用于制作攪拌摩擦焊具的Ni-Si合金及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及摩擦焊具技術領域，具體地說是一種用于制作攪拌摩擦焊具的N1-Si合金及其制備方法。
【背景技術】
[0002]攪拌摩擦焊是一種先進的固相連接方法，在大規格薄板的焊接中具有其他焊接方法不可比擬的優勢。攪拌頭作為攪拌摩擦焊的心臟，其材料是決定攪拌摩擦焊技術能否擴大待焊材料的種類和板厚范圍的關鍵。目前，用于高熔點金屬焊接的攪拌頭材料主要有三種:難熔金屬及其合金、結構陶瓷和金屬間化合物。上述難熔金屬及其合金價格昂貴，陶瓷材料的加工性能極差，坯料尺寸小，導致該兩種材料的適用性差、成本高。而金屬間化合物除具有剛度大、強度高、熱穩定性好等優點外，還具有簡單晶體結構，其韌性容易改善，能制備、加工出尺寸較大的攪拌頭，是一種極有前景的攪拌頭材料。在眾多金屬間化合物中，Ni3Si是結構簡單，高溫強度高、韌性容易改善的金屬間化合物典型，因此，選擇合適的熔煉工藝，提升Ni3Si金屬間化合物的韌性，改善其加工性能，是促進Ni3Si金屬間化合物作為攪拌頭材料應用的關鍵。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是解決上述技術的不足，提供一種兼具優異剛度和韌性、熱穩定性高、易于加工、針對Ni3Si金屬間化合物作為新型攪拌摩擦焊具使用時的特殊要求，開發出一種兼具優異剛度，熱穩定性，易于加工的增韌型Ni3Si金屬間化合物攪拌頭材料，并提供其制備工藝。
[0004]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
一種用于制作攪拌摩擦焊具的N1-Si合金，其特征在于合金組織是Ni基固溶體和Ni3Si構成的共晶組織，所述共晶組織Ni基固溶體和Ni3Si排列形成全片層型組織，所述全片層型組織的排列與其生長方向相平行，以使Ni3Si作為增強相來提供攪拌頭材料所需的剛度和硬度，Ni基固溶體作為韌性相存在，顯著增大了 Ni3Si的韌性，大大提升了加工性能，同時，二者的結合還達到了很高的熱穩定性。
[0005]一種用于制作攪拌摩擦焊具的N1-Si合金的制備方法，其特征在于方法步驟具體為:
第一步:將原材料Ni表面進行打磨，并超聲清洗Ni和Si表面的雜質；
第二步:將打磨后的Ni原材料和Si原材料按照原子百分比為N1-(21-25%)Si配比好的原料放入真空高頻感應爐中熔煉成母合金，預熱金屬模具，將熔煉的母合金通過重力澆注到金屬模具中鑄型，制備母合金鑄錠；
第三步:采用線切割將母合金鑄錠切成長度為50-120mm、截面直徑或面積不等的棒料；
第四步:將棒料用無坩禍區域熔煉技術進行抽拉，制備Ni基固溶體和Ni3Si共晶組織構成的金屬間化合物基自生共晶復合材料試棒，制備完畢，真空冷卻3-5h、充氣，最后取出試棒，由上述步驟制備的試棒的高溫和常溫的耐磨性顯著提高，具有很高的韌性，且加工性能顯著。
[0006]本發明可將所述第二步驟中的母合金鑄錠再反復放入真空高頻感應爐中熔煉至少2次，以利于提高母料成分的均勻性。
[0007]本發明所述第一步驟中的打磨可采用200號水砂紙對99.997%的Ni塊打磨，再用超聲清洗打后的Ni塊和Si棒，以達到快速露出光亮的合金本體的作用。
[0008]本發明所述第二步驟所述的母合金熔煉可采用真空高頻感應熔煉技術，其熔煉功率為23-25kW，熔煉時間為20-25min，然后將純度為99.997%的Ni塊置于Al2O3坩禍、或者CaO坩禍中加熱1550-1650°C熔煉，過熱8-10min，再加入21-25%的純度為99.99%的Si棒，保溫12-15min后，澆入到預熱溫度為200°C _250°C的金屬模具中，制備母合金鑄錠。
[0009]本發明可將所述母合金鑄錠線切割成截面為Φ8-12 mm的圓柱棒料，也可切割成截面為8 X 8-12 X 12_2的方形棒料，以達到適應不同的需求。
[0010]本發明所述第四步驟中的無坩禍區域熔煉技術熔煉時，可采用機械泵和分子泵在功率為90-300W、抽拉速度為5-50mm/h，旋轉速度為l_5r/min，束流為10_30mA的條件下，將真空室抽至I X 10_5_1 X 10_6 τ，來制備N1-Si金屬件化合物基自生共晶復合材料試棒，以達到消除材料的被沾污或者坩鍋與材料的反應，并且，在熔體冷卻時，還能防止柑渦引起的不均勻形核。
[0011]本發明所述共晶組織為排列規整的全片層型組織，所述全片層型組織的排列與其生長方向相平行，通過Ni3Si作為增強相來提供攪拌頭材料所需的剛度和硬度，通過Ni基固溶體作為韌性相存在，顯著增大了 Ni3Si的韌性，大大提升了本合金的加工性能，同時，二者的結合還達到了很高的穩定性。
[0012]本發明的相圖原理為:在相圖中，成分為N1-(23-25%) Si的過共晶成分的N1-Si合金，平衡狀態下的室溫相為單相Ni3Si ;在非平衡條件下，存在偽共晶區，使位于該成分范圍內的組織為偽共晶組織，即Ni基固溶體和Ni3Si組合成的偽共晶，其中Ni3Si作為增強相，提供攪拌頭材料所需的剛度和硬度，Ni基固溶體作為韌性相存在，顯著增大了 Ni3Si的韌性，提升了該合金的加工性能，同時二者結合具有高的穩定性。
[0013]本發明具有以下特點:
一、發明的攪拌頭材料的最終組織中Ni基固溶體的存在，提升了該合金的加工性能；
二、發明的攪拌頭材料具有金屬間化合物的性質，具有高熱穩定性；
三、采用的熔煉技術具有較高的溫度梯度，能獲得單向生長的組織，沿生長方向具有高剛度；
四、熔煉后的組織，沿周向各向同性，可用作攪拌頭的制備。
[0014]采用所述試棒制備的攪拌頭可用于鋼、銅、鈦等高熔點材料的攪拌摩擦焊。
[0015]
【附圖說明】
圖1是本發明的用于制作攪拌摩擦焊具的N1-Si合金的金相圖譜。
[0016]圖2是本發明的相圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本發明進一步說明:
如附圖所示，一種用于制作攪拌摩擦焊具的N1-Si合金，其特征在于合金組織是由Ni基固溶體和Ni3Si共晶組織構成，所述共晶組織Ni基固溶體和Ni3Si排列形成全片層型組織，所述全片層型組織的排列與其生長方向相平行，以使Ni3Si作為增強相來提供攪拌頭材料所需的剛度和硬度，Ni基固溶體作為韌性相存在，顯著增大了 Ni3Si的韌性，大大提升了加工性能，同時，二者的結合還達到了很高的熱穩定性。
[0018]一種用于制作攪拌摩擦焊具的N1-Si合金的制備方法，其特征在于方法步驟具體為:
第一步:將原材料Ni表面進行打磨，并超聲清洗Ni和Si表面的雜質；
第二步:將打磨后的Ni原材料和Si原材料按照原子百分比為N1-(21-25%)Si配比好的原料放入真空高頻感應爐中熔煉成母合金，預熱金屬模具，將熔煉的母合金通過重力澆注到金屬模具中鑄型，制備母合金鑄錠；
第三步:采用線切割將母合金鑄錠切成長度為50-120mm、截面直徑或面積不等的棒料；
第四步:將棒料用無坩禍區域熔煉技術進行抽拉，制備成Ni基固溶體和Ni3Si共晶組織構成的金屬間化合物基自生共晶復合材料試棒，制備完畢，真空冷卻3-5h、充氣，最后取出試棒，由上述步驟制備的試棒的高溫和常溫的耐磨性顯著提高，具有很高的韌性，且加工性能顯著。
[0019]本發明可將所述第二步驟中的母合金鑄錠再反復放入真空高頻感應爐中熔煉至少2次，以利于提高母料成分的均勻性。
[0020]本發明所述第一步驟中的打磨可采用200號水砂紙對99.997%的Ni塊打磨，再用超聲清洗打后的Ni塊和Si棒，以達到快速露出光亮的合金本體的作用。
[0021]本發明所述第二步驟所述的母合金熔煉可采用真空高頻感應熔煉技術，其熔煉功率為23-25kW，熔煉時間為20-25min，然后將純度為99.997%的Ni塊置于Al2O3坩禍中加熱1550-1650°C熔煉，過熱8-10min，再加入21-25%的純度為99.99%的Si棒，保溫12_15min后，澆入到預熱溫度為200°C _250°C的金屬模具中，制備母合金鑄錠。
[0022]本發明可將所述母合金鑄錠線切割成截面為Φ8-12 mm的圓柱棒料，也可切割成截面為8 X 8-12 X 12_2的方形棒料，以達到適應不同的需求。
[0023]本發明所述第四步驟中的無坩禍區域熔煉技術熔煉時，可采用機械泵和分子泵在功率為90-300W、抽拉速度為5-50mm/h，旋轉速度為l_5r/min，束流為10_30mA的條件下，將真空室抽至I X 10_5_1 X 10_6 τ，來制備N1-Si金屬件化合物基自生共晶復合材料試棒，以達到消除材料的被沾污或者坩鍋與材料的反應，并且，在熔體冷卻時，還能防止柑渦引起的不均勻形核。
[0024]本發明所述共晶組織為排列規整的全片層型組織，所述全片層型組織的排列與其生長方向相平行，通過Ni3Si作為增強相來提供攪拌頭材料所需的剛度和硬度，通過Ni基固溶體作為韌性相存在，顯著增大了 Ni3Si的韌性，大大提升了本合金的加工性能，同時，二者的結合還達到了很高的穩定性。
[0025]本發明的相圖原理為:在相圖中，成分為N1-(23-25%) Si的過共晶成分的N1-Si合金，平衡狀態下的室溫相為單相Ni3Si ;在非平衡條件下，存在偽共晶區，使位于該成分范圍內的組織為偽共晶組織，即Ni基固溶體和Ni3Si組合成的偽共晶，其中Ni3Si作為增強相，提供攪拌頭材料所需的剛度和硬度，Ni基固溶體作為韌