CBN磨粒Cu-Sn-Ti合金的預連接及電阻焊工藝

王超， 劉明超， 馬伯江

(青島科技大學，山東 青島 266061)

創新點： 該項研究能夠克服其他方法焊植磨粒時，磨粒容易竄動的缺陷，對CBN工具的制造及修復再制造有特殊意義。

0 前言

釬焊CBN工具是近年來發展的磨粒出露高度高、容屑空間大的新型超硬材料工具，隨著CBN工具的開發使用，人們還發現，單層CBN工具磨粒隨機排布無法充分發揮CBN磨粒的磨削功能，因此人們又開發出了磨粒有序排布的CBN工具[1-4]。

現有的有序排布方法有：點膠法、模板法、人工智能負壓吸附法、靜電排布法、殼膜布料法等，但是存在磨粒定位精度差、工藝復雜等不足之處[5-7]。

作為單層工具，使用中一旦部分磨粒脫落或破碎，工具極易極早報廢，雖然部分學者提出利用冷焊[8]和激光焊[9]予以磨粒補充焊植，但其熔池震蕩，磨粒根本無法精確固定。

有鑒于此，文中利用具有熱壓固定功能的阻焊工藝將表面金屬化的CBN磨粒焊植在工具基體表面，旨在為制作磨粒有序排布的CBN工具和CBN工具損毀磨粒的焊補修復做先期探索。

1 試驗方法

1.1 材料及工藝

選用直徑600～800 μm的人造原始CBN磨粒。選用48～74 μm目的Cu-Sn-Ti合金粉末作為預連接CBN磨粒與爐中釬焊所用的焊料，其成分質量分數為：74%Cu, 16%Sn, 10%Ti。

在陶瓷片上鉆φ1.5 mm×1.5 mm的孔，在孔內鋪設Cu-Sn-Ti合金粉末，將CBN磨粒置于孔中心，再鋪設一層Cu-Sn-Ti合金粉末將CBN磨粒覆蓋。JC-K-220型加熱爐升溫至950 ℃，并通有純度99.99%的氬氣作為保護，將陶瓷片放入爐中保溫120 s，隨爐冷卻至400 ℃后取出，并在氬氣保護下冷卻至室溫。

所采用的JYD-02L型逆變阻焊機，其額定電壓為220 V，額定功率為6 kW，最大輸出電流為2 kA，銅電極的直徑為3 mm。試驗采用焊接電流為1.1 kA，焊接時間150 ms，電極間施加0.4 MPa壓力。選用直徑為23 mm，厚度為4 mm的不銹鋼圓片作為基體，表面預熔涂約1 mm的Cu-Sn-Ti合金，在距離圓片邊緣2 mm處預先鉆φ1.2 mm×0.6 mm的孔。將預連接的CBN磨粒用砂紙打磨，放入預先在基體所鉆孔內，按動腳踏開關，上電極下移，電阻焊制作CBN磨頭。

采用爐中釬焊制作對比試樣，在直徑為23 mm，厚度為4 mm的不銹鋼圓片基體表面鋪設約1 mm厚的Cu-Sn-Ti合金，將CBN磨粒放置于距離圓片邊緣2 mm處，然后放入通有純度99.99%的氬氣作為保護的加熱爐，爐溫950 ℃下保溫120 s，隨爐冷卻至400 ℃后取出，氬氣保護下冷卻至室溫。

1.2 理化分析

采用DZ3320A型熱分析儀(DSC)分析合金粉末的熔化過程，進而確定預連接溫度。設定儀器升溫速度為10 ℃/min，最大測試溫度為1 000 ℃，并通入純度為99.99%的氬氣加以保護。

（2）城市洪澇頻發。“城市看海”的場景屢屢出現，而且頻率越來越高、程度越來越嚴重，對社會管理、城市運行和人民群眾生命財產安全帶來巨大威脅。據統計，我國超過60%的城市發生過不同程度的積水內澇，其中上海、重慶、南京、武漢等長江經濟帶沿線重要城市都出現過嚴重的內澇災害，且呈現發生范圍廣、積水深度大、積水時間長等特點。究其原因，一是全球氣候變化以及城市雨島引發城市暴雨極端天氣多發；二是城市用地的盲目擴張占用了自然調蓄空間、加速了地表硬化，導致洪峰提前，流量集中；三是市政排水系統建設進程滯后、維護管理不善、應急水平不高等問題也加劇了城市排洪排澇的壓力[2，3]。

采用JSM-6500型掃描電子顯微鏡(SEM)對預連接CBN，阻焊CBN，阻焊后焊料同基體的結合界面，及修銳后的CBN的形貌進行觀察。室溫下，用王水浸蝕預連接CBN磨粒6 h，將腐蝕脫落的CBN磨粒用酒精清洗，仍用該SEM觀察其表面化合物形貌，使用INCA x-sight型能譜儀(EDS)對表面化合物進行點能譜分析。

采用inVia系列顯微拉曼光譜儀測定阻焊及釬焊CBN磨粒的拉曼譜峰值，比較其與原始特征譜峰位置(1 055 cm-1)的偏移方位并通過偏移大小計算得出其應力狀態和內應力大小。

1.3 磨削試驗

在6060-3D型數控雕刻機上，采用SiC油石修銳電阻焊CBN磨粒，修銳深度為60 μm，修銳線速度5 m/s，進給速度10 μm/s，主軸轉速6 000 r/min。取電阻焊CBN磨頭、爐中釬焊CBN磨頭各5個，仍在該數控雕刻機上做磨削試驗，加工對象為45鋼。設定主軸轉速6 000 r/min，進給速度αf=20 mm/min，背吃刀量αp=10 μm。試驗過程中，每隔150 s稱重，統計CBN對鋼材的去除量。

2 試驗結果與討論

2.1 合金的特性

圖1為Cu-Sn-Ti合金粉末的熱分析(DSC)曲線。可以看出，Cu-Sn-Ti合金粉末在519.6 ℃，797.3 ℃和907.4 ℃處存在明顯的吸熱峰，在919.6 ℃時完全熔化。預連接溫度一般取高于完全熔化溫度20～30 ℃為宜，故預連接溫度設為950 ℃。

圖1 Cu-Sn-Ti合金粉末的DSC曲線

2.2 預連接磨粒的理化分析

預連接CBN磨粒如圖2所示。在950 ℃下，Cu-Sn-Ti合金完全熔化并浸潤CBN磨粒。在表面張力作用下，焊料包裹CBN磨粒并形成球形顆粒。顆粒整體結合緊密，無裂紋產生。

圖2 預連接CBN磨粒

盧金斌等人[10]認為，950 ℃的溫度下，Ti元素與CBN可以發生2個化學反應，在878 K時反應生成TiN，在1 080 K時開始出現TiB，TiB2。且在熱力學角度上，TiB2，TiN的生成自由能遠低于CBN。可以設想，預連接后Cu-Sn-Ti合金與CBN反應生成上述化合物。

室溫下，用王水腐蝕預連接CBN顆粒，如圖3所示。預連接后CBN磨粒棱角分明，表面無熱損傷，更沒有產生裂紋、破碎等極端情況，如圖3a所示。顯然，預連接工藝沒有對CBN磨粒產生破壞，也不影響其磨削性能。

Fan等人[11]研究發現，釬焊時CBN和Cu-Sn-Ti反應層主要由與CBN相鄰的連續TiB2/TiB/TiN層和釬料中不連續的TiN/TiB2層組成，界面處產生的柱狀和塊狀化合物分別為TiN和TiB2。王水腐蝕后，CBN磨粒表面顯微組織如圖3b所示。可以看到柱狀化合物和塊狀化合物，表明預連接后CBN表面與Cu-Sn-Ti合金發生化學反應。分別對兩種形狀的化合物做點能譜分析，結果見表1。柱狀化合物的Ti與N的摩爾分數比為48.71∶51.29，近似于1∶1；塊狀化合物的Ti與B的摩爾分數比為32.46∶67.54，近似于1∶2。因此可以斷定柱狀化合物為TiN，塊狀化合物為TiB2。

表1 不同形狀化合物的點能譜結果(摩爾分數，%)

圖3 預連接CBN磨粒表面形貌

2.3 電阻焊CBN磨粒的理化分析

如圖4所示，焊接過程中，預連接層焊料始終包裹CBN磨粒，將電阻熱產生的能量快速傳導到預連接顆粒和基體的接觸面，使其熔合，也使得CBN磨粒免受熱損傷和瞬時熱沖擊。為了進一步觀察電阻焊后CBN磨粒、預連接層的情況，將電阻焊表面打磨拋光至磨粒出露，并用酒精清洗后吹干，用SEM觀察形貌，如圖4a所示。可以看出，CBN磨粒仍然保持鋒利的棱角，無熱損傷，且磨粒精確定位于基體預鉆孔內，填充效果良好。電阻焊后預連接層金屬與CBN仍結合緊密，如圖4b所示，且預連接層無裂紋、氣孔。圖5為釬焊CBN磨粒的整體形貌，釬焊后CBN磨粒底部與Cu-Sn-Ti釬料熔合，磨粒出露度高。但由于釬焊時CBN始終暴露于高溫環境，表面受熱損傷，部分棱角鈍化甚至破碎明顯。相比較釬焊CBN磨粒，電阻焊CBN磨粒雖然出露度不高，但因受預連接金屬的保護，棱角鋒利，表面無損傷。并且通過后續的修銳，可以使CBN磨粒有良好的出露度。

圖4 電阻焊后的CBN磨粒

圖5 釬焊CBN磨粒的整體形貌

為了進一步觀察預連接顆粒和基體結合情況，將電阻焊試樣的側面打磨拋光，酒精清洗后吹干，用SEM進行觀察，如圖6所示。熔合區成分相同的預熔涂層和預連接層金屬產生冶金結合，且在焊接壓力作用下，熔池金屬始終被基體和預連接層金屬包圍，不易發生氧化，且冷卻后與基體結合緊密，無裂紋、氣孔、未熔合等缺陷。在電阻熱和壓力作用下，預連接層金屬發生塑性變形，向外拓展，增大預連接層金屬與預熔涂層的接觸面積，也使界面處產生良好熔合。

圖6 電阻焊CBN磨粒的側面剖視圖

由于預連接及電阻焊工藝對CBN磨粒的保護，電阻焊后CBN磨粒出露高度小，在加工過程中，預連接層金屬容易與工件相接觸，引起滑擦，產生大的磨削力，磨削弧區溫度升高，使得CBN磨粒受熱損傷，且影響被加工工件的表面質量。在正式加工前，需對試樣進行修銳，使CBN磨粒達到合適的出露高度。利用SiC油石對CBN磨粒進行修銳，修銳后CBN出露高度為60 μm。如圖7所示，修銳后CBN磨粒保持鋒利，棱角分明。

圖7 修銳后的電阻焊CBN磨粒

2.4 CBN磨粒的應力分析

所選用的CBN磨粒直徑為600～800 μm，利用拉曼光譜儀測定距CBN磨粒表面600 μm處的拉曼譜峰值，與CBN的原始特征譜峰值(1 055 cm-1)相比較，若向波數降低的方向偏移則表示此處的CBN磨粒承受拉應力，反之則受壓應力[12]。

圖8為距表面600 μm處的釬焊、電阻焊后CBN的拉曼譜峰值。電阻焊CBN磨粒及釬焊CBN磨粒均受壓應力，電阻焊CBN磨粒所受壓應力高于釬焊磨粒。

圖8 距表面600 μm處的釬焊、電阻焊后CBN的拉曼譜峰值

在CBN磨粒內部的應力可以通過式(1)計算[13]：

σ=Δω/p=(ωi-ω0)/p

(1)

式中：Δω為拉曼譜峰值的偏移量；ωi為拉曼譜峰值；ω0為自由狀態下CBN拉曼譜峰值；p=4.5 cm-1·GPa-1。當σ為正值時，即拉曼譜峰值向大波數方向偏移時，CBN磨粒承受壓應力，反之則承受拉應力。

由圖8看出，電阻焊CBN的拉曼譜峰值為1 058.12 cm-1，釬焊CBN的拉曼譜峰值為1 056.92 cm-1。由式(1)得出釬焊CBN所受壓應力σ=0.43 GPa。電阻焊CBN所受壓應力σ=0.69 GPa，稍高于釬焊CBN。大的壓應力可以提高對CBN的把持力。

2.5 CBN磨粒的磨削試驗

制作單磨粒的釬焊和電阻焊CBN磨頭，在相同條件下利用數控雕刻機做磨削試驗。圖9為釬焊和電阻焊CBN磨粒對45鋼的去除量。在磨削900 s以后，電阻焊CBN磨粒對45鋼的去除量略高于釬焊CBN磨粒。這是因為電阻焊CBN磨粒在900 s以后易發生尖端微破碎，形成新的切削刃。而釬焊CBN磨粒的磨耗平臺面積越來越大，磨粒鈍化明顯。經計算，電阻焊CBN磨粒對鋼材的平均去除速率為15.52 mg/min，而釬焊CBN磨粒對鋼材的平均去除速率為14.75 mg/min。

圖9 CBN磨粒對45鋼的去除量

3 結論

(1)在950 ℃保溫120 s的預連接工藝下，CBN磨粒棱角分明，表面無損傷、裂紋，且CBN表面與Cu-Sn-Ti合金產生化學冶金結合。

(2)電阻焊后形成高質量焊縫，CBN磨粒仍然保持鋒利的棱角，無熱損傷。修銳后CBN磨粒出露高度為60 μm。

(3)距表面600 μm處，爐中釬焊CBN磨粒承受0.43 GPa的壓應力，阻焊CBN磨粒承受0.69 GPa的壓應力。在一定范圍內，CBN磨粒所受到的壓應力越大越有助于增強焊材對磨粒的把持強度。

(4)電阻焊CBN磨粒對45鋼的去除量略高于釬焊CBN磨粒，電阻焊CBN磨粒對鋼材的平均去除速率為15.52 mg/min，而釬焊CBN磨粒對鋼材的平均去除速率為14.75 mg/min。