高熔点材料搅拌摩擦焊搅拌头的一体化成型方法

摘要

本发明公开了高熔点材料搅拌摩擦焊金属陶瓷搅拌头的一体化成型方法。本发明对原料组成为75~90%TiC、6~15%Mo和4~10%Ni的混合粉，采用球磨混料、模压成型、预烧结、切削加工、真空烧结及后处理的工艺方式，制备一体化成型的搅拌摩擦焊金属陶瓷搅拌头。本发明操作简单，机械化程度高，可以免去传统工艺中的浸蜡增塑步骤，降低生产成本，缩短生产周期。

说明书

技术领域

本发明涉及金属陶瓷成型技术领域，更具体的，涉及高熔点材料搅拌摩擦焊用的搅拌头材料及一体化成型方法。

背景技术

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，以下简称FSW)是一种新兴的固相连接技术，主要通过搅拌头与被焊工件之间的搅拌摩擦热使该部位金属处于热塑性状态并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动，从而使待焊件压焊为一个整体。由于搅拌摩擦焊的特殊连接机理，使得搅拌头成为搅拌摩擦焊的关键部件，在工作过程中搅拌头会受到巨大的机械力以及高温的作用，因此对于搅拌头的高温稳定性及热强性有着特殊要求。

搅拌头作为FSW的“心脏”，其材料和结构是搅拌摩擦焊技术的核心。搅拌头直接承受焊接过程的热载、力载及摩擦磨损，因此要求用来制造搅拌头的材料需具有高于被焊材料的熔点、强度、硬度和韧性、良好的抗磨损能力和耐高温性等。对于高熔点材料，在焊接时最高温度可达1000℃以上。当前常用的搅拌头材料主要为钨基材料和立方氮化硼，但钨价格昂贵，且钨难以进行机械加工，难成型异形尺寸件，而搅拌头均为异形结构，因此钨基合金搅拌头制造成本很高。立方氮化硼PCBN搅拌头高温稳定性和耐磨性好，高温强度和硬度高，但制造 PCBN需要高温高压，且成型异形尺寸件也较困难。因而PCBN搅拌头制造成本也很高，价格昂贵。因此，迫切需求发展新型高性能耐高温搅拌摩擦焊搅拌头材料及其低成本、可控制备技术。

采用模压成型—预烧结—机械加工—再烧结的方法制备金属陶瓷一体成型搅拌头，利用了金属陶瓷在不完全烧结状态下致密化程度较差，气孔较多，晶粒较小，没有完全硬化，又因部分烧结而具有适当的强度以保证加工时不碎裂和满足加工精度要求，在此基础上进行搅拌头的加工，可以大大提高搅拌头制造效率，同时降低制造成本。加工后的试样再经高温完全烧结后组织致密、晶粒整齐，保证了良好的机械性能。

发明内容

本发明提供一种高熔点材料搅拌摩擦焊搅拌头，同时提供其搅拌头即搅拌针和轴肩体一体化成型方法，解决高熔点材料搅拌摩擦焊过程中搅拌头磨损严重的问题，以及金属陶瓷搅拌头脆硬等难加工性的缺点。

本发明所提供一种高熔点材料搅拌摩擦焊搅拌头一体化成型方法，由其组成原料经原料配制、球磨混料、模压成型、预烧结、切削加工、真空烧结和后处理制备而成，其特征在于：

S1.原料配制：按照质量分数为75～90％TiC、6～15％Mo和4～10％Ni的配比称量粉末，并添加质量分数为1～2％的成形剂聚乙二醇(PEG)，得到混合原料；

S2.球磨混料：将S1配制的混合料放入不锈钢球磨罐，加入适量无水乙醇、 ZrO₂磨球为介质，球料比10:1，密封放入行星式球磨机中球磨24h～36h，球磨机转速200r/min～250r/min；

S3.模压成型：将混合料料浆干燥、过筛后，利用模压成型方法将金属陶瓷颗粒填装到圆柱体模具，加压150MPa～250MPa，获得压坯；

S4.预烧结：将压坯在250℃～400℃温度下进行真空脱脂，保温时间为 6h～10h；继续升温在810℃～880℃保温1h～2h，预烧结完成后冷却至室温，得到预烧结搅拌头；

S5.切削加工：按照所需结构形状和大小对预烧结搅拌头进行机械加工；

S6.真空烧结：采用真空烧结成型，将S5所得坏料再次烧结，烧结温度为 1300℃～1500℃，保温时间为1h～1.5h，得到烧结体；

S7.后处理：将烧结体放在热等静压炉中，用氩气为流体介质，逐步加压到 60MPa～180MPa，逐步升温到1250℃～1400℃，保持1h～2h，再逐步减压并随炉冷却。

所述模压成型步骤中，所述干燥过筛处理是在电热干燥箱中以70℃～80℃烘干，时间8h～10h，然后将烘干后的粉末过80目～100目筛。

所述切削加工步骤中，采用低钴细颗粒合金刀具。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过合理的原料选配，选择金属陶瓷作为搅拌头材料，具有足够的强硬度和韧性，良好的耐磨性，以承受焊接过程中的物理和化学磨损；由于完全烧结陶瓷易造成刀具磨损，加工质量差，本发明采用预烧结—机械加工—完全烧结的成型方法，既克服了完全烧结陶瓷材料脆硬等难加工性的缺点，又提高了加工效率，降低加工成本，加工方法实用性强，应用前景广泛；而烧结后的高温等静压处理，显著降低了界面内应力，提高了材料硬度，使该搅拌头具有更优异的耐磨性和抗冲击性，由此改善高熔点材料搅拌摩擦焊搅拌头的严重磨损情况。

附图说明

图1是本发明高熔点材料搅拌摩擦焊搅拌头的一种结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

实施例1

本发明提供了一种高熔点材料搅拌摩擦焊搅拌头，由轴肩和搅拌针组成，其一体化成型方法，包括以下步骤：

S1.原料配制：按照质量分数为75％的TiC、15％的Mo和10％的Ni的配比称量粉末，并添加质量分数为1％的成形剂聚乙二醇(PEG)，得到混合原料；

S2.球磨混料：将S1配制的混合料放入不锈钢球磨罐，加入适量无水乙醇、 ZrO₂磨球为介质，球料比10:1，密封放入行星式球磨机中球磨24h，球磨机转速>

S3.模压成型：将混合料料浆在电热干燥箱中以70℃干燥10h，再将烘干后的粉末过80目筛，利用模压成型方法将金属陶瓷颗粒填装到圆柱体模具，加压 150MPa，获得压坯；

S4.预烧结：将压坯在250℃温度下进行真空脱脂，保温时间为10h；继续升温在810℃保温2h，预烧结完成后冷却至室温，得到预烧结搅拌头；

S5.切削加工：按照所需搅拌头结构形状和大小采用低钴细颗粒合金刀具对预烧结搅拌头进行机械加工；

S6.真空烧结：采用真空烧结成型，将S5所得坏料再次烧结，烧结温度为 1300℃，保温时间为1.5h，得到烧结体；

S7.后处理：将烧结体放在热等静压炉中，用氩气为流体介质，逐步加压到 60MPa，逐步升温到1250℃，保持2h，再逐步减压并随炉冷却。

对本实例制得的金属陶瓷搅拌头进行性能检测，其硬度平均为91.5HRA，抗弯强度平均为1320MPa。

实施例2

本发明提供了一种高熔点搅拌摩擦焊金属陶瓷搅拌头，由轴肩和搅拌针组成，其一体化成型方法，包括以下步骤：

S1.原料配制：按照质量分数为80％的TiC、10％的Mo和10％的Ni的配比称量粉末，并添加质量分数为2％的成形剂聚乙二醇(PEG)，得到混合原料；

S2.球磨混料：将S1配制的混合料放入不锈钢球磨罐，加入适量无水乙醇、 ZrO₂磨球为介质，球料比10:1，密封放入行星式球磨机中球磨36h，球磨机转速>

S3.模压成型：将混合料料浆在电热干燥箱中以80℃干燥8h，再将烘干后的粉末过100目筛，利用模压成型方法将金属陶瓷颗粒填装到圆柱体模具，加压 200MPa，获得压坯；

S4.预烧结：将压坯在400℃温度下进行真空脱脂，保温时间为6h；继续升温在880℃保温1h，预烧结完成后冷却至室温，得到预烧结搅拌头；

S5.切削加工：按照所需搅拌头结构形状和大小采用低钴细颗粒合金刀具对预烧结搅拌头进行机械加工；

S6.真空烧结：采用真空烧结成型，将S5所得坏料再次烧结，烧结温度为 1500℃，保温时间为1h，得到烧结体；

S7.后处理：将烧结体放在热等静压炉中，用氩气为流体介质，逐步加压到180MPa，逐步升温到1400℃，保持1h，再逐步减压并随炉冷却。

对本实例制得的金属陶瓷搅拌头进行性能检测，其硬度平均为92HRA，抗弯强度平均为1300MPa。

实施例3

本发明提供了一种高熔点搅拌摩擦焊金属陶瓷搅拌头，由轴肩和搅拌针组成，其一体化成型方法，包括以下步骤：

S1.原料配制：按照质量分数为90％的TiC、6％的Mo和4％的Ni的配比称量粉末，并添加质量分数为2％的成形剂聚乙二醇(PEG)，得到混合原料；

S2.球磨混料：将S1配制的混合料放入不锈钢球磨罐，加入适量无水乙醇、 ZrO₂磨球为介质，球料比10:1，密封放入行星式球磨机中球磨36h，球磨机转速>

S3.模压成型：将混合料料浆在电热干燥箱中以80℃干燥8h，再将烘干后的粉末过100目筛，利用模压成型方法将金属陶瓷颗粒填装到圆柱体模具，加压 200MPa，获得压坯；

S4.预烧结：将压坯在400℃温度下进行真空脱脂，保温时间为6h；继续升温在880℃保温1h，预烧结完成后冷却至室温，得到预烧结搅拌头；

S5.切削加工：按照所需搅拌头结构形状和大小采用低钴细颗粒合金刀具对预烧结搅拌头进行机械加工；

S6.真空烧结：采用真空烧结成型，将S5所得坏料再次烧结，烧结温度为 1450℃，保温时间为1.5h，得到烧结体；

S7.后处理：将烧结体放在热等静压炉中，用氩气为流体介质，逐步加压到180MPa，逐步升温到1400℃，保持1h，再逐步减压并随炉冷却。

对本实例制得的金属陶瓷搅拌头进行性能检测，其硬度平均为93HRA，抗弯强度平均为1200MPa。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。