張曉峰

（1.中色礦業(yè)香港控股有限公司，剛果金 盧本巴西 999059；2.中色華鑫馬本德礦業(yè)有限公司，剛果金 盧本巴西 999059）

采用粉末冶金工藝（PM）制造的CuSn10微型自潤(rùn)滑軸承具有抗腐蝕性能強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度高、導(dǎo)熱率高、工作壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于精密電子、高檔家用電器、通訊設(shè)施、汽車和IT等領(lǐng)域中。目前已成為機(jī)械行業(yè)中一個(gè)必不可少的基礎(chǔ)零件[1,2]。

由于各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)越，擴(kuò)散CuSn10金屬粉末在粉末冶金領(lǐng)域中應(yīng)用也較為廣泛，其中一個(gè)重要用途是生產(chǎn)微型自潤(rùn)滑含油軸承產(chǎn)品，該領(lǐng)域產(chǎn)品對(duì)零件尺寸精度要求較高[3,4]。金屬粉末由于生產(chǎn)批次不同，粉末物理性能存在差異往往導(dǎo)致含油軸承在生產(chǎn)中難以控制其成品尺寸，形成較高的報(bào)廢率，嚴(yán)重影響企業(yè)生產(chǎn)率及利潤(rùn)。為了確保含有軸承尺寸穩(wěn)定，對(duì)粉末燒結(jié)性能提出了要求。通過(guò)控制燒結(jié)溫度，可以對(duì)不同批次的擴(kuò)散CuSn10粉末進(jìn)行工藝微調(diào)，能有效提高產(chǎn)品零件尺寸精度控制。

1 擴(kuò)散CuSn10粉末的物理性能分析

CuSn10粉末生產(chǎn)中，通過(guò)混料法生產(chǎn)的混合CuSn10粉末或通過(guò)擴(kuò)散法生產(chǎn)預(yù)合金CuSn10粉末。由于采用混合粉末制造均勻的混合粉末存在較大難度。此外，在運(yùn)輸過(guò)程中不可避免的振動(dòng)和從粉末粉斗自動(dòng)裝粉至模具過(guò)程中的振動(dòng)均會(huì)引起混合粉中原始粉料產(chǎn)生局部偏析，導(dǎo)致燒結(jié)制品中合金元素分布不均勻和制品尺寸變化率波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)劤蓮U品。因此，采用銅粉混合錫粉通過(guò)擴(kuò)散工藝生產(chǎn)的預(yù)合金CuSn10粉末具有成分均勻、性能穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)[5-7]。圖1為某企業(yè)通過(guò)高溫?cái)U(kuò)散生產(chǎn)的CuSn10金屬粉末微觀形貌。

圖1 某企業(yè)生產(chǎn)擴(kuò)散CuSn10粉末微觀形貌

從該金屬粉末產(chǎn)品的微觀形貌可以看出，單體CuSn10顆粒的樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)在高溫合金化過(guò)程中存在一定的熔浸。這是由于擴(kuò)散CuSn10在生產(chǎn)過(guò)程中，金屬Sn粉高溫熔融時(shí)在電解銅粉表層均勻地形成了Cu-Sn固溶體，降低了金屬銅的熔點(diǎn)，使銅粉樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“萎縮”狀態(tài)。金屬Sn粉在熔融過(guò)程中，能夠較為均勻地與電解銅粉表面結(jié)合，形成性能穩(wěn)定的Cu-Sn固溶體物質(zhì)，這是確保擴(kuò)散CuSn10粉末產(chǎn)品性能穩(wěn)定最重要的原因。

該金屬粉末應(yīng)用于多種類型含有軸承零部件燒結(jié)，終端產(chǎn)品一般多為圓環(huán)、片狀結(jié)構(gòu)。在高溫保護(hù)性氣氛燒結(jié)條件下，金屬粉末顆粒間主要以固相燒結(jié)為主，各顆粒間形成致密連接，樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)將進(jìn)一步“萎縮”，顆粒間隙減少，含油軸承零件的抗壓強(qiáng)度隨之提高，同時(shí)擴(kuò)散CuSn10粉末在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中壓縮成品件產(chǎn)品尺寸縮小。

隨機(jī)選取國(guó)內(nèi)某知名企業(yè)金屬粉末生產(chǎn)廠家提供的擴(kuò)散CuSn10粉末產(chǎn)品作為本文的實(shí)驗(yàn)樣品，其產(chǎn)品物理性能的檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

該企業(yè)生產(chǎn)的擴(kuò)散CuSn10產(chǎn)品性能較為穩(wěn)定，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率較高，客戶使用效果較好。金屬粉末產(chǎn)品性能的重要參數(shù)如粉末松比、流動(dòng)速度等均能穩(wěn)定控制在較窄的范圍內(nèi)，不同批次產(chǎn)品的粒度分布也較為穩(wěn)定，這將為后續(xù)產(chǎn)品燒結(jié)性能穩(wěn)定性奠定了良好的基礎(chǔ)。

表1 某企業(yè)生產(chǎn)的擴(kuò)散CuSn10產(chǎn)品物理參數(shù)檢測(cè)結(jié)果

2 燒結(jié)溫度對(duì)擴(kuò)散CuSn10粉末燒結(jié)收縮性的影響

一般的粉末冶金零部件產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中，首先通過(guò)對(duì)金屬粉末進(jìn)行冷壓成型，隨后進(jìn)入保護(hù)性氣氛燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，從而提高產(chǎn)品各項(xiàng)使用性能。在粉末冶金產(chǎn)品零部件制備過(guò)程中，壓坯密度是在粉末壓制過(guò)程中，通過(guò)施加合適的加壓過(guò)程，控制粉末壓制成型后零部件的密度，壓坯密度決定金屬粉末在冷壓成型過(guò)程中顆粒間接觸狀況及空隙狀態(tài)。壓坯密度是擴(kuò)散CuSn10粉末燒結(jié)性能的影響因素之一。通過(guò)改變燒結(jié)溫度，測(cè)試該工藝參數(shù)對(duì)擴(kuò)散CuSn10金屬粉末燒結(jié)收縮性的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 燒結(jié)溫度對(duì)擴(kuò)散CuSn10粉末燒結(jié)收縮性能的影響

為考察燒結(jié)溫度對(duì)擴(kuò)散CuSn10燒結(jié)性能的影響，分別進(jìn)行了700℃、715℃、730℃、745℃、760℃產(chǎn)品燒結(jié)測(cè)試。從圖2的測(cè)試結(jié)果可以看出，壓坯密度對(duì)擴(kuò)散CuSn10金屬粉末在產(chǎn)品燒結(jié)性能影響較小。在同一燒結(jié)溫度條件下，壓制成型件密度控制在6.1g/cm3～6.7g/cm3范圍內(nèi)，粉末冶金產(chǎn)品燒結(jié)尺寸變化幅度較小，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此壓坯密度參數(shù)不是擴(kuò)散CuSn10產(chǎn)品燒結(jié)收縮性能的主要影響因素。

從圖2中可以明顯看出，隨著燒結(jié)溫度的提高，擴(kuò)散CuSn10產(chǎn)品收縮率逐漸增大，在燒結(jié)溫度為700℃條件下，燒結(jié)收縮率為5%左右，當(dāng)燒結(jié)溫度控制在760℃條件下，產(chǎn)品燒結(jié)收縮率為12%左右，燒結(jié)溫度的變化對(duì)該金屬粉末產(chǎn)品的燒結(jié)性能影響較為明顯。企業(yè)在生產(chǎn)含有軸承等粉末冶金零部件產(chǎn)品過(guò)程中，需要注意控制燒結(jié)溫度參數(shù)，可以有效降低產(chǎn)品報(bào)廢率。

3 燒結(jié)溫度對(duì)擴(kuò)散CuSn10粉末燒結(jié)后壓潰強(qiáng)度的影響

粉末冶金產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)之一是成品的壓潰強(qiáng)度，壓潰強(qiáng)度是決定產(chǎn)品的使用壽命因素之一。因此，為控制產(chǎn)品合格率，提高成品壓潰強(qiáng)度是粉末冶金企業(yè)所關(guān)注的技術(shù)指標(biāo)之一。

通過(guò)提高粉末冶金產(chǎn)品燒結(jié)溫度，可以有效提高產(chǎn)品壓潰強(qiáng)度。試驗(yàn)過(guò)程中分別進(jìn)行了700℃、715℃、730℃、745℃、760℃的燒結(jié)溫度對(duì)粉末冶金產(chǎn)品壓潰強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 燒結(jié)溫度對(duì)擴(kuò)散CuSn10壓潰強(qiáng)度性能的影響

從圖3中可以看出，隨著壓坯密度增加，粉末冶金成型件在不同燒結(jié)溫度條件下其產(chǎn)品壓潰強(qiáng)度均呈現(xiàn)較為明顯的增加，整體上看，隨著燒結(jié)溫度的提高，產(chǎn)品壓潰強(qiáng)度也隨之提高。當(dāng)壓坯密度為6.0g/cm3時(shí)，燒結(jié)溫度為700℃，燒結(jié)后產(chǎn)品壓潰強(qiáng)度為127Mpa，當(dāng)壓坯密度控制在6.8 g/cm3、燒結(jié)溫度為760℃時(shí)，產(chǎn)品的壓潰強(qiáng)度為322MPa。因此，通過(guò)改變壓坯強(qiáng)度及燒結(jié)溫度，能夠有效提升產(chǎn)品壓潰強(qiáng)度性能。綜合考慮含有軸承孔隙率及壓潰強(qiáng)度，選擇合適的壓坯密度及燒結(jié)溫度，是改善企業(yè)生產(chǎn)CuSn10粉末冶金零件的有效方式。

4 結(jié)論

①燒結(jié)溫度對(duì)粉末冶金零件性能影響較為明顯，隨著溫度的提高，CuSn10粉末冶金產(chǎn)品燒結(jié)收縮率變化較為明顯，成型過(guò)程中壓坯密度對(duì)粉末冶金燒結(jié)收縮率的影響較??；②隨著壓坯密度的提高，粉末冶金產(chǎn)品壓潰強(qiáng)度有較為明顯的提高，提升燒結(jié)溫度也是提高CuSn10粉末冶金零件壓潰強(qiáng)度的有效途徑；③粉末冶金零件生產(chǎn)過(guò)程中，需要關(guān)注粉末產(chǎn)品物理性能的穩(wěn)定性，通過(guò)合理控制燒結(jié)溫度及壓坯密度，可以有效提升產(chǎn)品合格率。

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