專利名稱：被覆旋轉(zhuǎn)工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種摩擦攪拌焊接用工具。
背景技術(shù)：
1991年，在英國(guó)建立了接合諸如鋁合金等金屬材料的摩擦攪拌焊接技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)用于接合金屬材料，并且通過(guò)以下方式進(jìn)行使在頂端具有小直徑突起的圓柱狀摩擦攪拌焊接用工具壓緊被接合的金屬材料的接合面，并且使該摩擦攪拌焊接用工具旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生 摩擦熱，并且利用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)(日本國(guó)家專利公開(kāi) No. 07-505090 (PTLD)0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，接合界面消失并且進(jìn)行接合。此外，金屬材料同時(shí)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。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的較低溫度下發(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用工具時(shí)，工具也很少磨損，并且不需要頻繁更換摩擦攪拌焊接用工具。因此，在摩擦攪拌焊接技術(shù)中，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(chē)輛、車(chē)輛或飛機(jī)部件的技術(shù)。目前，摩擦攪拌焊接技術(shù)主要應(yīng)用于在較低的溫度下發(fā)生塑性流動(dòng)的非鐵金屬，例如鋁合金或鎂合金。在接合所需的成本和時(shí)間、接合部分的強(qiáng)度等方面，這種摩擦攪拌焊接技術(shù)優(yōu)于電阻焊接法。因此，不僅需要將摩擦攪拌焊接技術(shù)應(yīng)用于在低溫下發(fā)生塑性流動(dòng)的材料的接合中，還需要將其應(yīng)用于在1000°c或更高的高溫下發(fā)生塑性流動(dòng)的銅合金或鋼材的接合中。然而，當(dāng)將摩擦攪拌焊接技術(shù)應(yīng)用于鋼材時(shí)，在接合期間，摩擦攪拌焊接用工具本身暴露在高溫下。結(jié)果，摩擦攪拌焊接用工具發(fā)生塑性變形，并且該摩擦攪拌焊接用工具與被接合材料接觸的部分容易氧化并且磨損，這導(dǎo)致工具壽命明顯縮短。為了試圖解決上述問(wèn)題，(例如)日本專利特開(kāi)No. 2003-326372 (PTL2)公開(kāi)了一種摩擦攪拌焊接用工具，其中該摩擦攪拌焊接用工具與被接合材料發(fā)生接觸的部分的表面被覆有金剛石膜，由此增加了表面硬度，抑制了作為被接合從材料的低熔點(diǎn)輕質(zhì)合金成分(例如Al合金或Mg合金)與摩擦攪拌焊接用工具的焊接，并且延長(zhǎng)了工具壽命。根據(jù)PTL2中所公開(kāi)的摩擦攪拌焊接用工具，可以提高其表面的耐磨性，并且可以延長(zhǎng)工具壽命。然而，金剛石膜的導(dǎo)熱率極高。因此，由摩擦攪拌焊接用工具旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的摩擦熱一部分逸散到摩擦攪拌焊接用工具側(cè)，并且摩擦熱難以充分傳導(dǎo)至被接合材料側(cè)。結(jié)果，從使摩擦攪拌焊接用工具的小直徑突起壓緊被接合材料直到發(fā)生塑性流動(dòng)，需要大量的時(shí)間。
在對(duì)高溫下發(fā)生塑性流動(dòng)的材料進(jìn)行接合的情況中，摩擦攪拌焊接用工具必須高速旋轉(zhuǎn)，從而使被接合材料的溫度上升加快。因此，如果在被接合材料發(fā)生塑性流動(dòng)之前耗費(fèi)時(shí)間，則不能享受摩擦攪拌焊接技術(shù)能夠降低接合所需的成本和時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)。為了嘗試解決上述問(wèn)題，日本國(guó)家專利公開(kāi)No. 2003-532542 (PTL3)公開(kāi)了一種提供熱流屏障從而使熱量不會(huì)傳導(dǎo)至摩擦攪拌焊接用工具的軸部分的技術(shù)。如上文所述的熱流屏障的設(shè)置使得摩擦熱集中在被接合材料上。為了試圖抑制摩擦攪拌焊接用工具的表面的劣化，日本專利特開(kāi)No. 2005-152909(PTL4)公開(kāi)了一種摩擦攪拌焊接用工具，其包括設(shè)置在基材上的底層，以及設(shè)置在該底層上的由TiN、TiAlN等制成的抗粘著覆膜。根據(jù)此摩擦攪拌焊接用工具，即便長(zhǎng)期使用，也可以防止被接合材料中的金屬成分(鋁)的粘著，因此可以持續(xù)進(jìn)行穩(wěn)定的加工。引用列表專利文獻(xiàn)PTLl :日本國(guó)家專利公開(kāi)No. 07-505090PTL2 日本專利特開(kāi) No. 2003-326372PTL3 :日本國(guó)家專利公開(kāi) No. 2003-532542PTL4 日本專利特開(kāi) No. 2005-152909

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題然而，當(dāng)使用PTL4中所描述的具有抗粘著覆膜的摩擦攪拌焊接用工具對(duì)諸如鋼等熔點(diǎn)大于或等于1000°c的難接合材料進(jìn)行加工時(shí)，摩擦攪拌焊接用工具的表面暴露在1000°C或更高的高溫下，所產(chǎn)生的摩擦熱熱傳導(dǎo)至基材，因此基材容易發(fā)生塑性變形。因此，不能夠獲得足夠長(zhǎng)的工具壽命。特別地，PTL4中的抗粘著覆膜具有高的透熱率。因此，由相對(duì)于被接合材料旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的摩擦熱被熱傳導(dǎo)至基材，并且摩擦熱不能夠充分地傳送至被接合材料。因此，在被接合材料的溫度升高和發(fā)生塑性流動(dòng)之前耗費(fèi)了時(shí)間。鑒于上述情況完成了本發(fā)明，本發(fā)明的目的是提供一種摩擦攪拌焊接用工具，該工具能夠加速被接合材料在接合過(guò)程中的溫度升高，并且能夠在短時(shí)間內(nèi)使得被接合材料發(fā)生塑性流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)有效的摩擦攪拌焊接，使得在低旋轉(zhuǎn)速度下進(jìn)行優(yōu)異的接合，并且具有優(yōu)異的耐氧化性和耐磨性。解決問(wèn)題的手段本發(fā)明的摩擦攪拌焊接用工具包括基材和形成于所述基材上的被覆層，其中所述被覆層由一層或多層形成，并且所述被覆層中的至少一層的透熱率小于或等于5000J/S0.5 · m2 · K。優(yōu)選地，所述被覆層中厚度最大的層的透熱率小于或等于5000J/s°_5 · m2 · K。
優(yōu)選地，所述被覆層包括一層或多層第一絕熱層，所述第一絕熱層的透熱率小于或等于5000J/s°_5 ·πι2 ·Κ，并且由以下化合物或該化合物的固溶體形成，所述化合物為Al和選自由Ti、Si、Zr、Hf和Cr組成的組中的至少一種或多種元素的氮化物或氧化物，并且所述Al與包含在所述第一絕熱層中的金屬元素的原子比大于或等于60 %。優(yōu)選地，所述被覆層包括一層或多層第二絕熱層，所述第二絕熱層的透熱率小于或等于5000J/s°_5 -m2 ·Κ，并且由以下化合物或該化合物的固溶體形成，所述化合物為Si和選自由Al、Ti、Zr、Hf和Cr組成的組中的至少一種或多種元素的氮化物或氧化物，并且所述Si與包含在所述第二絕熱層中的金屬元素的原子比大于或等于50%。優(yōu)選地，所述被覆層包含六方晶體結(jié)構(gòu)和/或非晶結(jié)構(gòu)優(yōu)選地，所述摩擦攪拌焊接用工具具有插入支架中的夾柄部分，并且所述被覆層形成于除所述夾柄部分之外的全部或部分所述基材上。優(yōu)選地，所述被覆層至少形成于所述基材中的在接合加工過(guò)程時(shí)與被接合材料接觸的部分上。優(yōu)選地，所述被覆層中不存在從所述被覆層的表面延伸至所述基材的裂紋。優(yōu)選地，所述被覆層中的至少一層是通過(guò)物理氣相沉積法形成的。本發(fā)明涉及一種利用所述的摩擦攪拌焊接用工具對(duì)被接合材料進(jìn)行接合的方法，其中所述接合是對(duì)熔點(diǎn)大于或等于1000°C的被接合材料而進(jìn)行的。本發(fā)明的上述摩擦攪拌焊接用工具可以合適地用于接合由高熔點(diǎn)材料制成的被接合材料。本發(fā)明的有益效果由于本發(fā)明的摩擦攪拌焊接用工具具有上述構(gòu)造，因此本發(fā)明的摩擦攪拌焊接用工具產(chǎn)生這樣的效果促進(jìn)了被接合材料在接合過(guò)程中的溫度的升高，從而實(shí)現(xiàn)了在短時(shí)間內(nèi)的摩擦攪拌焊接；被覆層具有優(yōu)異的絕熱性能；并且獲得了優(yōu)異的耐氧化性和耐磨性。與PTL2中的包括由不同種材料制成的熱流屏障的結(jié)構(gòu)相比，具有上述構(gòu)造的摩擦攪拌焊接用工具簡(jiǎn)單且廉價(jià)。此外，在該摩擦攪拌焊接用工具中，基材的溫度難以升高，因此能夠在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行接合，并且能夠獲得優(yōu)異的耐磨性。


圖I為示出本發(fā)明的摩擦攪拌焊接用工具的一個(gè)實(shí)例的示意性截面圖。圖2為示出本發(fā)明的摩擦攪拌焊接用工具的另一個(gè)實(shí)例的示意性截面圖。
具體實(shí)施例方式下面將更詳細(xì)地描述本發(fā)明。<摩擦攪拌焊接用工具>圖I為本發(fā)明的摩擦攪拌焊接用工具的示意性截面圖。如圖I所示，本發(fā)明的摩擦攪拌焊接用工具I包括基材2和形成在基材2上的被覆層3。具有上述構(gòu)造的本發(fā)明的摩擦攪拌焊接用工具I可以十分有用地用于(例如)摩擦攪拌焊接(FSW)應(yīng)用、摩擦點(diǎn)接合(FSJ)應(yīng)用等。將本發(fā)明的摩擦攪拌焊接用工具I成形為包括小直徑(例如，直徑大于或等于2mm且小于或等于8mm)的探頭部分4和大直徑(例如，直徑大于或等于4mm且小于或等于20mm)的圓柱部分5。當(dāng)該工具用于接合時(shí)，探頭部分4旋轉(zhuǎn)，并且探頭部分4插入或壓緊被接合材料的接合部分，由此使被接合材料接合。在這種情況中，在摩擦攪拌焊接應(yīng)用中，探頭部分4壓緊或插入以線接觸方式堆疊或?qū)拥膬蓧K被接合材料，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)，由此使被接合材料接合。另一方面，在摩擦點(diǎn)接合應(yīng)用中，旋轉(zhuǎn)的探頭部分4壓緊垂直堆疊或?qū)拥膬蓧K被接合材料的所需的接合點(diǎn)，并且探頭部分4在此位置持續(xù)旋轉(zhuǎn)，由此使被接合材料接合。
本發(fā)明還涉及一種利用所述摩擦攪拌焊接用工具接合被接合材料的方法，其中接合可以對(duì)熔點(diǎn)大于或等于1000°c的被接合材料進(jìn)行。利用本發(fā)明的摩擦攪拌焊接用工具，還可以對(duì)熔點(diǎn)大于或等于1000°c的被接合材料進(jìn)行接合，通常這被認(rèn)為是困難的。因此，本發(fā)明的摩擦攪拌焊接用工具具有十分優(yōu)異的工業(yè)應(yīng)用性。如上 文所述，本發(fā)明的摩擦攪拌焊接用工具I可以用于多種應(yīng)用，并且特別地，可適用于接合高強(qiáng)度鋼，通常高強(qiáng)度剛的接合主要利用電阻焊接法進(jìn)行。換言之，在上述高強(qiáng)度鋼的接合中，本發(fā)明的摩擦攪拌焊接用工具I為常規(guī)的電阻焊接法提供了另一種選擇。在摩擦攪拌焊接中，被接合材料以固相狀態(tài)被接合，并且在接頭部分發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，因此組織變得微細(xì)化。結(jié)果，與被接合材料在接合過(guò)程中轉(zhuǎn)變成液相的常規(guī)電阻焊接法相比，接合部分的強(qiáng)度增加。因此，本發(fā)明的摩擦攪拌焊接用工具可以十分有效地用于接合具有高比強(qiáng)度的高強(qiáng)度鋼，并且特別地，可以用于接合比強(qiáng)度大于或等于980MPa的超高強(qiáng)度鋼。圖2為本發(fā)明的摩擦攪拌焊接用工具的優(yōu)選實(shí)施方案的示意性截面圖。如圖2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插入支架中。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。另一方面，在接合加工中與被接合材料接觸的部分還稱為肩部6。本發(fā)明的摩擦攪拌焊接用工具I優(yōu)選包括基材2和位于除夾柄部分7以外的全部或部分基材2上的被覆層3。如上文所述，由于被覆層3不形成在基材2上的夾柄部分7的表面上，因此，已經(jīng)由于摩擦熱的傳導(dǎo)而溫度升高的摩擦攪拌焊接用工具I的熱量可以散逸至與摩擦攪拌焊接用工具I接觸的支架上，因此，基材2的溫度難以升高。如上文所述，由于防止了基材2的溫度上升，因此可以增強(qiáng)摩擦攪拌焊接用工具I的耐塑性變形性和耐磨性。如圖2所示，被覆層3更優(yōu)選至少形成在基材2中的在接合加工過(guò)程時(shí)與被接合材料接觸的部分上。如上文所述，由于被覆層3僅形成在與被接合材料接觸的部分上，因此，由摩擦產(chǎn)生的熱量容易從沒(méi)有被覆層3的部分釋放至支架上。結(jié)果，基材2的溫度難以升高，因此，可以防止基材2發(fā)生塑性變形和工具壽命的縮短?！椿摹悼梢允褂贸Ｒ?guī)已知的被用作上述接合加工的基材2的材料作為本發(fā)明的摩擦攪拌焊接用工具的基材2，而沒(méi)有特別的限定。上述基材2的例子可以包括(例如)硬質(zhì)合金(例如，WC系硬質(zhì)合金、除WC之外還含有Co的材料、或進(jìn)一步添加Ti、Ta、Nb等的碳氮化物等的材料)、金屬陶瓷(主要由TiC、TiN, TiCN等構(gòu)成)、高速鋼、工具鋼、陶瓷(例如，碳化鈦、碳化硅、氮化硅、氮化鋁、氧化鋁、賽隆及其混合物)、燒結(jié)的立方碳化硼、燒結(jié)的金剛石、具有分散于其中的cBN顆粒的硬質(zhì)材料等。當(dāng)使用硬質(zhì)合金作為基材2時(shí)，即便當(dāng)該硬質(zhì)合金的組織中包含游離碳或稱作η相的異常相時(shí)也可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的效果。<被覆層>在本發(fā)明的摩擦攪拌焊接用工具中，形成在基材2上的被覆層3由一層或多層形成，并且被覆層3中的至少一層的透熱率小于或等于5000J/s°_5 · m2 · K。由于至少一層具有上述透熱率的層形成為被覆層3，因此，由摩擦攪拌焊接用工具旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的摩擦熱難以傳導(dǎo)至基材側(cè)，而是容易傳導(dǎo)至被接合材料。結(jié)果，促進(jìn)了被接合材料的溫度的升高，并且可以加快被接合材料的塑性流動(dòng)。更優(yōu)選地，上述被覆層3的至少一層的透熱率小于或等于4700J/s°_5 · m2 · K，更優(yōu)選小于或等于4200J/s°_5 · m2 · K。應(yīng)當(dāng)指出，在本發(fā)明中，采用根據(jù)熱反射法利用熱物性顯微鏡(產(chǎn)品名=Thermal Microscope TM3 (BETHEL株式會(huì)社))計(jì)算的值作為被覆層3的透熱率。形成在本發(fā)明的摩擦攪拌焊接用工具I的基材2上的被覆層3包括一層或多層。換言之，此被覆層3可以由具有單一組成的一層形成，或者可以由具有不同組成的兩層或更多層形成。在本發(fā)明中，由于被覆層3的至少一層具有熱屏蔽性，從而使摩擦熱難以透過(guò)基材，因此實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的效果。優(yōu)選地，被覆層中厚度最大的層的透熱率小于或等于5000J/S0·5 · m2 · K，更優(yōu)選地，整個(gè)被覆層3的透熱率小于或等于5000J/s°_5 · m2 · K。設(shè)置上述被覆層3以提供上述性能。除此性能之外，被覆層3還可以提供增強(qiáng)摩擦攪拌焊接用工具I的多種性能(例如，耐磨性、抗氧化性、韌性和用于識(shí)別使用過(guò)的探頭的著色性能)的效果。為了尤其增強(qiáng)被覆層3的抗氧化性和耐磨性，被覆層3優(yōu)選包括透熱率小于或等于5000J/s°_5 · m2 · K的一層或多層第一絕熱層或第二絕熱層。
本發(fā)明的第一絕熱層由以下化合物或該化合物的固溶體形成，所述化合物為Al和選自由Ti、Si、Zr、Hf和Cr組成的組中的至少一種或多種元素的氮化物或氧化物，并且Al與包含在所述第一絕熱層中的金屬元素的原子比大于或等于60%。另一方面，第二絕熱層由以下化合物或該化合物的固溶體形成，所述化合物為Si和選自由Al、Ti、Zr、Hf和Cr組成的組中的至少一種或多種元素的氮化物或氧化物，并且Si與包含在所述第二絕熱層中的金屬元素的原子比大于或等于50%。在本發(fā)明中，被覆層3優(yōu)選包含六方晶體結(jié)構(gòu)和/或非晶結(jié)構(gòu)。特別地，在被覆層3包含非晶結(jié)構(gòu)的情況中，由旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦熱難以傳導(dǎo)至基材2側(cè)，而是易于傳導(dǎo)至被接合材料。結(jié)果，促進(jìn)了被接合材料的溫度升高，并且可以加快被接合材料的塑性流動(dòng)。優(yōu)選地，上述被覆層不存在從被覆層的表面延伸至基材的裂紋。由于被覆層不存在上述裂紋，因此可以防止氧氣通過(guò)該裂紋流入基材，并且可以防止基材在由工具旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦熱所形成的高溫環(huán)境下發(fā)生氧化。因此，可以解決工具壽命縮短的問(wèn)題。此外，在本發(fā)明中，被覆層3中的至少一層必須形成為具有與基材2的高粘著性，因此，被覆層3的至少一層優(yōu)選通過(guò)使其具有與基材2的高粘著性的成膜法形成?？梢圆捎萌魏纬Ｒ?guī)已知的成膜法作為上述成膜法。例如，可以采用PVD (物理氣相沉積)法、CVD (化學(xué)氣相沉積)等，并且可以組合采用兩種或更多種常規(guī)已知的成膜方法。在這些成膜法中，特別優(yōu)選采用PVD法，這是因?yàn)樵诒桓矊?形成之后，該被覆層不容易產(chǎn)生裂紋，并且可以增強(qiáng)耐氧化性。與CVD法相比，在PVD法中，被覆層3可以在低溫下形成，并且在形成被覆層3的同時(shí)，被覆層3中會(huì)產(chǎn)生畸變。因此，晶粒趨于微細(xì)化，并且可以形成透熱率低的被覆層。可以采用常規(guī)已知的PVD法而沒(méi)有特別的限制，只要該P(yáng)VD法適用于本發(fā)明即可。上述PVD法可以包括(例如)濺射法、電弧離子鍍法、氣相沉積法等。特別地，優(yōu)選采用電弧離子鍍法或磁控濺射法。本發(fā)明的被覆層的厚度優(yōu)選為大于或等于Iym且小于或等于50μπι。如上文所述，由于被覆層的厚度大于或等于I μ m，因此可以增強(qiáng)耐磨性，并且可以顯著延長(zhǎng)工具壽命。更優(yōu)選地，本發(fā)明的被覆層的厚度優(yōu)選為大于或等于I. 5 μ m且小于或等于30 μ m,并且更優(yōu)選大于或等于2 μ m且小于或等于20 μ m。最終，可以進(jìn)一步延長(zhǎng)工具壽命，并且還可以獲得優(yōu)異的耐崩裂性。
在本發(fā)明中，被覆層的厚度是指，位于摩擦攪拌焊接用工具的表面上任何部分處的被覆層的厚度，并且是指，(例如)位于探頭部分的頂部的被覆層的厚度、形成在摩擦攪拌焊接用工具的基材上的被覆層的厚度。雖然本發(fā)明的被覆層優(yōu)選形成為覆蓋基材的整個(gè)表面，但被覆層未覆蓋部分基材，或者被覆層在基材的任意部分處具有不同構(gòu)造均不脫離本發(fā)明的范圍。如上文所述，本發(fā)明的被覆層優(yōu)選至少形成于除夾柄部分之外的全部或部分基材上，并且更優(yōu)選至少形成于在接合加工過(guò)程時(shí)與被接合材料接觸的部分上?！幢桓矊拥男纬煞椒ā等缟衔乃觯景l(fā)明的被覆層中的至少一層優(yōu)選通過(guò)物理氣相沉積(PVD)法形成。本發(fā)明的被覆層中的至少一層也可以通過(guò)任意的PVD法形成，對(duì)形成方法的類型并無(wú)特別的限制，只要采用的是PVD法即可。當(dāng)對(duì)基材2施加小的襯底偏壓時(shí)，以低能量將構(gòu)成被覆層3的元素以離子狀態(tài)提供至基材。因此，元素與基材撞擊時(shí)的沖擊力小，并且所形成的被覆層的結(jié)晶度降低。因此，可以降低所形成的被覆層的透熱率。在形成被覆層3的表面區(qū)域時(shí)，通過(guò)控制襯底偏壓、基材溫度和加熱器的開(kāi)/關(guān)，并且將被覆層3構(gòu)造為使其具有六方晶體結(jié)構(gòu)或非晶結(jié)構(gòu)，可以使被覆層中的至少一層的透熱率小于或等于5000J/s°_5 · m2 · K。形成被覆層3之前的轟擊處理是提高在基材2和被覆層3之間的界面區(qū)域中，包含在被覆層3中的晶粒與包含在基材中的硬質(zhì)相顆粒(例如WC)的晶粒之間的整合性的重要步驟。具體地，在引入氬氣之后，將襯底偏壓保持在-1500V，并且在釋放W絲中的熱電子的同時(shí)，對(duì)硬質(zhì)合金基材的表面進(jìn)行轟擊處理，之后，形成了被覆層3。這樣，在基材2和被覆層3之間的界面區(qū)域中，包含在被覆層3中的晶粒與包含在基材中的硬質(zhì)相顆粒(例如WC)的晶粒可具有整合性。認(rèn)為上述情況的原因如下。轟擊處理可以去除界面區(qū)域中的硬質(zhì)相顆粒(例如WC)的晶粒表面上的污垢和氧化層，并且硬質(zhì)相顆粒(例如WC)的晶粒表面上的活性程度增加。結(jié)果，被覆層中的晶粒以與硬質(zhì)相顆粒(例如WC)的晶粒整合的方式生長(zhǎng)。如上文所述，由于包含在被覆層3中的晶粒與包含在基材中的硬質(zhì)相顆粒(例如WC)的晶粒之間的整合性提高，因此，被覆層與硬質(zhì)相顆粒(例如WC)的晶粒(即基材)之間的結(jié)合力增強(qiáng)，并且可以獲得優(yōu)異的耐剝離性。例子雖然下文將參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述，但本發(fā)明不限于此。應(yīng)當(dāng)指出，通過(guò)利用掃描電子顯微鏡(SEM)直接觀察被覆層的截面，從而測(cè)量了各例子中的被覆層的厚度。雖然在以下描述中，被覆層由陰極電弧離子鍍法形成，但被覆層也可以由(例如)平衡或非平衡濺射法形成。<實(shí)施例1>在本實(shí)施例中，制造了圖I所示的摩擦攪拌焊接用工具。本實(shí)施例中的摩擦攪拌焊接用工具具有圓柱部分5以及探頭部分4，其中圓柱部分5基本上為圓柱狀，且直徑為10mm、高為20mm,探頭部分4與圓柱部分5同軸,且從圓柱部分5頂端的中心部分突出。探頭部分4基本上為圓柱狀，其直徑為4mm且高為2mm。在本實(shí)施例中，形成具有單一組成的層作為被覆層。然而，即使所形成的層具有不同于本實(shí)施例中所使用的組成，或者形成兩層或多層具有不同組成的層，并將其作為被覆層，或者即使被覆層的至少一部分包括超多層結(jié)構(gòu)，也可以獲得相似的效果，只要被覆層的至少一層的透熱率小于或等于5000J/s°_5 ·πι2·Κ即可。<摩擦攪拌焊接用工具的制造>首先，制備具有上述工具形狀、并且由下表I所示的材料制成的基材(基材No. I),以作為摩擦攪拌焊接用工具的基材。該基材由硬質(zhì)合金制成，并且包含WC晶粒，各晶粒(位于基材的表面(與被覆層的界面部分)的晶粒)的平均粒徑在表I中示出。 [表I]
權(quán)利要求
1.一種摩擦攪拌焊接用工具(1)，其包括基材(2)和形成于所述基材(2)上的被覆層(3)，其中 所述被覆層(3)由一層或多層形成，并且所述被覆層(3)中的至少一層的透熱率小于或等于 5000J/S0-5 · m2 · K。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的摩擦攪拌焊接用工具(I)，其中 所述被覆層(3)中厚度最大的層的透熱率小于或等于5000J/s°_5 · m2 · K。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的摩擦攪拌焊接用工具(I)，其中 所述被覆層(3)包括一層或多層第一絕熱層， 所述第一絕熱層的透熱率小于或等于5000J/s°_5 · m2 · K，并且由以下化合物或該化合物的固溶體形成，所述化合物為Al和選自由Ti、Si、Zr、Hf和Cr組成的組中的至少一種或多種元素的氮化物或氧化物，并且 所述Al與包含在所述第一絕熱層中的金屬元素的原子比大于或等于60 %。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的摩擦攪拌焊接用工具(I)，其中 所述被覆層(3)包括一層或多層第二絕熱層， 所述第二絕熱層的透熱率小于或等于5000J/s°_5 · m2 · K，并且由以下化合物或該化合物的固溶體形成，所述化合物為Si和選自由Al、Ti、Zr、Hf和Cr組成的組中的至少一種或多種元素的氮化物或氧化物，并且 所述Si與包含在所述第二絕熱層中的金屬元素的原子比大于或等于50%。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的摩擦攪拌焊接用工具(I)，其中 所述被覆層(3)包含六方晶體結(jié)構(gòu)和/或非晶結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的摩擦攪拌焊接用工具(I)，其中 所述摩擦攪拌焊接用工具(I)具有插入支架中的夾柄部分，并且 所述被覆層(3)形成于除所述夾柄部分(7)之外的全部或部分所述基材(2)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的摩擦攪拌焊接用工具(I)，其中 所述被覆層(3)至少形成于所述基材(2)中的在接合加工過(guò)程時(shí)與被接合材料接觸的部分上。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的摩擦攪拌焊接用工具(I)，其中 所述被覆層(3)中不存在從所述被覆層(3)的表面延伸至所述基材(2)的裂紋。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的摩擦攪拌焊接用工具(I)，其中 所述被覆層(3)中的至少一層是通過(guò)物理氣相沉積法形成的。
10.一種利用權(quán)利要求I中所述的摩擦攪拌焊接用工具(I)對(duì)被接合材料進(jìn)行接合的方法，其中 所述接合是對(duì)熔點(diǎn)大于或等于1000°c的被接合材料而進(jìn)行的。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種摩擦攪拌焊接用工具(1)，其能夠促進(jìn)被接合材料在接合過(guò)程中的溫度的升高，從而實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)的摩擦攪拌焊接，并且其被覆層(3)具有優(yōu)異的絕熱性能、耐氧化性和耐磨性。具體而言，本發(fā)明公開(kāi)了一種摩擦攪拌焊接用工具(1)，其包括基材(2)和形成于所述基材(2)上的被覆層(3)，其中所述被覆層(3)由一層或多層形成，并且所述被覆層(3)中的至少一層的透熱率小于或等于5000J/s0.5·m2·K。
文檔編號(hào)B23K103/04GK102655977SQ20108005756
公開(kāi)日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2010年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月17日
發(fā)明者內(nèi)海慶春, 宮崎博香, 森口秀樹(shù) 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社