CuSnNiCr真空釬焊金剛石界面微結(jié)構(gòu)分析

盧金斌　賀亞勛　張旺璽　穆云超　丁文鋒　鐘素娟　馬 佳

1. 蘇州科技大學(xué)，蘇州，215009　2. 中原工學(xué)院，鄭州，4500073. 南京航空航天大學(xué)，南京，210016　4. 鄭州機(jī)械研究所，鄭州，450001

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CuSnNiCr真空釬焊金剛石界面微結(jié)構(gòu)分析

盧金斌1賀亞勛2張旺璽2穆云超2丁文鋒3鐘素娟4馬 佳4

1. 蘇州科技大學(xué)，蘇州，2150092. 中原工學(xué)院，鄭州，4500073. 南京航空航天大學(xué)，南京，2100164. 鄭州機(jī)械研究所，鄭州，450001

為降低釬焊金剛石的熱損傷和制造成本，采用CuSnNiCr單質(zhì)金屬粉作為釬料，對(duì)金剛石磨粒進(jìn)行了釬焊實(shí)驗(yàn)。采用SEM、EDS及XRD對(duì)金剛石焊后界面微結(jié)構(gòu)、釬料組織進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：適合釬焊金剛石的活性成分為Cu75Sn15Ni5Cr5，該釬料能與金剛石實(shí)現(xiàn)化學(xué)冶金結(jié)合，熔點(diǎn)適中，潤(rùn)濕性較好。金剛石焊后形貌完整，表面基本光滑，表面生成了連續(xù)片狀(Cr，F(xiàn)e)7C3。釬料凝固過(guò)程先結(jié)晶出α-Cu枝晶，經(jīng)包晶轉(zhuǎn)變和共析轉(zhuǎn)變，形成了α-Cu枝晶、Cu5.6Sn和共析α-Cu，釬料的顯微硬度大約為200～250HV0.2。

真空釬焊；金剛石；CuSnNiCr；碳化物

0　引言

金剛石具有高硬度、高耐磨性、低摩擦因數(shù)和強(qiáng)導(dǎo)熱性等優(yōu)異性能，采用釬焊的方法能夠?qū)崿F(xiàn)金剛石磨粒與鋼基體的化學(xué)冶金結(jié)合，用于制造釬焊單層金剛石工具，引起業(yè)內(nèi)專家及廠家產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的極大興趣[1-2]。國(guó)內(nèi)外大多采用Ni-Cr-B-Si、Ag-Cu-Ti、Cu-Sn-Ti釬料進(jìn)行科學(xué)研究和生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)Ni基釬料含有較多的觸媒元素Ni及釬焊溫度較高，使金剛石受到較大的熱損傷，進(jìn)而影響金剛石工具的性能和壽命[3-4]。為提高普通釬料對(duì)金剛石的潤(rùn)濕性，釬料通常含有活性元素Cr或Ti，兩種元素具有較高的活性，能夠與金剛石界面反應(yīng)形成鉻的碳化物或碳化鈦，但Ti的活性太高，在制作合金化釬料和釬焊過(guò)程中需要非常高的真空度，通常需達(dá)到10-3Pa以上，使得生產(chǎn)成本較高。文獻(xiàn)[5-6]在Ag-Cu-Zn中分別添加Cr、Ti粉并采用高頻感應(yīng)加熱的方式進(jìn)行了金剛石的釬焊，發(fā)現(xiàn)由于Ti的活性太高，容易發(fā)生氧化而導(dǎo)致其活性降低，使添加Ti粉釬焊試驗(yàn)未能成功，而Cr粉卻由于活性適中，使用含Cr釬料能夠?qū)崿F(xiàn)與金剛石的高強(qiáng)度連接。

Ag、Cu基釬料對(duì)金剛石的潤(rùn)濕性較差，且Cr在Ag、Cu中的溶解度極低導(dǎo)致CuCr或AgCr合金分層或形成所謂的假合金，但C在Ag、Cu基中的溶解度極低且其熔點(diǎn)較低，因此Ag、Cu基釬料對(duì)金剛石的化學(xué)侵蝕較低，為提高Ag、Cu基對(duì)金剛石的潤(rùn)濕性，大多添加活性元素Ti。另外，金剛石工具在加工過(guò)程中由于摩擦?xí)惺芨邷?，故需要熔點(diǎn)合適的釬料，添加適量的Ni元素首先可以提高釬料的力學(xué)性能和高溫性能，其次Ni元素對(duì)金剛石的潤(rùn)濕性較好，最后Cu與Ni能夠無(wú)限互溶[7]。吳斌等[8]在Cu-Ti釬料中添加Ni元素，提高了釬料的高溫性能。王毅等[9]采用合金化Cu80Ni5SnTi對(duì)CBN進(jìn)行了釬焊，優(yōu)化了釬料的成分，實(shí)現(xiàn)了釬焊接頭的冶金結(jié)合。本文選用對(duì)金剛石非石墨化元素Cu為基，為降低釬料的熔點(diǎn)添加部分Sn，選擇活性元素Cr，為適量提高Cr的溶解度及調(diào)控釬料熔點(diǎn)，添加少量Ni元素，采用Cu、Sn、Ni、Cr四種金屬單質(zhì)粉，經(jīng)混合后直接釬焊金剛石，以進(jìn)一步降低釬料成本和釬焊過(guò)程中的真空度要求，直接采用Cu、Sn、Ni、Cr金屬粉進(jìn)行金剛石的釬焊未見(jiàn)報(bào)道。由于金剛石的熱損傷和連接情況都與金剛石的界面有關(guān)，故研究金剛石界面碳化物具有重要的意義。

1　 試驗(yàn)條件及方法

試驗(yàn)選用粒徑為380～450 μm的金剛石顆粒，基體采用Q235鋼，將粒徑為70～120 μm、純度為99.99%的Cu、Sn、Ni、Cr單質(zhì)金屬粉末按一定質(zhì)量比例進(jìn)行球磨混合，當(dāng)Cu、Sn、Ni、Cr的質(zhì)量比為75∶15∶5∶5時(shí)，記為Cu75Sn15Ni5Cr5，其余成分比例一樣標(biāo)記，混合均勻后將混合粉末作為釬料進(jìn)行釬焊試驗(yàn)。試驗(yàn)釬料為Cu75Sn15Ni5Cr5、Cu74Sn18Ni5Cr3。工藝過(guò)程如下：釬焊前用丙酮清洗Q235鋼基體、金剛石表面，將CuSnNiCr粉末置于鋼基體表面，在CuSnNiCr合金上布置金剛石磨粒(圖1)，真空爐中加熱至1020 ℃，保溫5 min，隨爐冷卻至150 ℃以下取出，其真空度小于0.01 Pa。

圖1 　CuSnNiCr合金釬焊金剛石接頭示意圖

腐蝕方法：對(duì)焊后的部分金剛石試樣進(jìn)行深腐蝕，由于鋼基體與釬料會(huì)被腐蝕去除，而金剛石、鉻的碳化物、石墨都是耐腐蝕的，因此腐蝕后僅剩下金剛石與表面生成的碳化物，可用于直接觀察其外貌。X射線衍射試樣采用金剛石微粉焊后直接進(jìn)行衍射分析。

測(cè)試方法：用日本電子公司(JEOL)JSM-6300型掃描電鏡(SEM)及美國(guó)KEVEX公司的X射線能譜儀(EDS)對(duì)焊后金剛石表面形貌進(jìn)行觀察及成分分析。用日本Shimadzu公司的XD-3A型X射線衍射儀作X射線衍射結(jié)構(gòu)分析。釬料顯微硬度測(cè)試采用HXD-1000TC型顯微硬度計(jì)，載荷為1.96 N。

2　結(jié)果與分析

2.1釬焊金剛石的宏觀形貌

兩種釬料在1020 ℃保溫5 min條件下釬焊金剛石的宏觀形貌如圖2所示，圖2a、圖2b 分別為Cu75Sn15Ni5Cr5焊后的宏觀和局部放大形貌圖，圖2c、圖2d分別為 Cu74Sn18Ni5Cr3焊后的宏觀和局部放大形貌圖?？梢钥闯?，兩種釬料均實(shí)現(xiàn)合金化并沿著金剛石表面鋪展，對(duì)金剛石潤(rùn)濕性良好，且金剛石顆粒形貌完整，磨料出露度較高。但Sn含量的增加，會(huì)增大釬料的脆性和降低高溫性能。

(a)Cu75Sn15Ni5Cr5釬焊宏觀形貌

(b)Cu75Sn15Ni5Cr5釬焊形貌放大形貌

(d)Cu74Ni5Sn18Cr3釬焊形貌放大形貌

2.2界面微結(jié)構(gòu)分析

為觀察金剛石及界面碳化物的完整形貌，對(duì)采用Cu75Sn15Ni5Cr5焊后金剛石試樣進(jìn)行深腐蝕，金剛石焊后的形貌及表面形貌，如圖3所示。從圖3a可以看出，金剛石左下部分棱角清晰，沒(méi)有微裂紋，這是釬焊后露在釬料外面的金剛石部分，在金剛石上部分表面形成一薄層連續(xù)化合物。圖3b中點(diǎn)1處的測(cè)試成分見(jiàn)表1，可以判斷該點(diǎn)處為金剛石；點(diǎn)2處的測(cè)試成分見(jiàn)表1，可以看出，有C、Cr、Fe三種元素，釬料中沒(méi)有Fe元素，分析原因主要是鋼基體中的Fe元素通過(guò)擴(kuò)散溶解進(jìn)入釬料，在冷卻過(guò)程中，F(xiàn)e在Cu中溶解度下降，最終與C、Cr形成了碳化物。對(duì)金剛石表面的顆粒進(jìn)行成分測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1，可知顆粒主要是Cu基固溶體，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，Cu基釬料對(duì)金剛石的潤(rùn)濕性較差，可以看出，在金剛石表面生成碳化物后，明顯提高了Cu基釬料對(duì)金剛石的潤(rùn)濕性。

(a)金剛石形貌

(b)金剛石表面形貌

%

2.3 X射線衍射分析

為分析金剛石界面處形成的碳化物，考慮到金剛石界面處形成的碳化物數(shù)量非常有限，因此采用Cu75Sn15Ni5Cr5對(duì)70～80 μm粒徑的金剛石微粉進(jìn)行了釬焊實(shí)驗(yàn)，加大了界面碳化物的比例。對(duì)其進(jìn)行X射線衍射，結(jié)果見(jiàn)圖4，可以看出，主要有α-(Cu,Sn)、Cu5.6Sn、(Cr，F(xiàn)e)7C3、金剛石等相，說(shuō)明在金剛石的表面形成了(Cr，F(xiàn)e)7C3。與Ni-Cr合金釬焊形成六棱柱狀Cr7C3相比[10]，其形貌有明顯的差異，分析認(rèn)為，因?yàn)镃元素在Cu基釬料中的溶解度很低[7]，在釬焊升溫過(guò)程中Cu、Sn、Ni、Cr單質(zhì)金屬粉元素依次熔化并實(shí)現(xiàn)合金化，但Cr在Cu其釬料中溶解度低[7]，因此，部分Cr溶解進(jìn)入釬料中，同時(shí)在1020 ℃的高溫作用下，鋼基體的少量Fe元素也擴(kuò)散進(jìn)入Cu基釬料中，參與金剛石表面的界面反應(yīng)形成碳化物(Cr，F(xiàn)e)3C2，因Cr、C兩種元素在Cu基釬料中溶解度極低，所以界面反應(yīng)只能在金剛石的表面進(jìn)行，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，碳化物在金剛石表面連成片狀，導(dǎo)致金剛石表面的C元素?cái)U(kuò)散減慢，而Cr、Fe繼續(xù)擴(kuò)散使Cr3C2轉(zhuǎn)變?yōu)?Cr，F(xiàn)e)7C3。另外，在釬料中主要形成了電子化合物Cu5.6Sn，能夠提高Cu基釬料的耐磨性，有利于彌補(bǔ)Cu基釬料用于制作單層金剛石耐磨性不足的缺點(diǎn)。

圖4　金剛石釬焊試樣X(jué)射線衍射

2.4釬料組織分析

根據(jù)釬料的成分，由于金剛石的C及Cr元素只能微量溶于Cu基釬料中，而Ni元素含量很少，且與Cu無(wú)限互溶，故釬料組織主要參考Cu-Sn二元合金相圖進(jìn)行分析，真空釬焊后冷卻速度較低，接近于平衡凝固，因此，在冷卻過(guò)程中，首先結(jié)晶出α-Cu枝晶，即圖5a中白圈包圍的大枝晶，隨著溫度的下降，α-Cu與剩余液相發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變L+α-Cu→β，生成Cu5Sn相，從圖5a可以看出圍繞α-Cu枝晶發(fā)生了包晶反應(yīng)，這符合圖5a組織的特征。隨著溫度的進(jìn)一步下降，將多次發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：在586 ℃時(shí)發(fā)生β→α-Cu+γ，520 ℃時(shí)發(fā)生γ→α-Cu+δ等，但由于Sn原子半徑遠(yuǎn)大于Cu原子半徑，故Sn在Cu中的擴(kuò)散速度極慢，500 ℃以下的共析反應(yīng)很難發(fā)生。對(duì)圖5a進(jìn)行局部放大，如圖5b所示，對(duì)其測(cè)試成分見(jiàn)表2，可以看到，a點(diǎn)處成分中Sn的原子分?jǐn)?shù)只有11.11%，符合α-Cu的成分，而在b點(diǎn)處為細(xì)小的針狀化合物，其成分見(jiàn)表2，由于釬料中含有一定量的Ni，不便準(zhǔn)確判斷該物相，初步判斷為δ相，說(shuō)明在釬焊緩慢冷卻過(guò)程中發(fā)生了γ→α-Cu+δ反應(yīng)，析出了δ相，這與文獻(xiàn)[11]結(jié)果較接近。δ相的析出，有利于提高Cu基釬料的耐磨性，可適當(dāng)彌補(bǔ)Cu基釬料耐磨性差的缺點(diǎn)。對(duì)釬料與鋼基體界面處的d點(diǎn)進(jìn)行成分測(cè)試，發(fā)現(xiàn)釬料沿晶界有所擴(kuò)散，尤其Cr的原子分?jǐn)?shù)達(dá)到39.09%，Cu元素含量達(dá)到31.48%，說(shuō)明在釬焊過(guò)程中由于Cr在Cu中的溶解度非常低，而Cr在Fe中有較大的溶解度，釬焊溫度在較高的情況下，Cr向鋼基體進(jìn)行了擴(kuò)散。Cu對(duì)鋼的潤(rùn)濕性非常好，也易于沿晶界向鋼中擴(kuò)散，這一點(diǎn)類似于不銹鋼的銅污染[12]。

(a)近界面處

(b)釬料組織圖5 釬縫組織及放大圖

2.5釬料硬度分析

由于單層砂輪在磨削加工過(guò)程中會(huì)受到磨屑摩擦使釬料磨損導(dǎo)致磨粒出露增加，但釬料層磨損過(guò)度會(huì)導(dǎo)致磨粒失去支撐而脫落，另外，釬料強(qiáng)度太高也會(huì)使金剛石焊后承受較高的殘余應(yīng)力，硬度可以幫助判斷材料的耐磨性和強(qiáng)度，對(duì)焊接試樣的釬料層及鋼基體測(cè)試硬度，結(jié)果如圖6所示。可以看出，釬料的硬度基本均勻，兩種成分釬料的顯微硬度大約為200～250HV0.2。表面的硬度稍低，這與表面存在一定的不致密有關(guān)，兩種釬料的硬度相差不大，但釬料的硬度高于鋼基體，其原因是添加的Ni、Sn元素對(duì)Cu基釬料有固溶強(qiáng)化的作用，另外，雖有少量的化合物相，但其尺寸較小，因此，釬料層的硬度分布基本均勻，總之，其硬度較為適宜。

圖6　不同成分釬焊層顯微硬度

3　 結(jié) 論

(1)采用CuSnNiCr單質(zhì)金屬粉球磨混合進(jìn)行金剛石的釬焊，能夠在金剛石表面形成一薄層碳化物(Cr、Fe)7C3，提高了釬料對(duì)金剛石的潤(rùn)濕性，實(shí)現(xiàn)了金剛石的化學(xué)冶金結(jié)合，金剛石表面較光滑，沒(méi)有石墨化，熱損傷小。釬料層顯微硬度為200～250HV0.2。

(2)Cu75Sn15Ni5Cr5釬料釬焊金剛石形成的碳化物(Cr、Fe)7C3，與Ni-Cr-B-Si釬焊金剛石的碳化物有明顯的區(qū)別，這與Cr、C元素在Cu基釬料中的溶解度較低有關(guān)。

(3)Cu75Sn15Ni5Cr5釬料凝固過(guò)程先結(jié)晶出α-Cu枝晶，經(jīng)過(guò)包晶轉(zhuǎn)變和共析轉(zhuǎn)變，形成了α-Cu枝晶、Cu5.6Sn和共析α-Cu，其中部分Cr元素?cái)U(kuò)散至鋼基體界面處，部分Cr元素與金剛石反應(yīng)形成了碳化物。

(4)本文方法具有釬料成分調(diào)控方便、真空度要求低、不需要合金化及后續(xù)噴粉霧化制作粉狀釬料等優(yōu)點(diǎn)，因此成本低廉。該方法對(duì)開(kāi)發(fā)活性釬料、降低金剛石熱損傷等具有重要的意義，并且對(duì)于制造金剛石工具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

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(編輯陳勇)

Interfacial Microstructure of Diamond Vacuum Brazing with CuSnNiCr

Lu Jinbin1He Yaxun2Zhang Wangxi2Mu Yunchao2Ding Wenfeng3Zhong Sujuan4Ma Jia4

1. Suzhou University of Science and Technology, Suzhou,Jiangsu,215009 2. Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou,450007 3. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing，210016 4. Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering, Zhengzhou，450001

In order to reduce the heat damage of diamond and manufacturing cost, using CuSnNiCr metal powder as filler and the experiments of brazing diamond abrasive grain were carried out. SEM, EDS and XRD were used to analyze the microstructure of diamond and brazing filler. The results show that the active component of the brazing diamond is Cu75Sn15Ni5Cr5, the melting point of the brazing filler is suitable for brazing diamond, and it can realize the chemical metallurgical bonding with diamond. The morphology of diamond is complete, the surface is smooth, and the surface of the diamond is as (Cr，F(xiàn)e)7C3. The brazing filler solidification process of crystallized α-Cu dendrite, peritectic transformation and eutectoid transformation, the formation of dendrite, Cu5.6Sn, α-Cu and eutectoid α-Cu, the microhardness of the brazing filler is about 200～250HV0.2.

vacuum brazing; diamond; CuSnNiCr; carbide

2015-10-16

新型釬焊材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(SKLABFMT201003)；河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(082102230027)；蘇州科技大學(xué)?；鹳Y助項(xiàng)目(XKZ201501)

TG454

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.15.017

盧金斌，男， 1970年生。蘇州科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)殁F焊單層金剛石工具的制造。發(fā)表論文80余篇。賀亞勛，男，1979年生。中原工學(xué)院材料與化工學(xué)院碩士研究生。張旺璽，男，1967年生。中原工學(xué)院材料與化工學(xué)院教授。穆云超，男，1971年生。中原工學(xué)院材料與化工學(xué)院教授。丁文鋒，男，1979年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。鐘素娟，女，1974年生。鄭州機(jī)械研究所新型釬焊材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員。馬佳，男，1983年生。鄭州機(jī)械研究所新型釬焊材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高級(jí)工程師。