王君臨， 肖 冰， 王樹義， 蘇仕超， 浦一子， 高 睿

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院， 南京 210016)

立方氮化硼(CBN)具有優(yōu)異的力學(xué)性能和良好的化學(xué)惰性，因此被廣泛應(yīng)用于加工鐵基合金、鎳基合金和鈦基合金等鐵族金屬合金[1-2]。目前，制備CBN磨具的常用方法有燒結(jié)、電鍍和釬焊[3]。其中，通過燒結(jié)和電鍍兩種方法制備的CBN磨具只是機(jī)械包埋磨粒，對(duì)磨粒的把持力有限，在加工過程中磨粒易脫落，影響磨具的加工效率和使用壽命。而釬焊CBN磨具通過釬焊過程中釬料與CBN磨粒界面處產(chǎn)生的化學(xué)冶金反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了磨粒、釬料和基體之間的高強(qiáng)度結(jié)合[4-5]。釬焊CBN磨具因其磨粒出露率高，容屑空間大，加工過程中磨粒不易脫落，使用壽命長(zhǎng)，便于實(shí)現(xiàn)磨粒有序排布等特點(diǎn)而被研究人員廣泛關(guān)注。

目前，用于釬焊CBN的活性釬料多為含Ti活性釬料，如Ag-Cu-Ti和Cu-Sn-Ti等[6-9]。這些釬料對(duì)CBN磨粒均具有良好的潤(rùn)濕性，釬料中的活性元素Ti能與CBN磨料反應(yīng)產(chǎn)生TiN、TiB和TiB2，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的冶金結(jié)合。但是，Ag基活性釬料和Cu基活性釬料存在耐磨性和高溫性差等問題，難以滿足重負(fù)荷磨削加工的需求。

Ni-Cr釬料具有硬度高、耐磨、高溫性能好的特點(diǎn)，常用于制備重負(fù)荷磨削用途的釬焊金剛石磨具[10]。然而，Ni-Cr釬料無法潤(rùn)濕CBN磨粒，不能直接用于制造釬焊CBN磨具。為解決這個(gè)問題，采用鍍鈦CBN磨粒與Ni-Cr合金釬料釬焊，通過對(duì)CBN磨料進(jìn)行預(yù)金屬化來改善CBN磨料與釬料之間的潤(rùn)濕問題，還能一定程度降低釬焊過程中的熱損傷[11-12]。釬焊后使用掃描電子顯微鏡、能譜儀和X射線衍射儀觀察和分析鍍鈦CBN磨粒焊后形貌，鍍鈦CBN磨粒與Ni-Cr釬料結(jié)合界面的微觀形貌，并且對(duì)界面處的反應(yīng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析，揭示了Ni-Cr釬料和鍍鈦CBN磨粒的反應(yīng)機(jī)理。

1 試驗(yàn)條件及方法

試驗(yàn)采用的鍍鈦CBN磨粒粒度為30/40(425～600 μm，如圖1)，采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)鍍鈦。選用釬料為Ni-Cr合金粉末，粒度為200目(基本顆粒尺寸為75 μm)。鋼基體材料為30 mm×15 mm×3 mm的45號(hào)鋼。

圖1 鍍鈦CBN磨粒微觀形貌

釬焊前，用丙酮對(duì)鋼基體和金剛石的表面進(jìn)行超聲清洗，將Ni-Cr活性釬料均勻鋪在鋼基體上，厚度約為300 μm。然后，將鍍鈦CBN磨料均勻鋪于釬料表面，制成待釬焊試樣(如圖2)。將待釬焊試樣放入真空爐，加熱至1 030 ℃，保溫20 min，隨爐冷卻至室溫后取出，釬焊過程中真空度不低于1×10-2Pa。

圖2 Ni-Cr釬料真空釬焊鍍鈦CBN磨粒示意圖

采用美國(guó)FEI公司的Quanta250FEG型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察釬焊后鍍鈦CBN磨粒的焊后形貌，以及Ni-Cr活性釬料和鍍鈦CBN磨粒之間的界面微區(qū)分層結(jié)構(gòu)，并用能譜儀分析該界面的元素分布和可能相。采用德國(guó)布魯克公司的Bruker D8 Advance型X射線衍射儀對(duì)釬焊前后的鍍鈦CBN磨粒表面的生成物進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鍍鈦CBN磨粒焊后形貌分析

圖3所示為鍍鈦CBN磨料的X射線衍射圖。由圖3可以看出：在鍍鈦過程中，Ti和CBN磨粒發(fā)生相互滲透和反應(yīng)，形成Ti-N和Ti-B化合物。TiN是非化學(xué)計(jì)量化合物，其穩(wěn)定的組成范圍為TiN0.37～TiN1.16，N含量在一定范圍內(nèi)變化不會(huì)引起TiN結(jié)構(gòu)的變化，故該層Ti-N和Ti-B化合物應(yīng)為TiN和TiB。鍍鈦CBN磨粒的結(jié)構(gòu)為金屬鈦-TiN和TiB-CBN磨粒的三層結(jié)構(gòu)，鈦層與CBN磨粒具有良好的結(jié)合力。

圖3 鍍鈦CBN磨粒X射線衍射圖

釬焊后鍍鈦CBN磨粒的宏觀形貌如圖4所示。從圖4中可以看出：Ni-Cr釬料對(duì)鍍鈦CBN磨粒表現(xiàn)出較好的潤(rùn)濕性。釬焊后CBN磨粒刃角清晰，Ni-Cr釬料對(duì)鍍鈦CBN磨粒表現(xiàn)出較好的潤(rùn)濕性。釬焊后CBN磨粒刃角清晰，與釬料結(jié)合緊密無裂紋，出露高度約為整個(gè)磨粒高度的50%。釬焊后，CBN磨粒表面色澤發(fā)生改變。

圖4 鍍鈦CBN磨粒的焊后形貌

2.2 釬焊后鍍鈦CBN磨粒微觀結(jié)構(gòu)分析

圖5所示為釬焊后CBN磨粒表面鍍層部分的開裂和脫落。將圖5區(qū)域1放大得圖6，從其中可以清晰地看到鍍層上存在的微觀裂紋。這是由于CBN磨粒的熱膨脹系數(shù)(4.1×10-6K-1)與Ni、Ti等金屬元素的熱膨脹系數(shù)(1.2×10-5K-1)差距較大，釬焊過程中產(chǎn)生很大的應(yīng)力，致使鍍層開裂和脫落。

圖5 釬焊后CBN磨粒表面鍍層部分開裂和脫落

圖6 圖5區(qū)域1放大圖

表1為采用能譜分析儀對(duì)圖6中的A、B、C、D點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)元素分析的結(jié)果。從表1中可以發(fā)現(xiàn)：釬焊后鍍鈦CBN磨粒未被Ni-Cr釬料包埋的部分表層也出現(xiàn)了大量的富Ni相，而原本的鈦鍍層則消失不見。這是因?yàn)镹i和Ti具有很強(qiáng)的結(jié)合力，釬焊過程中Ni-Cr活性釬料中的Ni原子沿著鈦鍍層擴(kuò)散和反應(yīng)生成Ni-Ti金屬間化合物，使得Ni-Cr釬料能夠濕潤(rùn)和爬升鍍鈦CBN磨粒。即使是磨粒未被Ni-Cr釬料包埋的區(qū)域，鍍鈦層也能與Ni-Cr釬料反應(yīng)。圖6中B點(diǎn)的測(cè)試分析顯示，這些Ni-Ti化合物大部分以Ni3Ti的形式存在。

表1 圖6標(biāo)記點(diǎn)元素組成(物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))和可能相

為進(jìn)一步研究釬焊過程中鍍鈦CBN磨粒與Ni-Cr活性釬料的焊后生成物和釬焊機(jī)理，采用X射線衍射儀對(duì)焊后試樣表面生成物進(jìn)行分析(見圖7)。對(duì)試樣進(jìn)行磨拋處理后用掃描電子顯微鏡觀察分析鍍鈦CBN磨粒與Ni-Cr釬料的連接界面。

對(duì)比圖3和圖7可以發(fā)現(xiàn)：釬焊前后，磨粒表面的物質(zhì)發(fā)生改變。釬焊后CBN磨粒表面的鈦鍍層完全轉(zhuǎn)化為Ni-Ti，Ti-N，Ti-B等含Ti化合物，不再存在單質(zhì)鈦。而Ni3N、TiN等物質(zhì)的存在表明釬焊過程中，CBN磨料中的N原子和B原子也在向鍍鈦層和Ni-Cr釬料處擴(kuò)散。由此可以推斷，釬焊過程中，CBN、鍍鈦層、Ni-Cr釬料之間出現(xiàn)了相互擴(kuò)散和反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)三者之間的化學(xué)冶金結(jié)合。

圖7 釬焊后試樣表面生成物的X射線衍射圖

釬焊后鍍鈦CBN磨粒和Ni-Cr活性釬料連接界面如圖8所示。X射線能譜儀對(duì)界面進(jìn)行面掃描分析的結(jié)果如圖9所示。從圖9中可以看出：釬焊后，在CBN磨粒鈦鍍層處出現(xiàn)了大量的Ni元素和部分N元素。這表明在釬焊時(shí)，鈦層同時(shí)和CBN磨粒，Ni-Cr合金釬料發(fā)生擴(kuò)散和反應(yīng)，形成一個(gè)連接CBN磨粒和Ni-Cr合金釬料的中間層。對(duì)該中間層的各相進(jìn)行點(diǎn)掃描分析(見表2)，發(fā)現(xiàn)該中間層主要由Ni0.3Ti0.7N相和NiTi相組成。

表2 圖10a標(biāo)記點(diǎn)元素組成(at.%)和可能相

圖8中區(qū)域2為CBN磨粒和鈦層的連接界面，將其放大并用能譜儀進(jìn)行線掃描分析，其結(jié)果如圖10。從圖10a可以看出：在CBN磨粒與鈦層之間的界面處，出現(xiàn)了一個(gè)由鈦層和CBN磨粒相互滲透形成的中間層，結(jié)合圖10b的元素分布圖譜，得出該中間層主要由Ti-N和Ti-B化合物組成。結(jié)合圖7，認(rèn)定這些化合物主要為TiN，TiB和TiB2。其主要來源有：(1)鍍鈦過程中生成的TiN和TiB；(2)釬焊過程中，Ti作為活性元素與CBN反應(yīng)，生成的TiN，TiB和TiB2。

圖8 鍍鈦CBN磨粒與Ni-Cr釬料連接界面微觀形貌

2.3 界面反應(yīng)機(jī)理分析

鍍鈦CBN磨粒與Ni-Cr合金釬料的緊密結(jié)合是通過釬焊過程中各元素的相互滲透和反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。釬焊過程中，隨著溫度升高，鈦層的Ti作為活性元素將向CBN擴(kuò)散并與CBN磨粒發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)為

2BN+3Ti→TiB2+2TiN

查閱資料[13]，在1 030℃時(shí)，上述反應(yīng)的Gibbs生成自由能ΔG=-230 kJ/mol，這表明在該溫度下，鈦層將與CBN磨粒進(jìn)一步反應(yīng)生成TiB2和TiN等。

當(dāng)溫度達(dá)Ni-Cr合金釬料的熔點(diǎn)時(shí)，Ni-Cr釬料熔化，其中的Ni元素開始大量擴(kuò)散滲透鈦層并帶動(dòng)釬料沿鈦層爬升CBN磨粒。隨著釬焊的進(jìn)行，熔融狀態(tài)的Ni元素將大量向鈦層進(jìn)行遷移。當(dāng)Ni元素溶度較高時(shí)，Ni與Ti將反應(yīng)生成穩(wěn)定的金屬間化合物NiTi和Ni3Ti。發(fā)生的反應(yīng)為

3Ni+Ti→Ni3Ti，Ni+Ti→NiTi

根據(jù)文獻(xiàn)[14],Ni3Ti和NiTi的Gibbs生成自由能為ΔGNi3Ti=-37.8+0.006 54TkJ/mol，ΔGNiTi=-38.85+0.005 34TkJ/mol。根據(jù)計(jì)算，這兩個(gè)反應(yīng)均能在釬焊溫度下正向進(jìn)行。在Ti原子溶解度較高處，Ni原子將嵌入α-Ti中形成(Ti，Ni)固溶體相。然而，該固溶體表面存在不飽和鍵，極易吸附來自CBN磨粒中的N原子，轉(zhuǎn)變?yōu)镹i0.3Ti0.7N，該物質(zhì)是一種“核-殼”結(jié)構(gòu)的化合物，其晶格參數(shù)值與TiN幾乎相同[15-17]。

3 結(jié)論

在1 030 ℃時(shí)，采用Ni-Cr釬料釬焊鍍鈦CBN磨粒，觀察磨粒焊后形貌及其與釬料的連接界面，分析磨粒表面生成物，得出以下結(jié)論：

(1)鍍鈦CBN磨粒能夠通過使用Ni-Cr合金釬料釬焊實(shí)現(xiàn)和45號(hào)鋼鋼基體的緊密結(jié)合，焊后磨粒刃角清晰，出露高度約為磨粒高度的50%。

(2)釬焊后，CBN磨粒出露部分的鈦鍍層轉(zhuǎn)變?yōu)橐粚覰i-Ti金屬層。這是由于釬焊過程中，Ni-Cr釬料中的Ni原子等不斷向鈦層擴(kuò)散發(fā)生反應(yīng)。

(3)在鍍鈦CBN磨粒被Ni-Cr釬料包埋的部分，磨粒的鈦層在Ni、N等元素的擴(kuò)散滲透下，轉(zhuǎn)變?yōu)檫B接CBN磨粒和Ni-Cr合金釬料的一層中間層，該中間層主要由Ni0.3Ti0.7N相和NiTi相組成。該中間層的存在實(shí)現(xiàn)了鍍鈦CBN磨粒與Ni-Cr合金釬料的牢固結(jié)合。