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日期：2023/7/12
來源：中國(guó)研磨網(wǎng)
文/鄭州磨料磨具研究所 王光祖
1.引言
隨著現(xiàn)代機(jī)械加工朝著高精度、高速度、硬加工、干加工(無冷卻液)及降低成本等方向發(fā)展，對(duì)磨具性能提出了相當(dāng)高的要求，開發(fā)各種耐磨性能優(yōu)良，能長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行穩(wěn)定加工的超硬磨削材料是必然的發(fā)展趨勢(shì)。
立方氮化方硼(Cubic Boron Nitride,簡(jiǎn)稱CBN)是1957年由美國(guó)通用電氣(GE)公司研制成功的一種新型超硬材料。CBN密度低(2.4-2.6g/cm3)，導(dǎo)熱性好，其導(dǎo)熱性是常用材料Al 2O3的40多倍，是SiC的30多倍;硬度高(HV75-90GPa),僅次于金剛石(HV80-120GPa)，熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性均優(yōu)于金剛石，在大氣中加熱至1000℃時(shí)不發(fā)生氧化，尤其不存在著金剛石制品加工黑色鐵基材料發(fā)生反應(yīng)的局限性，非常適合加工淬硬鋼、高速工具鋼、軸承鋼、不銹鋼、耐熱鋼和體鈦合金等高硬度韌性大的金屬材料，廣泛地應(yīng)用在汽車制造、機(jī)械加工、精密加工、航天航空、新材料等加工領(lǐng)域。尤其是隨著技術(shù)創(chuàng)新，高技術(shù)產(chǎn)品的不斷應(yīng)運(yùn)而生，零件的加工中精度與表面完整性要求越來越高，例如，錄像頭等精密零件的加工精度已提高到0.01μm，激光陀螺平面反射鏡的平面度誤差小于0.01μm,汽車凸輪軸和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)腔的表面粗糙度要求達(dá)到Ra0.005μm-0.01μm。傳統(tǒng)技術(shù)與加工材料，如采用硬質(zhì)合金刀具和Al2O3砂輪磨削進(jìn)行加工，難以滿足生產(chǎn)需要。
CBN超硬材料制品替代傳統(tǒng)硬質(zhì)材料用于生產(chǎn)日趨明顯，而成為新一代超硬材料，被國(guó)際材料界作為金剛石的替代材料。CBN超硬材料的二次加工性能差，限制其應(yīng)用范圍和領(lǐng)域。CBN作為耐磨材料制造各種工具或涂層主要通過CVD、PVD、樹脂、陶瓷、金屬結(jié)合劑及電鍍等等工藝。采用CVD、PVD工藝，沉積時(shí)間長(zhǎng)、生產(chǎn)效率低；采用燒結(jié)工藝，CBN與金屬機(jī)械結(jié)合，CBN易脫落；采用電鍍工藝對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。
2.釬焊工藝參數(shù)
活性元素對(duì)真空度、釬焊溫度和保溫時(shí)間等的要求都非常嚴(yán)格，因此為了保證活性元素的有效發(fā)揮，獲得較佳的釬焊質(zhì)量，合理選擇工藝參數(shù)是非常重要的。
2.1.真空度
真空度包括冷態(tài)真空度和熱態(tài)真空度。
冷態(tài)真空度，是為了防止被釬焊件及爐內(nèi)元件的氧化，避免熱氣流直接通過機(jī)械泵，在加熱之前應(yīng)預(yù)先把爐腔內(nèi)抽到所要求的真空度，冷態(tài)真空度的選擇主要根據(jù)被釬基體材料的性質(zhì)選擇。若選用的母材為45鋼，冷態(tài)真空度為10-2Pa。
熱態(tài)真空度又稱工作真空度，是指從開始加熱到冷卻這段時(shí)間內(nèi)的爐內(nèi)真空度。若釬料中含有蒸氣壓較高的合金元素，為了防止合金元素大量揮發(fā)而污染爐腔，應(yīng)向爐內(nèi)通以惰性氣體，降低熱態(tài)真空度釬焊CBN需要真空度為10-2-10-3Pa，為確保釬料能與CBN發(fā)生了冶金反應(yīng)，應(yīng)采用的熱態(tài)釬焊真空度為10-3Pa。
2.2.加熱速率
CBN與金屬基體的熱膨脹系數(shù)相差較大，在加熱過程中CBN與金屬基體之間易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，最終導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋等缺陷，為了減少鐵缺陷的產(chǎn)生，而采用兩級(jí)加熱的工藝，笫一級(jí)以較大的速率加熱，使加熱爐內(nèi)吸附的水分和氣體在加熱過程中要揮發(fā)，降低真空度，影響焊接質(zhì)量；第二級(jí)以較小的速率加熱，并保持一定的保溫時(shí)間，促進(jìn)釬料對(duì)基體和CBN的充分了潤(rùn)濕和擴(kuò)散，排除釬焊試件的氣體。
2.3.釬焊溫度和保溫時(shí)間
活性元素只有在一定的溫度下才能發(fā)揮活性的作用，因此選擇合適的釬焊溫度是非常重要的。釬焊溫度應(yīng)適當(dāng)高于釬料的熔點(diǎn)頭，以減小液態(tài)釬料的表面張力，改善潤(rùn)濕和填縫，并使釬料與母材能充分相互作用，提高釬焊接頭的強(qiáng)度。因此，通常將釬料溫度選為高于釬料熔點(diǎn)的30-70℃，即可使釬料的流動(dòng)性處于最佳狀態(tài);對(duì)于多元合金釬料，釬焊溫度必須高出液相線約60-120℃，才能使釬料處于最佳的流動(dòng)狀態(tài)。
釬焊保溫時(shí)間主要決定于釬料與母材的相互作用特性。當(dāng)釬料與母材有強(qiáng)烈溶解、生成脆性相，引起晶間滲入等不利傾向的相互作用時(shí)，要盡量縮短釬焊保溫時(shí)間；相反，如通過二者的相互作用能消除釬縫中的脆性相或低熔組織時(shí)，應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)釬焊保溫時(shí)間。一般情況下，在保證填充良好的前提下，釬焊保溫時(shí)間應(yīng)盡可能縮短，以防止母材過熱溶蝕或軟化等不良現(xiàn)象產(chǎn)生。
2.4.冷卻速率與出爐時(shí)間
釬焊試件的冷卻雖是在釬焊保溫結(jié)束之后進(jìn)行的，但它的冷卻速率對(duì)焊接質(zhì)量有很大的影響，過度緩慢的冷卻速度可能引起母材的晶粒長(zhǎng)大，強(qiáng)化相析出或出現(xiàn)殘余奧氏體。加快冷卻速率，卻有利于細(xì)化釬縫組織，減小枝晶偏析，提高釬焊試件的質(zhì)量。但是，過高的冷卻速率，可能因釬焊試件形成過大的熱應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋，或釬縫迅速凝固使氣體來不及逸出形成氣孔。
出爐溫度對(duì)釬焊試件的成型質(zhì)量也有重要的影響。釬焊試件在較高溫度下出爐，會(huì)引起表面氧化，特別是使用風(fēng)扇冷卻時(shí)，組件表面溫度較低，停爐后由于組件內(nèi)部溫度高，會(huì)使整個(gè)焊件溫度回升。
3.釬料的焊接性
CBN材料的電子配位非常穩(wěn)定，要實(shí)現(xiàn)CBN的焊接，液態(tài)釬料必須能夠潤(rùn)濕其表面對(duì)并與之產(chǎn)生冶金反應(yīng)，在其表面形成新的化合物，此化合物具有金屬相結(jié)構(gòu)，能夠被液態(tài)金屬所潤(rùn)濕，由此實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。
釬焊是一種金屬熱連接方法。在釬焊過程中，依靠熔化的釬料或依靠界面之間的擴(kuò)散而形成的液相把金屬連接起來，釬焊溫度低于母材開始熔化的溫度，因此，釬焊是一種母材不熔化，靠熔化的釬料或者液相把母材連接起來的方法。
釬料是一種純金屬或合金，其熔點(diǎn)低于母材。合金往往有一個(gè)熔化區(qū)間，即從固相線溫度到液相線溫度。釬焊溫度可介于固相線和液相線之間，但大部分釬焊是在液相線溫度高幾十度情況下進(jìn)行的，而釬料液相線高于900℃，不用釬劑的釬焊叫高溫釬焊時(shí)，熔化的釬料與固態(tài)母材接觸，液態(tài)釬料必須很好地潤(rùn)濕母材表面才能填滿釬縫。
以物理化學(xué)過程將Ti、Cr、V1年等過渡族碳化物形成元素加入到Cu、Ag、Sn等低熔點(diǎn)合金熔液中，既能使合金熔液很好地潤(rùn)濕立方氮化硼，又能使合金中的某些合金元素與立方氮化硼產(chǎn)生冶金化學(xué)親和作用。由于碳化物形成元素在基體中只占很少的比例，因此不會(huì)對(duì)立方氮化硼產(chǎn)生明顯的浸濕作用。
采用銀基活性釬料釬焊CBN實(shí)現(xiàn)了CBN及其與鋼基體可靠連接。與傳統(tǒng)的電鍍、燒結(jié)技術(shù)比較，銀基活性釬料與CBN的結(jié)合強(qiáng)度顯著提高，但成本高，工作溫度低。
但是，Ag-Cu-Ti系活性釬料釬焊CBN存在的主要問題是：(1)成本較高，接頭強(qiáng)度仍然較低；(2)銀基釬料熔化溫度區(qū)間為680——820℃，制品工作溫度低于500℃，與CBN作為高溫耐磨材料不匹配，致使制品在高溫磨削過程中性能損失嚴(yán)重。多元銅基活性釬料燼熔點(diǎn)適中(860——1000℃)、工藝性能較好、強(qiáng)度較高、成本較低。
為此，王毅等人研制一種適合釬焊立方氮化硼與45鋼異質(zhì)材料的新型的高溫BCu80Ni5SnTi活性釬料。結(jié)果表明，適合釬焊CBN的活性釬料成分為Cu78-81Ni15-6Sn3-5.5Ti10-12(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)，固相線溫度為858.4℃,“液相線說溫度為874.8℃；釬料組織由α-固溶體、Ni固溶體、Cu-Sn共晶及少量CU4Ti3、Cu3Ti2、Cu3Sn、Cu-Sn和Ni17Sn3等化合物組成；該釬料對(duì)CBN的潤(rùn)濕性較好，潤(rùn)濕角為28°-30°，釬焊與45鋼的接頭強(qiáng)度為210-230MPa;新型釬料釬焊冶金特性較好，釬焊摳接頭界面實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。
4.影響界面連接及其微觀結(jié)構(gòu)的因素
4.1.釬料與CBN界面的微觀結(jié)構(gòu)
釬料與CBN的結(jié)合的界面可以分為：突變型、擴(kuò)散性和化合物型。界面沒有化學(xué)反應(yīng)和元素?cái)U(kuò)散時(shí)，即形成突變型界面；在界面處二者存在一定的溶解度時(shí)，則得到擴(kuò)散型面；當(dāng)界面附近相互反應(yīng)形成化合物時(shí)，便形成化合物型界面。從界面結(jié)合強(qiáng)度看，突變型界面最差，化合物型界面最好。
能譜分析證實(shí)，在界面處元素成分呈梯度分布，釬料與CBN發(fā)生作用，形成界面化合物?；钚遭F料中的活性元素Ti在界面區(qū)CBN側(cè)發(fā)生了富集，對(duì)提高釬料與CBN結(jié)合強(qiáng)度是非常有利的。
X射線衍射分析表明，釬焊后釬料與CBN結(jié)合界面主要物相為CBN、TiB2、TiN。排除CBN相，釬料中原有相及其形成的化合物相，界面反應(yīng)產(chǎn)物主要是TiB2和TiN。由此可見，釬料中活性元素Ti與立方氮化硼之間有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，通過反應(yīng)在立方氮化硼表面分解形成新相。
4.2. CBN磨粒與釬料合金釬焊界面顯微組織分層結(jié)構(gòu)
如果可以依靠化合物內(nèi)部結(jié)合鍵使磨粒與釬料層之間成分和結(jié)構(gòu)逐層過渡，那么這對(duì)于降低異種材料釬焊接頭的殘余應(yīng)力和提高其結(jié)合強(qiáng)度將具有顯著的促進(jìn)作用。
為了分析釬焊CBN磨粒表面新生化合物類別及顯微組織分層結(jié)構(gòu)，采用不同種類的腐蝕劑對(duì)磨粒表面不同層化合物進(jìn)行選擇性侵蝕，然后分別對(duì)其進(jìn)行形貌觀察和X射線衍射分析，發(fā)現(xiàn)：磨粒與釬料結(jié)合界面由CBN/TiB2/TiB/TiN/含Ti合金分層過渡結(jié)構(gòu)組成。需特別指出的是，在磨粒與釬料界面顯微組織中，層與層之間并沒有嚴(yán)格界限，而是在一定區(qū)域內(nèi)，存在相鄰層化合物交錯(cuò)分布區(qū)。經(jīng)分析，這種界面分層過渡結(jié)構(gòu)主要有兩方面的優(yōu)勢(shì)。
首先，西磨粒表層的TiN在與磨粒具有強(qiáng)力化學(xué)鍵結(jié)的同時(shí)擴(kuò)大了磨料與金屬釬科料層的結(jié)合面積，中間層網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的TiB可在磨料與釬料間發(fā)揮近似金屬基復(fù)合材料的纖維增強(qiáng)作用，而內(nèi)層緊貼表面生長(zhǎng)的TiB2則對(duì)磨粒提供充足把持力。
其次，隨著B含量的增加，Ti-B化合物中共價(jià)鍵的比例逐漸增加，使共價(jià)健鍵性逐漸增強(qiáng)，而金屬鍵不斷降低。由于TiN具有與Ti金屬相同的結(jié)構(gòu)，屬間隙相，有主要的金屬鍵性，因此，含Ti合金共價(jià)鍵鍵性逐漸減弱，而向金屬鍵轉(zhuǎn)化，這有利于磨粒晶體與合金釬料的逐層化學(xué)鍵過渡。同時(shí)，不同界面化合物層熱膨脹系數(shù)的過渡現(xiàn)象也很明顯。
由此可以看出，結(jié)合界面的新生化合物層有助于減小釬焊CBN內(nèi)部的殘余熱應(yīng)力。由于合金釬料通過界面反應(yīng)層包裹往了CBN磨粒根部，因而阻止磨粒被連根抜出，這反映出界面結(jié)合強(qiáng)度己高于磨粒自身強(qiáng)度，而這正是單層釬焊CBN砂輪具有一系列潛在優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)。5.界面反應(yīng)及化合物生長(zhǎng)機(jī)制分析
一般認(rèn)為，Ag-Cu-Ti釬料能夠用與CBN磨粒實(shí)現(xiàn)潤(rùn)濕，是因?yàn)橐簯B(tài)釬料中Cu和Ag元素存在使金屬Ti處于β相，而β相與B、N等非金屬元素有較強(qiáng)的親和力，使得活性金屬Ti被CBN磨粒表面選擇性吸附，Ti從靠近磨粒表面的液態(tài)Ag-Cu-Ti釬料合金中分離出來，在磨粒與液態(tài)釬料的接觸面上富集，進(jìn)而與CBN表面的B、N元素發(fā)生相互擴(kuò)散和化合，最終生成化合物層。DTA測(cè)試結(jié)果表明，Ti與CBN磨粒在605℃生成TiN,從開始反應(yīng)生成Ti-B化合物由于CBN中B、N兩種元素的摩爾比相同，其生成物可能是TiB2和TiN。
TiN的晶體構(gòu)造為面心立方晶系，屬于NaCl型結(jié)構(gòu)，化合生成的TiN晶體通常呈不規(guī)則顆粒狀。TiB2是B-Ti之間最穩(wěn)定的化合物，屬于六方晶系C32型結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)金屬化合物。隨著界面反應(yīng)時(shí)間的增加，超高頻感應(yīng)連續(xù)釬焊CBN磨粒表面首先生成顆粒狀TiN層，然后在TiN層外圍形成柱狀TiB2層，最終形成CBN/TiN/TiB2/釬料結(jié)構(gòu)。柱狀TIB2進(jìn)入釬料層內(nèi)部，對(duì)CBN磨粒與釬料間的連接起到纖維增強(qiáng)效果，從而有利于提高界面結(jié)合強(qiáng)度。
超高頻感應(yīng)加熱產(chǎn)生的交變磋場(chǎng)對(duì)熔融的釬料具有強(qiáng)烈的電磁攪拌作用，能夠加速原子在CBN磨粒與液態(tài)釬料界面處的擴(kuò)散。因此，在溫度迅速上升至940℃的較短時(shí)間內(nèi)，TiN首先在CBN磨粒表面形核。然而，B原子在液相Ti層的溶解度和擴(kuò)散系數(shù)均稍微大于N原子。TiN生成之后，B原子在電磁場(chǎng)攪拌作用的驅(qū)動(dòng)下，不會(huì)在新生的TiN層附近積累，而是通過新生的TiN層迅速擴(kuò)散出來，與Ti原子化合生成TiB2。由于界面反應(yīng)在較短的時(shí)間內(nèi)結(jié)束。因此界面最終形成CBN/TiN/TiB2/釬料結(jié)構(gòu)，且新生化合物層更薄。
CBN磨粒界面處的新生化合物層是實(shí)現(xiàn)釬料對(duì)磨粒牢固連接的紐帶。然而，新生的Ti-N和Ti-B化合物是脆性相，如果界面新生化合物層較厚，則在磨削過程中磨粒受到?jīng)_擊時(shí)，容易在界面處產(chǎn)生裂紋理，形成斷口。因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中觀察到的新生化合物層形貌，當(dāng)掃描速度不高于0.5mm/s時(shí)，界面化合物的數(shù)量較合適。相對(duì)真空爐中獲得的較厚新生化合物層，超高頻感應(yīng)連續(xù)釬焊工藝在更短的時(shí)間內(nèi)形成了CBN磨粒與Ag-Cu-Ti合金的化學(xué)冶金結(jié)合，且更利于提高磨粒界面處在磨削過程中的抗沖擊能力。
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