高先哲， 肖 冰， 管海軍， 肖 博

(南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院， 南京 210016)

釬焊金剛石工具是以金剛石為磨粒、釬料為結(jié)合劑，采用高溫釬焊工藝將金剛石磨粒通過釬料牢固結(jié)合在基體上制作成的各種工具[1-2]。釬料是釬焊金剛石工具的重要組成部分，釬料對工具的性能有著決定性影響?，F(xiàn)階段使用的釬料主要有Ni-Cr釬料[3-4]、Cu-Sn-Ti釬料[5-6]和Ag基釬料[7-8]。以上3種釬料各有其優(yōu)缺點及應(yīng)用范圍，對釬料的優(yōu)化及改性一直是釬料的研究重點[9]。

Cu-Sn-Ti釬料具有熔點適中(約900 ℃)、成本低、力學(xué)性能好等優(yōu)點，因此得到越來越廣泛的應(yīng)用。作者在使用Cu-Sn-Ti釬料的過程中發(fā)現(xiàn)有以下缺點：(1)由于釬料硬度較低、浸潤性優(yōu)異，導(dǎo)致磨粒出露不理想且刃口易被釬料包覆；(2)釬料在高溫下結(jié)合強度低，工作時釬焊層易從基體上剝離，剝離處的基體表面存在合金薄層。

基于以上原因，作者選擇Cu-Sn-Ti預(yù)合金釬料，并添加Fe、Al、Si[10]元素進行改性研究，以期在保證釬料對金剛石良好釬焊性能的同時改善釬料的力學(xué)和物理性能，使釬料具有合適的熔點和流淌性，并利于金剛石的出刃。通過剪切強度測量、基體界面分析、釬焊形貌分析和金剛石界面分析對釬料性能進行綜合評價，為Cu-Sn-Ti合金釬料的改性提供理論依據(jù)。

1 實驗設(shè)計

1.1 釬料及樣件制作

選用霧化法制備的粒徑為75 μm的Cu-20Sn-10Ti預(yù)合金粉末及粒度尺寸74 μm的Fe、Al、Si粉末，通過雙運動混料機制作預(yù)混合釬料。圖1為預(yù)混合釬料SEM背散射圖。從圖1可以看出：預(yù)混合釬料各組分分散均勻，其中亮色球狀顆粒為Cu-Sn-Ti預(yù)合金釬料，暗色顆粒為改性元素。

圖1 預(yù)混合釬料SEM背散射圖

為了分析釬料的力學(xué)性能及釬料與基體的結(jié)合強度，制作如圖2所示的剪切樣件。基體為15 mm×10 mm×2 mm的45#鋼，釬料層厚度約1 mm。

圖2 剪切樣件示意圖

選用剪切實驗優(yōu)選后的釬料、40/45金剛石和45#鋼基體制作圖3所示的釬焊金剛石樣件，分析釬料對金剛石的釬焊性能。

圖3 釬焊金剛石樣件示意圖

樣件均采用高溫真空釬焊爐制作，釬焊溫度為960 ℃，保溫時間為15 min，真空度為10-2Pa。

1.2 剪切實驗

采用兼有上下界約束的極端頂點混料設(shè)計方法確定釬料組分并對其編號。釬料組分的約束條件如表1所示。共找到8個極端頂點、8個邊界重心、1個總體重心，其編號及因素水平如表2所示。每種釬料制備3個剪切樣件，用MTS LANDMARK 793電液伺服萬能材料實驗機進行剪切應(yīng)力測量，對3個測量數(shù)據(jù)取平均值填入表2的剪切力τ1欄。

表1 各組分質(zhì)量分數(shù)范圍

表2 極端頂點設(shè)計方案及結(jié)果

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 剪切實驗結(jié)果分析

觀察釬焊后的剪切樣件發(fā)現(xiàn)：1號與3號發(fā)生釬料流淌現(xiàn)象(如圖4)，其他樣件均未發(fā)生釬料流淌現(xiàn)象。這表明：單獨添加Al元素不會改變釬料的流淌性，添加Fe、Si元素均能降低釬料流淌性。所有剪切樣件的斷裂面均發(fā)生在釬料層內(nèi)部，表明釬料與基體的結(jié)合強度均大于對應(yīng)的釬料自身強度。

圖4 1號(左)和3(右)剪切樣件焊后形貌圖

通過對剪切力的對比分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)Cu基釬料的質(zhì)量分數(shù)低于95%時，預(yù)混合釬料的強度會明顯降低，每種改性元素的添加質(zhì)量分數(shù)應(yīng)不大于2%；添加Si元素會明顯降低釬料的剪切強度，對比1號和4號的數(shù)據(jù)可知：當(dāng)Si元素質(zhì)量分數(shù)為5%時，剪切強度比純Cu-Sn-Ti降低了90.5%；添加Al元素會降低釬料強度，且單獨添加質(zhì)量分數(shù)5%的Al的3號剪切樣件的斷裂強度低于1號，原因是Al的熔點低、密度小，在釬焊過程中首先熔化并移動到釬料上層；添加少量Fe元素對釬料的強度影響不大，添加質(zhì)量分數(shù)5%的Fe時，強度下降了11.3%；同時，添加了質(zhì)量分數(shù)2.5%的Fe、2.5%的Al的15號與1號的強度大致相同。

圖5為1號剪切樣件的斷面形貌。從圖5中可以看出：斷裂面有塑性變形產(chǎn)生，這是因為Cu-Sn-Ti釬料偏軟造成的；Cu-Sn-Ti釬料的流淌性極好，導(dǎo)致斷裂面有氣孔產(chǎn)生。添加質(zhì)量分數(shù)1.7%的Fe、1.7%的Al、1.7%的Si的9號剪切樣件的剪切強度與1號相比略有降低但斷裂面整齊，無氣孔和空隙，且有樹枝狀脆硬相產(chǎn)生(如圖6所示)，說明釬料的過度流淌和偏軟現(xiàn)象得到改善。

圖5 1號剪切樣件斷裂面形貌圖

圖6 9號剪切樣件斷裂面形貌圖

2.2 釬料與基體結(jié)合面分析

選擇剪切強度較高的1號、9號、15號剪切樣件對釬料與基體的結(jié)合面進行SEM和EDS分析，結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7為1號釬料與基體的界面形貌圖和線掃描圖。由圖7a可以看出：基體與1號釬料(Cu-Sn-Ti)的結(jié)合處存在元素擴散后形成的微區(qū)結(jié)構(gòu)，界面結(jié)合處無明顯缺陷，釬料層的組織致密且均勻。從圖7b線掃描圖可以看出：Fe、Cu、Sn在界面區(qū)的濃度存在梯度降低現(xiàn)象，Ti元素由釬料層向界面富集，這證明釬料與基體中的元素存在相互擴散，形成了冶金結(jié)合。當(dāng)Ti向界面處富集時，靠近界面處的釬料會形成連續(xù)的Cu-Sn合金層，銅錫合金的熔點及強度低，在高溫下易軟化。這一現(xiàn)象可以解釋Cu-Sn-Ti釬料制作的工具容易發(fā)生釬焊層從基體上脫落的現(xiàn)象。

(a)界面微觀形貌圖(b)界面線掃描圖圖7 1號釬料與基體的界面形貌圖和線掃描圖

圖8為9號釬料(Cu-Sn-Ti添加質(zhì)量分數(shù)1.7%的Fe、1.7%的Al、1.7%的Si)與基體結(jié)合處的形貌圖和線掃描圖。從圖8a中可以看出：釬料與基體存在元素相互擴散現(xiàn)象，且由于改性元素的存在使釬料層存在復(fù)雜的微區(qū)結(jié)構(gòu)。相比于15號剪切樣件，9號的釬料層組織更為致密和細小，無空隙現(xiàn)象。原因是Si元素的存在使釬料的整體線膨脹系數(shù)變低，釬料冷卻凝固過程中形成的組織更為致密。分析線掃描圖(圖8b)可知：除界面區(qū)的擴散現(xiàn)象外，釬料層中出現(xiàn)了Fe、Ti富集，Cu、Sn富集和Fe、Ti、Si富集現(xiàn)象。雖然在線掃描圖中A、B區(qū)域元素富集不同，但考慮到線掃描寬度極窄且釬料中的組分是均勻分散的，因此可以認為這3種富集在釬料層中的元素是相對均勻存在的。由Fe-Si-Ti合金相圖[11]可知：3種元素中的任意2種都能形成新的合金，但所需溫度均高于釬焊溫度，因此元素富集區(qū)的物質(zhì)可能為固溶體結(jié)構(gòu)。非金屬元素Si與Fe、Ti元素形成的合金和固溶體為脆硬相，9號釬料制作的剪切樣件的斷裂面可看到顆粒較大晶粒，晶粒邊界為斷裂的硬脆相，這會使釬料強度降低但利于金剛石的出刃。

(a)界面微觀形貌圖(b)界面線掃描圖圖8 9號釬料與基體的界面形貌圖和線掃描圖

圖9為15號釬料與基體的界面形貌圖和線掃描圖。從圖9a可以看出：15號釬料(Cu基釬料添加質(zhì)量分數(shù)2.5%的Fe、2.5%的Al)與基體結(jié)合處存在元素擴散現(xiàn)象，但釬料層中出現(xiàn)了明顯的氣孔缺陷且釬料層的組織寬大，線掃描圖中釬料層Cu-Sn富集區(qū)長度較大也可以證明這一點。

(a)界面微觀形貌圖(b)界面線掃描圖圖9 15號釬料與基體的界面形貌圖和線掃描圖

2.3 釬焊金剛石樣片分析

基于以上分析，選擇1號、2號、9號釬料制作圖4所示的釬焊金剛石樣件。分析焊后形貌發(fā)現(xiàn)：1號與9號的金剛石出露高度相似(約為1/2)；2號樣片的出露高度較差，僅磨粒頂部出露；2號與9號樣片金剛石的出露部分未黏附釬料，說明改性元素使Cu-Sn-Ti的浸潤性下降，利于磨粒出刃但并不會影響釬料與金剛石的結(jié)合。

圖10為1號釬料焊后金剛石形貌圖及表面生成物能譜分析圖。從圖10a可以看出：1號釬料(Cu-Sn-Ti)釬焊后的金剛石表面形貌完整、棱角分明、表面無刻蝕和裂紋缺陷。由文獻可知：釬料中的活性元素Ti能與金剛石反應(yīng)生成TiC[12-13]，TiC能被強酸腐蝕掉。對圖10a方框內(nèi)的表面生成物進行能譜分析發(fā)現(xiàn)：主要成分為C和Ti元素(如圖10b)，可以證明釬焊過程中金剛石界面生成了TiC。

(a)金剛石形貌圖(b)EDS圖圖10 1號釬料釬焊后金剛石形貌圖及EDS圖

圖11為2號釬料釬焊后金剛石形貌及能譜分析圖。從圖11a可以看出：2號釬料(Cu-Sn-Ti添加質(zhì)量分數(shù)5%的Fe)釬焊后的金剛石顆粒整體完好，但存在刻蝕面。從圖11b可以看出刻蝕面上有微小凹坑，說明釬料對金剛石產(chǎn)生了輕度刻蝕。界面處同樣有島狀TiC生成[12]，其腐蝕后的形貌圖如圖11c。由圖11d的能譜圖可以證實TiC的存在，F(xiàn)e元素的存在則證明了Fe、Ti元素富集，及Fe對金剛石產(chǎn)生刻蝕。

(a)金剛石微觀形貌圖(b)刻蝕面放大圖(c)界面生成物放大圖(d)能譜分析圖圖11 2號釬料釬焊后金剛石形貌圖及能譜分析

圖12為2號釬料釬焊后的金剛石的表層拉曼圖。從圖12可以看出：在1 331.13 cm-1處的Raman峰為sp3雜化的金剛石特征峰；在1 355.15 cm-1處的Raman峰為石墨的芳香構(gòu)型層平面上C-C間的振動峰，使得沒有活性的聲子獲得了Raman活性；1 585.05 cm-1處的Raman峰為石墨的特征峰[14]。石墨峰的強度大于金剛石峰的強度，說明金剛石在Fe元素的刻蝕下發(fā)生了石墨化。

圖12 2號釬料釬焊后金剛石的表層拉曼光譜

圖13為9號釬料釬焊后金剛石形貌圖。從圖13a可看出：9號釬料釬焊后的金剛石形貌近乎完好，表面有樹枝狀結(jié)構(gòu)而無刻蝕。放大觀察發(fā)現(xiàn)樹枝狀結(jié)構(gòu)為未被腐蝕的致密TiC結(jié)構(gòu)(圖13b)?？赡艿脑蚴氢F料中的Fe、Ti、Si元素在金剛石表面富集，形成樹枝狀組織，且該組織處的Fe、Ti、Si元素含量較高；同時Fe元素對金剛石的刻蝕和Si元素對金剛石的親和作用使該處的C元素含量也較高，因此在釬焊過程中生成了更為致密的TiC結(jié)構(gòu)。

(a)金剛石微觀形貌圖(b)樹枝狀結(jié)構(gòu)放大圖圖13 9號釬料釬焊后金剛石形貌圖

圖14為9號釬料釬焊后的金剛石的表層拉曼圖。從圖14可以看出：石墨的特征峰極其微弱，考慮到高溫下金剛石的熱損傷，認為金剛石未明顯石墨化。

圖14 9號釬料釬焊后金剛石的表層拉曼光譜

3 結(jié)論

(1)當(dāng)Cu-Sn-Ti預(yù)合金釬料的質(zhì)量分數(shù)低于95%時，預(yù)混合釬料的自身強度明顯降低，且單種添加元素的質(zhì)量分數(shù)應(yīng)控制在2%以內(nèi)。含質(zhì)量分數(shù)5%Fe的釬料對金剛石產(chǎn)生輕微刻蝕，使其表面石墨化。

(2)釬料中的Ti元素向基體界面處擴散形成Fe-Ti富集層。純Cu-Sn-Ti釬料會在靠近基體界面處形成Cu-Sn合金層，這會導(dǎo)致在加工過程中工具上的釬焊層從該處剝離。

(3)Cu-Sn-Ti預(yù)合金釬料添加質(zhì)量分數(shù)1.7%的Fe、1.7%的Al、1.7%的Si制作的預(yù)混合釬料綜合性能較好：釬料能與基體形成牢固連接；釬料自身剪切強度比Cu-Sn-Ti略低，但流淌性適宜，釬焊后的釬料層有硬脆相生成，利于金剛石的出刃，可用于多層釬焊金剛石工具的制作；對金剛石無明顯刻蝕現(xiàn)象且能在金剛石表面形成樹枝狀的致密TiC層。

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