擴(kuò)散CuSn10粉末燒結(jié)性能研究

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，其中一個重要用途是生產(chǎn)微型自潤滑含油軸承產(chǎn)品，該領(lǐng)域產(chǎn)品對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，形成較高的報廢率，嚴(yán)重影響企業(yè)生產(chǎn)率及利潤。為了確保含有軸承尺寸穩(wěn)定，對粉末燒結(jié)性能提出了要求。通過控制燒結(jié)溫度，可以對不同批次的擴(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，通過混料法生產(chǎn)的混合CuSn10粉末或通過擴(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)輸過程中不可避免的振動和從粉末粉斗自動裝粉至模具過程中的振動均會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，嚴(yán)重時甚至?xí)劤蓮U品。因此，采用銅粉混合錫粉通過擴(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[5-7]。圖1為某企業(yè)通過高溫擴(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顆粒的樹枝狀結(jié)構(gòu)在高溫合金化過程中存在一定的熔浸。這是由于擴(kuò)散CuSn10在生產(chǎn)過程中，金屬Sn粉高溫熔融時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)，使銅粉樹枝狀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“萎縮”狀態(tài)。金屬Sn粉在熔融過程中，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，同時擴(kuò)散CuSn10粉末在高溫?zé)Y(jié)過程中壓縮成品件產(chǎn)品尺寸縮小。

隨機(jī)選取國內(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，國內(nèi)市場占有率較高，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)檢測結(jié)果

2 燒結(jié)溫度對擴(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)過程中，首先通過對金屬粉末進(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)品零部件制備過程中，壓坯密度是在粉末壓制過程中，通過施加合適的加壓過程，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。通過改變燒結(jié)溫度，測試該工藝參數(shù)對擴(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)測試。從圖2的測試結(jié)果可以看出，壓坯密度對擴(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)品報廢率。

3 燒結(jié)溫度對擴(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)過程中分別進(jìn)行了700℃、715℃、730℃、745℃、760℃的燒結(jié)溫度對粉末冶金產(chǎn)品壓潰強(qiáng)度測試，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 燒結(jié)溫度對擴(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，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，產(chǎn)品的壓潰強(qiáng)度為322MPa。因此，通過改變壓坯強(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，成型過程中壓坯密度對粉末冶金燒結(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)過程中，需要關(guān)注粉末產(chǎn)品物理性能的穩(wěn)定性，通過合理控制燒結(jié)溫度及壓坯密度，可以有效提升產(chǎn)品合格率。

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