王光祖，張相法，位 星，王永凱，王大鵬

(1.鄭州磨料磨具磨削研究所，河南 鄭州 450001;2.鄭州中南杰特超硬材料有限公司，河南 鄭州 450001)

1 引言

立方氮化硼(cBN)超硬磨料具有“三高一好”(硬度、熱穩(wěn)定性和化學惰性高、導熱性好)的優(yōu)點，因而由該種磨粒制作的各型固結砂輪在鎳基高溫合金、鈦合金等難加工材料的磨削加工中得到了應用。但是cBN超硬材料表現(xiàn)出非常穩(wěn)定的電子配位，很難被熔化的液態(tài)金屬所潤濕，一般焊接材料很難實現(xiàn)cBN與金屬的連接，目前cBN制品和超硬耐磨涂層多采用燒結或電鍍工藝制作，制品在使用過程中磨粒極易脫落，降低了其有效使用壽命[1-3]。為了充分發(fā)揮立方氮化硼磨粒的超強耐磨性，開發(fā)新型單層釬焊cBN砂輪，期望借磨粒、釬料、基體之間的化學和冶金結合實現(xiàn)對磨粒的牢固把持，從而滿足高效重負荷磨削加工對砂輪的要求，采用釬焊技術連接cBN與金屬制造cBN制品成為焊接界研究的熱點之一[4-6]。

國外關于cBN超硬材料釬焊技術研究的最初報道是在1997年，白俄羅斯學者Igor L Pobol等[7]采用真空釬焊技術，使用Cu基釬料釬焊cBN，作者發(fā)現(xiàn)Cu基釬料對cBN材料表現(xiàn)出良好的潤濕性，Cu基釬料對cBN之間的潤濕角可達11°～35°。2001年Jan.Felba等[8]使用Ag基釬料在1123～1323℃下將cBN釬焊到碳化鎢的表面上，發(fā)現(xiàn)Ag基合金釬料可以較好的潤濕cBN。

國內(nèi)關于采用釬焊技術制備cBN制品的研究發(fā)展比較晚，2002年肖冰等[9]使用Ag-Cu-Ti合金釬料和真空釬焊方法制備了cBN砂輪，實驗發(fā)現(xiàn)Ag-Cu-Ti合金釬料可以較好地潤濕cBN超硬材料。2004年丁文峰等[10]針對肖冰等人制備的cBN砂輪進行了界面微結構分析。2005年王乾等[11]對釬焊制備cBN砂輪的工藝及性能進行了初步的探索。2010年DING等[12]利用Ag-Cu-Ti釬料對鋼基體進行釬焊，得到的cBN磨粒的強度損失可以避免，且磨粒的磨削性能相對穩(wěn)定。

釬焊cBN技術采用的釬料合金基礎材料主要為Ag和Cu金屬，這主要是cBN顆粒耐高溫程度決定的，為了提升釬料的釬焊效果，多采用添加活性元素提高釬料的潤濕性進而達到釬焊效果[5]。本文針對國內(nèi)外關于Ag基和Cu基釬料的焊接性、釬料狀態(tài)、添加活性元素提升的釬焊效果以及釬焊條件設定的發(fā)展情況進行概述。

2 不同影響因素對cBN的焊接性影響

2.1 Ag基和Cu基釬料合金基礎對cBN的焊接性影響

cBN是以硼、氮原子沿四面體雜化軌道形成的共價鍵結合，電子配位非常穩(wěn)定，很難被熔化的液態(tài)金屬所潤濕，一般焊接材料很難實現(xiàn)cBN與其他金屬的連接。要使cBN表面被金屬鍵的液態(tài)釬料所潤濕，在釬料與cBN之間必須要有化學反應發(fā)生，通過反應在cBN表面分解形成新相，產(chǎn)生化學吸附，才能形成強的界面結合。提高溫度能夠促進釬焊在一定程度上促進釬焊效果，但是釬焊溫度過高，會導致cBN顆粒的晶型、抗沖擊強度受到影響。

由于釬焊溫度的限制，常用釬料合金基礎主要為Ag基釬料和Cu基釬料。Ag基釬料較常用于釬焊陶瓷、金剛石、立方氮化硼，常見的Ag基釬料有Ag-Cu-Ti、Ag-Cu-Ti-Sn等。通過在Ag基釬料中加入活性元素，可以提高釬料的活性，促進釬料與cBN之間的化學反應，提高釬焊效果，如圖1所示[9]。

圖1 Ag-Cu-Ti釬焊cBN后的表面形貌[9]Fig.1 Surface morphology of Ag-Cu-Ti brazing cBN

采用Ag基釬料釬焊的接頭，當工作溫度低于300℃時，抗拉強度可達400MPa，而當工作溫度高于300℃時，接頭強度急劇下降，僅約140MPa左右。因此，采用Ag基活性釬料不能完全滿足cBN作為高溫耐磨材料的要求。同時，Ag基釬料價格較昂貴，導致制品的成本較高。而Cu作為釬料合金基礎成分，具有熔點適中、成本低、力學性能好等特點，可以配合其他元素的金屬粉混合后制備釬料，能夠彌補Ag基釬料釬焊中的不足，常見的Cu基釬料有Cu-Sn-Ti、Cu-Ni-Sn-Ti等[13-14]。

2.2 釬料狀態(tài)對cBN的焊接性影響

釬料狀態(tài)主要分為粉末狀釬料和熔煉后的釬料。制備釬料采用的方法主要有將不同的金屬粉末按照設計的比例進行球磨混合，混合均勻后將混合粉末作為釬料；也可以將混合均勻的粉末釬料在高真空釬焊爐中進行熔煉。

采用活性釬料釬焊cBN的關鍵問題是保證活性元素的活性和對活性元素的保護，只有活性元素與cBN在界面處形成類金屬化合物，才能實現(xiàn)液態(tài)釬料與cBN連接。添加Ti元素的活性釬料經(jīng)過熔煉之后，較粉末狀釬料的焊接性會有明顯降低，焊接試件結構疏松，對cBN的把持力較低。這主要是因為釬料熔煉的高溫過程中，釬料中的Ti會與Ag、Cu元素發(fā)生冶金反應，形成新的金屬間化合物，主要物相為α-Ag、α-Cu、TiAg、CuTi3等，化合后的Ti元素很難向cBN表面偏聚與cBN反應生成反應層；另一方面，高溫過程中Ti元素極易發(fā)生氧化反應，生成致密的TiO2，阻礙釬料對cBN的潤濕，而且Ti元素氧化后不能再釬焊過程中起到活性元素的作用。而粉末釬料中Ti金屬粉末為單質(zhì)形態(tài)，能夠很好地與cBN發(fā)生化學反應，從而達到較好的釬焊效果[13]。

2.3 釬料成分對cBN的焊接性影響

調(diào)整釬料中活性元素的配比，對活性釬料的焊接性有著直接影響。如通過向釬料中添加適量的Sn元素能夠降低釬料的熔點、增加流動性[6]；添加活性元素Ti元素能夠增加釬料對聚晶中陶瓷相、cBN的潤濕性，提高釬料的高溫性能[9]。

例如對于Ag-Cu-Ti8、Ag-Cu-Ti8-Sn1和Ag-Cu-Ti8-Sn2三種活性釬料，通過調(diào)整Sn元素的添加量，可以發(fā)現(xiàn)Ag-Cu-Ti8的潤濕面積為54.6mm2，Ag-Cu-Ti8-Sn1的潤濕面積為61.3mm2，Ag-Cu-Ti8-Sn2的潤濕面積為72.9mm2，顯然Sn能夠提高Ag-Cu-Ti活性釬料的潤濕性，且當Ag-Cu-Ti活性釬料中添加Sn元素以后，釬焊試件基體表面的潤濕環(huán)消失，如圖2所示[13]。

圖2 不同添加Sn元素的釬焊效果[13]Fig.2 Brazing effect of different additions of Sn element

含有活性元素Ti元素的Cu-Ni-Sn-Ti釬料對cBN和基體鋼都具有較好的潤濕性能。測試發(fā)現(xiàn)，隨著釬料中Ti含量的提高，潤濕角不斷降低，如圖3所示。隨著Ti元素質(zhì)量分數(shù)的增加，潤濕角逐步減小，當Ti元素質(zhì)量分數(shù)在10%時，潤濕角小于20度，這是因為高溫活性釬料中Ti能與cBN反應，在界面形成新相，降低釬料與cBN界面的表面能，Ti含量越高反應越充分，從而提高CuNiSnTi活性釬料對cBN的潤濕性。但是隨著Sn、Ti元素含量的增多，釬料的韌性降低而脆性提高，易形成成分偏析，因此應該控制Sn、Ti等活性元素的比例[15]。

圖3 Ti含量對潤濕角的影響[15]Fig.3 Effect of Ti content on wetting angle

2.4 真空度對cBN的焊接性影響

在釬焊過程中，合適范圍內(nèi)的真空度對提高釬焊效果有著重要作用。一方面，當真空度較低時，釬料中的金屬在高溫作用下極易與氧氣發(fā)生氧化反應，降低活性元素的活性，另外，釬料中的活性元素Ti元素極易氧化生成穩(wěn)定致密的氧化膜TiO2，阻礙釬料對cBN的潤濕，同樣降低釬料的釬焊效果；另一方面，當真空度過高時，會導致釬料中Ag、Cu元素的大量揮發(fā)，由于釬料中金屬元素的大量揮發(fā)，從而改變了釬料的化學成分，導致釬焊試件表面和內(nèi)部出現(xiàn)空穴和釬焊不徹底等缺陷[13]。

采用Ag基釬料進行釬焊，在釬焊溫度為940～950℃、釬焊時間為20min的釬焊條件，當真空度低于8.9×10-3Pa時，釬料對cBN的潤濕性較差，釬焊試件呈灰色，當真空度在(3.4～8.9)×10-3Pa之間，釬焊試件表面呈現(xiàn)金黃色，cBN涂層結構緊密，cBN顆粒分布勻稱，如圖4所示。當真空度超過3.4×10-3Pa時，釬焊效果呈現(xiàn)下降趨勢[13]。在釬焊實驗結束后[13]，該實驗在加熱爐內(nèi)的加熱片和爐膛內(nèi)發(fā)現(xiàn)了沉積的Ag、Cu元素也證實了真空度過高能夠?qū)е骡F料中金屬元素的加速揮發(fā)。

對于采用Cu-Sn-Ti金屬粉末制備的活性釬料，在釬焊溫度為970℃、保溫時間為3～5min條件下，當真空度為10-3Pa時，也可以將釬料充分熔化，達到較好的釬焊效果[16]。

也有采用Ag-Cu-Ti金屬粉末作為活性釬料，當釬焊溫度為920～980℃、釬焊時間為20min時，在真空度為(1.9～6.9)×10-3Pa的條件下可以進行釬焊，實驗表示當真空度達不到10-2Pa時，將很難進行釬焊[17]。

圖4 真空度對焊接性的影響[13]Fig.4 Effect of different vacuum degrees on weldability[13]a：P<8.9×10-3Pa，b：3.4×10-3～8.9×10-3Pa

2.5 釬焊溫度對cBN的焊接性影響

在釬焊過程中，通過一定溫度，才能促使釬料在cBN表面形成新相，產(chǎn)生化學吸附。當溫度過低時，釬料金屬呈現(xiàn)固態(tài)或者液態(tài)釬料表面張力過高，導致化學冶金結合反應難以進行。隨著釬料溫度的升高，液態(tài)釬料的表面張力和液態(tài)釬料與cBN的界面張力逐漸下降，液態(tài)釬料的流動性、潤濕性不斷增強，潤濕角不斷減小，促使釬料中的Ti原子和cBN中的B、N原子在界面處發(fā)生反應就越完全，界面反應層的厚度和均勻程度會越高，釬焊后基體對cBN顆粒的把持力越高，如圖5所示為CuNiSnTi活性釬料對cBN的潤濕性隨溫度變化的曲線，從圖中可以看出，潤濕角隨著溫度的升高在逐漸降低[13]。但是，當釬焊溫度過高時，會導致釬料的粘度下降，造成釬料流散現(xiàn)象，同時釬料對金屬基體的溶蝕家中，金屬基體的晶粒在高溫下也會長大；另一方面，溫度過高時，真空爐內(nèi)加熱片等吸附的氣體會膨脹揮發(fā)，導致真空度下降，影響釬焊效果[18]。

圖5 溫度對潤濕角的影響[13]Fig.5 Effect of temperature on wetting angle[13]

采用Ag基釬料進行釬焊，當釬焊溫度為940～950℃之間時，釬焊試件的表面呈金黃色，涂層結合致密。當釬焊溫度低于940℃或高于950℃時，釬焊試件的成型差，結合強度低[17]。

當使用Cu-Ni-Ti5和Cu-Ti10兩種活性釬料進行釬焊試驗，當釬焊保溫時間為20min，釬焊溫度低于1050℃或高于1100℃時，釬焊試樣表面呈現(xiàn)黑褐色，結構疏散，焊接不牢固，溫度在1050～1100℃時，釬焊試樣呈現(xiàn)土黃色，涂層結構緊密，如表1所示[13]。

表1 釬焊溫度對焊接性的影響(T/℃)[13]

2.6 保溫時間對cBN的焊接性影響

在合適的溫度條件下，保溫時間過長或者過短均不利于cBN的焊接，當保溫時間過短時，釬料融化不充分，液態(tài)釬料的流動性和潤濕性較差，不能獲得良好的焊接質(zhì)量；但是釬焊試件過長時，不僅提高生產(chǎn)成本，還會導致釬料流失，降低釬焊質(zhì)量。

表2是Ag-Cu-Ti釬料在釬焊溫度為950℃，保溫時間對cBN焊接性的影響規(guī)律[17]。由表2可見，在使用Ag-Cu-Ti釬料在釬焊溫度為950℃的條件下，保溫時間在20min時焊件成型好，結合強度高，保溫時間過長或過短均不利于cBN的焊接[17]。

表2 保溫時間對焊接性的影響(t/min) [17]

2.7 釬焊立方氮化硼的微觀結構

采用掃描電子顯微鏡對釬焊試件進行觀察發(fā)現(xiàn)，當釬焊效果較好時，cBN顆粒被釬料完全包裹，表明液態(tài)釬料對cBN進行了完全潤濕，釬料與cBN在界面結合處生成了Ti的B化物或N化物。

采用Cu-Ni-Ti釬料，釬焊溫度為970℃，保溫時間為5min時，對cBN磨料進行釬焊，釬焊后cBN磨粒的形貌如圖6所示。

圖6 釬焊cBN磨料形貌[16]Fig.6 Morphology of brazing CBN abrasive[16]

由圖6可以看出釬料充分熔化，且釬焊效果較好，cBN與釬料界面交界處有白色顆粒狀化合物產(chǎn)生。通過對cBN顆粒界面進行EDS分析，結果顯示Ti元素的質(zhì)量分數(shù)明顯高于釬料中Ti元素的質(zhì)量分數(shù)，說明釬焊過程中Ti元素在基體、cBN表面均有富集，Ti與cBN、鋼基體均有界面反應，并在界面處形成多種化合物[16]。

對于采用Ag-Cu-Ti10釬料焊接的試樣，通過掃描電鏡高倍下觀察Ag-Cu-Ti10釬料與cBN的做微觀結構如圖7顯示，cBN顆粒被釬料完全包裹，表明液態(tài)釬料對cBN完全潤濕，釬料與cBN在結合界面處形成了一定厚度的反應層[13,17]。能譜分析證實，在界面處元素呈梯度分布，活性Ti發(fā)生了明顯富集，在靠近cBN一側的界面區(qū)Ti元素有較高的濃度分布，達到了19.70%，高于Ag-Cu-Ti10活性釬料中Ti元素的含量。Ti元素從釬料中分離出來并在cBN界面富集形成富Ti層，Ti與cBN相互作用形成冶金結合層。隨著釬焊溫度的提高，活性釬料與cBN的作用量增大，反應層變寬。Ag-Cu-Ti10釬料與cBN這種界面冶金結合，對提高Ag-Cu-Ti10釬料與cBN界面結合強度非常有利[13]。

圖7 采用Ag-Cu-Ti10釬焊cBN界面微觀結構[17]Fig.7 Microstructure of CBN interface brazed with Ag-Cu-Ti10[17]

如圖8所示[17]，通過X-射線衍射分析，發(fā)現(xiàn)其主要物相為cBN、TiB2、TiN、TiAg和CuTi3，在排除原有相cBN和釬料中的金屬間化合物TiAg和CuTi3，證實界面反應產(chǎn)物主要是TiB2和TiN。

圖8 釬焊后cBN的X射線衍射分析曲線[17]Fig.8 X-ray diffraction analysis curve diagram of CBN after brazing[17]

由熱力學的反映規(guī)律可知，當活性釬料在對cBN進行釬焊的過程中，Ti的B化物或N化物的標準摩爾自由能要遠低于cBN生成的標準摩爾自由能，說明在釬焊溫度范圍內(nèi)，生成Ti的B化物或N化物會是系統(tǒng)的自由能降低，由此也證實在釬料與cBN的界面處生成了TiB2和TiN[13]。

3 結語

隨著對釬焊技術的深入研究，我國釬焊技術的發(fā)展已經(jīng)趨于成熟，Ag基、Cu基釬料在釬焊cBN生產(chǎn)中均得到了廣泛的應用。根據(jù)生產(chǎn)需求，調(diào)整活性元素的配比、控制合適的真空度、釬焊溫度以及保溫時間，對高質(zhì)量釬焊cBN有著重要意義。

為了滿足對磨削工具的精密程度、使用壽命、加工效率等要求的日益發(fā)展，釬焊技術還有進一步發(fā)展的空間，特別是對釬焊條件的精密掌控、釬焊方法的新型創(chuàng)新、新型釬料的研發(fā)等方面，仍需廣大學者進行精密研究。