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釬焊立方氮化硼磨具研究綜述
添加時間:2021-12-25

日期:2021/7/12
來源:中國研磨網


  文/鄭州磨料磨具研究所 王光祖


1.引言

  隨著現代機械加工朝著高精度、高速度、硬加工、干加工(無冷卻液)及降低成本等方向發展,對磨具性能提出了相當高的要求,開發各種耐磨性能優良,能長時間進行穩定加工的超硬磨削材料是必然的發展趨勢。

  立方氮化方硼(Cubic Boron Nitride,簡稱CBN)是1957年由美國通用電氣(GE)公司研制成功的一種新型超硬材料。CBN密度低(2.4-2.6g/cm3),導熱性好,其導熱性是常用材料Al 2O3的40多倍,是SiC的30多倍;硬度高(HV75-90GPa),僅次于金剛石(HV80-120GPa),熱穩定性和化學穩定性均優于金剛石,在大氣中加熱至1000℃時不發生氧化,尤其不存在著金剛石制品加工黑色鐵基材料發生反應的局限性,非常適合加工淬硬鋼、高速工具鋼、軸承鋼、不銹鋼、耐熱鋼和體鈦合金等高硬度韌性大的金屬材料,廣泛地應用在汽車制造、機械加工、精密加工、航天航空、新材料等加工領域。尤其是隨著技術創新,高技術產品的不斷應運而生,零件的加工中精度與表面完整性要求越來越高,例如,錄像頭等精密零件的加工精度已提高到0.01μm,激光陀螺平面反射鏡的平面度誤差小于0.01μm,汽車凸輪軸和發動機內腔的表面粗糙度要求達到Ra0.005μm-0.01μm。傳統技術與加工材料,如采用硬質合金刀具和Al2O3砂輪磨削進行加工,難以滿足生產需要。

  CBN超硬材料制品替代傳統硬質材料用于生產日趨明顯,而成為新一代超硬材料,被國際材料界作為金剛石的替代材料。CBN超硬材料的二次加工性能差,限制其應用范圍和領域。CBN作為耐磨材料制造各種工具或涂層主要通過CVD、PVD、樹脂、陶瓷、金屬結合劑及電鍍等等工藝。采用CVD、PVD工藝,沉積時間長、生產效率低;采用燒結工藝,CBN與金屬機械結合,CBN易脫落;采用電鍍工藝對環境造成嚴重污染。

  2.釬焊工藝參數

  活性元素對真空度、釬焊溫度和保溫時間等的要求都非常嚴格,因此為了保證活性元素的有效發揮,獲得較佳的釬焊質量,合理選擇工藝參數是非常重要的。

  2.1.真空度

  真空度包括冷態真空度和熱態真空度。

  冷態真空度,是為了防止被釬焊件及爐內元件的氧化,避免熱氣流直接通過機械泵,在加熱之前應預先把爐腔內抽到所要求的真空度,冷態真空度的選擇主要根據被釬基體材料的性質選擇。若選用的母材為45鋼,冷態真空度為10-2Pa。

  熱態真空度又稱工作真空度,是指從開始加熱到冷卻這段時間內的爐內真空度。若釬料中含有蒸氣壓較高的合金元素,為了防止合金元素大量揮發而污染爐腔,應向爐內通以惰性氣體,降低熱態真空度釬焊CBN需要真空度為10-2-10-3Pa,為確保釬料能與CBN發生了冶金反應,應采用的熱態釬焊真空度為10-3Pa。

  2.2.加熱速率

  CBN與金屬基體的熱膨脹系數相差較大,在加熱過程中CBN與金屬基體之間易產生內應力,最終導致產生裂紋等缺陷,為了減少鐵缺陷的產生,而采用兩級加熱的工藝,笫一級以較大的速率加熱,使加熱爐內吸附的水分和氣體在加熱過程中要揮發,降低真空度,影響焊接質量;第二級以較小的速率加熱,并保持一定的保溫時間,促進釬料對基體和CBN的充分了潤濕和擴散,排除釬焊試件的氣體。

  2.3.釬焊溫度和保溫時間

  活性元素只有在一定的溫度下才能發揮活性的作用,因此選擇合適的釬焊溫度是非常重要的。釬焊溫度應適當高于釬料的熔點頭,以減小液態釬料的表面張力,改善潤濕和填縫,并使釬料與母材能充分相互作用,提高釬焊接頭的強度。因此,通常將釬料溫度選為高于釬料熔點的30-70℃,即可使釬料的流動性處于最佳狀態;對于多元合金釬料,釬焊溫度必須高出液相線約60-120℃,才能使釬料處于最佳的流動狀態。

  釬焊保溫時間主要決定于釬料與母材的相互作用特性。當釬料與母材有強烈溶解、生成脆性相,引起晶間滲入等不利傾向的相互作用時,要盡量縮短釬焊保溫時間;相反,如通過二者的相互作用能消除釬縫中的脆性相或低熔組織時,應適當延長釬焊保溫時間。一般情況下,在保證填充良好的前提下,釬焊保溫時間應盡可能縮短,以防止母材過熱溶蝕或軟化等不良現象產生。

  2.4.冷卻速率與出爐時間

  釬焊試件的冷卻雖是在釬焊保溫結束之后進行的,但它的冷卻速率對焊接質量有很大的影響,過度緩慢的冷卻速度可能引起母材的晶粒長大,強化相析出或出現殘余奧氏體。加快冷卻速率,卻有利于細化釬縫組織,減小枝晶偏析,提高釬焊試件的質量。但是,過高的冷卻速率,可能因釬焊試件形成過大的熱應力而產生裂紋,或釬縫迅速凝固使氣體來不及逸出形成氣孔。

  出爐溫度對釬焊試件的成型質量也有重要的影響。釬焊試件在較高溫度下出爐,會引起表面氧化,特別是使用風扇冷卻時,組件表面溫度較低,停爐后由于組件內部溫度高,會使整個焊件溫度回升。

  3.釬料的焊接性

  CBN材料的電子配位非常穩定,要實現CBN的焊接,液態釬料必須能夠潤濕其表面對并與之產生冶金反應,在其表面形成新的化合物,此化合物具有金屬相結構,能夠被液態金屬所潤濕,由此實現冶金結合。

  釬焊是一種金屬熱連接方法。在釬焊過程中,依靠熔化的釬料或依靠界面之間的擴散而形成的液相把金屬連接起來,釬焊溫度低于母材開始熔化的溫度,因此,釬焊是一種母材不熔化,靠熔化的釬料或者液相把母材連接起來的方法。

  釬料是一種純金屬或合金,其熔點低于母材。合金往往有一個熔化區間,即從固相線溫度到液相線溫度。釬焊溫度可介于固相線和液相線之間,但大部分釬焊是在液相線溫度高幾十度情況下進行的,而釬料液相線高于900℃,不用釬劑的釬焊叫高溫釬焊時,熔化的釬料與固態母材接觸,液態釬料必須很好地潤濕母材表面才能填滿釬縫。

  以物理化學過程將Ti、Cr、V1年等過渡族碳化物形成元素加入到Cu、Ag、Sn等低熔點合金熔液中,既能使合金熔液很好地潤濕立方氮化硼,又能使合金中的某些合金元素與立方氮化硼產生冶金化學親和作用。由于碳化物形成元素在基體中只占很少的比例,因此不會對立方氮化硼產生明顯的浸濕作用。

  采用銀基活性釬料釬焊CBN實現了CBN及其與鋼基體可靠連接。與傳統的電鍍、燒結技術比較,銀基活性釬料與CBN的結合強度顯著提高,但成本高,工作溫度低。

  但是,Ag-Cu-Ti系活性釬料釬焊CBN存在的主要問題是:(1)成本較高,接頭強度仍然較低;(2)銀基釬料熔化溫度區間為680——820℃,制品工作溫度低于500℃,與CBN作為高溫耐磨材料不匹配,致使制品在高溫磨削過程中性能損失嚴重。多元銅基活性釬料燼熔點適中(860——1000℃)、工藝性能較好、強度較高、成本較低。

  為此,王毅等人研制一種適合釬焊立方氮化硼與45鋼異質材料的新型的高溫BCu80Ni5SnTi活性釬料。結果表明,適合釬焊CBN的活性釬料成分為Cu78-81Ni15-6Sn3-5.5Ti10-12(質量分數,%),固相線溫度為858.4℃,“液相線說溫度為874.8℃;釬料組織由α-固溶體、Ni固溶體、Cu-Sn共晶及少量CU4Ti3、Cu3Ti2、Cu3Sn、Cu-Sn和Ni17Sn3等化合物組成;該釬料對CBN的潤濕性較好,潤濕角為28°-30°,釬焊與45鋼的接頭強度為210-230MPa;新型釬料釬焊冶金特性較好,釬焊摳接頭界面實現冶金結合。

  4.影響界面連接及其微觀結構的因素

  4.1.釬料與CBN界面的微觀結構

  釬料與CBN的結合的界面可以分為:突變型、擴散性和化合物型。界面沒有化學反應和元素擴散時,即形成突變型界面;在界面處二者存在一定的溶解度時,則得到擴散型面;當界面附近相互反應形成化合物時,便形成化合物型界面。從界面結合強度看,突變型界面最差,化合物型界面最好。

  能譜分析證實,在界面處元素成分呈梯度分布,釬料與CBN發生作用,形成界面化合物?;钚遭F料中的活性元素Ti在界面區CBN側發生了富集,對提高釬料與CBN結合強度是非常有利的。

  X射線衍射分析表明,釬焊后釬料與CBN結合界面主要物相為CBN、TiB2、TiN。排除CBN相,釬料中原有相及其形成的化合物相,界面反應產物主要是TiB2和TiN。由此可見,釬料中活性元素Ti與立方氮化硼之間有化學反應發生,通過反應在立方氮化硼表面分解形成新相。

  4.2. CBN磨粒與釬料合金釬焊界面顯微組織分層結構

  如果可以依靠化合物內部結合鍵使磨粒與釬料層之間成分和結構逐層過渡,那么這對于降低異種材料釬焊接頭的殘余應力和提高其結合強度將具有顯著的促進作用。

  為了分析釬焊CBN磨粒表面新生化合物類別及顯微組織分層結構,采用不同種類的腐蝕劑對磨粒表面不同層化合物進行選擇性侵蝕,然后分別對其進行形貌觀察和X射線衍射分析,發現:磨粒與釬料結合界面由CBN/TiB2/TiB/TiN/含Ti合金分層過渡結構組成。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界限,而是在一定區域內,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兩方面的優勢。

  首先,西磨粒表層的TiN在與磨粒具有強力化學鍵結的同時擴大了磨料與金屬釬科料層的結合面積,中間層網絡狀結構的TiB可在磨料與釬料間發揮近似金屬基復合材料的纖維增強作用,而內層緊貼表面生長的TiB2則對磨粒提供充足把持力。

  其次,隨著B含量的增加,Ti-B化合物中共價鍵的比例逐漸增加,使共價健鍵性逐漸增強,而金屬鍵不斷降低。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,含Ti合金共價鍵鍵性逐漸減弱,而向金屬鍵轉化,這有利于磨粒晶體與合金釬料的逐層化學鍵過渡。同時,不同界面化合物層熱膨脹系數的過渡現象也很明顯。

  由此可以看出,結合界面的新生化合物層有助于減小釬焊CBN內部的殘余熱應力。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抜出,這反映出界面結合強度己高于磨粒自身強度,而這正是單層釬焊CBN砂輪具有一系列潛在優勢的基礎。5.界面反應及化合物生長機制分析

  一般認為,Ag-Cu-Ti釬料能夠用與CBN磨粒實現潤濕,是因為液態釬料中Cu和Ag元素存在使金屬Ti處于β相,而β相與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,最終生成化合物層。DTA測試結果表明,Ti與CBN磨粒在605℃生成TiN,從開始反應生成Ti-B化合物由于CBN中B、N兩種元素的摩爾比相同,其生成物可能是TiB2和TiN。

  TiN的晶體構造為面心立方晶系,屬于NaCl型結構,化合生成的TiN晶體通常呈不規則顆粒狀。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。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結合強度。

  超高頻感應加熱產生的交變磋場對熔融的釬料具有強烈的電磁攪拌作用,能夠加速原子在CBN磨粒與液態釬料界面處的擴散。因此,在溫度迅速上升至940℃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層的溶解度和擴散系數均稍微大于N原子。TiN生成之后,B原子在電磁場攪拌作用的驅動下,不會在新生的TiN層附近積累,而是通過新生的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。因此界面最終形成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和Ti-B化合物是脆性相,如果界面新生化合物層較厚,則在磨削過程中磨粒受到沖擊時,容易在界面處產生裂紋理,形成斷口。因此,根據實驗中觀察到的新生化合物層形貌,當掃描速度不高于0.5mm/s時,界面化合物的數量較合適。相對真空爐中獲得的較厚新生化合物層,超高頻感應連續釬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。



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