[发明专利]用于摩擦搅动的热增强工具

说明书

发明背景

相关申请的相互参照

本文件要求2006年1月31日提交的临时专利申请档案号码 2293.SMII.PR2(序列号60/763950)的优先权，并将该临时申请包含 的全部主题以引用的方式并入本文。

本发明的技术领域

本发明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，本发明涉及从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。该发明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III A、IV A、V A、VI A、III B、IV B和V B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纹扩展的能力。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通常与碳化钨基材 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。