被覆旋轉(zhuǎn)工具及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了用于摩擦攪拌焊接的摩擦攪拌焊接工具（1），其特征在于包括：基材（2）；和覆層（3），該覆層（3）至少形成于基材（2）的在摩擦攪拌焊接過(guò)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：所述基材（2）由硬質(zhì)合金形成；并且所述覆層（3）含有立方WC1-x，并通過(guò)電火花加工形成。
【專利說(shuō)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(guó)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(xiàng)技術(shù)通過(guò)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(shí)，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(dòng)，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(guò)將金屬材料對(duì)接或?qū)⒁粔K金屬材料置于另一塊金屬材料之上來(lái)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(dòng)，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(shí)進(jìn)行的是，金屬材料發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。由于此動(dòng)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(shí)，塑性流動(dòng)在大約500°C的相對(duì)低溫下發(fā)生。因此，即使在使用由廉價(jià)工具鋼制成的摩擦攪拌焊接工具時(shí)，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(duì)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(shí)際應(yīng)用中被用作接合鐵路車輛、機(jī)動(dòng)車輛或飛機(jī)部件的技術(shù)。
[0005]為了延長(zhǎng)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(dòng)，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(guò)提高摩擦攪拌焊接工具的耐磨性和抗粘著性來(lái)延長(zhǎng)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(duì)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(huì)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(duì)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(wèn)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(huì)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(lái)的缺點(diǎn)是，除非在覆蓋金剛石膜后對(duì)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(dòng)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(wèn)題，由于金剛石膜的生長(zhǎng)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(diǎn)，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(shí)，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(huì)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(lái)的問(wèn)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(zhǎng)的時(shí)間。此外，在對(duì)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(shí)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(shí)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(wèn)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(duì)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(shí)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(guò)程中將與工件接觸的部分的表面上，所述基材由硬質(zhì)合金形成，并且所述覆層含有立方WCh。
[0025]所述覆層通過(guò)電火花加工形成。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(guò)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]所述覆層的表面粗糙度Ra優(yōu)選地大于等于0.05 μ m且小于等于0.6 μ m。
[0028]利用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(diǎn)接合。
[0029]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:在由硬質(zhì)合金形成的基材上進(jìn)行電火花加工，從而在加工所述基材的同時(shí)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。
[0030]本發(fā)明的有益效果
[0031]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，S卩，所述工具在即使用于接合軟金屬時(shí)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。
[0032]附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明
[0033]圖1為示出根據(jù)本發(fā)明的摩擦攪拌焊接工具的一個(gè)例子的示意性截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]以下將對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
[0035]<摩擦攪拌焊接工具>
[0036]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(diǎn)接合(點(diǎn)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(duì)較小(直徑不小于2mm且不大于8mm)的探頭部分4和直徑相對(duì)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(shí)，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(duì)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€(gè)工件，并且旋轉(zhuǎn)的探頭部分4相對(duì)于堆疊或?qū)拥牟糠志€性移動(dòng)，由此使工件接合在一起。相比之下，對(duì)于點(diǎn)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€(gè)工件的所需的接合點(diǎn)，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。
[0037]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(guò)(例如)切除圓柱部分5的一部分側(cè)面而形成。對(duì)于在接合過(guò)程中將與工件接觸的部分，將該部分稱為肩部6。
[0038]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(shí)，所設(shè)置的螺紋部分8有助于使工件發(fā)生塑性流動(dòng)，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(duì)低溫下發(fā)生塑性流動(dòng)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(duì)高溫下發(fā)生塑性流動(dòng)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(shí)，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。
[0039]< 基材 >
[0040]本發(fā)明的摩擦攪拌焊接工具中的基材2的特征在于含有硬質(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H相的異常相。相對(duì)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)。
[0041]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(shí)，通過(guò)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(shí)間內(nèi)將探頭部分插入到工件中，因此也縮短了點(diǎn)接合所需要的時(shí)間。特別是在點(diǎn)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(guò)摩擦攪拌焊接工具和工件之間的摩擦產(chǎn)生的摩擦熱會(huì)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(jì)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(cè)定的。
[0042]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(diǎn)不容易碎裂，由此延長(zhǎng)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(zhǎng)摩擦攪拌焊接工具的壽命，也能夠縮短接合需要的時(shí)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(shì)在于，有利于工業(yè)制造過(guò)程中硬質(zhì)合金的制備。
[0043]作為上述的WC顆粒的平均粒徑，使用了通過(guò)以下方式進(jìn)行測(cè)定的值。首先，使用掃描電子顯微鏡(SEM)和附屬的波長(zhǎng)色散X射線分析(ΕΡΜΑ:電子探頭顯微分析)來(lái)檢測(cè)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(lái)，對(duì)截面中任意20 μ m直線上存在的WC顆粒進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后測(cè)量被該直線上各WC顆粒占據(jù)的區(qū)域的總長(zhǎng)度。隨后，用由此測(cè)量的總長(zhǎng)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(duì)于三條任意的直線，以類似的方式進(jìn)行測(cè)定以確定單個(gè)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。
[0044]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?yàn)闀?huì)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?yàn)闀?huì)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(huì)導(dǎo)致探頭部分的斷裂。
[0045]本文中硬質(zhì)合金中的Co含量為按照下列方式測(cè)定的值。將摩擦攪拌焊接工具進(jìn)行鏡面拋光，通過(guò)SEM在10000X的放大倍數(shù)下對(duì)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(lái)檢測(cè)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。
[0046]< 覆層 >
[0047]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(guò)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(guò)這種方式，能夠防止基材2的塑性變形，并能夠延長(zhǎng)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。
[0048]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(duì)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(guò)與工件摩擦而產(chǎn)生摩擦熱。此外，立方WCh的優(yōu)勢(shì)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(jì)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。
[0049]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(guò)X射線衍射來(lái)確定。立方WCh的衍射光束對(duì)應(yīng)于JCPDS卡20-1316中的那些衍射光束。
[0050]經(jīng)過(guò)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。
[0051]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(zhǎng)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(zhǎng)工具壽命，并且能使耐碎裂性更高。
[0052]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(gè)覆層的厚度。
[0053]本發(fā)明覆層的表面粗糙度優(yōu)選地大于等于0.05 μ m且小于等于0.6 μ m，其中所述表面粗糙度為由Jis B0601所定義的算術(shù)平均粗糙度Ra(以下也簡(jiǎn)稱做“表面粗糙度Ra”)。表面粗糙度Ra低于0.05 μ m可能不是優(yōu)選的，這是由于在接合過(guò)程中，這樣的表面粗糙度阻礙了工具表面和工件之間的摩擦生熱，因此不利于探針插入，從而導(dǎo)致點(diǎn)接合需要花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間。表面粗糙粗Ra高于0.6 μ m使得工件更容易粘著到工具表面上，因此可能不是優(yōu)選的。表面粗糙度Ra更優(yōu)選的范圍是大于等于0.1 μ m且小于等于0.5 μ m。
[0054]可通過(guò)電火花加工的條件來(lái)改變覆層的表面粗糙度。可對(duì)電火花加工的條件進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)，由此來(lái)調(diào)節(jié)覆層的表面粗糙度，所述加工條件主要為放電時(shí)間、間歇時(shí)間和電流峰值。較慢的加工速率使得表面粗糙度較小，而較高的加工速率使得表面粗糙度較大。
[0055]可這樣形成本發(fā)明的覆層，使其覆蓋基材的整個(gè)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。
[0056]〈覆層的形成方法〉
[0057]根據(jù)本發(fā)明，所述覆層可通過(guò)在基材表面上進(jìn)行電火花加工而形成。電火花加工不僅能夠?qū)牡男螤钸M(jìn)行加工，還能夠在基材的表面上形成含有立方WQx的覆層，因此其具有這樣的優(yōu)勢(shì):能夠方便地制造摩擦攪拌焊接工具，并且能夠降低制造成本。
[0058]雖然可以使用任何已知的技術(shù)來(lái)進(jìn)行上述電火花加工，但是電火花加工更優(yōu)選為使用銅、銅鶴合金、銀鶴合金、石墨等電極的刻模機(jī)電火花加工(die-sinker electricaldischarge machining)。與使用黃銅絲的線切割電火花加工相比,刻模機(jī)電火花加工能夠形成立方WCh含量更高的覆層，從而提高了耐磨性，因此刻模機(jī)電火花加工更為優(yōu)選。具體而言，對(duì)于刻模機(jī)電火花加工，可以選擇加工速率為0.005g/分鐘至0.05g/分鐘的放電條件，以提高立方WCh的含量。
[0059]從以上說(shuō)明可以看出，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:在由硬質(zhì)合金形成的基材上進(jìn)行電火花加工，從而在加工所述基材的同時(shí)，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。
[0060]實(shí)施例
[0061]在下文中，將會(huì)參照實(shí)施例對(duì)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(guò)利用掃描電子顯微鏡(SEM)直接觀察覆層的截面，從而測(cè)定了實(shí)施例中覆層的厚度。
[0062]< 實(shí)施例 1-14〉
[0063]對(duì)于各實(shí)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(duì)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(duì)所述硬質(zhì)合金進(jìn)行磨削和電火花加工(以這樣的方式調(diào)節(jié)電火花加工條件，即:對(duì)放電時(shí)間、間歇時(shí)間和電流峰值進(jìn)行調(diào)整，使得加工速率為0.0lg/分鐘)，從而形成如圖1所示的形狀的基材2。該基材2包括直徑IOmm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(zhǎng)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)。
[0064]實(shí)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(gè)彼此相對(duì)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(zhǎng)度均為7mm。
[0065]使用銅鎢電極對(duì)圖1中圓柱部分5的前端、肩部6和探頭部分4進(jìn)行刻模機(jī)電火花加工，使得在其表面上形成厚度為2 μ m且含有立方WCh的覆層3。以這種方式制造了實(shí)施例I至14的摩擦攪拌焊接工具。雖然實(shí)施例1至14的覆層厚度為2 μ m，但是已證實(shí)，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(shí)施例相當(dāng)?shù)男Ч?br> [0066]<比較例I至2>
[0067]對(duì)于各比較例I至2，以與實(shí)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所示特征的硬質(zhì)合金用作基材，并且對(duì)所述基材整體上進(jìn)行磨削而未在基材上形成覆層。
[0068]<比較例3>
[0069]對(duì)于比較例3，將具有如下表1所示特征的硬質(zhì)合金用作基材，并且對(duì)該摩擦攪拌焊接工具的全部表面進(jìn)行了與比較例I相同的磨削，并通過(guò)真空電弧氣相沉積法在其表面上形成了 TiN覆層。所述覆層是按照下列工序通過(guò)真空電弧氣相沉積法形成的。
[0070]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Ti設(shè)為金屬蒸發(fā)源的靶。然后，產(chǎn)生真空并進(jìn)行清潔。接著導(dǎo)入氮?dú)?，將室?nèi)壓力設(shè)定為3.0?&，并將用于基材的0(:偏置電源的電壓設(shè)定為-5(^。隨后，用200A的電弧電流對(duì)上述Ti靶進(jìn)行電離，從而使Ti和N2氣體互相反應(yīng)。由此，在基材上形成了 TiN覆層。
[0071]〈比較例4>
[0072]對(duì)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代替比較例3的Ti。
[0073]<比較例5>
[0074]對(duì)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(guò)等離子CVD方法形成了由類金剛石碳(DLC)制成的覆層。所述覆層是按照下列工序通過(guò)等離子CVD方法形成的。
[0075]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)的壓力，利用安裝在裝置內(nèi)的加熱器將基材加熱至200°C，并對(duì)腔室內(nèi)抽真空直至腔室內(nèi)的壓力達(dá)到1.0X10_3Pa。
[0076]接著，導(dǎo)入氬氣，將腔室內(nèi)的壓力保持在3.0Pa，然后對(duì)基材支架施加500W的高頻功率，從而對(duì)基材表面進(jìn)行60分鐘的清潔。之后，對(duì)腔室內(nèi)抽真空，然后引入CH4,使得腔室內(nèi)的壓力為lOPa。接著，對(duì)基材支架施加400W的高頻功率從而形成DLC制成的覆層。
[0077]表1[0078]
【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(guò)程中將與工件接觸的部分的表面上， 所述基材由硬質(zhì)合金形成，并且 所述覆層含有立方WCh，并且所述覆層通過(guò)電火花加工形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摩擦攪拌焊接工具，其中，所述基材由熱導(dǎo)率小于60W/m.K的硬質(zhì)合金形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2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。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)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。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的摩擦攪拌焊接工具，其中，經(jīng)過(guò)X射線衍射，所述覆層的I D/I (W2C)不低于2，其中I (WCh)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。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的摩擦攪拌焊接工具，其中，利用所述摩擦攪拌焊接工具的摩擦攪拌焊接為點(diǎn)接合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的摩擦攪拌焊接工具，其中，所述覆層的表面粗糙度Ra大于等于0.05 μ m且小于等于0.6 μ m。
8.—種制造摩擦攪拌焊接工具的方法，包括以下步驟:在由硬質(zhì)合金形成的基材上進(jìn)行電火花加工，從而在加工所述基材的同時(shí)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。
【文檔編號(hào)】B23K20/12GK103619526SQ201380001685
【公開日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年2月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月29日
【發(fā)明者】?jī)?nèi)海慶春, 森口秀樹 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社