[发明专利]被覆旋转工具及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及摩擦搅拌焊接工具及其制造方法。

背景技术

1991年，在英国建立了将诸如铝合金等金属材料接合在一起的摩擦搅拌焊接技术。该项技术通过以下方式将金属材料彼此接合。使在顶端形成有小直径突起的圆柱状摩擦搅拌焊接工具压紧待接合的金属材料的接合面。同时，使该摩擦搅拌焊接工具旋转，从而产生摩擦热。该摩擦热使金属材料的接合部分软化并且发生塑性流动，由此将金属材料接合在一起。

在本文中，“接合部分”是指，需要通过将金属材料对接或将一块金属材料置于另一块金属材料之上来接合金属材料的接合界面部分。在该接合界面附近，金属材料被软化并发生塑性流动，并且该金属材料得到搅拌。结果，接合界面消失并且金属材料进行接合。与接合同时进行的是，金属材料发生动态再结晶。由于此动态再结晶，接合界面附近的金属材料变为细颗粒，由此该金属材料能够以高强度进行接合（日本专利特开No.2003-326372(PTD1)）。

当使用铝合金作为上述金属材料时，塑性流动在大约500℃的相对低温下发生。因此，即使在使用由廉价工具钢制成的摩擦搅拌焊接工具时，也很少发生磨损，并且不需要频繁更换摩擦搅拌焊接工具。因此，对于摩擦搅拌焊接技术，接合铝合金所需的成本低。因此，摩擦搅拌焊接技术已经替代熔融并接合铝合金的电阻焊接法，在多种实际应用中被用作接合铁路车辆、机动车辆或飞机部件的技术。

为了延长摩擦搅拌焊接工具的寿命，需要提高摩擦搅拌焊接工具的耐磨性和抗粘着性。摩擦搅拌焊接利用在摩擦搅拌焊接工具和待接合工件之间的摩擦产生的摩擦热，使所述工件软化并发生塑性流动，由此将工件接合在一起。因此，为了提高接合强度以将工件接合在一起，需要有效地产生摩擦热。

PTD1、日本专利特开No.2005-199281(PTD2)和日本专利特开No.2005-152909(PTD3)都公开了试图通过提高摩擦搅拌焊接工具的耐磨性和抗粘着性来延长工具寿命。

例如，PTD1的摩擦搅拌焊接工具在由硬质合金或氮化硅形成的基材表面上具有金刚石覆膜。由于金刚石膜的硬度和耐磨性优异，并且摩擦系数低，因此工件不容易粘着到摩擦搅拌焊接工具上。因此，能够成功地将工件接合在一起。

相比之下，根据PTD2，构成摩擦搅拌焊接工具的部分表面并与工件接触的探针和转子由含有5质量%至18质量%的Co的硬质合金形成。由于具有这种含量的Co，因此摩擦搅拌焊接工具对工件的亲和力低，并且工件不容易粘着到工具上。此外，由于将热导率为60W/m·K以上的硬质合金用作基材，因此热量容易释放并扩散到外部，而且转子和探头的弯曲以及工件接合部分的热变形几乎不会发生。

根据PTD3，摩擦搅拌焊接工具具有由类金刚石碳、TiN、CrN、TiC、SiC、TiAlN和AlCrSiN中任一种制成的抗粘着层，并且该抗粘着层覆盖在工具中将与工件接触的部分表面上。根据PTD3，所述工具还具有由TiN、CrN、TiC、SiC、TiAlN和AlCrSiN中任一种制成的底层，并且该底层设置在基材和抗粘着层之间以覆盖所述基材。由此，底层的设置可提高基材和抗粘着层之间的粘着力，使得抗粘着层不容易断裂，并提高耐磨性。此外，用作抗粘着层的类金刚石碳对诸如铝等软金属的亲和力低，因此具有优异的抗粘着性。

参考列表

专利文献

PTD1:日本专利特开No.2003-326372

PTD2:日本专利特开No.2005-199281

PTD3:日本专利特开No.2005-152909

发明内容

技术问题

PTD1的金刚石膜本身具有较大的表面粗糙度。如果增加金刚石膜的厚度以提高耐磨性，则会使得表面粗糙度随着金刚石膜厚度的增加而升高。由此带来的缺点是，除非在覆盖金刚石膜后对金刚石膜的表面进行抛光，否则其耐磨性相当低。

另外，由于金刚石膜的热导率非常高，因此由工具和工件之间的摩擦产生的摩擦热容易扩散到外部，这就使得在接合开始后的初始阶段难以提高工具的温度。因此，在接合的初始阶段，工件的塑性流动受到阻碍，并且不能达到稳定的接合强度。此外，金刚石膜还存在这样的问题，由于金刚石膜的生长速率慢，因此制造成本高。

尽管PTD2的摩擦搅拌焊接工具具有如下优点，即，高含量的Co使得工具不容易断裂，但是当将该工具用于接合诸如铝等软金属时，其在抗粘着性方面不足。此外，由于PTD2使用了高热导率的硬质合金，因此在接合开始后的初始阶段，摩擦热会扩散，因此不能达到稳定的接合强度。