王楠,張雷,糾永濤,馮帥帥,程戰(zhàn),秦建,陳繼,李家茂,徐東*

（1. 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002； 2. 安徽工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000； 3. 中機(jī)智能裝備研究院（寧波）有限公司，浙江 寧波 315700； 4. 鄭州機(jī)械研究所有限公司/新型釬焊材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001）

0 引言

目前，金剛石是世界上已知最硬的物質(zhì)，常被用作磨粒制作磨削和切削工具，在制造加工領(lǐng)域中扮演著極為重要的角色，尤其在硬質(zhì)合金、陶瓷、玻璃等高硬脆材料的磨削加工方面，其展現(xiàn)出了良好的加工優(yōu)勢和市場前景［1-2］。金剛石需要固結(jié)在金屬基體上才能發(fā)揮磨削作用，制備金剛石工具常用的方法有電鍍法［3-4］、燒結(jié)法［5-6］和釬焊法［7-8］，其中釬焊金剛石工具因其高硬度、高強(qiáng)度、高的耐磨性，以及充足的容屑空間優(yōu)勢［9］，逐漸成為一種不可替代的磨具。釬料對金剛石工具的性能有重要影響，目前用于制備釬焊金剛石工具的釬料有Ag 基釬料［10-11］、Ni 基釬料［12-13］和Cu 基釬料［14-15］。Ag 基釬料對金剛石潤濕性優(yōu)良，但成本較高，難以在工業(yè)界內(nèi)大量應(yīng)用。Ni 基釬料的熔點(diǎn)高達(dá)1 000 ℃，較高的釬焊溫度和觸媒元素的存在容易造成金剛石石墨化、熱腐蝕和熱應(yīng)力等嚴(yán)重?zé)釗p傷［16-17］。Cu 基釬料成本和熔點(diǎn)較低，成為近年來熱點(diǎn)釬料之一。杜勛貴等［18］研究發(fā)現(xiàn)，Cu 的加入提高了合金釬料的強(qiáng)度和抗應(yīng)力性能。Cu 基釬料主要有Cu-Sn-Ti 體系，其中Sn元素不僅可降低釬料熔點(diǎn)和釬焊溫度，還可以與Cu、Ti 等元素生成金屬間化合物，提高Cu 基釬料的力學(xué)性能［19-20］。杜全斌等［21］采用Cu-Sn-Ti 合金釬料釬焊金剛石，同時(shí)研究了釬料成分對其各項(xiàng)性能的影響，結(jié)果表明：通過優(yōu)化釬料合金的成分，釬料能在金剛石上良好的浸潤鋪展，從而使釬料的潤濕性能得到顯著的提升；加入稀土La、Ce 等稀土元素后，合金釬料的各項(xiàng)性能均大幅度提升，當(dāng)稀土含量為1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)效果最佳。張宇航等［22-23］研究了添加稀土Ce 對釬焊試樣的性能影響，隨著Ce 的添加，焊料的潤濕性和抗拉強(qiáng)度得到提高，合金的強(qiáng)度和延伸率得到提高。Duan 等［15］采用新型多層石墨烯改性的 Cu-Sn-Ti 復(fù)合釬料釬焊金剛石并發(fā)現(xiàn)，Cu、Sn 和 Ti 被多層石墨烯吸附而形成富含 C 和TiC 為主的相，從而減少了釬焊過程中對金剛石的侵蝕，提高了釬焊金剛石磨粒的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度和沖擊韌性。馬超力［24］研究了Ga 元素的添加對釬料的組織影響并發(fā)現(xiàn)，隨著Ga 元素含量的增加，釬料在凝固過程中過冷度增大、組織得到細(xì)化。Li 等［25］研究了Ga 元素對Cu 基釬料的改性作用發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ga 的加入量為1%時(shí)，可降低釬料的熔點(diǎn)，還可促進(jìn)活性元素與基體材料的潤濕性。Peng 等［26］研究了Ga 對Sn-9Zn-2Bi 釬料性能的影響，結(jié)果表明：Ga 的加入可能會(huì)作為額外的形核點(diǎn)，從而細(xì)化合金的組織；添加Ga 會(huì)降低Sn-9Zn-2Bi 釬料的熔點(diǎn)，提高合金的抗拉強(qiáng)度。Chen 等［27］研究發(fā)現(xiàn)，隨著Ga 含量的增加焊料的潤濕性得到顯著的提高。Zhang 等［28］研究發(fā)現(xiàn)，隨著Ga 的加入合金的熔點(diǎn)降低、潤濕角減小、潤濕速率提高。Ti 元素的擴(kuò)散和富集對釬焊金剛石的性能起著決定性的作用，Ti 元素與C 元素的冶金結(jié)合保證了釬料對金剛石的高強(qiáng)度保持，而釬焊溫度作為影響元素?cái)U(kuò)散的一大因素，勢必對釬焊金剛石的性能產(chǎn)生重大影響。

雖然，研究人員對Cu-Sn-Ti-Ga 釬料開展廣泛地研究，但關(guān)于釬焊溫度對釬焊金剛石界面結(jié)合性質(zhì)及磨損性能的影響還沒有全面的研究。因此，本文采用Cu-Sn-Ti-Ga 釬料釬焊金剛石，系統(tǒng)地研究釬焊溫度對金剛石/Cu-Sn-Ti-Ga 復(fù)合材料界面反應(yīng)、顯微組織和力學(xué)性能的影響，為新型Cu 基釬料的進(jìn)一步發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用基材為45 號(hào)鋼，使用線切割機(jī)將其切割成15 mm×10 mm×6 mm。金剛石選用河南黃河旋風(fēng)股份有限公司生產(chǎn)的人造金剛石磨粒（GB/T6406-2016），其大小約為355—425 μm。作為制備釬料的原材料純銅（99.99%）、錫（99.99%）、鈦（99.99%） 和鎵（99.99%）由長沙天久公司生產(chǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

首先，將原材料Cu、Sn、Ti、Ga 進(jìn)行成分配比（見表1），將配好的原材料放入真空電弧熔煉爐中進(jìn)行熔煉，熔煉過程中為了保證釬料熔化均勻需對釬料鑄錠反復(fù)熔煉3—4 次，隨后通過真空吸鑄將釬料制備成尺寸為20 mm×5 mm×0.1 mm 的片狀結(jié)構(gòu)。然后，將金剛石、片狀釬料和鋼基體放入丙酮和無水乙醇中進(jìn)行超聲清洗約15 min 以去除掉表面的雜質(zhì)及氧化物，再將鋼基體、釬料和金剛石自下而上按照三明治結(jié)構(gòu)進(jìn)行放置，每層之間用有機(jī)載體進(jìn)行粘結(jié)，金剛石在基體上進(jìn)行優(yōu)化排布。最后，將待釬焊試樣放入真空感應(yīng)爐中進(jìn)行釬焊，釬焊溫度分別為900、920、940、960 和980 ℃，保溫時(shí)間選擇為6 min，釬焊后試樣表面金剛石用王水進(jìn)行刻蝕，再對釬焊試樣及釬焊后金剛石進(jìn)行相關(guān)測試。實(shí)驗(yàn)過程如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)流程圖Figure 1 Test flow chart

表1 Cu-Sn-Ti-Ga 復(fù)合釬料化學(xué)成分含量Table 1 Chemical compositions of Cu-Sn-Ti-Ga composite solder

1.3 表征和測試方法

使用JSM6510 型掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM），觀察金剛石接頭的表面形貌、表面碳化物形貌及接頭磨損形貌，并用自帶的能譜儀（energy dispersive spectrometer，EDS）對釬料及釬焊反應(yīng)層進(jìn)行元素分析。 利用D8 ADVANCE 型X 射線衍射儀（X-Ray diffractometer，XRD）進(jìn)行接頭物相分析，掃描的速度為6 min·（°）-1。通過HMV-2T 維氏顯微硬度計(jì)進(jìn)行測量釬焊金剛石接頭的顯微硬度，在鋼與釬料之間隔50 μm 定距取點(diǎn)測量。在MFT-3000 多功能摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，加載為 100 N、加載時(shí)間為 2 min，大理石作為研磨樣品。通過試驗(yàn)機(jī)自帶傳感器測量摩擦力（F）及摩擦系數(shù)（μ），使用分析天平測量被磨大理石塊的去除量。

2 結(jié)果與分析

2.1 釬焊溫度對金剛石接頭微觀形貌的影響

釬焊金剛石試樣應(yīng)具有良好的出露度和較小的熱損傷，以確保良好的加工效率和較大的容屑空間［25］。圖2 為不同釬焊溫度下的金剛石試樣微觀形貌。從圖2 可見：不同釬焊溫度下釬料在金剛石表面具有良好的潤濕性，釬焊金剛石切削刃整體暴露程度良好，但隨著釬焊溫度的升高金剛石表面的熱損傷逐漸增大，適當(dāng)?shù)慕饎偸邢魅斜┞冻潭仁墙缑娼Y(jié)合強(qiáng)度的保證［29］；當(dāng)釬焊溫度為900 ℃時(shí)，金剛石具有較好的形貌，沒有明顯的熱損傷，然而釬焊金剛石的切削刃暴露程度較高，導(dǎo)致釬焊界面結(jié)合力較弱；當(dāng)釬焊溫度為920 ℃時(shí)，金剛石形狀規(guī)則無明顯缺陷，釬焊金剛石切削刃暴露程度良好，釬焊效果較好；隨著釬焊溫度的持續(xù)升高，金剛石表面便出現(xiàn)大面積的燒損和熱裂紋，這將嚴(yán)重削弱金剛石的力學(xué)性能，這主要是高溫下金剛石的正面體晶體結(jié)構(gòu)破壞，轉(zhuǎn)為層片狀的石墨。綜上所述可知，釬焊溫度為920 ℃時(shí)釬焊效果最為理想。

圖2 不同釬焊溫度下接頭形貌的SEM 圖Figure 2 SEM images of joint microstructure at different brazing temperatures

2.2 釬焊溫度對釬焊接頭顯微硬度的影響

硬度是衡量金剛石工具性能的重要指標(biāo)［30］，釬焊接頭的硬度測試結(jié)果如圖3 所示。從圖3 可以看出：界面處硬度比釬料和鋼的硬度約高75—100 HV0.1，這是由于一部分Fe 原子流向釬料層，尤其是Cu、Sn及Ti 元素間的擴(kuò)散形成的金屬間化合物，他們起到彌散強(qiáng)化的作用，從而使硬度上升；另外，隨著釬焊溫度的升高，接頭處的硬度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，說明接頭的硬度并不只取決于原子的擴(kuò)散量，還與化合物的形狀和尺寸有關(guān)聯(lián)；當(dāng)釬焊溫度為920 ℃時(shí)，界面硬度取得最大值310 HV0.1，這可能是在界面處生成均勻細(xì)小的金屬間化合物而使硬度大幅度上升；隨著溫度的進(jìn)一步升高，較多的金屬間化合物生長變得粗大，接頭硬度降低而脆性提高，甚至造成裂紋的產(chǎn)生，這對金剛石刀具產(chǎn)生不利的影響。

圖3 基體到釬料層顯微硬度圖Figure 3 Microhardness diagram of the matrix and solder layer

2.3 釬焊接頭摩擦磨損行為分析

2.3.1 釬焊溫度對釬焊接頭摩擦磨損性能的影響

通過磨削力和磨除量衡量釬焊接頭的磨削性能優(yōu)異。金剛石在磨削過程中受到的摩擦力越大，金剛石的橫向沖擊力越大，對金剛石的把持強(qiáng)度要求越高。圖4 為金剛石磨具的相關(guān)磨削參數(shù)。從圖4可見：隨著釬焊溫度的升高，金剛石試樣的摩擦力先變大后變??；當(dāng)釬焊溫度為900 ℃時(shí)，金剛石試樣摩擦力最小，這是由于釬料對金剛石的把持力太弱使大部分金剛石脫落，造成試樣與大理石接觸點(diǎn)減少而磨削作用減弱；當(dāng)溫度為920 ℃時(shí)，金剛石完整性良好且出露高度較高，金剛石對大理石的磨削作用增強(qiáng)；隨著溫度的進(jìn)一步升高，金剛石熱損傷嚴(yán)重，磨削作用下降。綜上所述可知，920 ℃時(shí)金剛石對大理石的磨削作用最強(qiáng)，金剛石試樣的磨削性能最好，大理石的去除量達(dá)到了最大值163 mg，表明920 ℃下釬焊的金剛石刀具的磨削性能效果好。

圖4 釬焊接頭摩擦磨損性能圖Figure 4 Friction and wear performance diagram of the joint

2.3.2 磨損形貌分析

為了進(jìn)一步研究釬焊溫度對摩擦磨損行為，觀察了金剛石的摩擦磨損形貌，圖5 為相同工況下金剛石磨粒磨損形貌圖。從圖5 可見：金剛石磨粒在磨削過程中出現(xiàn)磨耗平臺(tái)（見圖5（b ））、微破損（見圖5（c））、大面積破損（見圖5（d））和金剛石脫落（見圖（e）），完整金剛石（見圖（a））在磨削過程中從開始磨損至磨粒失效經(jīng)歷3 個(gè)階段，即完整金剛石-磨耗平臺(tái)-微破損-大面積破損-金剛石脫落、完整金剛石-大面積破損-金剛石脫落、完整金剛石-金剛石脫落；第一階段，金剛石的把持強(qiáng)度最高、金剛石穩(wěn)定磨削時(shí)間較長、磨削壽命較高，這種磨損形式叫做均勻磨損；第二階段，由于磨粒的熱損傷程度較大，導(dǎo)致在切削力的作用下金剛石發(fā)生了晶粒的破裂，磨粒失去了磨削作用并脫落；第三階段，因?yàn)榻饎偸c基體間的結(jié)合強(qiáng)度較低，導(dǎo)致在高速磨削過程中切削力超過其結(jié)合力，金剛石磨粒拔出或脫落，導(dǎo)致金剛石磨粒的失效，后兩個(gè)階段被為不均勻磨損，說明金剛石工具磨削性能較差。

圖5 相同工況下金剛石磨粒磨損分析Figure 5 Analysis of diamond abrasive wear under the same working condition

圖6 為摩擦磨損試驗(yàn)后的主要金剛石磨粒磨損SEM 圖。從圖6 可以看出：隨著釬焊溫度的升高，金剛石試樣的磨損形式呈現(xiàn)均勻-不均勻-均勻的變化趨勢；當(dāng)釬焊溫度為900 ℃時(shí)，金剛石顆粒主要出現(xiàn)脫落，試樣丟失切削能力；當(dāng)溫度為920 ℃時(shí)，金剛石顆粒出現(xiàn)較小的破損和自銳現(xiàn)象，原有的切削刃的丟失造成了新的切削刃的產(chǎn)生，并且依舊存在較高的出刃高度及較為完整的形貌，金剛石試樣在整個(gè)磨削過程以均勻磨損為主，這是由于較高的釬焊溫度會(huì)顯著影響Ti 元素的擴(kuò)散和富集，還可促進(jìn)釬料對金剛石的良好潤濕，提高金剛石與基體界面結(jié)合強(qiáng)度，減小金剛石脫落的數(shù)目；當(dāng)釬焊溫度為940 和960 ℃時(shí)，金剛石磨粒出現(xiàn)大面積的破碎或裂紋，主要是較高的焊接溫度會(huì)使金剛石產(chǎn)生嚴(yán)重石墨化，降低金剛石試樣的磨削性能。

圖6 不同釬焊溫度下釬焊金剛石接頭磨粒磨損圖.Figure 6 Abrasive wear of brazed diamond joint at different brazing temperatures.

2.4 界面反應(yīng)分析

2.4.1 釬焊接頭形貌

為了研究釬焊溫度對釬焊接頭的影響，對磨削性能較好的3 組試樣接頭進(jìn)行了表征，結(jié)果如圖7 所示。從圖7 可見：當(dāng)釬焊溫度為900 ℃時(shí)，釬焊過程中活性元素Ti 在毛細(xì)作用下會(huì)與金剛石發(fā)生冶金結(jié)合，從而生成碳化層，厚度約為0.26 μm，這是因?yàn)镃uSn 合金最先溶解，使少量活性元素Ti 分布在液態(tài)CuSn 合金中，界面層的厚度與Ti 原子的擴(kuò)散量有關(guān)，由于碳元素的擴(kuò)散能力較弱，因此碳化層的厚度較??；隨著釬焊溫度的升高，Ti 原子不斷從CuSn 液態(tài)釬料向金剛石一側(cè)擴(kuò)散，金剛石表面的碳原子擴(kuò)散能力增強(qiáng)，導(dǎo)致碳化層厚度不斷增加，釬料對金剛石的把持力增大［31］；當(dāng)釬焊溫度為920 和940 ℃時(shí)，碳化層的厚度分別達(dá)到0.31 和0.61 μm，表明較高的釬焊溫度有利于原子的擴(kuò)散和新化合物的形成，然而釬焊溫度過高會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力而萌生裂紋，這可能是導(dǎo)致高溫釬焊下金剛石工具磨削性能下降的主要原因，其中釬焊溫度為940 ℃時(shí)金剛石一側(cè)發(fā)現(xiàn)Cu 原子，這是由于Cu 原子的擴(kuò)散能力異?；钴S且沿金剛石表面爬升所致。

圖7 金剛石/Cu-Sn-Ti-Ga 活性釬料在不同釬焊溫度下的組織、元素映射能譜圖像Figure 7 Microstructure and element mapping energy spectrum images of the diamond /Cu-Sn-Ti-Ga composites at different brazing temperature

2.4.2 金剛石表面碳化物

為了研究920 ℃下金剛石試樣接頭的相組成，觀察刻蝕后金剛石形貌，結(jié)果如圖8 所示。從圖8 可以看出，金剛石表面無熱腐蝕的痕跡，切削刃保留極為完整，并且金剛石表面有較薄的反應(yīng)層，這是由于在金剛石表面形成了斷續(xù)的化合物。

圖8 在920 ℃下釬焊金剛石接頭顆?？涛g形貌圖Figure 8 Etching morphology of the brazed diamond joint particles

表2 為金剛石表面的EDS 能譜結(jié)果。由表2 可知，接頭薄層物為C、Ti 的化合物，其中C、Ti 的含量分別為66.7%和33.3%。為了進(jìn)一步驗(yàn)證是否為TiC，通過XRD 對刻蝕后的金剛石進(jìn)一步的測試，結(jié)果如圖9 所示。從圖9 可見，金剛石表面除了存在金剛石相及少量的Ga 殘留，還有TiC、Cu5.6Sn［32］等化合物的生成，這些化合物都是釬料中的元素相互擴(kuò)散形成的，說明斷續(xù)的化合物為TiC，實(shí)現(xiàn)了金剛石的高強(qiáng)度連接［33］。

圖9 刻蝕金剛石顆粒XRD 圖譜Figure 9 XRD pattern of the etched diamond particles

表2 金剛石表面EDS 能譜Table 2 EDS energy spectrum of the diamond surface

3 結(jié)論

（1）Cu-Sn-Ti-Ga 釬料在金剛石表面可以良好地浸潤鋪展，隨著釬焊溫度的升高，釬料的爬升高度升高，金剛石的熱損傷程度逐漸增加。當(dāng)釬焊溫度為920 ℃時(shí)，釬焊效果較為良好。

（2）金剛石釬焊試樣的硬度和磨削性能隨溫度變化趨勢相同，當(dāng)釬焊溫度為920 ℃時(shí)，界面處的硬度達(dá)到最大值318 HV0.1，摩擦磨損實(shí)驗(yàn)表明被磨件的去除量達(dá)到最大，金剛石磨粒以均勻磨損為主，磨削性能最優(yōu)。

（3）當(dāng)釬焊溫度為920 ℃、保溫時(shí)間為6 min 時(shí)，界面處的厚度為0.31 μm，金剛石與釬料結(jié)合處產(chǎn)生了細(xì)小的TiC，實(shí)現(xiàn)金剛石與釬料的高強(qiáng)度冶金結(jié)合，獲得鋼基體對金剛石高的把持力。