钎焊立方氮化硼磨具研究综述

文/郑州磨料磨具研究所 王光祖

1. 引言

随着现代机械加工朝着高精度、高速度、硬加工、干加工(无冷却液)及降低成本等方向发展，对磨具性能提出了相当高的要求，开发各种耐磨性能优良，能长时间进行稳定加工的超硬磨削材料是必然的发展趋势。

立方氮化方硼(Cubic Boron Nitride,简称CBN)是1957年由美国通用电气(GE)公司研制成功的一种新型超硬材料。CBN密度低(2.4-2.6g/cm3)，导热性好，其导热性是常用材料Al 2O3的40多倍，是SiC的30多倍;硬度高(HV75-90GPa),仅次于金刚石(HV80-120GPa)，热稳定性和化学稳定性均优于金刚石，在大气中加热至1000℃时不发生氧化，尤其不存在着金刚石制品加工黑色铁基材料发生反应的局限性，非常适合加工淬硬钢、高速工具钢、轴承钢、不锈钢、耐热钢和体钛合金等高硬度韧性大的金属材料，广泛地应用在汽车制造、机械加工、精密加工、航天航空、新材料等加工领域。尤其是随着技术创新，高技术产品的不断应运而生，零件的加工中精度与表面完整性要求越来越高，例如，录像头等精密零件的加工精度已提高到0.01μm，激光陀螺平面反射镜的平面度误差小于0.01μm,汽车凸轮轴和发动机内腔的表面粗糙度要求达到Ra0.005μm-0.01μm。传统技术与加工材料，如采用硬质合金刀具和Al2O3砂轮磨削进行加工，难以满足生产需要。

CBN超硬材料制品替代传统硬质材料用于生产日趋明显，而成为新一代超硬材料，被国际材料界作为金刚石的替代材料。CBN超硬材料的二次加工性能差，限制其应用范围和领域。CBN作为耐磨材料制造各种工具或涂层主要通过CVD、PVD、树脂、陶瓷、金属结合剂及电镀等等工艺。采用CVD、PVD工艺，沉积时间长、生产效率低；采用烧结工艺，CBN与金属机械结合，CBN易脱落；采用电镀工艺对环境造成严重污染。

2.钎焊工艺参数

活性元素对真空度、钎焊温度和保温时间等的要求都非常严格，因此为了保证活性元素的有效发挥，获得较佳的钎焊质量，合理选择工艺参数是非常重要的。

2.1.真空度

真空度包括冷态真空度和热态真空度。冷

态真空度，是为了防止被钎焊件及炉内元件的氧化，避免热气流直接通过机械泵，在加热之前应预先把炉腔内抽到所要求的真空度，冷态真空度的选择主要根据被钎基体材料的性质选择。若选用的母材为45钢，冷态真空度为10-2Pa。

热态真空度又称工作真空度，是指从开始加热到冷却这段时间内的炉内真空度。若钎料中含有蒸气压较高的合金元素，为了防止合金元素大量挥发而污染炉腔，应向炉内通以惰性气体，降低热态真空度钎焊CBN需要真空度为10-2-10-3Pa，为确保钎料能与CBN发生了冶金反应，应采用的热态钎焊真空度为10-3Pa。

2.2.加热速率

CBN与金属基体的热膨胀系数相差较大，在加热过程中CBN与金属基体之间易产生內应力，最终导致产生裂纹等缺陷，为了减少铁缺陷的产生，而采用两级加热的工艺，笫一级以较大的速率加热，使加热炉内吸附的水分和气体在加热过程中要挥发，降低真空度，影响焊接质量；第二级以较小的速率加热，并保持一定的保温时间，促进钎料对基体和CBN的充分了润湿和扩散，排除钎焊试件的气体。

2.3.钎焊温度和保温时间

活性元素只有在一定的温度下才能发挥活性的作用，因此选择合适的钎焊温度是非常重要的。钎焊温度应适当高于钎料的熔点头，以减小液态钎料的表面张力，改善润湿和填缝，并使钎料与母材能充分相互作用，提高钎焊接头的强度。因此，通常将钎料温度选为高于钎料熔点的30-70℃，即可使钎料的流动性处于最佳状态;对于多元合金钎料，钎焊温度必须高出液相线约60-120℃，才能使钎料处于最佳的流动状态。

钎焊保温时间主要决定于钎料与母材的相互作用特性。当钎料与母材有强烈溶解、生成脆性相，引起晶间渗入等不利倾向的相互作用时，要尽量缩短钎焊保温时间；相反，如通过二者的相互作用能消除钎缝中的脆性相或低熔组织时，应适当延长钎焊保温时间。一般情况下，在保证填充良好的前提下，钎焊保温时间应尽可能缩短，以防止母材过热溶蚀或软化等不良现象产生。

2.4.冷却速率与出炉时间

钎焊试件的冷却虽是在钎焊保温结束之后进行的，但它的冷却速率对焊接质量有很大的影响，过度缓慢的冷却速度可能引起母材的晶粒长大，强化相析出或出现残余奥氏体。加快冷却速率，却有利于细化钎缝组织，减小枝晶偏析，提高钎焊试件的质量。但是，过高的冷却速率，可能因钎焊试件形成过大的热应力而产生裂纹，或钎缝迅速凝固使气体来不及逸出形成气孔。

出炉温度对钎焊试件的成型质量也有重要的影响。钎焊试件在较高温度下出炉，会引起表面氧化，特别是使用风扇冷却时，组件表面温度较低，停炉后由于组件内部温度高，会使整个焊件温度回升。

3钎料的焊接性

CBN材料的电子配位非常稳定，要实现CBN的焊接，液态钎料必须能够润湿其表面对并与之产生冶金反应，在其表面形成新的化合物，此化合物具有金属相结构，能够被液态金属所润湿，由此实现冶金结合。

钎焊是一种金属热连接方法。在钎焊过程中，依靠熔化的钎料或依靠界面之间的扩散而形成的液相把金属连接起来，钎焊温度低于母材开始熔化的温度，因此，钎焊是一种母材不熔化，靠熔化的钎料或者液相把母材连接起来的方法。

钎料是一种纯金属或合金，其熔点低于母材。合金往往有一个熔化区间，即从固相线温度到液相线温度。钎焊温度可介于固相线和液相线之间，但大部分钎焊是在液相线温度高几十度情况下进行的，而钎料液相线高于900℃，不用钎剂的钎焊叫高温钎焊时，熔化的钎料与固态母材接触，液态钎料必须很好地润湿母材表面才能填满钎缝。

以物理化学过程将Ti、Cr、V1年等过渡族碳化物形成元素加入到Cu、Ag、Sn等低熔点合金熔液中，既能使合金熔液很好地润湿立方氮化硼，又能使合金中的某些合金元素与立方氮化硼产生冶金化学亲和作用。由于碳化物形成元素在基体中只占很少的比例，因此不会对立方氮化硼产生明显的浸湿作用。

采用银基活性钎料钎焊CBN实现了CBN及其与钢基体可靠连接。与传统的电镀、烧结技术比较，银基活性钎料与CBN的结合强度显著提高，但成本高，工作温度低。

但是，Ag-Cu-Ti系活性钎料钎焊CBN存在的主要问题是：(1)成本较高，接头强度仍然较低；(2)银基钎料熔化温度区间为680——820℃，制品工作温度低于500℃，与CBN作为高温耐磨材料不匹配，致使制品在高温磨削过程中性能损失严重。多元铜基活性钎料烬熔点适中(860——1000℃)、工艺性能较好、强度较高、成本较低。

为此，王毅等人研制一种适合钎焊立方氮化硼与45钢异质材料的新型的高温BCu80Ni5SnTi活性钎料。结果表明，适合钎焊CBN的活性钎料成分为Cu78-81Ni15-6Sn3-5.5Ti10-12(质量分数，%)，固相线温度为858.4℃,“液相线说温度为874.8℃；钎料组织由α-固溶体、Ni固溶体、Cu-Sn共晶及少量CU4Ti3、Cu3Ti2、Cu3Sn、Cu-Sn和Ni17Sn3等化合物组成；该钎料对CBN的润湿性较好，润湿角为28°-30°，钎焊与45钢的接头强度为210-230MPa;新型钎料钎焊冶金特性较好，钎焊抠接头界面实现冶金结合。

4. 影响界面连接及其微观结构的因素

4.1.钎料与CBN界面的微观结构

钎料与CBN的结合的界面可以分为：突变型、扩散性和化合物型。界面没有化学反应和元素扩散时，即形成突变型界面；在界面处二者存在一定的溶解度时，则得到扩散型面；当界面附近相互反应形成化合物时，便形成化合物型界面。从界面结合强度看，突变型界面最差，化合物型界面最好。

能谱分析证实，在界面处元素成分呈梯度分布，钎料与CBN发生作用，形成界面化合物。活性钎料中的活性元素Ti在界面区CBN侧发生了富集，对提高钎料与CBN结合强度是非常有利的。

X射线衍射分析表明，钎焊后钎料与CBN结合界面主要物相为CBN、TiB2、TiN。排除CBN相，钎料中原有相及其形成的化合物相，界面反应产物主要是TiB2和TiN。由此可见，钎料中活性元素Ti与立方氮化硼之间有化学反应发生，通过反应在立方氮化硼表面分解形成新相。

4.2. CBN磨粒与钎料合金钎焊界面显微组织分层结构

如果可以依靠化合物内部结合键使磨粒与钎料层之间成分和结构逐层过渡，那么这对于降低异种材料钎焊接头的残余应力和提高其结合强度将具有显著的促进作用。

为了分析钎焊CBN磨粒表面新生化合物类别及显微组织分层结构，采用不同种类的腐蚀剂对磨粒表面不同层化合物进行选择性侵蚀，然后分别对其进行形貌观察和X射线衍射分析，发现：磨粒与钎料结合界面由CBN/TiB2/TiB/TiN/含Ti合金分层过渡结构组成。需特别指出的是，在磨粒与钎料界面显微组织中，层与层之间并没有严格界限，而是在一定区域内，存在相邻层化合物交错分布区。经分析，这种界面分层过渡结构主要有两方面的优势。

首先，西磨粒表层的TiN在与磨粒具有强力化学键结的同时扩大了磨料与金属钎科料层的结合面积，中间层网络状结构的TiB可在磨料与钎料间发挥近似金属基复合材料的纤维增强作用，而内层紧贴表面生长的TiB2则对磨粒提供充足把持力。

其次，随着B含量的增加，Ti-B化合物中共价键的比例逐渐增加，使共价健键性逐渐增强，而金属键不断降低。由于TiN具有与Ti金属相同的结构，属间隙相，有主要的金属键性，因此，含Ti合金共价键键性逐渐减弱，而向金属键转化，这有利于磨粒晶体与合金钎料的逐层化学键过渡。同时，不同界面化合物层热膨胀系数的过渡现象也很明显。

由此可以看出，结合界面的新生化合物层有助于减小钎焊CBN内部的残余热应力。由于合金钎料通过界面反应层包裹往了CBN磨粒根部，因而阻止磨粒被连根抜出，这反映出界面结合强度己高于磨粒自身强度，而这正是单层钎焊CBN砂轮具有一系列潜在优势的基础。5.界面反应及化合物生长机制分析

一般认为，Ag-Cu-Ti钎料能够用与CBN磨粒实现润湿，是因为液态钎料中Cu和Ag元素存在使金属Ti处于β相，而β相与B、N等非金属元素有较强的亲和力，使得活性金属Ti被CBN磨粒表面选择性吸附，Ti从靠近磨粒表面的液态Ag-Cu-Ti钎料合金中分离出来，在磨粒与液态钎料的接触面上富集，进而与CBN表面的B、N元素发生相互扩散和化合，最终生成化合物层。DTA测试结果表明，Ti与CBN磨粒在605℃生成TiN,从开始反应生成Ti-B化合物由于CBN中B、N两种元素的摩尔比相同，其生成物可能是TiB2和TiN。

TiN的晶体构造为面心立方晶系，属于NaCl型结构，化合生成的TiN晶体通常呈不规则颗粒状。TiB2是B-Ti之间最稳定的化合物，属于六方晶系C32型结构的准金属化合物。随着界面反应时间的增加，超高频感应连续钎焊CBN磨粒表面首先生成颗粒状TiN层，然后在TiN层外围形成柱状TiB2层，最终形成CBN/TiN/TiB2/钎料结构。柱状TIB2进入钎料层内部，对CBN磨粒与钎料间的连接起到纤维增强效果，从而有利于提高界面结合强度。

超高频感应加热产生的交变磋场对熔融的钎料具有强烈的电磁搅拌作用，能够加速原子在CBN磨粒与液态钎料界面处的扩散。因此，在温度迅速上升至940℃的较短时间內，TiN首先在CBN磨粒表面形核。然而，B原子在液相Ti层的溶解度和扩散系数均稍微大于N原子。TiN生成之后，B原子在电磁场搅拌作用的驱动下，不会在新生的TiN层附近积累，而是通过新生的TiN层迅速扩散出来，与Ti原子化合生成TiB2。由于界面反应在较短的时间内结束。因此界面最终形成CBN/TiN/TiB2/钎料结构，且新生化合物层更薄。

CBN磨粒界面处的新生化合物层是实现钎料对磨粒牢固连接的纽带。然而，新生的Ti-N和Ti-B化合物是脆性相，如果界面新生化合物层较厚，则在磨削过程中磨粒受到冲击时，容易在界面处产生裂纹理，形成断口。因此，根据实验中观察到的新生化合物层形貌，当扫描速度不高于0.5mm/s时，界面化合物的数量较合适。相对真空炉中获得的较厚新生化合物层，超高频感应连续钎焊工艺在更短的时间内形成了CBN磨粒与Ag-Cu-Ti合金的化学冶金结合，且更利于提高磨粒界面处在磨削过程中的抗冲击能力。