釬料合金對釬焊金剛石界面性能的影響

王光祖，崔仲鳴，馮常財

(1.鄭州磨料磨具磨削研究所，河南 鄭州 450001；2.河南工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，河南鄭州 450001)

1 引言

釬焊工藝能在金剛石和釬料界面形成碳化物可以增加焊料對金剛石磨料的把持力，因此與傳統(tǒng)的燒結(jié)和電鍍結(jié)合劑金剛石磨料工具相比，釬焊金剛石磨料工具具有磨粒粘接牢固、出刃高度高等特點，在磨削過程中表現(xiàn)出好的磨削鋒利度和長的使用壽命。金剛石/釬料/基體之間的界面反應(yīng)產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu)決定了釬料釬焊金剛石與基體之間的結(jié)合強度，其中釬焊料的合金成分起了關(guān)鍵的作用，本文基于該領(lǐng)域的最新研究成果，對在焊接金剛石磨料過程中的界面反應(yīng)產(chǎn)物及組織微觀結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)的分析研究。

2 釬料與基體界面顯微組織形貌

釬焊料與基體結(jié)合界面決定了釬焊磨料層與基體的結(jié)合強度。李奇林，蘇宏華等[1]研究了采用Ag-Cu-Ti 合金釬料超高頻感應(yīng)連續(xù)釬焊工藝金剛石界面結(jié)構(gòu)及殘余應(yīng)力。借助掃描電鏡，對釬焊后的金剛石界面微觀結(jié)構(gòu)進行了觀察，圖1為掃描速度約為0.5mm/s條件下Ag-Cu-Ti合金與45#鋼基體界面的顯微組織。兩者在界面處結(jié)合較為致密，無明顯空洞和缺陷存在。從圖1a可以看到，釬料層組織內(nèi)部黑色花紋狀的相α為富Ag固溶體，以及枝晶狀的β相為Cu固溶體。超高頻感應(yīng)連續(xù)釬焊工藝能夠細化Ag-Cu-Ti釬料晶粒的組織，有利于增強釬料層的強度，提高釬料對金剛石磨粒的把持力。枝晶狀組織的產(chǎn)生，是由于釬料層快速冷卻，內(nèi)部原子的擴散過程落后于結(jié)晶過程[2]，釬料合金的均勻化不夠充分，因此，形成了枝晶狀的非平衡組織。

圖1b顯示出45#鋼基體與釬料結(jié)合面附近的晶粒為高溫的奧氏體快速冷卻后形成的板條狀馬氏體和珠光體組織，這能夠提高基體與釬料層界面處的硬度。另一方面，基體表層的馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生體積膨脹，在基體表層形成殘余壓應(yīng)力，可以顯著提高其疲勞強度和沖擊強度，并降低缺口敏感性。

圖1 釬料-基體界面顯微組織Fig.1 Microstructure of the solder-substrate interface

3 高頻感應(yīng)釬焊料與金剛石界面微結(jié)構(gòu)分析

釬焊料與金剛石結(jié)合界面結(jié)合強度決定了對金剛石磨粒的把持作用，由于金剛石基本不與其它材料形成化學(xué)結(jié)合，所以把持力通常由焊料對金剛石磨粒包裹的機械力和通過化合物形成的黏附力組成?；衔锏纳芍饕峭ㄟ^焊料成分中的一些元素在金剛石表面的富集。

圖2是經(jīng)過高頻感應(yīng)釬焊的金剛石試樣在王水中深腐蝕后的SEM形貌照片[3]。從圖2a可以看到高頻感應(yīng)釬焊后金剛石表面生成了一層反應(yīng)產(chǎn)物，從圖2b中可以觀察到沿金剛石表面切向生長的層狀化合物，對該化合物的能譜分析結(jié)果見表1，在A區(qū)域有C-Cr元素，其原子數(shù)量比約為2∶3,根據(jù)C-Cr相圖可以推測此種切向生成的碳化物是Cr3C2，在B區(qū)域除了有C、Cr元素存在，還發(fā)現(xiàn)有少量Si元素。

圖2 金剛石磨粒表面碳化物形貌[3]Fig.2 Surface carbide morphology of diamond abrasive grain[3]

表1 碳化物成分Table 1 Carbide composition

根據(jù)X射線衍射分析結(jié)果確定，沿金剛石表面切向生長的層片狀化合物為Cr3C2。該化合物可以緩解因金剛石和釬料層的線膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的應(yīng)力，同時由于液態(tài)釬料對Cr3C2化合物層有良好的浸潤性，極大地改善了液態(tài)釬料對金剛石的浸潤性，提高了釬料對磨粒的把持強度。

4 釬焊基體界面的微觀組織分析

圖3所示是CuSnTiNi釬料的釬焊層和基體界面處掃描電鏡組織[4]，可以看出，在界面處有胞晶狀、等軸晶形成，各點成分見表2，可知，釬料A處Cu、Sn原子百分比分別為89.67%、6.29%，可以判斷A處主要是固溶少量Ni、Sn的銅基固溶體，即α-Cu，釬料與鋼基體處B點的Ti、Fe元素含量高，說明在界面處δ處形成了TiFe類金屬間化合物，C處主要有Cu、Sn等元素，F(xiàn)e在高溫過程中由基體擴散到釬料中，結(jié)合B點判斷，C上點可能是鋼基體與釬料界面反應(yīng)形成TiFe類化合物后，δ相以其為核長大為樹枝晶，可能為TiFe類化合物+δ-Cu31-Sn8。結(jié)合圖3可以看出，CuSnTiNi釬料主要由α-Cu固溶體、δ-Cu31Sn8構(gòu)成。

圖3 釬焊層與基體界面組織Fig.3 Microstructure of the interface between the brazing layer and substrate

表2 鋼基體與釬料結(jié)合界面各點成分分布(原子分數(shù)，%)Table 2 Composition distribution of each point at the bonding interface of steel matrix and solder (atomic fraction, %)

5 釬焊金剛石界面微結(jié)構(gòu)

為觀察金剛石界面碳化物形貌和熱損傷情況，對釬焊試樣采用H2SO4進行了深腐蝕，金剛石顆粒的宏觀形貌如圖4所示，圖4a顯示其棱角清晰，晶體形態(tài)完整，沒有微裂紋，說明金剛石受到的熱損傷較小，這與釬料的化學(xué)成分有關(guān)。首先，Cu元素為金剛石的非觸媒元素，因此不會對金剛石起化學(xué)作用侵蝕，而鎳基釬料會對金剛石引起溶解，使全金剛石的C元素擴散進入釬科中，這適當(dāng)增大了金剛石與釬料的界面反應(yīng)，有利于金剛石的潤濕性，對金剛石表面局部放大觀察，發(fā)現(xiàn)有不均勻化合物生成，如圖4b所示，可以看出，金剛石表面有不連續(xù)的、無規(guī)則形狀的碳化物生成，對其進行EDS測試，其中C、Ti、Cu的原子分數(shù)分別為61.60%，28.00%,10.40%,可以看出，金剛石表面鈦含量遠高于釬料本身的鈦含量，說明在高溫釬焊過程中釬料中的Ti元素向金剛石表面擴散富集。

圖4 釬焊金剛石的宏觀形貌[4]Fig.4 Macro morphology of brazed diamond[4]

6 釬焊接頭界面組織

當(dāng)釬焊溫度為900℃、保溫時間為10min時，Cu-8Sn-11Ti釬料釬焊金剛石顆粒的形貌如圖5所示，從圖5中可以看出，金剛石顆粒晶形完好且邊緣被釬料合金所包覆，這表明Cu-Sn-Ti合金對金剛石顆粒表現(xiàn)出良好的浸潤性，金剛石磨粒與釬料合金的結(jié)合界面形成了均勻、連續(xù)而致密的結(jié)合。

圖5 釬焊金剛石表面形貌Fig.5 Surface morphology of brazed diamond

表3為金剛石與釬料結(jié)合界面的定點成分分析，從表3可以看出，金剛石表面的Ti元素濃度明顯高于釬料本身的濃度，表明在高溫作用下Ti元素從釬料中向金剛石表面擴散，與金剛石發(fā)生界面反應(yīng)并與金剛石中的C元素結(jié)合生成碳化物。從熱力學(xué)角度分析，在高溫真空條件下，Ti-元素在金剛石表面的富集只有在金剛石中的碳與釬料中的鈦反應(yīng)后才繼續(xù)擴散，金剛石與釬料界面在反應(yīng)過程中產(chǎn)生三種現(xiàn)象，一是金剛石中的碳向界面擴散，二是鈦元素向界面上坡擴散，三是碳和鈦碳化物生成。

表3 釬焊金剛石表面定點成分分析(質(zhì)量分數(shù)%)Table 3 Analysis data of surface fixed-point composition of brazed diamond (mass fraction %)

為判斷釬焊金剛石顆粒表面新生化合物種類，關(guān)硯聰?shù)萚5]用X射線衍射進行分析，CuTi、CuSnTi3、CuSn是粉狀銅基釬料在釬焊過程中元素間相互作用形成的金屬化合物，TiC是新生產(chǎn)物，證明活性元素Ti與金剛石顆粒在釬焊過程中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。界面反應(yīng)產(chǎn)物的形貌可反映釬料與金剛石顆粒在界面處相互作用的程度，如圖6所示，金剛石顆粒表面被一層反應(yīng)物所包裹，證明銅基釬料對金剛石與45#綱鋼基體的潤濕性都很好，釬料在銅基體表面完全鋪展，并包裹住金剛石顆粒。

圖6 金剛石顆粒界面的微觀形貌Fig.6 Microscopic morphology of diamond particle interface

7 激光釬焊界面微結(jié)構(gòu)分析

近年來，激光束的控制精度有了突破式的發(fā)展，激光焊接技術(shù)日趨成熟，采用激光釬焊金剛石具有激光束可控性好、能量密度大、加工熱影響區(qū)域小，能夠靈活地對形狀復(fù)雜的工具進行釬焊等優(yōu)點。

圖7為光纖激光釬焊Ni-Cr合金釬料的焊縫SEM形貌圖[6]。由圖7可知，焊縫上的Ni-Cr合金釬料連續(xù)完整，對金剛石的包裹情況良好，金剛石磨粒晶形完整、輪廓清晰，且有一定的突露高度。橫截面試樣的SEM觀察發(fā)現(xiàn)，Ni-Cr合金釬料包裹的金剛石晶形基本完整，釬料在金剛石表面進行了鋪展、爬升，結(jié)合界面清晰，如圖8所示。結(jié)果表明，Ni-Cr合金釬料對金剛石磨粒具有較好的潤濕。

圖7 焊縫表面SEM形貌Fig.7 SEM topography of weld surface

圖8 金剛石、釬料和鋼基體橫截面SEM形貌Fig.8 SEM morphology of cross section of diamond, brazed filler metal and steel matrix

圖9是光纖激光釬焊后金剛石磨粒的SEM形貌圖。由圖9(a)可知，激光釬焊后金剛石磨粒表面包覆一層纖維狀物質(zhì)。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，包覆在金剛石磨粒表面的化合物交織存在片狀和細條狀兩種形態(tài)，如圖9(b)所示。

圖9 釬焊金剛石磨粒SEM形貌金剛石Fig.9 SEM morphology of brazed diamond abrasive grains

8 結(jié)語

金剛石/釬料/基體之間的界面反應(yīng)產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu)決定了釬料釬焊金剛石與基體之間的粘接強度。在釬焊料與金剛石磨粒的結(jié)合界面上，通過元素擴散和反應(yīng)出現(xiàn)了釬料中的參與反應(yīng)，金屬元素向金剛石表面擴散富集，可以在金剛石界面生成一層反應(yīng)產(chǎn)物，如CrC、TiC等，從而提高了液態(tài)釬焊料對金剛石的浸潤作用，增加了焊料對金剛石磨粒的把持強度；在焊料和基體界面，基體中的 Fe元素在高溫過程中可以由基體擴散到釬料中，并在界面與焊料合金中的元素形成化合物，從而提高了焊料與基體的粘結(jié)強度，同時超高頻和激光類這種快速焊接過程的高溫和急速冷卻條件下基體表層會形成殘余壓應(yīng)力，并能細化釬料晶粒的組織，也提高了釬焊層的機械強度和抗沖擊性能。

文章收集資料和編寫過程中感謝NFSC-河南省聯(lián)合基金重點項目(U1604254)、國家自然科學(xué)基金(51775170)、湖南省重點實驗室開放基金項目(E21850)的資助。