由含镍的钨硬质合金制成且具有Al2O3表面涂层的摩擦搅拌焊接工具制造技术

本发明专利技术涉及用于焊接金属板并特别地用于焊接钢板的摩擦搅拌焊接工具(1)。所述摩擦搅拌焊接工具(1)由在粘结相中包含WC颗粒的硬质合金制成，并且其中所述焊接工具至少部分地涂布有包含Al2O3的表面涂层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】由含镍的钨硬质合金制成且具有Al2O3表面涂层的摩擦搅拌焊接工具
本专利技术涉及用于焊接金属板并特别地用于焊接钢板的摩擦搅拌焊接工具。
技术介绍
摩擦搅拌焊接已工业使用多年，并且尤其是在金属材料例如铝、黄铜和青铜的焊接中已经使用多年。摩擦搅拌焊接为如下的固态工艺，其涉及通过由旋转和移动摩擦搅拌焊接探头被推动沿着待焊接接缝(joint)移动而提供的摩擦热发生局部塑性变形。由探头和接缝中金属材料之间的接触所产生的摩擦热使得金属材料可搅拌，并且沿着接缝旋转和移动所述探头实现搅拌材料的焊接。与涉及熔料快速固化的传统激光焊接或熔焊相比，摩擦搅拌焊接为具有获得巨大经济效益的潜能的技术。摩擦搅拌焊接的优势在于加热区域有限，而且所得焊接点通常足够光滑，从而省去了后续的抛光步骤。与传统的电弧焊接或激光束焊接相比，对钢进行摩擦搅拌焊接可使焊接点具有较少的孔、较少的碳扩散和更高的强度。在钢的焊接工艺期间，用于摩擦搅拌焊接探头的条件是很苛刻的。摩擦搅拌焊接涉及高温热循环。焊接点内的温度可能为约800-1000℃，并且在这个高温下，探头必须具有高的机械强度。如果该高温机械强度不足，那么探头将会氧化、磨损和崩落(collapse)或破裂。US2010/0258612A1公开了由硬质金属制成的部分地涂布有一层或多层的用于焊接钢的摩擦搅拌焊接工具。在摩擦搅拌焊接工具领域需要进一步的完善。摩擦搅拌焊接工具不应太昂贵，寿命长并可预测，并且在高温下有高的强度和耐磨性。
技术实现思路
本专利技术的一个目的在于提供如下的摩擦搅拌焊接工具，其与已知的摩擦搅拌焊接工具相比具有改善的特性。本专利技术的另一目的在于提供具有高耐磨性和高抗氧化性的摩擦搅拌焊接工具。根据所附的独立权利要求，本专利技术公开了摩擦搅拌焊接工具、制造这种工具的方法以及这种工具的用途。从属权利要求中公开了进一步的实施方式。根据本专利技术的摩擦搅拌焊接工具由在粘结相中具有WC颗粒的硬质合金制成，其中所述硬质合金包含3重量％至10重量％的Ni，并且其中所述焊接工具至少部分地涂布有包含Al2O3的表面涂层。在一个实施方式中，所述摩擦搅拌焊接工具由在粘结相中具有WC颗粒的硬质合金制成，其中所述硬质合金包含3至10重量％的Ni，并且其中所述焊接工具至少部分地涂布有如下的表面涂层，所述表面涂层包括至少一个由Ti化合物和Zr化合物中的至少一者制成的第一表面涂层，其为内层，包括Ti碳化物层、Ti氮化物层、Ti碳氮化物层、Ti碳氧化物层、Ti碳氮氧化物层、Zr碳化物层、Zr氮化物层、Zr碳氮化物层、Zr碳氧化物层和Zr碳氮氧化物层中的至少一层，和第二表面涂层，其为包含Al2O3的外层。根据本专利技术的摩擦搅拌焊接工具具有高的热硬度、高的机械强度并且耐热机械疲劳。可在如下材料中实施所述焊接，其为可塑性变形的材料，例如铝、铜、黃铜、青铜、钢，和其它金属材料以及合金。特别地，本专利技术的摩擦搅拌焊接工具能够将钢焊接到钢和将钢焊接到铝，因此所述工具经受非常高的温度。根据本专利技术的摩擦搅拌焊接工具可具有任何期望的形状。所述探头可例如为截断形(truncated)、具有凹槽的螺旋形或针对应用包含任何其它合适的设计。硬质合金是如下的材料，其通常在粘结相中包含WC颗粒。可在包括研磨、喷雾干燥、压制和烧结的工艺中制造硬质合金。有时将硬质合金中的WC颗粒称为α相。WC颗粒的粒度通常会在烧结工艺期间变化。本文件中提及的粒度是烧结后WC颗粒的粒度。用杰弗里斯平面测量法(Jeffries'planimetricmethod)(ASTME112)测量WC粒度，所述杰弗里斯平面测量法是一种基于对已知区域内的颗粒数目进行计数的方法。典型硬质合金中的粘结相是如下的金属相，其围绕WC颗粒和可能存在的其它硬质相，例如，如TiN、TiC或TiCN的硬质相。粘结相中含有Ni是有利的，因为其有助于硬质合金对热机械疲劳的高抗性。含有Ni还使硬质合金的抗氧化性增强。本专利技术的摩擦搅拌焊接工具中的硬质合金包含3至10重量％的Ni，优选4至5重量％的Ni。表面涂层可有助于硬质合金的抗氧化性的增强。本专利技术的第二表面涂层优选包含Al2O3、更优选α-Al2O3、最优选细粒的α-Al2O3。可施加本专利技术的表面涂层以覆盖所述工具的整个外表面或仅所述工具外表面的一部分，优选在焊接工艺期间暴露于磨损的部分。可例如用化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)技术施加所述表面涂层。在本专利技术的一个实施方式中，用所述表面涂层完全涂布所述焊接工具的外表面。完全涂布的工具是有利的，因为全部涂布的摩擦搅拌焊接工具显示出高的抗氧化性。在本专利技术的一个实施方式中，用CVD技术施加所述表面涂层。这是有利的，因为可同时涂布所述工具的整个外表面，并且可施加相对较厚的涂层而没有与高的压应力相关的任何问题。在本专利技术的一个实施方式中，所述表面涂层包含最外的Al2O3第二表面涂层，和如下的第一表面涂层，该第一表面涂层为中间表面涂层，即内层，施加该第一表面涂层从而使硬质合金不与所述Al2O3第二表面涂层直接接触。该中间表面涂层的厚度优选超过0.3μm且小于6μm。在一个实施方式中，所述中间涂层的目的在于促进在Al2O3的CVD工艺期间的α-Al2O3生长，并且防止在所述CVD工艺期间的κ-Al2O3生长。该中间涂层可例如为TiN、TiCN、ZrC、TiC或其混合物。在本专利技术的一个实施方式中，包含Al2O3的所述第二表面涂层的平均厚度大于5μm，优选为至少6μm。该平均厚度优选小于30μm，更优选小于20μm。这个厚度是有利的，因为其增加了耐磨性并且提供足够的隔热。在本专利技术的一个实施方式中，所述硬质合金包含3至10重量％的Co、优选4至5重量％的Co。这种Co含量会增大硬质合金的韧性和机械强度。这是有利的，因为其会改善抗热机械疲劳性和导热率。在本专利技术的一个实施方式中，在所述硬质合金中，所述粘结相包含Co和Ni，Co/Ni比为0.3-3、优选0.75-1.25、最优选约1，并且Co和Ni的优选的总含量为约10重量％、更优选8至10重量％、最优选9至10重量％。在本专利技术的一个实施方式中，所述粘结相包含0.8-1.2重量％的Cr和/或Mo。Cr和/或Mo含量会增强粘结相的抗氧化性。在更低Cr含量下，抗氧化性降低，而在更高Cr含量下，形成Cr碳化物，其可导致脆化。此外，含Cr的硬质合金材料的居里点(Curiepoint)低于纯WC-Co硬质合金的居里点。添加Cr也是有益的，因为粘结相的相变和体积变化的风险降低。在本专利技术的一个实施方式中，所述粘结相包含0.01-0.4重量％的Fe。所述Fe含量会增强粘结相的抗氧化性。在本专利技术的一个实施方式中，所述摩擦搅拌焊接工具包含85-95重量％的WC颗粒。这种增加的WC含量是有利的，因为材料的导热率会增大并且形成热裂缝(thermalcrack)的倾向会减小。此外，所述硬质合金的抗热震性以及机械强度会增大。在较低粘结相含量的情况下，导热率增大。在本专利技术的一个实施方式中，所述硬质合金中的平均WC粒度是2-25μm、优选大于3μm、更优选5至8.5μm。导热率随着粒度增大而增大。用杰弗里斯平面测量法(ASTME112)测量微观结构(α相)中WC颗粒的粒度。这种粗WC颗粒的优势在于，这种硬质合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种摩擦搅拌焊接工具(1)，其由在粘结相中包含WC颗粒的硬质合金制成，并且特征在于所述焊接工具至少部分地涂布有如下的表面涂层，所述表面涂层包括至少一个由Ti化合物和Zr化合物中的至少一者制成的第一表面涂层，其为内层，包括Ti碳化物层、Ti氮化物层、Ti碳氮化物层、Ti碳氧化物层、Ti碳氮氧化物层、Zr碳化物层、Zr氮化物层、Zr碳氮化物层、Zr碳氧化物层和Zr碳氮氧化物层中的至少一层，和第二涂层，其为包含Al2O3的外层，并且所述硬质合金包含3重量％至10重量％的Ni。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.11.11 EP 11188809.51.一种摩擦搅拌焊接工具(1)，其由在粘结相中包含WC颗粒的硬质合金制成，并且特征在于所述焊接工具完全涂布有如下的表面涂层，所述表面涂层由如下的两个层组成：由Ti化合物和Zr化合物中的至少一者制成的第一表面涂层，其为内层，包括Ti碳化物层、Ti氮化物层、Ti碳氮化物层、Ti碳氧化物层、Ti碳氮氧化物层、Zr碳化物层、Zr氮化物层、Zr碳氮化物层、Zr碳氧化物层和Zr碳氮氧化物层中的至少一层，和第二涂层，其为包含Al2O3的外层，并且所述硬质合金包含3重量％至10重量％的Ni，其中所述表面涂层为CVD涂层。2.根据权利要求1所述的摩擦搅拌焊接工具(1)，其中所述第二表面涂层为最外的Al2O3表面涂层并且所述第一表面涂层为TiN表面涂层。3.根据权利要求1或2所述的摩擦搅拌焊接工具(1)，其中所述第二表面涂层为平均厚度大于5μm的Al2O3表面涂层。4.根据权利要求1或2所述的摩擦搅拌焊接工具(1)，其中所述第一表面涂层的厚度大于0.3μm且小于6μm。5.根据权利要求1或2所述的摩擦搅拌焊接工具...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯特凡·埃德吕德，亨里克·努登斯特伦，
申请(专利权)人：山特维克知识产权股份有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞典;SE