m*K以上是不優(yōu)選的，這是由于通過摩擦攪拌焊接工具和工件之間的摩擦產(chǎn)生的摩擦熱會擴(kuò)散，從而阻礙了工具和工件的溫度升高。另外，由于硬質(zhì)合金的組成，難以制造熱導(dǎo)率低于20W/m.K的基材。作為本文中的“熱導(dǎo)率”，使用了基于基材的熱擴(kuò)散系數(shù)以及比熱和密度而計算得到的值，其中所述熱擴(kuò)散系數(shù)是根據(jù)激光閃光法測定的。
[0041]所述基材中含有的WC的平均粒徑優(yōu)選地大于等于0.1 μ m并且小于等于I μ m。如果WC的平均粒徑小于0.1 μ m，則工業(yè)上很難制造該硬質(zhì)合金。反之，如果其平均粒徑大于1口111，則按照這種情況熱導(dǎo)率可達(dá)601/111*1(以上，因此不是優(yōu)選的。即，為了使硬質(zhì)合金的熱導(dǎo)率低于60W/m.K，需要使WC的平均粒徑為I μ m以下。在探頭部分形成有螺紋的情況中，平均粒徑在I μ m以下的WC使得螺紋的最高點不容易碎裂，由此延長了摩擦攪拌焊接工具的壽命。WC的平均粒徑更優(yōu)選為0.2 μ m以上0.7 μ m以下。WC的平均粒徑為0.7 μ m以下使得基材的熱導(dǎo)率更小，因此使得摩擦熱更不容易擴(kuò)散。因此，能夠延長摩擦攪拌焊接工具的壽命，也能夠縮短接合需要的時間，并且從開始接合后的初始階段開始，接合強(qiáng)度始終穩(wěn)定。反之，WC的平均粒徑為0.2μπι以上的優(yōu)勢在于，有利于工業(yè)制造過程中硬質(zhì)合金的制備。
[0042]作為上述的WC顆粒的平均粒徑，使用了通過以下方式進(jìn)行測定的值。首先，使用掃描電子顯微鏡(SEM)和附屬的波長色散X射線分析(ΕΡΜΑ:電子探頭顯微分析)來檢測基材截面(垂直于探頭部分的前端方向的平面)中的WC顆粒和其他組分。接下來，對截面中任意20 μ m直線上存在的WC顆粒進(jìn)行計數(shù)，然后測量被該直線上各WC顆粒占據(jù)的區(qū)域的總長度。隨后，用由此測量的總長度除以WC顆粒的數(shù)目，然后將所確定的商值作為WC顆粒的粒徑。對于三條任意的直線，以類似的方式進(jìn)行測定以確定單個WC顆粒的相應(yīng)粒徑，然后確定它們的平均值以用作WC顆粒的平均粒徑。[0043]形成基材的硬質(zhì)合金優(yōu)選地含有大于等于3質(zhì)量％小于等于15質(zhì)量％的Co，更優(yōu)選地含有大于等于6質(zhì)量％小于等于12質(zhì)量％的Co，并且還更優(yōu)選地含有大于等于8質(zhì)量％小于等于10質(zhì)量％的Co。Co的含量高于15質(zhì)量％是不優(yōu)選的,這是因為會導(dǎo)致耐磨性變差。Co的含量低于3質(zhì)量％是不優(yōu)選的，這是因為會導(dǎo)致耐斷裂性變差，從而導(dǎo)致探頭部分的螺紋碎裂，并且在線接合的情況下，可能會導(dǎo)致探頭部分的斷裂。
[0044]本文中硬質(zhì)合金中的Co含量為按照下列方式測定的值。將摩擦攪拌焊接工具進(jìn)行鏡面拋光，通過SEM在10000X的放大倍數(shù)下對形成基材任意區(qū)域的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行拍照，使用附屬的EPMA來檢測基材截面(垂直于探頭部分的前端方向的平面)中的Co組分，并將照片中Co的總面積轉(zhuǎn)換為質(zhì)量比，將該質(zhì)量比用作Co的含量。
[0045]對于本發(fā)明的摩擦攪拌焊接工具的基材，還可以使用諸如SKD和SKH等的工具鋼。雖然這些材料的耐磨性比硬質(zhì)合金低，但是它們具有優(yōu)異的可加工性和低成本的優(yōu)勢。
[0046]應(yīng)當(dāng)注意的是，對于本發(fā)明的摩擦攪拌焊接工具的基材，除了上述硬質(zhì)合金和工具鋼之外，還可以使用已知的材料，包括:難熔金屬合金，如Co基合金、Mo合金、W-Re合金和Ir合金；cBN (立方氮化硼)燒結(jié)體；陶瓷，如氮化硅、氮化鋁、SiAlON等。
[0047]< 覆層 >
[0048]如圖1所示，在本發(fā)明的摩擦攪拌焊接工具中，所述覆層3的特征在于，這樣在基材2上形成覆層3，使得該覆層至少形成于基材的在摩擦攪拌焊接過程中將與工件接觸的部分的上。因此，覆層3形成于將與工件接觸的部分上，因此阻止了摩擦產(chǎn)生的熱傳遞至基材2。通過這種方式，能夠防止基材2的塑性變形，并能夠延長工具壽命。另外，在該位置處形成覆層，由此能防止軟金屬工件粘著到工具上，因此提高了耐磨性，并且還有助于摩擦熱的產(chǎn)生。
[0049]所述覆層的特征在于其含有立方WCh。立方WCh在抗粘著性方面優(yōu)于TiN和CrN等氮化物以及TiC和SiC，因此鋁等軟金屬不容易粘著到覆層上。另外，立方WCh的摩擦系數(shù)并不像類金剛石碳(DLC)的摩擦系數(shù)這樣低。因此，對于包括由立方WCh制成的覆層的摩擦攪拌焊接工具，有利于通過與工件摩擦而產(chǎn)生摩擦熱。此外，立方WCh的優(yōu)勢在于，其具有高硬度，因此耐磨性優(yōu)異。工具基材的硬質(zhì)合金中的WC具有六方晶體結(jié)構(gòu)。相比之下，立方WCh具有立方NaCl型晶體結(jié)構(gòu)。此處，WCh的1-X是指，在WC的化學(xué)計量組成中，C小于I。根據(jù)W-C 二元平衡相圖，立方WC^出現(xiàn)在限定的區(qū)域中，并且在2380±30°C至 2747± 12°C下，WCVx 的 x 為 0.3 至 0.4。
[0050]根據(jù)本發(fā)明，雖然所述覆層可含有W2C作為除立方WCh之外的其他碳化鎢，但是由于W2C的硬度低，因此優(yōu)選地盡可能不包含W2C。此處，所述覆層中含有的碳化鎢的晶體結(jié)構(gòu)可通過X射線衍射來確定。立方WCh的衍射光束對應(yīng)于JCPDS卡20-1316中的那些衍射光束。
[0051]經(jīng)過X射線衍射，所述覆層的I (WCh)/I (W2C)優(yōu)選地不小于2，其中I (WC1J為
(111)衍射光束和(200)衍射光束各自的衍射光束強(qiáng)度中的較高者，并且I(W2C)為(1000)衍射光束、(0002)衍射光束和(1001)衍射光束各自的衍射光束強(qiáng)度中的最高者。該比例更優(yōu)選地為5以上，并且仍更優(yōu)選地為10以上。所述覆層可含有該比例的立方WCh，由此具有更高的硬度，從而能夠提高摩擦攪拌焊接工具的耐磨性和耐碎裂性。
[0052]本發(fā)明覆層的厚度優(yōu)選地大于等于I μ m且小于等于20 μ m。該厚度為I μ m以上能提高耐磨性，并且能顯著延長工具壽命。本發(fā)明的覆層的厚度更優(yōu)選地大于等于2 μ m且小于等于15 μ m,并且仍更優(yōu)選地大于等于3 μ m且小于等于10 μ m。因此，能夠進(jìn)一步延長工具壽命，并且能使耐碎裂性更高。
[0053]應(yīng)當(dāng)注意的是，在本文中，本發(fā)明的覆層厚度是摩擦攪拌焊接工具的任意表面部分的覆層厚度，例如，探頭前端的覆層厚度，在摩擦攪拌焊接工具的基材上形成的整個覆層的厚度。
[0054]可這樣形成本發(fā)明的覆層，使其覆蓋基材的整個表面，或者一部分基材未被覆層覆蓋，或者覆層的結(jié)構(gòu)可根據(jù)其在基材上的位置而有所不同，然而，這些并不超出本發(fā)明的范圍。
[0055]〈覆層的形成方法〉
[0056]根據(jù)本發(fā)明，所述覆層可通過任何已知的技術(shù)形成，所述技術(shù)包括:物理氣相沉積法，如濺射法和真空電弧氣相沉積法等；化學(xué)氣相沉積法，如熱CVD法、等離子噴涂法等。
[0057]在上述方法中，所述覆層優(yōu)選地通過物理氣相沉積法形成。通過物理氣相沉積法制造的覆層具有高含量的立方WCh以及致密的晶體結(jié)構(gòu)，因此具有優(yōu)異的耐磨性和耐碎裂性的優(yōu)勢。雖然物理氣相沉積法包括(例如)濺射法、離子鍍法等，但是特別地，可使用能夠提供原材料元素的高電離率的陰極電弧離子鍍法，以制造致密且具有優(yōu)異耐磨性的高硬度膜，因此陰極電弧離子鍍法是更優(yōu)選的。另外，由于該方法可在覆層形成之前，在基材的表面上進(jìn)行金屬或氣體離子轟擊處理，這能顯著地提高基材和覆層之間的粘著性，因而該方法是優(yōu)選的。
[0058]從前述可以看出，根據(jù)本發(fā)明的制造摩擦攪拌焊接工具的方法包括以下步驟:通過在由硬質(zhì)合金制成的基材上進(jìn)行物理氣相沉積方法，從而至少在所述基材的將與工件接觸的部分的表面上形成覆層，并且所述覆層含有立方WCh。
[0059]例子
[0060]在下文中，將會參照實施例對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。但是本發(fā)明不局限于此。應(yīng)當(dāng)注意的是，通過利用掃描電子顯微鏡(SEM)直接觀察覆層的截面，從而測定了實施例中
覆層的厚度。
[0061]對于各實施例1至14，制造了如圖1所示的摩擦攪拌焊接工具。首先，對于基材，制備了具有如下表I所示的“WC平均粒徑”、“Co含量”和“熱導(dǎo)率”特征的硬質(zhì)合金。對所述硬質(zhì)合金進(jìn)行磨削，從而形成如圖1所示的形狀的基材2。該基材2包括直徑10_的基本上為圓柱形的圓柱部分5，以及與圓柱部分5同軸且從圓柱部分5的肩部6的中心伸出的探頭部分4。從肩部6到探頭部分4的前端的長度為1.5mm。在探頭部分4的側(cè)面，形成了螺紋部分8，具體而言，該螺紋部分8為螺紋方向與工具旋轉(zhuǎn)方向相反且間距為0.7mm的螺旋狀螺紋(M4)。
[0062]實施例和比較例的摩擦攪拌焊接工具均具有如圖1所示的探頭部分4和肩部6，并且還具有夾柄部分7，從而使圓柱部分5保持在支架中。所述夾柄部分7以如下方式形成。在距離圓柱部分5的上表面IOmm的部分，沿著兩個彼此相對的方向部分切除圓柱部分5的側(cè)面，并且所得的截面基本上為圓形。從支架側(cè)觀察，夾柄部分7具有圓柱部分被部分切除后形成的弦，并且弦的長度均為7mm。
[0063]<實施例1至7>[0064]對于各實施例1至7，均使用了真空電弧氣相沉積法來形成覆層。所述覆層是按照以下工序通過真空電弧氣相沉積法形成的。應(yīng)當(dāng)注意的是，雖然實施例1至7的覆層厚度為2 μ m，但是已經(jīng)證實，只要覆層的厚度落入I μ m至20 μ m的范圍內(nèi)，就能獲得與各實施例相當(dāng)?shù)男Ч?br> [0065]首先，將基材設(shè)置在位于真空電弧氣相沉積裝置的腔室內(nèi)的基材支架上，并將不含Co的WC燒結(jié)體設(shè)置為金屬蒸發(fā)源的靶。然后，使用真空泵來降低腔室內(nèi)的壓力，使用安裝在裝置內(nèi)的加熱器將基材的溫度加熱至450°C，然后將室內(nèi)抽真空直至室內(nèi)的壓力達(dá)到1.0XlO-4Pa0 [0066]接著，導(dǎo)入氬氣，使室內(nèi)壓力保持在3.0Pa，將用于基材的偏壓源的電壓逐漸增加至-1500V，并加熱W燈絲以釋放熱電子，從而清潔基材的表面15分鐘。之后，將氬氣排出。接著，導(dǎo)入氬氣和甲烷氣體以將室內(nèi)的壓力設(shè)定為3Pa，將甲烷氣體的分壓設(shè)定為IPa，并將用于基材的DC偏壓設(shè)定為-50V。然后，用200A的電弧電流使WC靶電離，由此形成含有立方WC^的覆層。
[0067]<實施例8至14>
[0068]對于實施例8至14，使用了 UBM濺射法來形成覆層。所述覆層是按照以下工序通過UBM濺射法形成的。應(yīng)當(dāng)注意的是，雖然實施例8至14的覆層厚度為2 μ m，但是已證實，只要覆層的厚度落入I μ m至20 μ m的范圍內(nèi)，就能獲得與各實施例相當(dāng)?shù)男Ч?br> [0069]首先，將基材設(shè)置在位于濺射氣相沉積裝置的腔室內(nèi)的基材支架上，并將不含Co的WC燒結(jié)體設(shè)置為金屬蒸發(fā)源的靶。然后，使用真空泵來降低腔室內(nèi)的壓力，使用安裝在裝置內(nèi)的加熱器將基材的溫度加熱至450°c，然后將室內(nèi)抽真空直至腔室內(nèi)的壓力達(dá)到
1.0XlO-4Pa0
[0070]接著，引入氬氣，使室內(nèi)壓力保持在3.0Pa，將用于基材的DC偏壓源逐漸增加至-1000V，并進(jìn)行基材表面的清潔15分鐘。之后，將氬氣排出。接著，以1:1的流速比引入氬氣和甲烷氣體，從而將室內(nèi)的壓力設(shè)定為0.6Pa，并將用于基材的DC偏壓設(shè)定為-90V。然后，向WC靶施加4500W的DC濺射功率以使靶電離，由此形成含有立方WCVx的覆層。
[0071]〈比較例I至2>
[0072]對于各比較例I至2，將具有如下表1所示的特征的硬質(zhì)合金用作基材，以與實施例類似的方式通過磨削制造了摩擦攪拌焊接工具，并且在基材上沒有形成覆層。
[0073]<比較例3>
[0074]對于比較例3，以與實施例1類似的方式制造了摩擦攪拌焊接工具，不同之處在于，將具有如下表1所示的特征的硬質(zhì)合金用作基材，并且利用真空電弧氣相沉積法形成由TiN制成的覆層。所述覆層是按照下列工序通過真空電弧氣相沉積法形成的。
[0075]首先，將基材設(shè)置在位于真空電弧氣相沉積裝置的室內(nèi)的基材支架上，并將Ti設(shè)為金屬蒸發(fā)源的靶。然后，產(chǎn)生真空并以與實施例1類似的方式進(jìn)行清潔。接著，導(dǎo)入氮氣以將室內(nèi)壓力設(shè)定為3.0Pa，并將基材DC偏壓源的電壓設(shè)定為-50V。隨后，用200A的電弧電流使Ti靶電離，從而使Ti和N2氣體互相反應(yīng)，由此在基材上形成了由TiN制成的覆層。
[0076]<比較例4>
[0077]對于比較例4，以與比較例3類似的方式在基材上形成了 CrN覆層，不同之處在于，用Cr代替了比較例3中的Ti。[0078]<比較例5>
[0079]對于比較例5，以與比較例3類似的方式制造了摩擦攪拌焊接工具，不同之處在于通過等離子CVD方法來形成由類金剛石碳(DLC)制成的覆層。所述覆層是按照下列工序通過等離子CVD方法形成的。
[0080]首先，將基材設(shè)置在位于等離子CVD裝置的腔室內(nèi)的基材支架上。然后，利用真空泵降低腔室內(nèi)壓力，利用安裝在裝置內(nèi)的加熱器將基材加熱至200°C，并對腔室內(nèi)抽真空直至室內(nèi)壓力達(dá)到1.0Xl(T3Pa。
[0081]接著，導(dǎo)入氬氣，將腔室內(nèi)壓力保持在3.0Pa，然后對基材支架施加500W的高頻功率，從而對基材表面進(jìn)行60分鐘的清潔。之后，對室內(nèi)抽真空，然后引入CH4，使得腔室內(nèi)壓力為lOPa。接著，對基材支架施加400W的高頻功率從而形成由DLC制成的覆層。
[0082]表1
[0083]
【權(quán)利要求】
1.一種用于摩擦攪拌焊接的摩擦攪拌焊接工具，包括: 基材；和 覆層，其至少形成于所述基材的在摩擦攪拌焊接過程中將與工件接觸的部分的表面上， 所述覆層含有立方WCh。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摩擦攪拌焊接工具,其中,所述基材由硬質(zhì)合金形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的摩擦攪拌焊接工具，其中，所述硬質(zhì)合金的熱導(dǎo)率小于60W/m.K。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的摩擦攪拌焊接工具，其中，所述基材含有平均粒徑大于等于0.1 μ m且小于等于I μ m的WC。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項所述的摩擦攪拌焊接工具，其中，所述基材含有大于等于3質(zhì)量％且小于等于15質(zhì)量％的Co。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摩擦攪拌焊接工具，其中，所述基材由工具鋼形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的摩擦攪拌焊接工具，其中，所述覆層通過物理氣相沉積法形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的摩擦攪拌焊接工具，其中，經(jīng)過X射線衍射，所述覆層的I (WC1J/I (W2C)不低于2，其中I (WCh)為(Hl)衍射光束和(200)衍射光束各自的衍射光束強(qiáng)度中的較高者，并且I (W2C)為(1000)衍射光束、(0002)衍射光束和(1001)衍射光束各自的衍射光束強(qiáng)度中的最高者。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的摩擦攪拌焊接工具，其中，通過所述摩擦攪拌焊接工具進(jìn)行的摩擦攪拌焊接為點接合。
10.一種制造包括基材和覆層的摩擦攪拌焊接工具的方法，包括以下步驟:通過物理氣相沉積法，至少在所述基材的將與工件接觸的部分的表面上形成所述覆層， 所述覆層含有立方WCh。
【文檔編號】B23K20/12GK103619525SQ201380001672
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年2月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月29日
【發(fā)明者】內(nèi)海慶春, 森口秀樹 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社