攪拌摩擦加工用工具及使用該工具的攪拌摩擦加工方法
【專利摘要】提供了一種攪拌摩擦加工用工具及使用該工具的攪拌摩擦加工方法。該工具即使在高溫下也表現(xiàn)出更加優(yōu)異的硬度，由此，工具磨耗減少且得到抑制，工具壽命得到提高。攪拌摩擦加工用工具由添加了Re的Ni基二元多相金屬間化合物合金構(gòu)成。優(yōu)選所述Ni基二元多相金屬間化合物合金通過使含有其組成的全部成分的金屬熔體緩冷進(jìn)行鑄造而形成，另外，優(yōu)選在鑄造后進(jìn)行熱處理。而且，攪拌摩擦加工方法是使所述攪拌摩擦加工用工具邊旋轉(zhuǎn)邊對(duì)被加工件進(jìn)行按壓，通過產(chǎn)生的摩擦熱使被加工件軟化而進(jìn)行加工。
【專利說明】攪拌摩擦加工用工具及使用該工具的攪拌摩擦加工方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及攪拌摩擦加工用工具，該工具能夠長(zhǎng)期對(duì)鐵或鐵合金等金屬材料的被加工件進(jìn)行攪拌摩擦加工，以及使用該工具的攪拌摩擦加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)鋁合金板等被加工件進(jìn)行彼此之間的焊接時(shí)，在使該被加工件的焊接面互相對(duì)接的焊接區(qū)域的一端，推壓插入高速旋轉(zhuǎn)的棒狀的工具(具有較大直徑的肩部和突設(shè)于其前端的攪拌針的工具)的攪拌針，邊使該工具高速旋轉(zhuǎn)邊沿著對(duì)接部向另一端移動(dòng)，通過此時(shí)產(chǎn)生的摩擦熱使對(duì)接部軟化而進(jìn)行焊接的焊接方法，是被稱為攪拌摩擦焊(FSW:Friction Stir Welding)的技術(shù)。
[0003]根據(jù)所述攪拌摩擦焊，因?yàn)槠涫抢霉ぞ吆捅患庸ぜ哪Σ翢岫M(jìn)行焊接，所以是在不會(huì)使最高到達(dá)溫度達(dá)到熔點(diǎn)的固相狀態(tài)下進(jìn)行焊接，因此與電弧焊等熔化焊相比，其具有焊接部的強(qiáng)度降低較小、沒有氣孔或裂紋等焊接缺陷、焊接面也平坦等優(yōu)點(diǎn)。
[0004]另外，在鋁合金板等被加工件的表面上，用強(qiáng)力推壓插入如上所述的高速旋轉(zhuǎn)的工具的攪拌針，使該工具邊高速旋轉(zhuǎn)邊移動(dòng)，通過此時(shí)產(chǎn)生的摩擦熱使工具的肩部及攪拌針附近的被加工件軟化，由此減小直到被加工件的一定深度的晶粒尺寸而提高強(qiáng)度及硬度等的改性方法被稱為攪拌摩擦加工(FSP:Friction Stir Processing)。另外，將工具向被加工件按壓但不使其橫向移動(dòng)，一定時(shí)間后原樣抽出的點(diǎn)焊方法被稱為摩擦點(diǎn)焊(FSJ:Friction Spot Joining)。如這些 FSW、FSP、FSJ等,用強(qiáng)カ將旋轉(zhuǎn)的工具向被加工件推壓，通過產(chǎn)生的摩擦熱對(duì)被加工件進(jìn)行加工被稱為攪拌摩擦加工。
[0005]在該攪拌摩擦加工中，使用鋁或鋁合金作為被加工件時(shí)的情況下的工具，使用SKD鋼等鋼制工具。但是，在被加工件使用鐵或鐵合金的情況下，存在SKD鋼等鋼制工具因突然磨耗等而變形，不能焊接這樣的問題。另外，陶瓷制工具存在價(jià)格高且易折斷這樣的問題，特別是被加工件為不銹鋼的情況，容易磨損。另外，若工具因攪拌摩擦加工而磨損時(shí)，陶瓷制的工具材料的微細(xì)片分散在鐵系的被加工件，例如不銹鋼中，機(jī)械特性、抗腐蝕性則有可能產(chǎn)生問題。
[0006]但是，作為攪拌摩擦加工用工具，已提出Ni基二元多相金屬間化合物合金制的工具(例如，參照專利文獻(xiàn)I)。該工具的材質(zhì)Ni基二元多相金屬間化合物合金由Ni3Al-Ni3Nb-Ni3V系金屬間化合物合金、或Ni3Al-Ni3T1-Ni3V系金屬間化合物合金構(gòu)成。所述Ni基二元多相金屬間化合物合金是將Ni3X型的金屬間化合物組合而成的多相合金，具有比由単一的金屬間化合物相構(gòu)成的合金更優(yōu)異的硬度。因此，根據(jù)Ni基二元多相金屬間化合物合金制的攪拌摩擦加工用工具，即使工具側(cè)面因加工時(shí)的摩擦熱而達(dá)到發(fā)出橙色光程度的高溫(800°C以上)也具有所需要的硬度，因此特別適于如鐵或鐵合金等被加工件那樣的加工溫度為高溫的攪拌摩擦加工。
[0007]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0008]專利文獻(xiàn)[0009]專利文獻(xiàn)1:特開2009-255170號(hào)公報(bào)
[0010]發(fā)明概述
[0011]發(fā)明所要解決的課題
[0012]由所述Ni基二元多相金屬間化合物合金構(gòu)成的攪拌摩擦加工用工具，即使在高溫下也顯示高的硬度，但在長(zhǎng)期連續(xù)使用的情況下，若工具磨損繼續(xù)下去，用該工具就不能良好地進(jìn)行攪拌摩擦加工而不能繼續(xù)使用。因此，在由Ni基二元多相金屬間化合物合金構(gòu)成的攪拌摩擦加工用工具中，期望實(shí)現(xiàn)其特性的進(jìn)一步改善，即更高的硬度，以便即使是在高溫下連續(xù)使用的情況下，也可減少并抑制工具磨損，進(jìn)一步延長(zhǎng)工具壽命。
[0013]本發(fā)明是鑒于以上的情況而開發(fā)的，其目的在于，提供一種攪拌摩擦加工用工具及使用該工具的攪拌摩擦加工方法，該工具是由Ni基二元多相金屬間化合物合金構(gòu)成的攪拌摩擦加工用工具，通過使其即使在高溫下也表現(xiàn)更加優(yōu)異的硬度而減少且抑制工具磨損，提聞工具壽命。
[0014]用于解決課題的手段
[0015]以往，攪拌摩擦加工用工具的材質(zhì)Ni基二元多相金屬間化合物合金，含有置換Ni3X型金屬間化合物的X元素的元素(例如Ta、Nb、Ti等)，與此相對(duì)，本發(fā)明人等通過提出如下方案可以達(dá)到所述目的，即，使Ni基二元多相金屬間化合物合金不含有置換Ni3X型金屬間化合物的X元素的元素，而使其含有置換Ni元素的元素。
[0016]S卩，本發(fā)明涉及的攪拌摩擦加工用工具由添加了 Re的Ni基二元多相金屬間化合物合金構(gòu)成。
[0017]所述Ni基二元多相金屬間化合物合金是以Ni為主要成分，且相對(duì)于含有Al:5?12原子％、V:11?17原子％、Re:1?5原子％的合計(jì)100原子％的組成的合計(jì)重量，含有10?1000重量ppm的B，具有初析Ll2相和(Ll2 + DO22)共析組織的二元多相組織的合金。
[0018]具體而言，優(yōu)選所述Ni基二元多相金屬間化合物合金具有以Ni為主要成分，且相對(duì)于含有Al:8?12原子％、V:13?17原子％、Re:1?5原子％的合計(jì)100原子％的組成的合計(jì)重量，含有10?1000重量ppm的B的組成,或者,具有以Ni為主要成分,且相對(duì)于含有Al:5?9原子％、V:11?15原子％、Ta:3?7原子％、Re:1?5原子％的合計(jì)100原子％的組成的合計(jì)重量,含有10?1000重量ppm的B的組成。
[0019]而且，本發(fā)明的攪拌摩擦加工用工具中，所述Ni基二元多相金屬間化合物合金通過使含有其組成的全部成分的金屬熔體緩冷而進(jìn)行鑄造而形成。該情況下，優(yōu)選所述Ni基二元多相金屬間化合物合金通過在鑄造后進(jìn)行熱處理(1230?1330°C下的熱處理或/和800?1000°C下的熱處理)而形成。
[0020]另外，作為本發(fā)明的另一方面,提供一種攪拌摩擦加工方法，其使所述攪拌摩擦加工用工具邊旋轉(zhuǎn)邊向被加工件進(jìn)行按壓，通過產(chǎn)生的摩擦熱使被加工件軟化而進(jìn)行加工。
[0021]發(fā)明效果
[0022]根據(jù)本發(fā)明，因?yàn)閿嚢枘Σ良庸び霉ぞ哂商砑恿?Re的Ni基二元多相金屬間化合物合金構(gòu)成，所以其表現(xiàn)出更高的硬度，耐磨損性提高，也能夠經(jīng)得住長(zhǎng)期的攪拌摩擦加工。另外，通過對(duì)所述合金材料進(jìn)行熱處理，能夠使其可靠地表現(xiàn)出高硬度。因此，即使對(duì)于鐵或鐵合金等加工溫度為高溫的被加工件，也可以長(zhǎng)期良好地進(jìn)行攪拌摩擦加工。
[0023]附圖簡(jiǎn)要說明[0024]圖1是表示根據(jù)實(shí)施方案的攪拌摩擦加工用工具的圖，同圖(A)是該工具的的立體圖，同圖(B)是其側(cè)視圖；
[0025]圖2是表示攪拌摩擦焊方法的概略的示意圖；
[0026]圖3是用于說明Ni基ニ元多相金屬間化合物合金的組織的SEM照片、TEM照片及示意圖；
[0027]圖4是構(gòu)成Ni基ニ元多相金屬間化合物合金的組織的晶體結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0028]圖5是表示對(duì)N0.1、N0.2、N0.3的試樣僅實(shí)施固溶熱處理(Oh)、及除固溶熱處理之外分別實(shí)施950°C的時(shí)效熱處理(下部多相熱處理)2小時(shí)(2h)、24小時(shí)(24h)時(shí)的組織變化的SEM照片；
[0029]圖6是表示對(duì)N0.2的試樣實(shí)施了 2小時(shí)固溶熱處理及950°C的時(shí)效熱處理(下部多相熱處理)時(shí)析出的針狀晶粒的TEM-EDS解析結(jié)果的TEM照片及EDS檢測(cè)的曲線圖；
[0030]圖7是表示在圖6中進(jìn)行了 TEM-EDS解析的針狀晶粒的元素比例的表；
[0031]圖8是表示在N0.1、N0.2、N0.3、N0.4的試樣中，時(shí)效熱處理(下部多相熱處理)的時(shí)間和維氏硬度的關(guān)系的曲線圖；
[0032]圖9是在本實(shí)施例中，從正面拍攝的通過第12次操作的攪拌摩擦焊而得到的平板件(試驗(yàn)N0.1)的焊接部的照片；
[0033]圖10是在本實(shí)施例中，從正面拍攝的通過第17次操作的攪拌摩擦焊而得到的平板件(試驗(yàn)N0.2)的焊接部的照片；
[0034]圖11是在本實(shí)施例中，從正面拍攝的通過第43次操作的攪拌摩擦焊而得到的平板件(試驗(yàn)N0.3)的焊接部的照片；
[0035]圖12是在本實(shí)施例中，從正面拍攝的通過第49次操作的攪拌摩擦焊而得到的平板件(試驗(yàn)N0.4)的焊接部的照片；
[0036]圖13是在本實(shí)施例中，從正面拍攝的通過第59次操作的攪拌摩擦焊而得到的平板件(試驗(yàn)N0.5)的焊接部的照片；
[0037]圖14是在本實(shí)施例中，從正面拍攝的通過第76次操作的攪拌摩擦焊而得到的平板件(試驗(yàn)N0.6)的焊接部的照片；
[0038]圖15是在本實(shí)施例中，從正面拍攝的通過第80次操作的攪拌摩擦焊而得到的平板件(試驗(yàn)N0.7)的焊接部的照片。
【具體實(shí)施方式】
[0039]本實(shí)施方案的攪拌摩擦加工用工具(以下，宜稱之為“工具”)是用于相對(duì)于金屬材料的被加工件邊旋轉(zhuǎn)邊推壓，通過產(chǎn)生的摩擦熱使被加工件軟化而進(jìn)行加工的工具。該工具可用于包括在【背景技術(shù)】中所述的攪拌摩擦焊(FSW)、攪拌摩擦加工(FSP)、摩擦點(diǎn)焊(FSJ)等的攪拌摩擦加工的全部。予以說明，在本說明書中，“?”包含兩端的值。
[0040]如圖1所示，攪拌摩擦加工用工具I具有圓柱狀的肩部11和直徑比肩部11大且在側(cè)面形成有切面12的圓柱狀的安裝部13。通過將攪拌摩擦加工用工具I的安裝部13裝填于攪拌摩擦加工裝置的工具保持架等上并將螺栓以接觸安裝部13的切面12的方式緊固，由此拆裝自如地安裝攪拌摩擦加工用工具I。肩部11的前端面具有平面狀的肩面2和突設(shè)于肩面2的中心部的球面狀的攪拌針3。而且，工具I在對(duì)被加工件進(jìn)行攪拌摩擦加工吋，一邊旋轉(zhuǎn)一邊將肩面2及攪拌針3向被加工件按壓，產(chǎn)生摩擦熱。予以說明，工具I的形狀不限于圖1所示，也可以在肩部11和安裝部13之間形成凸緣，且安裝部13也可以為多邊形形狀。另外，肩面2也不限于平面形狀，也可以以攪拌針3為中心形成為稍微凸出或稍微凹下的曲面狀。進(jìn)而，攪拌針3不限于球面形狀，也可以是圓柱狀、圓錐臺(tái)狀等，另外，也可以切斷螺絲。
[0041]就所述攪拌摩擦加工用工具I的尺寸而言，例如在板厚為1.5mm以下的被加工件的情況下，將肩徑(肩面2的直徑)設(shè)定為8?14_左右。將攪拌針徑(攪拌針3最粗的部分的直徑)設(shè)定為3?6mm左右，攪拌針3的長(zhǎng)度(距肩面2的突出高度)也取決于被加工件的板厚，但設(shè)定為攪拌針3的前端以貫通被加工件且不突出的程度深插入被加工件的長(zhǎng)度，例如設(shè)定為比被加工件的板厚短0.1?0.2mm左右的長(zhǎng)度。
[0042]將所述工具I安裝于由平臺(tái)軸⑴、橫動(dòng)軸⑴和升降軸(Z)該機(jī)械3軸構(gòu)成的公知的攪拌摩擦焊接裝置上使用。另外，在具有三維曲面的被加工件的加工中，將安裝于由平臺(tái)軸(X)、橫動(dòng)軸(Y)和升降軸(Z)該機(jī)械3軸及擺動(dòng)軸和回轉(zhuǎn)軸該工具2軸構(gòu)成的公知的5軸框型的攪拌摩擦焊接裝置上使用。另外，也將其安裝于在具備三個(gè)關(guān)節(jié)軸和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的公知的機(jī)械臂的前端所搭載的主軸箱上使用。
[0043]其次，作為使用了所述攪拌摩擦加工用工具I的攪拌摩擦加工方法的一例，在進(jìn)行攪拌摩擦焊的情況下，例如如下實(shí)施。
[0044]如圖2所示，焊接作為被加工件的兩個(gè)板狀體6a、6b時(shí)，在配置于平臺(tái)4的墊板5之上載置并固定板狀體6a、6b的對(duì)接部7。在此，墊板5為防止由攪拌摩擦焊引起的來自背面的污染等而使用，優(yōu)選具有耐熱性、不燃性、強(qiáng)度、非污染性、表面平滑性等，使用由高熔點(diǎn)金屬、陶瓷、氮化娃等材質(zhì)構(gòu)成的板、成形物、箔等。
[0045]然后，在該板狀體6a、6b的對(duì)接部7的一端壓入高速旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦加工用工具I的攪拌針3，以使工具I的肩面2和板狀體6a、6b的表面接觸(使接觸面積為70%以上)的方式進(jìn)行推壓。由此，通過高速旋轉(zhuǎn)的攪拌針3及肩面2的摩擦，板狀體6a、6b的對(duì)接部7的附近被加熱而軟化。然后，使該旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦加工用工具I沿板狀體6a、6b的對(duì)接部7向另一端側(cè)移動(dòng)。由此，板狀體6a、6b的包含對(duì)接部7的部分連續(xù)地摩擦發(fā)熱而軟化，與此同時(shí)進(jìn)行攪拌，將板狀體6a、6b的對(duì)接部7摩擦焊接。
[0046]就所述攪拌摩擦焊的焊接條件而言，例如在為了高品質(zhì)地加工作為被加工件的鐵或鐵合金時(shí)，優(yōu)選將工具I的進(jìn)給速度設(shè)定為900?1400mm /分鐘。另外，將工具I的旋轉(zhuǎn)數(shù)優(yōu)選設(shè)為在將工具I壓接于鐵或鐵合金的被加工件時(shí)通過摩擦熱發(fā)熱至約800?約1000°C左右的旋轉(zhuǎn)數(shù)，例如優(yōu)選設(shè)定為600?900rpm。另外，工具I的前進(jìn)角(使工具的前端部向移動(dòng)方向側(cè)傾斜時(shí)的相對(duì)于垂直線的傾斜度)優(yōu)選設(shè)定在2?5°的范圍。
[0047]但是，所述攪拌摩擦加工用工具I的材質(zhì)由添加了 Re的Ni基二元多相金屬間化合物合金構(gòu)成。該Ni基二兀多相金屬間化合物合金包含N1、V、Al、Ta(Ta為任選成分)、B、及Re (含不可避免的雜質(zhì))，具有初析Ll2相和(Ll2 + DO22)共析組織的二元多相組織。
[0048]在此，對(duì)Ni基二元多相金屬間化合物合金的組織進(jìn)行說明。
[0049]圖3表示Ni基二元多相金屬間化合物合金的組織，圖3 (I)是該組織的SEM照片(左側(cè))和TEM照片(右側(cè))，圖3(2)是該組織的示意圖。圖4表示構(gòu)成Ni基二元多相金屬間化合物合金的組織的相的晶體結(jié)構(gòu)的示意圖，圖4(1)是Ni3Al (Ll2)相，圖4(2)是Ni3V(DO22)相。
[0050]所述Ni基ニ元多相金屬間化合物合金的組織由一致性良好地形成的立方體狀的微米組織和形成于其間的納米組織構(gòu)成，前者的微米組織由立方體形狀的初析Ll2相(Ni3Al)和作為其間隙的通道部構(gòu)成，后者的納米組織在通道部形成，利用由Ll2相和DO22相(Ni3Al及Ni3V)構(gòu)成的共析組織構(gòu)成。而且，所述Ni基ニ元多相金屬間化合物合金通過比共析溫度高的溫度的熱處理，形成在Al相(Ni固溶體相)析出了初析Ll2相的上部多相組織，通過之后的共析溫度以下的熱處理，Al相共析轉(zhuǎn)變(分解)成Ll2相和DO22相這2相，形成下部多相組織。在此，比共析溫度高的溫度是指初析Ll2相和Al相共存的溫度，共析溫度是指Al相轉(zhuǎn)變(分解)為L(zhǎng)l2相和DO22相的溫度的上限值。這樣，Ni基ニ元多相金屬間化合物合金將顯示優(yōu)異特性的Ni3X型金屬間化合物多相化而形成。
[0051]Re作為置換Ni基ニ元多相金屬間化合物合金中的所述Ni3X型金屬間化合物的Ni元素的元素而含有。即，通過使含有N1、Al、V的Ni基ニ元多相金屬間化合物合金含有Re，得到具有微細(xì)的ニ元多相組織的Ni基ニ元多相金屬間化合物合金，提高了該合金的硬度。另外，使不僅含有N1、Al、V，而且含Ta的Ni基ニ元多相金屬間化合物合金還含有Re，而使該合金的硬度進(jìn)ー步提高。予以說明，B是為了通過抑制晶界裂紋而提高所得到的合金的延展性而添加的。
[0052]另外，通過對(duì)含Re的Ni基ニ元多相金屬間化合物合金進(jìn)行熱處理，可以在維持ニ元多相組織的同時(shí)進(jìn)一歩提高該合金的硬度。因此，熱處理前的所述合金原材料處于容易加工(例如切削加工)成工具形狀的狀態(tài)，在加工成工具形狀后，通過熱處理可以使硬度提高，因此，通過所述添加Re的Ni基ニ元多相金屬間化合物合金，得到加工性能(例如切削加工性)優(yōu)異且高硬度的攪拌摩擦加工用工具I。
[0053]所述Ni基ニ元多相金屬間化合物合金可通過例如以下的制造方法而制造。
[0054]首先，將構(gòu)成所述Ni基ニ元多相金屬間化合物的各元素以成為上述比例的方式稱量原料金屬，將其加熱而使其熔融。接著，將該金屬熔體進(jìn)行冷卻，由此進(jìn)行鋳造。該鑄造中的金屬熔體的冷卻通過例如緩冷而進(jìn)行。在進(jìn)行緩冷時(shí)，金屬熔體凝固后，暴露于初析Ll2相和Al相共存的溫度較長(zhǎng)的時(shí)間，另外，此后，在Al相分離成Ll2相和DO22相的共析溫度以下的溫度也暴露較長(zhǎng)的時(shí)間。因此，形成由初析Ll2相和Al相構(gòu)成的上部多相組織，進(jìn)而將Al相分解，形成由Ll2相和DO22相構(gòu)成的下部多相組織。該緩冷通過例如爐冷進(jìn)行。即，將所述材料加熱使其熔融，加熱后將金屬熔體原樣放置于該爐內(nèi)。
[0055]另外，具有所述組織的Ni基ニ元多相金屬間化合物合金優(yōu)選在鋳造后進(jìn)行熱處理。在此，在熱處理中例示了均勻化熱處理、固溶熱處理、時(shí)效熱處理、第I熱處理、第2熱處理等。
[0056]例如，在鑄造后進(jìn)行固溶熱處理(Al單相化的固溶熱處理)。固溶熱處理在1230?1330°C下進(jìn)行。具體而言，優(yōu)選在1280°C的溫度下進(jìn)行5小時(shí)左右的熱處理。予以說明，在進(jìn)行固溶熱處理之前，也可以進(jìn)行作為其它エ序的均勻化熱處理，固溶熱處理也可以兼作均勻化熱處理。另外，在固溶熱處理后進(jìn)行冷卻，該冷卻可以是空冷等自然冷卻、水冷等強(qiáng)制冷卻的任ー種,例如也可以是通過爐冷進(jìn)行冷卻。通過該固溶熱處理，V元素等在Ni中固溶，形成Al相(Ni固溶體相)，通過之后的冷卻，Ll2相在Al相中析出，進(jìn)而Al相被分解成Ll2相和DO22相，再次形成ニ元多相組織(初析Ll2相和(Ll2 + DO22)共析組織的組織)。因此，提供具備微細(xì)且均一的二元多相組織的Ni基二元多相金屬間化合物合金。
[0057]另外，對(duì)于通過熔融?凝固得到的合金材料(鑄塊等)在初析Ll2相和Al相共存的溫度下進(jìn)行第I熱處理(上部多相組織的形成)，此后，冷卻(空冷或爐冷那樣的自然冷卻或水冷等的強(qiáng)制冷卻)至Ll2相和DO22相共存的溫度，或以Ll2相和DO22相共存的溫度進(jìn)行第2熱處理，由此也可以使Al相變化為(L12 + D022)共析組織(下部多相組織的形成)。在此，在例如1230~1330°C的溫度下進(jìn)行第I熱處理，具體而言，在1280°C的溫度下進(jìn)行5~200小時(shí)左右的熱處理。另外，在例如800~1000°C的溫度下進(jìn)行第2熱處理，具體而言，在930°C的溫度下進(jìn)行5~200小時(shí)左右。予以說明，所述固溶熱處理也可以兼作所述第I熱處理。
[0058]另外，在所述固溶熱處理后，優(yōu)選進(jìn)行時(shí)效熱處理。該時(shí)效熱處理是為了將形成于Ni基二元多相金屬間化合物合金的初析Ll2相的間隙的Al相轉(zhuǎn)變(分解)，形成Ll2相和DO22相而實(shí)施的，可以通過在與所述第2熱處理相同的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行熱處理來實(shí)施。即，為促進(jìn)形成Ll2相和DO22相，時(shí)效熱處理優(yōu)選在800~1000°C的溫度、優(yōu)選825~10000C (850±25°〇或975±25°0的溫度下進(jìn)行0.5~24小時(shí)左右。予以說明，所述時(shí)效熱處理也可以在鑄造后進(jìn)行，另外，也可以在所述第I或(和)第2熱處理后進(jìn)行。另外，在本說明書中，時(shí)效熱處理也被稱作下部多相熱處理(形成下部多相組織的熱處理)。
[0059]而且，作為形成攪拌摩擦加工用工具I的添加Re的Ni基二元多相金屬間化合物，可舉出例如如下化合物，即，相對(duì)于以Ni為主要成分，且含有Al:5~12原子％、V:11~17原子％、Re:1~5原子％的合計(jì)100原子％的組成的合計(jì)重量，含有10~1000重量ppm的B，并且具有初析Ll2相和(Ll2 + DO22)共析組織的二元多相組織。
[0060]具體而言，所述Ni基二元多相金屬間化合物合金可舉出如下化合物，即，由相對(duì)于以Ni為主要成分，且含有Al:8~12原子％、V:13~17原子％、Re:1~5原子％的合計(jì)100原子％的組成的合計(jì)重 量,含有10~1000重量ppm的B及不可避免的雜質(zhì)的組成構(gòu)成，且具有初析Ll2相和(Ll2 + DO22)共析組織的二元多相組織。
[0061]含有Re的該所述組成的Ni基二元多相金屬間化合物合金形成微細(xì)的二元多相組織并表現(xiàn)了顯著的硬度，所以，由該Ni基二元多相金屬間化合物合金構(gòu)成的攪拌摩擦加工用工具I可以顯著提高硬度。另外，所述組成的Ni基二元多相金屬間化合物通過在固溶熱處理后實(shí)施時(shí)效熱處理(例如800~1000°C的熱處理)，進(jìn)一步使硬度顯著提高。該Ni基二元多相金屬間化合物合金在所述熱處理的溫度下顯示顯著的硬度，因此，得到也適用于高溫(例如所述時(shí)效熱處理的溫度)下使用的攪拌摩擦加工用工具I。予以說明，確認(rèn)了所述的添加Re的Ni基二元多相金屬間化合物合金在例如900°C的溫度下進(jìn)行了 5~10小時(shí)的時(shí)效熱處理的情況下，可實(shí)現(xiàn)超過約660HV的維氏硬度(參照后述表2的試樣N0.1)。
[0062]另外，形成攪拌摩擦加工用工具的添加Re的Ni基二元多相金屬間化合物合金中還可以含有Ta。該情況下的所述Ni基二元多相金屬間化合物合金可舉出如下化合物，即，由相對(duì)于以Ni為主要成分，且含有Al:5~9原子％、V:11~15原子％、Ta:3~7原子％、Re:1~5原子％的合計(jì)100原子％的組成的合計(jì)重量含有10~1000重量ppm的B及不可避免的雜質(zhì)的組成構(gòu)成，具有初析Ll2相和(Ll2 + DO22)共析組織的二元多相組織。
[0063]含Ta、Re的該所述組成的Ni基二元多相金屬間化合物通過在固溶熱處理后實(shí)施時(shí)效熱處理(例如800~1000°C的熱處理)，不僅硬度可以顯著提高，而且即使在時(shí)效熱處理前的固溶熱處理后也具有優(yōu)異的硬度，因此，由含有Ta、Re的該Ni基二元多相金屬間化合物合金構(gòu)成的攪拌摩擦加工用工具I的硬度可以顯著提高。另外，含Ta、Re的該Ni基二元多相金屬間化合物合金也也可以在通過熱處理維持微細(xì)的二元多相組織的同時(shí)使硬度顯著提高，因此，得到也適合在高溫(例如所述時(shí)效熱處理的溫度)下使用的攪拌摩擦加工用工具I。予以說明，確認(rèn)所述含Ta、Re的Ni基二元多相金屬間化合物合金例如在900~950°C的溫度下進(jìn)行了 2~24小時(shí)的時(shí)效熱處理的情況下，可實(shí)現(xiàn)超過約780HV的維氏硬度(參照后述表2及表3的試樣N0.2)。
[0064]如上，根據(jù)該實(shí)施方案，形成攪拌摩擦加工用工具I的Ni基二元多相金屬間化合物通過添加Re而形成微細(xì)的二元多相組織，使硬度顯著提高。因此，在攪拌摩擦加工用工具I中，即使在攪拌摩擦加工中的高溫下也能夠表現(xiàn)更優(yōu)異的硬度，使攪拌摩擦加工引起的工具磨損減少且得到抑制，提高工具壽命。因此，對(duì)于鐵或鐵合金等加工溫度為高溫的被加工件，攪拌摩擦工具I也可以承受長(zhǎng)期的攪拌摩擦加工，可以長(zhǎng)期高品質(zhì)地進(jìn)行攪拌摩擦加工。另外，由于工具更換頻率低，所以可以使加工成本變得廉價(jià)。予以說明，本說明書中所說的鐵合金是指以鐵為主要成分且含有一種或多種其它元素的合金?？膳e出例如炭素鋼、不銹鋼等。
[0065]實(shí)施例
[0066]下面，舉出實(shí)施例來說明本發(fā)明。
[0067]<參考例>
[0068]首先，對(duì)于作為工具材質(zhì)使用的添加Re的Ni基二元多相金屬間化合物合金，為了證實(shí)其表現(xiàn)了高硬度，制作合金試樣并調(diào)查其硬度。
[0069](合金試樣的制作) [0070]首先，將表1中所示比例的N1、Al、V、Ta、Re的原料金屬(各自的純度為99.9重量％ )及B在電弧熔煉爐內(nèi)的鑄模中熔融、凝固，由此制作鑄造材料(Φ30~50mm的小型紐扣狀的合金)。接著，從制作出的鑄造材料切出試驗(yàn)片(約10_X5_X Imm),對(duì)得到的試驗(yàn)片進(jìn)行固溶熱處理，實(shí)施1280°C X5小時(shí)的熱處理，之后進(jìn)行爐冷。另外，對(duì)進(jìn)行了固溶熱處理的試驗(yàn)片中的一部分，作為下部多相熱處理(時(shí)效熱處理)分別進(jìn)行900°C的溫度下5、10、24小時(shí)的各條件下的熱處理和950°C的溫度下2、5、10、24小時(shí)的各條件下的熱處理，且進(jìn)行水淬。
[0071][表1]
[0072]

試樣 |Ni~[Al~[? [Ta~[Re~[B
N0.1 72~10~15~ O 3 50
N0.2 72~ 7 13~ 5 3 50
N0.3 75~ 6 14~ 5 O 50
N0.4 75~ 8 17~ O O 50
[0073]以原子％表示了 N1、Al、V、Ta、Re的比例。[0074]B以相對(duì)于N1、Al、V、Ta、Re的合計(jì)100原子％的組成的合計(jì)重量的重量ppm表示。
[0075](組織觀察)
[0076]對(duì)N0.1(含Re)、N0.2(含Re、Ta)的任ー試樣、進(jìn)行了固溶熱處理后的試樣、以及進(jìn)行固溶熱處理并進(jìn)行了下部多相熱處理后的試樣進(jìn)行利用SEM的組織觀察吋，所有二元多相組織的立方體狀的組織與不含Re的Ni基二元多相金屬間化合物合金(Ni75Al8V14.5Nb2.5)的二元多相組織比較，為后者數(shù)分之一的大小，以超微細(xì)的二元多相組織形成。根據(jù)該結(jié)果可知，Re與二元多相組織的大小相關(guān)，通過添加Re，在維持二元多相組織的同時(shí)形成微細(xì)的二元多相組織。
[0077]圖5表示N0.1 (含Re)、N0.2 (含Re、Ta)、N0.3 (含Ta)的各試樣的SEM照片，對(duì)于各試樣顯示了僅進(jìn)行固溶熱處理(Oh)、在固溶熱處理的基礎(chǔ)上進(jìn)行2小時(shí)(2h)的950°C的時(shí)效熱處理(下部多相熱處理)、進(jìn)行24小時(shí)(24h)的950°C的時(shí)效熱處理(下部多相熱處理)的結(jié)果。從圖5可知，在添加了 Re的Ni基二元多相金屬間化合物合金的N0.1及N0.2的試樣中，通過時(shí)效熱處理而在通道部析出微細(xì)的針狀晶粒(第二相晶粒)(參照?qǐng)D5中的N0.1及N0.2的2h、24h)，但在添加了 Ta的Ni基二元多相金屬間化合物合金的N0.3的試樣中，未看到這樣的針狀晶粒的析出(參照?qǐng)D5中N0.3的2h、24h)。在此，所述通道部是指立方體形狀的初析Ll2相的間隙部分。
[0078]然后，對(duì)所述針狀晶粒進(jìn)行TEM-EDS解析。對(duì)N0.2 (含Re、Ta)的試樣(在固溶熱處理后進(jìn)行了 2小時(shí)的時(shí)效熱處理的試樣)進(jìn)行通過圖6(1)的TEM以“點(diǎn)(point)”特別指定的針狀晶粒的EDS解析。圖6(2)表示通過該TEM-EDS解析的元素分析的曲線圖。圖7表示經(jīng)TEM-EDS解析的針狀晶粒的元素比例。從圖7可知，該針狀晶粒也具有53.5原子％的Re，具有富Re的組成。
[0079](維氏硬度試驗(yàn))
[0080]測(cè)定N0.1 (含 Re)、N0.2 (含 Re、Ta)、N0.3 (含 Ta)、N0.4 (不含 Re、Ta:基(base)材)的各試樣的維氏硬度。予以說明，維氏硬度主要以荷重1000g(Ikg)、保持時(shí)間20秒進(jìn)行測(cè)定，該測(cè)定在室溫(約25°C )下進(jìn)行。表2及表3表示其測(cè)定結(jié)果。圖8是將表3的測(cè)定結(jié)果曲線化的圖。
[0081][表2]
[0082]
【權(quán)利要求】
1.一種攪拌摩擦加工用工具，其由添加了 Re的Ni基二元多相金屬間化合物合金構(gòu)成。
2.權(quán)利要求1所述的攪拌摩擦加工用工具，其中，所述Ni基二元多相金屬間化合物合金以Ni為主要成分，且相對(duì)于含有Al:5?12原子％、V:11?17原子％、Re:1?5原子％的合計(jì)100原子％的組成的合計(jì)重量，含有10?1000重量ppm的B，具有初析Ll2相和(Ll2 + DO22)共析組織的二元多相組織。
3.權(quán)利要求2所述的攪拌摩擦加工用工具，其中，所述Ni基二元多相金屬間化合物合金以Ni為主要成分，且相對(duì)于含有Al:8?12原子％、V:13?17原子％、Re:1?5原子％的合計(jì)100原子％的組成的合計(jì)重量，含有10?1000重量ppm的B。
4.權(quán)利要求2所述的攪拌摩擦加工用工具，其中，所述Ni基二元多相金屬間化合物合金以Ni為主要成分，且相對(duì)于含有Al:5?9原子％、V:11?15原子％、Ta:3?7原子％、Re:1?5原子％的合計(jì)100原子％的組成的合計(jì)重量，含有10?1000重量ppm的B。
5.權(quán)利要求1?4任一項(xiàng)所述的攪拌摩擦加工用工具，其中，所述Ni基二元多相金屬間化合物合金通過使含有其組成的全部成分的金屬熔體緩冷進(jìn)行鑄造而形成。
6.權(quán)利要求1?5任一項(xiàng)所述的攪拌摩擦加工用工具，其中，所述Ni基二元多相金屬間化合物合金通過在1230?1330°C下進(jìn)行熱處理而形成。
7.權(quán)利要求1?6任一項(xiàng)所述的攪拌摩擦加工用工具，其中，所述Ni基二元多相金屬間化合物合金通過在800?1000°C下進(jìn)行熱處理而形成。
8.一種攪拌摩擦加工方法,其使權(quán)利要求1?7任一項(xiàng)所述的攪拌摩擦加工用工具邊旋轉(zhuǎn)邊對(duì)被加工件進(jìn)行按壓，通過產(chǎn)生的摩擦熱使被加工件軟化而進(jìn)行加工。
【文檔編號(hào)】C22C19/03GK103492116SQ201280015610
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2012年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月29日
【發(fā)明者】高杉隆幸, 金野泰幸, 沖幸男, 平田智丈, 望月昇 申請(qǐng)人:公立大學(xué)法人大阪府立大學(xué), 學(xué)校法人近畿大學(xué), 亞伊色爾株式會(huì)社