一种搅拌摩擦焊用的高氮钢搅拌头及其制造工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及用于侣合金的低烙点有色金属焊接的揽拌摩擦焊用的揽拌头及其制 造工艺。
【背景技术】
[0002] 揽拌摩擦焊是一种新兴的固相连接技术，主要通过揽拌头与被焊工件之间的摩擦 热来加热被焊工件，并通过揽拌头的摩擦、揽拌作用实现被焊工件之间的连接。由于揽拌摩 擦焊的特殊连接机理，使得揽拌头成为揽拌摩擦焊的关键部件，在工作过程中揽拌头会受 到巨大的机械力W及高溫的作用，因此对于揽拌头的高溫稳定性及热强性有着特殊要求。 目前揽拌头材质有不诱钢、工具钢、高溫合金W及陶瓷等。揽拌摩擦焊的主要工作对象为 侣、儀等低烙点金属，工作溫度一般在400-500°C之间，高溫合金和陶瓷等虽然能达到更高 的工作溫度，但考虑到加工、成本控制的诸多方面的因素，焊接侣、儀等低烙点金属的揽拌 头还是W不诱钢、工具钢等材质为主，通过机械加工、热处理等工艺，加工出满足使用要求 的揽拌头。如W18-8不诱钢为例，将棒材原料按图纸加工成规定形状，再通过热处理或表面 处理等工艺来进一步改善揽拌头的使用性能。运样制作出来的揽拌头在使用前期能够很好 的工作，但由于在工作过程中受到机械力的作用，会对揽拌头造成十分严重的磨损，致使其 性能急剧下降，出现产热不均、工作质量差等诸多问题，运就极大的限制了揽拌头的使用寿 命。
[0003] 因此，现阶段急需一种能够用于侣、儀等低烙点金属焊接的揽拌头材料，能够在保 证工作性能的前提下，提高揽拌头的使用寿命，运对低烙点金属的焊接具有极为深远的意 义。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种揽拌摩擦焊用的高氮钢揽拌头及其制造工艺，制造揽拌 头的高氮钢材料强度高，疲劳寿命长，使得所制造的揽拌头具有强度高、产热稳定、使用寿 命长的优点，完全能够满足侣合金等低烙点有色金属对揽拌性能的要求。为达到此目的，本 发明采用如下技术方案：
[0005] -种揽拌摩擦焊用的高氮钢揽拌头及其制造工艺，所述制造揽拌头的髙氮钢W重 量百分比计由下列元素组成:Mn:16-19%;Cr:20-30%;N:0.5-0.9%;Mo:1.5-2.5%;Ni:< 0.2%;S: <0.03%;P: <0.03%;C: <0.03%;Si: <0.4%,余量为铁及不可避免杂质。
[0006]优选，所述制造揽拌头的高氮钢W重量百分比计由下列元素组成：111:16.5-18.5% ；Cr :22-28%；N:0.6-〇.8%；Mo: 1.7-2.3% ；Ni : < 0.2%；S: <0.03%；P: <0.03%； C: <0.03%;Si: <0.4%，余量为铁及不可避免杂质。
[0007]所述的一种揽拌摩擦焊用的高氮钢揽拌头的制造工艺包含如下步骤：
[000引 （1)加热锻造:高氮钢粗胚加热至900-1000°C之间经锻造加工制成直径为35mm的 棒材；
[0009] (2)退火:高氮钢棒材加热至730-750°C之间，保溫2.5-3小时，再缓慢降溫至550-500°C之间，保溫1-1.5小时，最后随炉冷却至室溫；
[0010] (3)切削：退火高氮钢棒材切削成直径为30mm粗胚，按照相应尺寸标准对粗胚进行 锐削加工，制得高氮钢揽拌头半成品，最后对除揽拌针和轴肩意外的其他部位抛光；
[0011] (4)泽火:将揽拌头加热至730-750°C后，保溫1.5-2小时，空冷至室溫，将揽拌针与 轴肩位置置于感应线圈中，加热2-2.5s后立即水冷。
[0012] 退火过程中炉内充入氮气W减少氮元素溢出，炉内压强维持在2±0.化化左右，感 应加热时，感应线圈的频率控制在750-800曲Z之间。
[0013]本发明与现有技术相比，具有如下显著效果：
[0014] 1)本发明的高氮钢揽拌头的高溫强度高。本发明中主揽拌头是W高氮钢为原料， 高氮钢中W氮作为强化元素，并通过与儘、钢等元素的配合，使其在400°C-600°C之间具有 极佳的高溫强度，因此该揽拌头在400°C-600°C之间高溫性能好。
[0015] 2)本发明的高氮钢揽拌头表面状态稳定。揽拌头在加工过程中进行了表面处理， 使揽拌头的表面状态更加稳定，不会因为使用时间过长导致揽拌头表面出现"光化"或"毛 化"现象，造成使用过程中产热不稳定、产品质量下降等问题。
[0016] 3)本发明的高氮钢揽拌头综合性价比高。该揽拌头采用高氮钢制造而成，加工过 程中对揽拌头表面进行了处理，在最大限度的保持高氮钢性能的同时有改善了揽拌头的表 面状态，使得所制造的揽拌头具有很好综合性能。而高氮钢主要W氮作为强化元素，极大的 降低了材料的成本，因此采用高氮钢制造揽拌头在价格上具有很大优势。综上所述高氮钢 揽拌头就有非常好的市场价值和应用前景。
【具体实施方式】
[0017]下面结合实施例对本发明作进一步说明：
[0018]本发明一种揽拌摩擦焊的高氮钢揽拌头及其制造工艺，其中揽拌头的制造工艺包 含如下步骤：
[0019] (1)将高氮钢的粗胚真空加热到950°C左右，将加热后的高氮钢粗胚放入压膜锻造 机中进行冲压锻造，经多次冲压锻造之后将高氮钢粗胚加工成直径为35mm的高氮钢棒材；
[0020] (2)将锻造的高氮钢棒材加热至750°C，并保溫3小时，再将溫度缓慢降至550°C左 右，保溫1.5小时，最后高氮钢棒材随炉冷却至室溫，整个退火过程中在炉内充入氮气作为 保护气体，W减少高氮钢棒材中氮元素的溢出；
[0021] (3)先将高氮钢棒材切割成长度为150mm的短棒，再对其进行粗加工，加工成直径 为30mm的揽拌头粗胚，按照图纸的尺寸要求对揽拌头粗胚进行切削加工，最后对揽拌头的 除揽拌针和轴肩的其他位置进行抛光处理；
[0022] (4)将所制得揽拌头加热至730°C后，保溫1.5小时后空冷至室溫，再对揽拌头的轴 肩和揽拌着进行表面泽火处理，将揽拌针和轴肩放置在感应线圈中，感应线圈的频率设置 为750曲Z，加热2s后迅速水冷。
[0023]为满足不同侣合金材料对揽拌头性能的要求，对制作揽拌头的高氮钢成分做出了 调整，实施例1-4的具体成分如表1所示：
[0024] 表 1
[0026]对高氮钢揽拌头的抗弯强度，使用寿命进行测试，测试结果如表2所示。采用6061 侣合金试板对揽拌头的使用寿命进行测试，其中揽拌头转速为90化/min,焊接速度为80mm/ min。
[0027]表 2
[0029]本发明的高氮钢揽拌头主要用于侣及侣合金、儀及儀合金的低烙点有色金属的焊 接，本揽拌头强度高，使用寿命长，焊接质量好、制造成本低等优点，非常适合大规模工业生 产的应用。
【主权项】
1. 一种搅拌摩擦焊用的高氮钢搅拌头，其特征在于，搅拌头由高氮钢材料制成，所述高 氮钢以重量百分比计由下列元素组成 :]\&1:16-19%;0:2〇-30%4:0.5-〇.9%;]\1〇:1.5-2.5%;Ni: <0.2%;S: <0.03%;P: <0.03%;C: <0.03%;Si: <0.4%,余量为铁及不可避 免杂质。2. 根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦焊用的高氮钢搅拌头，其特征在于，所述高氮钢 材料以重量百分比计由下列元素组成:Mn:16.5-18.5%;Cr:22-28% ;N: 0.6-0.8% ;Mo: 1.7-2.3%;Ni: <0.2%;S: <0.03%;P: <0.03%;C: <0.03%;Si: <0.4%,余量为铁及不 可避免杂质。3. 根据权利要求1-2所述的一种搅拌摩擦焊用的高氮钢搅拌头的制造工艺，其特征在 于，包含如下制造工艺步骤： (1) 加热锻造:高氮钢粗胚加热至900-1000°C之间经锻造加工制成直径为35±lmm的棒 材； (2) 退火：高氮钢棒材加热至730-750°C，保温2.5-3小时，再缓慢降温至500-550°(3之 间，保温1-1.5小时，最后随炉冷却至室温； (3) 切削：后退火高氮钢棒材切削成直径为30±0.5mm粗胚，按照相应尺寸标准对粗胚 进行铣削加工，制得高氮钢搅拌头半成品，再对搅拌头中除搅拌针和轴肩以外的其他部位 抛光； (4) 淬火:将搅拌头以20±5°C/min的速率加热至730-750°C后，保温1.5-2小时，空冷至 室温，再将搅拌针与轴肩置于感应线圈中，加热2-2.5s后立即水冷。4. 根据权利要求3所述的一种搅拌摩擦焊用的高氮钢搅拌头及其制造工艺，其特征在 于，所述退火过程在氮气气氛下进行，压强在12 ± 0.5kPa。5. 根据权利要求3所述的一种搅拌摩擦焊用的高氮钢搅拌头及其制造工艺，其特征在 于，感应加热过程中感应线线圈的频率在750-800kHz之间。
【专利摘要】本发明公开了一种搅拌摩擦焊用的高氮钢搅拌头及其制造工艺。制造搅拌头的高氮钢材料以重量百分比计，含有以下元素：Mn:16-19％；Cr:20-30％；N:0.5-0.9％；Mo:1.5-2.5％；Ni:≤0.2％；S:≤0.03％；P:≤0.03％；C:≤0.03％；Si:≤0.4％,余量为铁及不可避免杂质。该高氮钢材料强度高、抗蠕变、疲劳性能好，采用该高氮钢材料制作搅拌头，并对搅拌头进行热处理，使得所制作的搅拌头强度高，使用寿命长，产热稳定，能够满足铝合金等低熔点有色金属对搅拌头性能的要求。
【IPC分类】C22C38/38, C22C30/00, B23P15/00, C22C38/58, B23K20/12, C21D8/00, C22C38/22, C22C38/44
【公开号】CN105436699
【申请号】CN201510991313
【发明人】周琦, 孔见, 王克鸿, 蔡雅君, 孙宏宇, 周春东
【申请人】江苏烁石焊接科技有限公司
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2015年12月25日