立方氮化硼/釬料釬焊界面微觀結構及形成機理

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入手實現了磨料與合金釬料的化學冶金連接，從材料結構方面加強了對磨料的把持能力，磨料的出露高度可達65%～80%，從而在高效加工、精密制造和安全生產等領域具有很大的優勢[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磨具有結合力強、磨料出露高、磨具壽命長等諸多優勢，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用前景[3-4]。

對于傳統的電鍍和陶瓷結合劑磨具而言，由于磨粒與結合劑層之間僅僅通過機械鑲嵌作用結合，在重負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磨具的加工質量和工具壽命[5-6]。積極研發新一代單層釬焊cBN磨具，期望借磨粒、活性釬料、磨具基體之間的高溫化學和冶金反應，實現結合劑層對磨粒的牢固把持，從而滿足重負荷高效磨削加工要求。

2 cBN/合金釬焊顯微組織分層結構

丁文鋒等[7]采用掃描電鏡、能譜儀探測了應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合金的分層過渡結構組成。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格的界限，而是在一定的區域內，存在相鄰層化合物交錯分布區。經分析，這種界面分層過渡結構主要有以下兩方面優勢：首先，磨粒表層的TiN在與磨粒具有強力化學結合的同時擴大了磨料與金屬釬料層的結合面積，中間層間網絡狀結構的TiB可在磨料與釬料間發揮近似于金屬基復合材料中的纖維增強作用，而內層緊貼表面生長的TiB2則對磨粒提供充足的把持力。其次，隨B含量的增加，Ti-B化合物中共價鍵的比例逐漸增加，使其共價性逐漸增強，而金屬鍵性不斷降低。由于TiN具有與Ti金屬相同的結構，屬間隙相，有主要的金屬鍵性，因此從cBN→TiB2→TiB→TiN→含Ti合金層共價鍵性逐漸減弱，而向金屬鍵性轉化，這有利于磨粒晶體與合金釬料的逐層化學鍵過渡。

綜合以上分析，微觀組織分層結構帶來的結構界面平滑，有利于性能漸變，因此這種結構在提高cBN磨粒與合金釬焊接頭性能方面有很大的優越性。由于合金釬料通過界面反應層包裹往了cBN磨粒根部，因而阻止磨粒被連根拔出，這反映出界面強度已高于磨粒自身強度，而這正是釬焊cBN磨具具有一系列潛在優勢的基礎[8]。

3 界面反應及化合物生長機理分析

一般認為[9]，Ag-Cu-Ti釬料能夠與cBN磨粒實現潤濕，是因為液態釬料中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Ag-Cu-Ti釬料合金中分離出來，在磨粒與液態釬料的接觸面上富集，進而與cBN表面的B、N元素發生相互擴散和化合，最終生成化合物[11]。

TiN的晶體構造為面心立方晶系，屬于是NaCl型結構，晶格常數a為0.4235mm。化合生成的TiN晶體通常呈不規則顆粒狀[12-13]。TiB2是B-Ti之間最穩定的化合物，屬于六方晶系C32型結構的準金屬化合物。其完整的晶體結構參數a為0.3026nm，c為0.3228nm。TiB2具有優良的導電性和金屬光澤，其常溫電阻率約為8.2×10-8Ω·m，和一般合金屬相當[14]。由于TiB2晶體各向異性，極容易沿(0001)和(1100)晶向擇優生長，因此TiB2晶體通常呈棒狀或須狀[15]。

研究表明，隨著界面反應時間的增加，超高頻感應連續釬焊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/釬料結構。柱狀的TiB2進入釬料層內部，對cBN磨粒與釬料間的連接起到纖維增強效果，從而有利于提高界面的結合強度。

cBN磨粒與活性元素Ti的界面反應是原子體積較小的N、B原子向Ti晶格內擴散約的過程[16]。Ag-Cu-Ti合金在真空爐中釬焊條件下進行。當溫度達到605℃時，TiN先在cBN表面析出，由于溫度變化緩慢，新生的TiN有足夠的時間向釬料層內部生長，從而形成比較厚的TiN層，阻礙了B原子的擴散。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發生置換反應，形成TiB2層。

超高頻加熱產生的交變磁場對熔融的釬料具有強烈的電磁攪拌作用[17]，能夠加速原子在cBN磨粒與液態釬料界面的擴散。因此，在溫度迅速上升到940℃時的較短時間內，TiN首先在cBN磨粒表面形核。然而，B原子在液相Ti層中的溶解度和擴散系數均稍微大于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層迅速擴散出來，與Ti原子化合生成TiB2。由于界面反應在較短的時間內結束，因此，界面最終生成cBN/TiN/TiB2/釬料結構，且新生化合物層更薄。

cBN磨粒界面處的新生化合物層是實現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沖擊時，容易在界面處產生裂紋，形成斷口。相對于真空爐中釬焊獲得的較厚新生化合物層，超高頻感應連續釬科焊工藝在更短的時間內形成了cBN磨粒與Ag-Cu-Ti合金的化學冶金結合，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機理分析

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行真空釬焊的實驗研究，分析了超硬磨料/Cu-Sn-Ti合金釬料/鋼基體釬焊后的結合界面微觀結構。通過觀察發現：(1)磨料通過釬料固結在鋼基體表面，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，結合處無明顯的裂紋孔洞現象。(3)活性元素Ti在金剛石結合界面和cBN結合界面呈現了擴散富集效應。(4)鋼基體與合金釬料的結合界面結合很緊密，無明顯裂紋出現，說明這兩種材料結合完好。(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元素發生了偏析現象，可以推斷在金剛石表面發生了化學冶金反應。

金剛石和cBN屬于兩種超硬材料，用一種合金釬焊時會出現一定的差異性，與其晶體結構的不同有關。為此，對金剛石和cBN與Cu-Sn-Ti合金釬料釬焊界面反應機理進行研究，可以得出如下結果：(1)Ti的碳化物比金剛石有更高的熱穩定性，Ti的氮化物和硼化物比cBN有更高的熱穩定性。(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原子相互擴散，發生了化學反應，產生TiC(C+Ti→TiC)。(3)cBN表面的N和B原子與釬料合金的Ti原子也相互擴散，發生反應，根據熱力學數據推斷先生成TiN和TiB2(2BN+3Ti=TiB2+2TiN)，隨著反應的進行業，在Ti和TiB2化合物層中間存在擴散的Ti和B原子，發生反應用生成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散，生成Cu-Ti和Fe-Ti二元金屬間化合物[21]。可以推斷鋼基體和合金釬料間生成化學冶金結合界面，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原子有較強的化學親和力，使釬料與cBN之間發生化學反應，實現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/釬料結構。

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