立方氮化硼/釬料釬焊界面微觀結(jié)構(gòu)及形成機(jī)理

王光祖，黃祥芬，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

釬焊超硬材料工具是從金屬冶金學(xué)入手實(shí)現(xiàn)了磨料與合金釬料的化學(xué)冶金連接，從材料結(jié)構(gòu)方面加強(qiáng)了對磨料的把持能力，磨料的出露高度可達(dá)65%～80%，從而在高效加工、精密制造和安全生產(chǎn)等領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢[1-2]。

立方氮化硼(cBN)是硬度僅次于金剛石的超硬磨料。研究表明，采用釬焊方法制作cBN磨具有結(jié)合力強(qiáng)、磨料出露高、磨具壽命長等諸多優(yōu)勢，在鈦合金、高溫合金等難加工材料的高效磨削中具有廣泛的應(yīng)用前景[3-4]。

對于傳統(tǒng)的電鍍和陶瓷結(jié)合劑磨具而言，由于磨粒與結(jié)合劑層之間僅僅通過機(jī)械鑲嵌作用結(jié)合，在重負(fù)荷磨削過程中磨粒容易從胎體材料或電鍍層中脫落，這會影響cBN磨具的加工質(zhì)量和工具壽命[5-6]。積極研發(fā)新一代單層釬焊cBN磨具，期望借磨粒、活性釬料、磨具基體之間的高溫化學(xué)和冶金反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)結(jié)合劑層對磨粒的牢固把持，從而滿足重負(fù)荷高效磨削加工要求。

2 cBN/合金釬焊顯微組織分層結(jié)構(gòu)

丁文鋒等[7]采用掃描電鏡、能譜儀探測了應(yīng)用最普遍的加熱工藝下，釬焊磨粒表面的新生化合物形貌和微觀組織分層現(xiàn)象。通過觀察得知，磨料與釬料界面由cBN/TiB2/TiB/TiN/含Ti合金的分層過渡結(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)格的界限，而是在一定的區(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)主要有以下兩方面優(yōu)勢：首先，磨粒表層的TiN在與磨粒具有強(qiáng)力化學(xué)結(jié)合的同時(shí)擴(kuò)大了磨料與金屬釬料層的結(jié)合面積，中間層間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的TiB可在磨料與釬料間發(fā)揮近似于金屬基復(fù)合材料中的纖維增強(qiáng)作用，而內(nèi)層緊貼表面生長的TiB2則對磨粒提供充足的把持力。其次，隨B含量的增加，Ti-B化合物中共價(jià)鍵的比例逐漸增加，使其共價(jià)性逐漸增強(qiáng)，而金屬鍵性不斷降低。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，因此從cBN→TiB2→TiB→TiN→含Ti合金層共價(jià)鍵性逐漸減弱，而向金屬鍵性轉(zhuǎn)化，這有利于磨粒晶體與合金釬料的逐層化學(xué)鍵過渡。

綜合以上分析，微觀組織分層結(jié)構(gòu)帶來的結(jié)構(gòu)界面平滑，有利于性能漸變，因此這種結(jié)構(gòu)在提高cBN磨粒與合金釬焊接頭性能方面有很大的優(yōu)越性。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拔出，這反映出界面強(qiáng)度已高于磨粒自身強(qiáng)度，而這正是釬焊cBN磨具具有一系列潛在優(yōu)勢的基礎(chǔ)[8]。

3 界面反應(yīng)及化合物生長機(jī)理分析

一般認(rèn)為[9]，Ag-Cu-Ti釬料能夠與cBN磨粒實(shí)現(xiàn)潤濕，是因?yàn)橐簯B(tài)釬料中Cu和Ag元素的存在使金屬Ti處于β相[10]。而β-Ti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[11]。

TiN的晶體構(gòu)造為面心立方晶系，屬于是NaCl型結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a為0.4235mm?；仙傻腡iN晶體通常呈不規(guī)則顆粒狀[12-13]。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。其完整的晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)a為0.3026nm，c為0.3228nm。TiB2具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和金屬光澤，其常溫電阻率約為8.2×10-8Ω·m，和一般合金屬相當(dāng)[14]。由于TiB2晶體各向異性，極容易沿(0001)和(1100)晶向擇優(yōu)生長，因此TiB2晶體通常呈棒狀或須狀[15]。

研究表明，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)。柱狀的TiB2進(jìn)入釬料層內(nèi)部，對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的結(jié)合強(qiáng)度。

cBN磨粒與活性元素Ti的界面反應(yīng)是原子體積較小的N、B原子向Ti晶格內(nèi)擴(kuò)散約的過程[16]。Ag-Cu-Ti合金在真空爐中釬焊條件下進(jìn)行。當(dāng)溫度達(dá)到605℃時(shí)，TiN先在cBN表面析出，由于溫度變化緩慢，新生的TiN有足夠的時(shí)間向釬料層內(nèi)部生長，從而形成比較厚的TiN層，阻礙了B原子的擴(kuò)散。隨著溫度逐漸上升到807℃以上，在cBN與新生TiN層界面處積累的B與TiN發(fā)生置換反應(yīng)，形成TiB2層。

超高頻加熱產(chǎn)生的交變磁場對熔融的釬料具有強(qiáng)烈的電磁攪拌作用[17]，能夠加速原子在cBN磨粒與液態(tài)釬料界面的擴(kuò)散。因此，在溫度迅速上升到940℃時(shí)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層中的溶解度和擴(kuò)散系數(shù)均稍微大于N原子[18-19]。TiN生成之后，B原子在電磁攪拌作用的驅(qū)動下，不會在新生的TiN層附近積累，而是透過新生的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，界面最終生成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)釬料對磨粒牢固連接的紐帶。然而，新生的Ti-N作和Ti-B化合物是脆性相，如果界面新生化合物較厚，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，形成斷口。相對于真空爐中釬焊獲得的較厚新生化合物層，超高頻感應(yīng)連續(xù)釬科焊工藝在更短的時(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。

4 釬焊金剛石及立方氮化硼磨粒界面特征及反應(yīng)機(jī)理分析

劉思幸等[20]采用銅錫鈦(Cu-Sn-Ti)合金釬料將混合金剛石和cBN的超硬磨料在銅基體上進(jìn)行真空釬焊的實(shí)驗(yàn)研究，分析了超硬磨料/Cu-Sn-Ti合金釬料/鋼基體釬焊后的結(jié)合界面微觀結(jié)構(gòu)。通過觀察發(fā)現(xiàn)：(1)磨料通過釬料固結(jié)在鋼基體表面，表明合金釬料對磨粒有良好的浸潤性。(2)金剛石與cBN磨粒被合金釬料充分包裹，結(jié)合處無明顯的裂紋孔洞現(xiàn)象。(3)活性元素Ti在金剛石結(jié)合界面和cBN結(jié)合界面呈現(xiàn)了擴(kuò)散富集效應(yīng)。(4)鋼基體與合金釬料的結(jié)合界面結(jié)合很緊密，無明顯裂紋出現(xiàn)，說明這兩種材料結(jié)合完好。(5)在金剛石與合金釬料層的界面處可明顯得出Ti元素與C元素發(fā)生了偏析現(xiàn)象，可以推斷在金剛石表面發(fā)生了化學(xué)冶金反應(yīng)。

金剛石和cBN屬于兩種超硬材料，用一種合金釬焊時(shí)會出現(xiàn)一定的差異性，與其晶體結(jié)構(gòu)的不同有關(guān)。為此，對金剛石和cBN與Cu-Sn-Ti合金釬料釬焊界面反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行研究，可以得出如下結(jié)果：(1)Ti的碳化物比金剛石有更高的熱穩(wěn)定性，Ti的氮化物和硼化物比cBN有更高的熱穩(wěn)定性。(2)在高溫釬焊過程中，金剛石表面的C原子與釬料合金的Ti原子相互擴(kuò)散，發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生TiC(C+Ti→TiC)。(3)cBN表面的N和B原子與釬料合金的Ti原子也相互擴(kuò)散，發(fā)生反應(yīng)，根據(jù)熱力學(xué)數(shù)據(jù)推斷先生成TiN和TiB2(2BN+3Ti=TiB2+2TiN)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行業(yè)，在Ti和TiB2化合物層中間存在擴(kuò)散的Ti和B原子，發(fā)生反應(yīng)用生成TiB(Ti+B=TiB)。(4)在釬焊過程中，鋼基體與合金釬料的界面，隨著熔融合金釬料與鋼基體中元素的相互擴(kuò)散，生成Cu-Ti和Fe-Ti二元金屬間化合物[21]?？梢酝茢噤摶w和合金釬料間生成化學(xué)冶金結(jié)合界面，這也是鋼基體能夠牢固把持金剛石及cBN磨料的原因。

5 結(jié)論

(1)通過Ag-Cu-Ti或Cu-Sn-Ti合金釬料中活性的Ti原子，其對B、N原子有較強(qiáng)的化學(xué)親和力，使釬料與cBN之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)cBN與金屬基體的連接。釬焊cBN磨粒表面首先生成顆粒狀TiN層，然后在TiN層外圍形成為柱狀TiB2，最終形成cBN/TiN/TiB2/釬料結(jié)構(gòu)。

(2)應(yīng)加強(qiáng)對釬焊超硬磨料工具所涉及的制作工藝、合金釬料組分、結(jié)合界面微觀形貌及釬焊機(jī)理等諸多方面開展深入研究。