用于摩擦搅动的热增强工具制造技术

摩擦搅动工具和用于从具有超级磨料涂层的摩擦搅动工具通过化学刻蚀、电解浸蚀或相似手段（由此至少部分从超级磨料涂层除去次生相材料）除去次生相材料的方法，以由此增强工具的热稳定性并允许较长的寿命，以及减少或消除工具次生相材料和工件之间的化学反应。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及摩擦搅动焊接和摩擦搅动处理，其中，通过压向 或至少部分插入工件的工具的旋转搅拌针(pin )产生用于焊接或处理 的热。更具体地，本专利技术涉及从PCBN和PCD摩擦搅动工具上除去次生 相材料，以由此增强热性能。相关技术的说明在美国专利NO. 6648246和NO. 6779704中教导了一种新型工具， 该工具能够实行金属基体复合物、铁基合金、有色金属合金和超级合 金的摩擦搅动焊接。该专利技术一般涉及通过摩擦搅动(FS)对高软化温 度材料(HSTM)固态处理的改进工具，其中摩擦搅动(FS)包括摩 擦搅动处理(FSP)、摩擦搅动混合(FSM)、摩擦搅动焊接(FSW)、 及摩擦搅动点焊接(FSSW)。对于该文献，HSTM应被认为是包括如金属基体复合物、铁基合金 如钢和不锈钢、及有色金属材料和超级合金的材料。超级合金可以是熔化温度比青铜或铝高的材料，还可以含有其它 混入的元素。 一些超级合金的实例是镍、铁镍合金，及通常在高于1000 华氏度的温度下使用的钴基合金。通常在超级合金中发现的另外元素 包括但不限于铬、钼、钨、铝、钛、铌、钽和铼。钛也应被认为是在 考虑的材料种类内。钛是有色金属材料，但具有比其它有色金属材料 更高的熔点。典型地，将超级磨料材料布置在摩擦搅动工具表面，使得先前采 用现有技术的工具不能进行摩擦搅动的材料能够进行摩擦搅动。典型地布置在工具上的超级磨料材料包括多晶立方氮化硼(PCBN)和多晶 金刚石(PCD)。这些超级磨料材料会在元素周期表中发现，并被标识 为包括IIIA、 IVA、 VA、 VIA、 IIIB、 IVB和VB族元素的化合物。超级磨料具有硬的初生或一次相和次生催化或金属相，该次生催 化或金属相促进初生相晶体结构烧结和转变。采用高温和高压处理(HTHP)将超级磨料材料布置在工具上，正 如本领域技术人员现在所了解的。例如，立方氮化硼(CBN)晶体可与 不同或次生相材料的粉末混合。次生相材料或是陶瓷基或是金属基的， 并且可以在高温高压处理期间部分地作为催化材料发挥作用。CBN赋 予了机械强度，而陶瓷会赋予对机械磨损的抵抗性。目前已知次生相材料通常增加了 PCBN的韧性和化学稳定性。韧性 部分地归因于次生相材料抑制裂紋扩展的能力。CBN也在此起帮助作 用，因为它具有天然地抵抗剥落的随机取向断面。较低的CBN含量通 常用在需要更高化学耐磨性和更低机械耐磨性的硬化高温超级合金的 机械加工操作中，其中次生相材料通常是金属性的以便获得增加的韧 性。CBN粉末在耐火金属容器中被布置在基材如烧结碳化钨、或甚至 自立的PCBN坯体上。容器被密封并被返回到HTHP压机中，在这里粉 末被烧结在一起，并与基材烧结在一起形成PCBN摩擦搅动工具坯体。 然后，将PCBN摩擦搅动工具坯体研磨、精研、线EDM切割或激光切割 以根据应用形成形状和尺寸。烧结后在HTHP压机中，次生催化相材料 现在是次生相金属或次生相陶瓷。摩擦搅动处理(包括FSW、 FSP和FSSP)现在受限于可被加工的 材料。例如，采用PCBN的摩擦搅动焊接工具难以加工钛基材料。由于 PCBN材料中的铝，与钛基材料的化学发应是重要的限制。PCBN材料中 的铝会与工件中的钛反应，通过工具中金属相的膨胀导致热损坏。摩 擦搅动焊接工具中的一些次生相金属将因而降低工具的热稳定性，并 减短工具的寿命。同样，采用PCD和类PCD材料的摩擦搅动工具也因金属相而存在 问题。PCD摩擦搅动焊接工具最通常是通过在HTHP压机中将金刚石粉 末与合适的粘结剂-催化材料一起烧结形成。PCD通常与碳化鴒基材 配合。这样的基材通常包括钴。当在HTHP压机中经受高温时，钴从工 具基材迁移进入金刚石层并充当粘结剂-催化材料。金刚石颗粒通过 金刚石-金刚石结合而彼此结合，还使得金刚石层与工具基材结合在 一起。应注意，虽然钴最通常用作粘结剂-催化材料，然而任何VIII 族元素，包括钴、镍、铁、及其合金可以作为金属相材料。能够提供具有包括次生金属或陶瓷相材料的超级磨料涂层的摩擦 搅动工具是优于现有技术的一个优势，其中次生相的至少一部分被除 去或反应，使得超级磨料涂层不会与工件反应。作为摩擦搅动工具应用的例子，使用附图说明图1以透视图来说明正用于 摩擦搅动焊接的工具，其特征在于通常为圆柱形的工具10具有肩部 12和伸出肩部的搅拌针14。搅拌针14和肩部(shoulder) U其上布置有超级磨料涂层。搅拌针14相对工件16旋转，直到产生足够的热，在该点处工具 的搅拌针插入到塑化的工件材料中。工件16通常是在接头线18处相 互邻接的两个片材或两个板材。搅拌针14在接头线18处被插入到工 件16中。尽管该工具在现有技术中已经公开，但要说明的是该工具通过本专利技术得到改进。由搅拌针14相对工件材料16的旋转运动产生的摩擦热引起工件 材料软化但不达到熔点。工具10沿接头线18横向移动，从而随着塑 化材料沿搅拌针周围从前缘流到后缘而产生焊接。其结果是在接头线 18处的固相结合20,与其它焊接相比，通常难以区分固相结合20与 工件材料16本身。据观察，当肩部12与工件的表面接触时，它的旋转产生另外的摩 擦热，该摩擦热会使插入的搅拌针14附近的较大圆柱状材料塑化。肩 部12提供了含有由工具搅拌针14引起的向上金属流的锻造力。在FSW中，待焊接区和工具彼此相对移动，使得工具穿过所需的 焊接接头长度。旋转的FSW工具提供了连续热加工作用，当其沿基体 金属横向移动时在窄区内塑化金属，同时将金属由搅拌针的前面传输 到搅拌针的后缘。随焊接区变冷，由于当工具经过时无液体产生，因 此典型地不存在凝固。通常(而并非总是)，在焊接区形成的最终焊 缝是无缺陷、再结晶、细晶粒的显微组织。专利技术概述在一个优选实施方案中，本专利技术是一种摩擦搅动工具和用于从具 有超级磨料涂层的摩擦搅动工具通过化学刻蚀、电解浸蚀或相似手段 (以由此至少局部地从超级磨料涂层除去一部分次生相材料)除去次 生相材料的方法，以由此增强工具的热稳定性并允许较长的寿命，以 及减少或消除工具次生相材料和工件之间的化学反应。结合附图考虑下面的详细描述，本领域技术人员将更清楚本专利技术 的这些和其它目的、特性、优势和替代方面。附图简要说明图1是摩擦搅动焊接的现有技术教导的工具的透视图，其中工具 得到本专利技术改进。图2是摩擦搅动工具的搅拌针的剖面图，显示了超级磨料层和其 中次生相材料被除去的区域。专利技术详述现在将参考附图，其中将给予本专利技术的不同部件数字标记，并讨 论本专利技术使得本领域技术人员能够理解和使用本专利技术。应理解下面的 说明仅是本专利技术原理的范例，而不应视为窄化后面的权利要求。已知在PCD切割工具中次生相金属材料的去除在降低岩石(rock) 切割工具中的热磨损中高度有效。摩擦搅动处理具有相似的稳定性问 题。因此，本专利技术一个方面是通过从超级磨料涂层除去材料来改良摩 擦搅动工具，该涂层限制了工具的总寿命和功能。已知，由于PCBN中的铝金属相与工件反应并引起将劣化工具并缩 短工具寿命的不希望的化学反应，因此异种材料尤其是包含钛的那些 材料难以用于采用PCBN的摩擦搅动焊接。虽然PCD化学惰性更好，然而具有PCD涂层的摩擦搅动焊接工具 在一些应用中也可能具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
制造能够功能地摩擦搅动高软化温度材料（ＨＳＴＭ）的摩擦搅动工具的方法，所述方法包含以下步骤：　ａ）采用高温和高压（ＨＴＨＰ）处理在摩擦搅动工具上提供超级磨料涂层，其中超级磨料涂层包括工作表面，且其中超级磨料包括硬的初生相和次生金属或陶瓷相；及　ｂ）处理超级磨料涂层，使得超级磨料涂层从工作表面到期望的深度基本没有含次生相金属或陶瓷材料的材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：RJ斯蒂尔，RK艾尔，
申请(专利权)人：SII米加钻石公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]