一种碳氮化钛基金属陶瓷搅拌头的一次性成型制备方法与流程

本发明属于搅拌摩擦焊和陶瓷材料制备技术领域，具体涉及一种碳氮化钛基金属陶瓷搅拌头的一次性成型制备方法。

背景技术：

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

搅拌摩擦焊是一种新兴的固相连接技术，主要通过搅拌头与被焊工件之间的搅拌生成摩擦热，使被焊金属处于热塑性状态，并在搅拌头的压力作用下从前端向后部塑性流动，从而使待焊件压焊为一个整体。由于搅拌摩擦焊的特殊连接机理，搅拌头成为该焊接技术的核心，直接承受焊接过程的热载、力载及摩擦磨损，因此要求用来制造搅拌头的材料需具有高于被焊材料的熔点、强度、硬度和良好的抗磨损、耐高温特性。高熔点材料在焊接时最高温度可达1000℃以上，当前用于高熔点材料焊接的搅拌头主要以钨基材料和立方氮化硼材料为主，钨基材料价格昂贵，且成型困难，制作成本高。

碳氮化钛基金属陶瓷材料的性能介于陶瓷和硬质合金之间，既保持了较高的硬度、耐磨性及良好的化学稳定性，又具有较高的抗弯强度和断裂韧度，但其阶梯形状复杂结构的搅拌头的成型较为困难，多道工序的制作成本限制了在搅拌摩擦焊领域的应用。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种碳氮化钛基金属陶瓷搅拌头的一次性成型制备方法。采用模压成型、一次烧结的方法制备金属陶瓷搅拌头，通过改进压模方式，解决致密化程度较差的问题，满足加工精度的要求，直接减少搅拌头的二次加工，大大提高搅拌头的生产效率，同时降低制造成本。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

第一方面，一种碳氮化钛基金属陶瓷搅拌头的一次性成型制备方法，所述方法为：

将碳氮化钛(ti(c0.7,n0.3))进行湿磨、干燥处理；

将干燥处理后的ti(c0.7,n0.3)与其它原料混合湿磨、干燥处理；

利用压模装置装压混合粉末；

将压制好的压模进行真空热压烧结；

从冷却后的压模中取料。

作为本发明的一些实施方式，碳氮化钛进行湿磨的球磨球为硬质合金，球磨介质为酒精，湿磨的时间为65-80h。

作为本发明的一些实施方式，碳氮化钛湿磨后干燥处理的条件：温度为100～120℃，干燥后过筛处理，筛的规格为90-110目。

作为本发明的一些实施方式，混合粉末进行湿磨的球磨球为硬质合金，球磨介质为酒精，湿磨的时间为20-25h。

作为本发明的一些实施方式，混合粉末湿磨后干燥处理的条件：温度为100～120℃，干燥后过筛处理，筛的规格为90-110目。本发明通过球磨处理，分别是碳氮化钛和混合粉末的湿磨处理，具有细化粉末的作用，有助于减少搅拌头的气孔数量，提高搅拌头的致密度和耐磨性。

作为本发明的一些实施方式，压模装置包括压头、套筒、施压垫块、模具、成型垫块、普通垫块、托盘，套筒与模具过盈配合，端部平齐，成型垫块是空心的圆环通孔结构，内部空腔与搅拌针的尺寸形状相同，放置在普通垫块的上侧，套筒内部空腔与搅拌头的轴肩部分尺寸形状相同，施压垫块与粉末接触端的中部为凸起结构，该凸起为圆柱型，与成型垫块内部空腔的尺寸形状相同，并在根部设置圆角过渡。

作为本发明的一些实施方式，粉末首先流入成型垫块内的中部空腔，然后填充套筒内部空腔，施压垫块压置在粉末上方，凸起部分完全压入粉末。本发明中成型垫块与施压垫块的配合使腔内的粉末一次压制成搅拌头结构。

作为本发明的一些实施方式，圆角半径为1-1.5mm；优选为1mm。本发明设置的过渡圆角使施压垫块与成型垫块不完全契合，施压垫块凸起部分的根部圆角处到成型垫块的轴向高度比其他部位小，增大搅拌针根部材料的挤压，解决了搅拌针根部收缩严重的问题，同时由于搅拌针根部受压比侧面大，减少了搅拌针侧面与成型垫块中部空腔壁面的粘结，方便取料。

作为本发明的一些实施方式，利用压模装置进行压制成型的具体步骤为：先将套筒装入模具中，过盈配合，端部平齐，依次在套筒内放入普通垫块和成型垫块，加入粉末，首先填充成型垫块内的中部空腔，装满压紧后继续加料，将施压垫块压置在粉末上方，使凸起部分完全压入粉末中，铺平压实，将压模进行真空烧结。本发明的搅拌头制备方法是一次烧结法，通过对压模的改良，使搅拌头的最大尺寸误差小于0.1mm，能满足焊接的使用要求。

作为本发明的一些实施方式，烧结的过程包括：在真空气氛下，升温、施压、保温保压，优选的，升温时间为49min，烧结温度为1475℃，烧结压力为32mpa，保温时间为30min。

作为本发明的一些实施方式，取料过程：首先在成型垫块和普通垫块的接触部分施加垂直于中心轴的径向力，使普通垫块受剪切作用脱落，再夹紧成型垫块，施加绕中心轴的旋转扭矩，使搅拌针与成型垫块脱离。本发明中设置的成型垫块是空心通孔结构，与下层普通垫块接触，取料方便，可以减少搅拌针底面与普通垫块的粘结。

第二方面，一种碳氮化钛基金属陶瓷搅拌头，由以下质量份的原料组成，ti(c0.7,n0.3)88份、mo4份、ni3.2份、co4.8份。

本发明提供了一种解决高熔点材料搅拌摩擦焊用搅拌头磨损严重问题的方法。所选搅拌头材料不与钢、铝发生热化学反应，且具有良好的力学性能：抗弯强度1543.8mpa、维氏硬度15.28gpa和断裂韧度9.10mpa·m^1/2，能够满足搅拌摩擦焊的使用要求。

第三方面，上述碳氮化钛基金属陶瓷搅拌头在焊接领域的应用。

本发明的有益效果：

本发明所设计的压模装置结构合理，处理简单，操作方便，易于脱模、取料，而且便于制造。优化后烧结的搅拌头致密度高、尺寸误差小，施压垫块凸起部分的圆角使其与成型垫块不完全契合，增大搅拌针根部材料的挤压，既使搅拌头致密化程度优良，也解决了搅拌针根部收缩严重的问题，因此所制备搅拌头的最大尺寸误差小于0.1mm，满足搅拌摩擦焊的使用要求。该发明通过将金属陶瓷搅拌头一次烧结成型，可直接省去车削、磨削等工序，大程度地减少生产周期，降低生产成本，同时也可避免车削、磨削等二次加工对搅拌针根部产生的应力集中问题。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为搅拌头结构示意图；

图2为压模装置示意图；

图3为搅拌头尺寸示意图；

图4为实施例1提供的施压垫块与成型垫块示意图；

图5为对比例1提供的施压垫块与成型垫块示意图；

图6为对比例2提供的施压垫块与成型垫块示意图；

其中，1、轴肩，2、搅拌针，3、压头，4、套筒，5、施压垫块，6、粉末，7、模具，8、成型垫块，9、普通垫块，10、托盘，11、圆角。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。下面结合实施例对本发明进一步说明

实施例1

本实施例提供一种制备所述搅拌头的方法，具体步骤为：

将碳氮化钛材料的原始粉末装入聚氨酯球磨筒中，以硬质合金球为球磨球，酒精为球磨介质，封闭后放在滚筒式球磨机上单独湿球磨72小时；将球磨后的碳氮化钛浆料放入真空干燥箱中进行干燥，干燥温度为100～120℃，干燥后过100目筛，将过筛后的粉体封装待用；参见图3，根据设计的搅拌头的尺寸，计算搅拌头的总体积和质量，按质量配比(ti(c0.7,n0.3)88份、mo4份、ni3.2份、co4.8份)将经过球磨后的碳氮化钛粉末与其它金属粉末装入聚氨酯球磨筒中，以硬质合金球为球磨球，酒精为球磨介质，封闭后放在滚筒式球磨机球磨24小时；将球磨后的混合浆料放入真空干燥箱中进行干燥，干燥温度为100～120℃，干燥后过100目筛，将过筛后的粉体封装待用。

参见图2，压模结构包括压头3、套筒4、施压垫块5、模具7、成型垫块8、普通垫块9和托盘10，先将套筒4装入模具7中，过盈配合，端部平齐，依次在套筒4内放入普通垫块9和成型垫块8，加入粉末6，首先填充成型垫块6内的中部空腔，装满压紧后继续加料，将施压垫块5压置在粉末6上方，使凸起部分完全压入粉末6中，铺平压实，将压模放入烧结炉中。在真空气氛下，用49min升至1475℃，在此温度下施加压力32mpa、保温30min；保温结束后，随炉腔内水冷到200℃，再随炉空冷到室温。取料时，首先在成型垫块8和普通垫块9的接触部位施加剪切力，使普通垫块9脱落，再施加绕成型垫块8的旋转扭矩，使成型垫块8从搅拌头脱离，得到的搅拌头如图1所示，包括轴肩1和搅拌针2。

本实施例采用凸型圆角垫块作为施压垫块5，与成型垫块8不完全配合，参见图4，圆角11的半径分别取1.0mm、1.2mm、1.5mm，烧结冷却后，测量实际尺寸，参见实施例1参数附表，所烧搅拌头的最大尺寸误差小于1mm，制得所述搅拌摩擦焊用搅拌头成品。

实施例1参数附表

对比例1

本实施例提供一种制备所述搅拌头的方法，具体步骤与实施例1中的步骤大致相同，不同之处在于所述压模成型步骤中，本实施例采用平型垫块作为施压垫块5，参见图5，烧结冷却后，测量搅拌针的实际尺寸：直径4.88mm、长4.23mm，搅拌针的理论尺寸：直径6.00mm、长6.00mm，搅拌头最大尺寸误差大于1.7mm，在轴向和径向均收缩严重。

对比例2

本实施例提供一种制备所述搅拌头的方法，具体步骤与实施例1中的步骤大致相同，不同之处在于所述压模成型步骤中，本实施例采用凸型直角垫块作为施压垫块5，与成型垫块8完全配合，参见图6，烧结冷却后，搅拌针与成型垫块8粘结严重，取料困难。

本发明的制备方法使搅拌头一次烧结成型，可直接省去车削、磨削等工序，避免了搅拌针根部的应力集中问题，所烧的搅拌头具有良好的使用性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。