立方氮化硼/钎料钎焊界面微观结构及形成机理

王光祖，黄祥芬，张相法，位星，王永凯，王大鹏

(1.郑州磨料磨具磨削研究所，河南 郑州 450001；2.郑州中南杰特超硬材料有限公司，河南 郑州 450001)

1 引言

钎焊超硬材料工具是从金属冶金学入手实现了磨料与合金钎料的化学冶金连接，从材料结构方面加强了对磨料的把持能力，磨料的出露高度可达65%～80%，从而在高效加工、精密制造和安全生产等领域具有很大的优势[1-2]。

立方氮化硼(cBN)是硬度仅次于金刚石的超硬磨料。研究表明，采用钎焊方法制作cBN磨具有结合力强、磨料出露高、磨具寿命长等诸多优势，在钛合金、高温合金等难加工材料的高效磨削中具有广泛的应用前景[3-4]。

对于传统的电镀和陶瓷结合剂磨具而言，由于磨粒与结合剂层之间仅仅通过机械镶嵌作用结合，在重负荷磨削过程中磨粒容易从胎体材料或电镀层中脱落，这会影响cBN磨具的加工质量和工具寿命[5-6]。积极研发新一代单层钎焊cBN磨具，期望借磨粒、活性钎料、磨具基体之间的高温化学和冶金反应，实现结合剂层对磨粒的牢固把持，从而满足重负荷高效磨削加工要求。

2 cBN/合金钎焊显微组织分层结构

丁文锋等[7]采用扫描电镜、能谱仪探测了应用最普遍的加热工艺下，钎焊磨粒表面的新生化合物形貌和微观组织分层现象。通过观察得知，磨料与钎料界面由cBN/TiB2/TiB/TiN/含Ti合金的分层过渡结构组成。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的界限，而是在一定的区域内，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以下两方面优势：首先，磨粒表层的TiN在与磨粒具有强力化学结合的同时扩大了磨料与金属钎料层的结合面积，中间层间网络状结构的TiB可在磨料与钎料间发挥近似于金属基复合材料中的纤维增强作用，而内层紧贴表面生长的TiB2则对磨粒提供充足的把持力。其次，随B含量的增加，Ti-B化合物中共价键的比例逐渐增加，使其共价性逐渐增强，而金属键性不断降低。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，因此从cBN→TiB2→TiB→TiN→含Ti合金层共价键性逐渐减弱，而向金属键性转化，这有利于磨粒晶体与合金钎料的逐层化学键过渡。

综合以上分析，微观组织分层结构带来的结构界面平滑，有利于性能渐变，因此这种结构在提高cBN磨粒与合金钎焊接头性能方面有很大的优越性。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拔出，这反映出界面强度已高于磨粒自身强度，而这正是钎焊cBN磨具具有一系列潜在优势的基础[8]。

3 界面反应及化合物生长机理分析

一般认为[9]，Ag-Cu-Ti钎料能够与cBN磨粒实现润湿，是因为液态钎料中Cu和Ag元素的存在使金属Ti处于β相[10]。而β-Ti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[11]。

TiN的晶体构造为面心立方晶系，属于是NaCl型结构，晶格常数a为0.4235mm。化合生成的TiN晶体通常呈不规则颗粒状[12-13]。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。其完整的晶体结构参数a为0.3026nm，c为0.3228nm。TiB2具有优良的导电性和金属光泽，其常温电阻率约为8.2×10-8Ω·m，和一般合金属相当[14]。由于TiB2晶体各向异性，极容易沿(0001)和(1100)晶向择优生长，因此TiB2晶体通常呈棒状或须状[15]。

研究表明，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。柱状的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的结合强度。

cBN磨粒与活性元素Ti的界面反应是原子体积较小的N、B原子向Ti晶格内扩散约的过程[16]。Ag-Cu-Ti合金在真空炉中钎焊条件下进行。当温度达到605℃时，TiN先在cBN表面析出，由于温度变化缓慢，新生的TiN有足够的时间向钎料层内部生长，从而形成比较厚的TiN层，阻碍了B原子的扩散。随着温度逐渐上升到807℃以上，在cBN与新生TiN层界面处积累的B与TiN发生置换反应，形成TiB2层。

超高频加热产生的交变磁场对熔融的钎料具有强烈的电磁搅拌作用[17]，能够加速原子在cBN磨粒与液态钎料界面的扩散。因此，在温度迅速上升到940℃时的较短时间内，TiN首先在cBN磨粒表面形核。然而，B原子在液相Ti层中的溶解度和扩散系数均稍微大于N原子[18-19]。TiN生成之后，B原子在电磁搅拌作用的驱动下，不会在新生的TiN层附近积累，而是透过新生的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，界面最终生成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作和Ti-B化合物是脆性相，如果界面新生化合物较厚，则在磨削过程中磨粒受到冲击时，容易在界面处产生裂纹，形成断口。相对于真空炉中钎焊获得的较厚新生化合物层，超高频感应连续钎科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。

4 钎焊金刚石及立方氮化硼磨粒界面特征及反应机理分析

刘思幸等[20]采用铜锡钛(Cu-Sn-Ti)合金钎料将混合金刚石和cBN的超硬磨料在铜基体上进行真空钎焊的实验研究，分析了超硬磨料/Cu-Sn-Ti合金钎料/钢基体钎焊后的结合界面微观结构。通过观察发现：(1)磨料通过钎料固结在钢基体表面，表明合金钎料对磨粒有良好的浸润性。(2)金刚石与cBN磨粒被合金钎料充分包裹，结合处无明显的裂纹孔洞现象。(3)活性元素Ti在金刚石结合界面和cBN结合界面呈现了扩散富集效应。(4)钢基体与合金钎料的结合界面结合很紧密，无明显裂纹出现，说明这两种材料结合完好。(5)在金刚石与合金钎料层的界面处可明显得出Ti元素与C元素发生了偏析现象，可以推断在金刚石表面发生了化学冶金反应。

金刚石和cBN属于两种超硬材料，用一种合金钎焊时会出现一定的差异性，与其晶体结构的不同有关。为此，对金刚石和cBN与Cu-Sn-Ti合金钎料钎焊界面反应机理进行研究，可以得出如下结果：(1)Ti的碳化物比金刚石有更高的热稳定性，Ti的氮化物和硼化物比cBN有更高的热稳定性。(2)在高温钎焊过程中，金刚石表面的C原子与钎料合金的Ti原子相互扩散，发生了化学反应，产生TiC(C+Ti→TiC)。(3)cBN表面的N和B原子与钎料合金的Ti原子也相互扩散，发生反应，根据热力学数据推断先生成TiN和TiB2(2BN+3Ti=TiB2+2TiN)，随着反应的进行业，在Ti和TiB2化合物层中间存在扩散的Ti和B原子，发生反应用生成TiB(Ti+B=TiB)。(4)在钎焊过程中，钢基体与合金钎料的界面，随着熔融合金钎料与钢基体中元素的相互扩散，生成Cu-Ti和Fe-Ti二元金属间化合物[21]。可以推断钢基体和合金钎料间生成化学冶金结合界面，这也是钢基体能够牢固把持金刚石及cBN磨料的原因。

5 结论

(1)通过Ag-Cu-Ti或Cu-Sn-Ti合金钎料中活性的Ti原子，其对B、N原子有较强的化学亲和力，使钎料与cBN之间发生化学反应，实现cBN与金属基体的连接。钎焊cBN磨粒表面首先生成颗粒状TiN层，然后在TiN层外围形成为柱状TiB2，最终形成cBN/TiN/TiB2/钎料结构。

(2)应加强对钎焊超硬磨料工具所涉及的制作工艺、合金钎料组分、结合界面微观形貌及钎焊机理等诸多方面开展深入研究。