硬质合金省材料工艺昏立方氮化硼钎焊制备磨料砂轮的工艺及性能研究王乾薛茂权董笑瑜（常州轻工职业技术学院，江苏常州213164）料砂轮。实验结果表明，Ag-Cu-Ti合金钎料对立方氮化硼表现出良好的浸润性，并将立方氮化硼牢牢钎焊住。扫描电镜、X-射线能谱和X-射线衍射对界面微区组织的分析研究表明，钎焊过程中Ag-Cu-Ti合金钎料中的Ti向立方氮化硼磨粒界面富集，并与立方氮化硼磨料表面的N和B元素发生反应生成TiN和TiB2. 1前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。立方氮化硼磨料的工业化生产被誉为磨料行业所取得具有里程碑的意义的突破性成果。

　　立方氮化硼的硬度仅低于金刚石，而且具有比金刚石更稳定的化学性质。由于立方氮化硼难以单独使用，实现立方氮化硼与金属的连接就十分重要。这两种超硬磨料在适应面上的互补性使由它们制作的磨具的可加工范围覆盖到了包拮高硬脆、高强韧性材料在内的几乎所有被加工材料，磨削加工也由此进入了一个有条件可以实现高效精密作业的新时代。

　　但是国内己有的超硬立方氮化硼CBN磨料磨具（砂轮）多为电镀砂轮，砂轮上的镀层金属根本无法起到磨具行业严格意义上的结合剂“的作用，由于电沉积的镀层金属在其与磨料和磨具基体的界面上均不存在牢固的化学冶金结合，磨料只是被机械地包埋在镀层与基体之间。纯由机械包埋作用提供的把持力十分有限，就是在正常的磨削负荷下也容易因磨料呈颗粒脱落和镀层成片剥离而导致砂轮的整体失效，此种情况在难加工材料的高效磨削时尤其明显；另外，由于镀层厚，磨料出露高度低，容屑空间小，电镀砂轮磨削时很容易因切屑的粘附堵塞而失效；再有，电镀砂轮上磨料本身的有效利用率极低，这是因为除了非正常剥落脱落以外，只要镀层厚度被磨损到接近磨料初始高度的40%~50%时，磨料就会自然脱落，等等。很明显，电镀砂轮的这些固有缺陷和弊端从一开始就决定了它不可能具备人们寄望于超硬磨料砂轮的理想磨削性能，尤其无法承担重负荷的高效磨削工作。

　　本文研究用钎焊替代电镀开发新一代单层超硬磨料砂轮，希望能藉高温钎焊时在超硬磨料、钎料与母材界面上可能会发生的诸如溶解、扩散、化合之类的相互作用从根本上改善磨料、结合剂（钎料合金）、基体三者间的结合强度。

　　2实验原理及设备2.1钎料的选择钎焊是一种金属热连接方法。在钎焊过程中，依靠熔化的钎料或者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。

　　15王乾，男南京航空航天大学毕业，主要从事材料方面的教学科研1rightsreserved，http://www.cnki.net超硬磨料的钎焊是指将熔点低于母材的活性钎料熔化，利用液态钎料与超硬磨料和钢基体界面上的润湿、溶解、扩散和化合作用，在冷却凝固后使三者之间形成强力结合的方法。

　　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温度之间，但大部分钎焊是在比钎料液相线温度高几十度情况下进行的。而钎料液相线温度高于900C、不用钎剂的钎焊叫高温钎焊。钎焊时，熔化的钎料与固态母材接触，液态钎料必须很好的润湿母材表面才能填满钎缝。以物理化学过程将TUCr、V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浸润立方氮化硼，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比例，因此不会对立方氮化硼产生明显的浸湿作用。在广泛查阅的基础上，基于热力学基本原理，并考虑到焊接温度及焊后工作环境等因素，选择一种*为合适的钎料。据所查热力学数据表明如表2-1，Ti的氮化物TiN和硼化物T1B2的生成热都高于BN，都比BN有更高的稳定性。可见含Ti合金钎料有可能可以用来直接钎焊立方氮化硼磨粒，无须金属化镀膜处理，这己被11的实验研究所证实。考虑到钎焊单层立方氮化硼对温度等性能的要求，*好就是低熔点AgCu合金（含Ti）作为基体的钎料。

　　表1不同材料在298K时的生成自由能和生成热材料生成自由能，kcal/mol 22工艺流程为时间，促进钎料对基体和立方氮化硼的充分润湿与扩散，排除钎焊缝中的气体。至于冷却速率，由于本实验是在真空炉中芫成的，冷却速率比较小，只要注意保持真空即可。

　　23焊接工艺料为Ag-Cu-Ti合金粉末，立方氮化硼（CBN）为颗粒，60目70目，实验步骤如下：⑴金属基块表面打磨光洁，除去杂质，用丙酮清洗凉干；⑵在基体表面均匀涂上一层专用胶，涂胶的目的既可避免钎料粉末抽真空时随空气流动，同时不与钎料作用，高温分解。

　　⑶钎料粉末均匀铺置于基体表面的胶上。

　　⑷将立方氮化硼颗粒以一定间隙撤布在钎料粉末上，确保磨粒间有排削空间，放入真空炉内加温；⑸以较小速率缓慢加热到T温度，再以较大速率加热到T2温度，保温一定时间。

　　⑹随炉冷却，接近室温时出炉，降温过程中注意保持真空，避免试件氧化。

　　焊接设备为真空炉，采用微处理机自动对非线性和发射电流变化进行修正，测量精度高，工作温度为1600°C，真空度*高为1X10-4Pa. 3焊后分析本文对成功的焊接试样作了宏观和微观的组织性能分析。焊后对焊处进行检验分析，是整个实验研究工作的重要环节。

　　31立方氮化硼钎焊后宏观分析焊后宏观分析主要是用肉眼观察，以及XJB-1为防止基体金属和钎料在钎焊时发生氧化，钎焊时需要一定的真空度。同时，钎焊时为了缩短加热时间，经常使用很高的速率，当加热速度太快时，容易产生裂纹，因为立方氮化硼的热膨胀系数比金属基体小的多，立方氮化硼与金属基体之间易产生内应力，*终导致产生裂纹，因此采用两级加热工艺，**阶段以较小的速率缓慢加热到T温度，第二阶段以较大的速率加热到T：温度，并保持一定的保温ihingHuse.型显微镜低倍率下观察微区形貌；通过肉眼和低倍显微镜的观察，焊点无表面缺陷，陶瓷表面无黄色，灰色斑点，表面无脱落坑，排列有序，间隙合适，非常符合预想要求。图i是真空钎焊后立方氮化硼的SEM形貌，是真空炉中钎焊后立方氮化硼与Ag-Cu-Ti合金粘结状态的SEM照片，是中的截面图。从这三幅照片均可清楚地看出立方氮化硼有非常理想的出露高度，Ag-Cu-Ti合金对立方氮化硼磨粒有很好的浸润性，立方氮化硼晶形不规则，粘结良好，无脱落坑。

　　32立方氮化硼钎焊后微观组织性能分析321立方氮化硼与Ag-Cu-Ti结合区元素的扩散与分布借助能谱仪（EDS）对立方氮化硼与Ag-Cu-Ti合金结合区进行了成分能谱分析，为分析的结中靠近立方氮化硼处Ti元素有较高的浓度分布，远高于Ag-Cu-Ti合金钎料中Ti元素的含量。Ti元素从合金中分离出并在立方氮化硼结合界面偏析形成富Ti层，睢一解释就是合金中的Ti与立方氮化硼表面的N或B反应生成了氮化物TiN或硼化物TiB2.界面反应发生的结果使界面及邻近界面处的单质Ti浓度降低，导致单质Ti由较远离界面的地果。，可以―源嘉泫惹明的浓度梯度，ihingHouse.AllrijiEBe三元商化筘S.cnki.net方向界面运输。

　　3.2.2界面生成物的结构分析根据三元简化相图可知有生成TiN和了1民的可能。

　　表1中的热力学数据表明，氮化物TiN或硼化物T1B2的生成热都高于BN，都比BN有更高的稳定性，在钎焊过程中，钎料中的Ti元素很可能与立方氮化硼中的NB元素在界面相互扩散并反应生成氮化物TiN或硼化物T1B2.是界面SEM形貌从中可以看出界面间有明显的针状物。是的放大图，为查明是否有新的化合物生成，对焊后的表面层进行X-射线衍射结构分析。是X-射线衍射谱，TiB2和TiN的谱线全部清晰显示，有TiB2和TiN生成。据此可以说明Ag-Cu-Ti合金与立方氮化硼磨料在界面上已形成了化学冶金结合。

　　4结论原理，并考虑到焊接温度及焊后工作环境等因素，*后选择的钎料配方为含Ti的Ag-Cu-Ti合金，多次钎焊实验证明，AgCu合金对立方氮化硼具有较好浸润性，结合良好。

　　经过多轮钎焊工艺的探索，其结果芫全支持*初真空炉高温钎焊的预设计。利用Ag-Cu-Ti合金在真空炉中进行了钎焊立方氮化硼的实验研究，结果表明Ag-Cu-Ti合金对立方氮化硼磨粒有很好的浸润性，立方氮化硼晶形芫整，无裂纹。

　　对立方氮化硼和Ag-Cu-Ti合金界面的线扫描分析表明，Ti有明显的偏析，界面处形成了富Ti层，进一步的X衍射证实在界面处确有TiB2和TiN生成，形成了牢固的冶金结合。

　　本文研制开发的高效磨削材料立方氮化硼的钎焊工艺尚处于实验室研究阶段，己基本成功解决简单形面（平面）材料的立方氮化硼钎焊工艺，但对于复杂形面材料的焊接尚未找到合适的解决方案。尽管如此，高温钎料超硬磨料砂轮仍一致被看199i1）在广泛查阅的基础上基于热力学基本；hin！好为电镀砂轮当然的*佳换代产品将会产生不可估量的技术经济效益。