（材料学专业论文）铝基烧结含油轴承制备工艺及性能研究.pdf

西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学雠文储鲐翻跺指导教师张垄彪 日期：2 0 小5 tf o日期 矽f c ，占，o 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：翻绍磊 指导教师签名： 查矽穆 日期：2 口l 、；归 嗍 杪c ( 6 ，。 西华大学硕士学位论文 摘要 烧结金属含油轴承具有比滚动轴承噪声小，振动小，节省材料，节能以及无需特殊 的供油机构，适于大批量生产，价格低廉等诸多优点。铝基烧结含油轴承材料由于具有 密度小，价格便宜、耐蚀性好等优点，使得人们对这类材料的兴趣日益增长。 本论文采用粉末冶金方法，通过控制压制压力、烧结温度等工艺参数最终制得铝基 烧结含油轴承。在论文研究中，以氮气雾化铝粉作为基体材料，添加铜、镁、硅元素， 制备了压溃强度较高、外形规整的铝基含油轴承，研究了制备工艺参数、元素添加对烧 结体的压溃强度、相对密度、孔隙率等性能和微观形貌的影响规律，分析了其影响机理。 研究结果表明：当单位压制力为1 3 2 m p a 时，所得到的压制样品相对密度为8 0 左 右。此压制压力下所得到的样品具有良好的外观，同时具有较高的强度。压坯相对密度 与单位压制力的拟合关系式为p = 2 4 5 2 + 2 7 9 8 1 9 p 。 铜含量对样品烧结温度影响很大，不同铜含量样品具有不同的临界烧结温度。铜含 量越高，样品对应的临界烧结温度越低。随着铜含量的增加，在临界烧结温度下得到的 烧结样品的相对密度先减小后增大。此时不同铜含量烧结样品的相对密度差值在1 5 以内，烧结样品外形规整。 铜含量较低时，烧结过程中样品产生膨胀及样品内部存在大直径孔隙，导致样品有 效孔隙度升高。此时随着铜含量的增加，样品含油率逐渐增大。铜含量大于1 0 时，烧 结过程中样品内部存在过多液相，导致烧结样品体积收缩，样品内部连通孔隙数量下降， 有效孔隙度降低。此时，烧结样品的含油率出现下降。 未添加铜粉的烧结样品压溃强度很低。随铜含量增加，烧结样品的压溃强度先增大 后减小。所有烧结样品中，以铜含量为1 0 的样烧结样品的强化效果最大，此时压溃强 度为9 7 m p a 。烧结样品的组织成份和孔隙数量、形貌共同决定了烧结样品压溃强度变化 趋势。 硅元素对烧结样品的相对密度和含油率有显著影响。随着硅含量升高，烧结样品的 相对密度升高，含油率下降。硅元素含量较少时，硅颗粒从铝基体中析出，弥散分布。 在铝基体和硅颗粒的界面上存在点阵畸变和应力场，阻碍位错运动，将使合金显著强化。 但硅元素添加量大于1 时，析出的硅颗粒对基体的割裂作用明显，会使样品的压溃强 度降低。研究发现硅含量为1 的烧结样品压溃强度最高，达到1 7 7 1 1 m p a 。 加入镁元素后，会导致烧结样品膨胀，烧结样品相对密度降低，含油率升高。镁与 a 1 2 0 3 薄膜的置换反应和镁与氧气氧化反应所生成的m g o 会引起烧结体的膨胀。烧结过 程中镁与铝粉表面氧化膜的置换反应，破坏了样品表面的氧化膜，加速了粉末颗粒间原 铝基烧结含油轴承制备工艺及性能研究 子的扩散和冶金结合。同时，镁与铝反应生成的s ( a 1 2 c u m g ) 强化相弥散分布于基体中， 增加位错运动的阻力，使金属基体强化。研究发现以加入1 的镁强化效果最好，压溃 强度达到1 9 0 9 1 m p a 。 最终得到的优化的烧结样品成份配比为a 1 1 0 c u 1 m g 1 s i 。用1 3 2 m p a 的单位 压制力压制样品，样品的相对密度为8 0 。在5 4 0 下真空烧结，保温4 小时，得到的 样品含油率为2 2 ，压溃强度为1 9 0 9 1 m p a 。含油轴承样品的压溃强度与含油率达到了 相关标准的技术要求，初步具备了实用价值。 关键词：铝基含油轴承；粉末冶金；添加元素；制备工艺；压溃强度 西华大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p a r e d w i t ha n t i f r i c t i o nb e a r i n g ，s i n t e r e dm e t a lo i lb e a r i n gh a s m a n ya d v a n t a g e s ，s u c h a sl o w e rn o i s e ，l e s sl i b r a t i o n ，s a v i n gm a t e r i a la n de n e r g y , n os p e c i a ll u b r i c a n to i ls u p p l y s y s t e m ，s u i t a b l ef o rm a s sp r o d u c t i o n ，a n dl o w e rc o s t s p e c i a l l y , a l u m i n u mb a s es i n t e r e do i l b e a r i n gh a sal o w e rd e n s i t y ，l o w e rc o s t ，b e t t e ra n t i c o r r o s i o n ，a n ds oo n t h e r e f o r e ，m o r ea n d m o r ep e o p l eh a v ei n t e r e s t i n gi nt h i st y p eo fm a t e r i a l i nt h i s p a p e r , u s i n gp o w d e rm e t a l l u r g yp r o c e s s ，t h ea l u m i n u mb a s eo i lb e a r i n ga r e p r e p a r e du n d e rd i f f e r e n tp r e s s i n gp r e s s u r e ，s i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ，a n do t h e rp r o c e s s p a r a m e t e r s t h ea l u m i n u mp o w d e ra t o m i z e db yn i t r o g e nh a sb e e nu s e da st h eb a s em a t e r i a l t 1 1 es i n t e r e da l u m i n u mb a s eo i lb e a r i n g ，w i t ha d d i t i o no fc u , m g ，a n ds i ，h a st h eh i g h e r c r u s h i n gs t r e n g t ha n db e t t e rs h a p e t h ei n f l u e n c e so fp r e p a r i n gp a r a m e t e r sa n de l e m e n t a d d i t i o no nt h es a m p l em i c r o s t m c t u r ea n d p r o p e r t i e s ，s u c ha sc r u s hs t r e n g t h ，r e l a t i v ed e n s i t y , p o r o s i t y ，a n ds oo n ，h a v eb e e ni n v e s t i g a t e d a n dt h em e c h a n i s mh a sb e e na n a l y z e d r e s u l ts h o w st h a tt h er e l a t i v ed e n s i t yo fg r e e nb i l l e ti s8 0 p r e s s e da tt h ep r e s s u r eo f 13 2 m p a p r e s s e da t t h i sp r e s s u r e ，t h eg r e e nb i l l e th a sab e t t e rs h a p ea n dh i g h e rs t r e n g t h a c c o r d i n gt ot h ew a l k e rt h e o r y , t h ed e p e n d e n c eo fr e l a t i v ed e n s i t yo nt h ep r e p a r e dp r e s s u r e c a nb ec a l c u l a t e db yt h ef i tf o r m u l a ：p = 2 4 5 2 + 2 7 9 8 l gp c uc o n t e n th a si m p o r t a n ti n f l u e n c eo ns i n t e r e dt e m p e r a t u r e d i f f e r e n tc uc o n t e n t s a m p l e sh a v ed i f f e r e n tc r i t i c a ls i n t e r e dt e m p e r a t u r e t h eh i g h e rc uc o n t e n ti s t h el o w e r c r i t i c a ls i n t e r e dt e m p e r a t u r ei s w h e ns a m p l e sa r es i n t e r e da tc r i t i c a ls i n t e r e dt e m p e r a t u r e r e l a t i v ed e n s i t yd e c r e a s ef i r s t , a n dt h e ni n c r e a s ea st h ec uc o n t e n ti n c r e a s e s t h ed i f f e r e n t i a l o fr e l a t i v ed e n s i t yi sl e s st h a n1 5 ，a n ds a m p l e sh a v eg o o ds h a p e w h e nc uc o n t e n ti sl o w ，c ud i f f u s e sa n ds o l i d ss o l u t i o ni n t oa 1p o w d e r a l l o yi n t e r i o r g e n e r a t e sl a t t i c ed i s t o r t i o na n dl a t t i c ec o n s t a n ti n c r e a s e s s os i n t e r e ds a m p l e sv o l u m e se x p a n d p o r o s i t yg e n e r a t e db yi n s i t uc um e l t s ，m a k e se f f e c t i v ep o r o s i t yi n c r e a s e s a m p l e sv o l u m e s e x p a n s i o na n de f f e c t i v ep o r o s i t yv a r i a t i o nr e s u l ti nt h eo i lc o n t e n ti n c r e a s e sa sc uc o n t e n t i n c r e a s e s t h e r ea r ee x c e s s i v el i q u i di nt h es i n t e r e ds a m p l e sw h e nc uc o n t e n ti sm o r et h a n 1o m sw i l ld e c r e a s et h ea m o u n to fi n t e r c o n n e c t e dp o r e s a n dr e d u c ee f f e c t i v ep o r o s i t y a t t h em o m e n tt h eo i lc o n t e n to fs i n t e r e ds a m p l e sb e g i n st od e c l i n ed r o pd o w na sc uc o n t e n t i n c r e a s e s t h ec r u s h i n gs t r e n g t ho fs i n t e r e ds a m p l e sw i t h o u tc ui sv e r yl o w t h ec r u s h i n gs t r e n g t h i n c r e a s e sf i r s t ，a n dt h e nd e c r e a s e sa st h ec uc o n t e n ti n c r e a s e s a d d i t i o no f10 c uh a st h e b i g g e s ts t r e n g t h e n i n ge f f e c t , a n dt h ev a l u eo fc r u s h i n gs t r e n g t hi s9 7 m p a p o r ea m o u n t , m i c r o s t r u c t u r ea n ds t r u c t u r ec o m p o s i t i o nd e c i d et h ec h a n g i n gt r e n do f c r u s h i n gs t r e n g t h i l i 铝基烧结含油轴承制备工艺及性能研究 a d d i t i o no fh a ss i g n i f i c a n te f f e c to nr e l a t i v ed e n s i t ya n do i lc o n t e n t t h er e l a t i v ed e n s i t y r i s e sa n do i lc o n t e n td e c l i n e sa st h es ic o n t e n ti n c r e a s e s m e ns ic o n t e n ti sl o w s ip a r t i c l e s p r e c i p i t a t ef r o ma 1m a t r i xa n dd i s p e r s ei ni t l a t t i c ed i s t o r t i o na n ds t r e s sf i e l d e x i s t e di na 1 m a t r i xa n ds ip a r t i c l e si n t e r f a c e h i n d e r st h em o v e m e n to ft h ed i s l o c a t i o n t h i sm a k e st h e a l l o ys t r e n g t h e n 矾e ns ic o n t e n ti sm o r et h a n1 r e n d i n gi n f l u e n c eo fs ip a r t i c l e sb e c o m e r e m a r k a b l e t h i sw i l lm a k ea l l o yc r u s h i n gs t r e n g t hd e c r e a s e r e s u l ts h o w st h es i n t e r e d s a m p l e sh a v et h eb i g g e s tc r a s h i n gs t r e n g t ha t1 s ic o n t e n t t h ev a l u ei s17 7 11m p a r e s e a r c hs h o w st h a tm ge l e m e n tc a u s e st h ee x p a n s i o ni ns i n t e r e dp r o c e s s a d d i t i o no f m g i na l l o yw i l lm a k er e l a t i v ed e n s i t yd e c r e a s ea n do i lc o n t e n ti n c r e a s e m g og e n e r a t e db y c h a r g i n gr e a c t i o no fm ga n da 1 2 0 3f i l ma n dr e a c t i o no fm ga n d0 2 ，c a u s et h es i n t e r e ds a m p l e s e x p a n s i o n m gr e a c t sw i t ht h eo x i d ef i l mo nt h es u r f a c eo fa ip o w d e r ，a n da b o l i s h e st h eo x i d e f i l m m sw i l la c c e l e r a t ea t o m sd i f f u s i o na n da l l o y i n gp r o c e s si np a r t i c l e s sp h a s e ( a 1 2 c u m g ) f o r m e db yr e a c t i o no fa la n dm g d i s p e r s e si nt h ea 1m a t r i x e x i s t e n c eo fsp h a s ei na 1 m a t r i xh i n d e r st h em o v e m e n to ft h ed i s l o c a t i o na n ds t r e n g t h e n st h ea l l o y r e s u l ts h o w sa d d i t i o n o f1 m gh a st h eb i g g e s ts t r e n g t h e ne f f e c t , a n dt h ec r u s h i n gs t r e n g t hi su pt o19 0 m p a t h r o u g ht h et e s t ，t h eo p t i m u mc o m p o s i t i o ni sa 1 - 1 0 c u 1 m g 1 s i t h ep r e s s u r ei s 13 2 m p aa n dt h er e l a t i v ed e n s i t yo fb i l l e ti s8 0 a n ds a m p l e sa r es i n t e r e da t5 4 0 i n v a c u u me n v i r o n m e n tf o r4h o u r s t h eo i lc o n t e n to fs i n t e r e ds a m p l e si sa t2 2 a n dc r u s h i n g s t r e n g t hi s 19 0 m p a o i lc o n t e n ta n dc r u s h i n gs t r e n g t ho fo i lb e a r i n gm e e tt or e l e v a n t t e c h n i c a ls t a n d a r dr e q u i r e m e n t s t h eo i lb e a r i n gi n i t i a l l yh a st h ep r a c t i c a lv a ：i u e k e yw o r d s ：a l u m i n u mb a s eo i lb e a r i n g ；p o w d e rm e t a l l u r g y ；a d d i t i o ne l e m e n t ； p r e p a r i n gp r o c e s s ；c r u s h i n gs t r e n g t h i v 西华大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 1 绪论1 1 1 概述1 1 2 粉末冶金工艺及应用2 1 2 1 粉末冶金工艺概述2 1 2 2 粉末冶金工艺生产流程2 1 2 3 粉末冶金工艺优点及其制品4 1 3 烧结金属含油轴承发展及应用5 1 3 1 烧结金属含油轴承概况5 1 3 2 烧结金属含油轴承润滑原理6 1 3 3 金属烧结含油轴承应用7 1 4 铝基烧结含油轴承材料8 1 4 1 铝基烧结含油轴承概况：8 1 4 2 铝基烧结含油轴承国内外研究概况9 1 5 选题的意义和研究内容1 0 1 5 1 选题的意义1 0 1 5 2 主要研究内容10 1 5 3 主要研究技术路线1 0 2 实验原理和实验方法1 2 2 1实验原理1 2 2 1 1 原材料粉末的制取1 3 2 1 2 粉末的压制成形1 5 2 1 3 粉末的烧结1 6 2 1 4 样品性能测定17 2 2 实验方法和实验设备19 2 2 1 实验所用原料19 2 2 2 实验所用设备。1 9 2 2 3 主要实验过程2 2 3 压制压力与压坯密度强度关系2 5 3 1 压坯压制2 5 v 铝基烧结含油轴承制备工艺及性能研究 3 2 压制压力与压坯相对密度关系2 6 3 3 压制压力与压坯压溃强度关系3 0 3 4 压制压力与相对密度拟合3l 3 5 本章小结3 2 4 铜对烧结铝基含油轴承制备工艺和性能影响3 3 4 1临界烧结温度优化选择3 3 4 2 样品的烧结工艺过程3 4 4 3 铜对临界烧结温度影响。3 5 4 4 铜对烧结样品含油率影响3 7 4 5 铜对烧结样品强度影响4 0 4 6 本章小结。4 2 5 硅镁对铝铜混合粉末烧结工艺和性能影响4 4 5 1硅对铝铜粉末烧结样品性能的影响4 4 5 1 1 硅对烧结样品相对密度影响4 5 5 1 2 硅对烧结样品含油率的影响4 5 5 1 3 硅对烧结样品径向压溃强度的影响。4 7 5 2 镁对混合粉末烧结样品性能的影响4 9 5 2 1 镁对样品相对密度的影响4 9 5 2 2 镁对样品含油率的影响5 0 5 2 4 镁对样品压溃强度的影响5 1 5 3 本章小结5 3 结论5 4 参考文献5 6 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果5 9 至l 【谢6 0 v i 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 概述 粉末冶金是用金属粉末( 或金属粉末与非金属粉末的混合物) 作为原料，经过成形 和烧结过程，制备金属材料、复合材料以及多种类型制品的工艺技术【l 】。粉末冶金工艺 方法与陶瓷生产有相似的地方，很多粉末冶金工艺的新技术也可用于陶瓷材料的制备， 因此这种工艺方法又被称为金属陶瓷法 1 1 。粉末冶金可制备用传统的熔铸方法是无法得 到的，具有独特化学组成和机械、物理性能的材料。粉末冶金技术是一种少无切削工艺， 可以直接制成多孔、半致密或全致密制品，如多孔材料、含油轴承、齿轮、刀具等【2 1 。 由于粉末冶金技术拥有众多优点，当前它已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料的研 究中具有举足轻重的作用。 金属烧结含油轴承，也称为多孔质轴承( p o r o u sb e a r i n g ) ，是以金属粉末作为原料， 用粉末冶金工艺制成的一类烧结材料。金属烧结含油轴承制品本身就是多孔的，并具有 在制造过程中可自由调节孔隙的数量、大小及分布的优点。利用金属烧结含油轴承的多 孔特性，使其含浸1 0 - - 4 0 ( 体积分数) 的润滑油，即可于使用状态下自行供油。金属烧 结含油轴承加一次润滑油可以使用很长时间，因此其用于加润滑油不方便的场合。因具 有制造成本低、使用方便等优点，烧结金属含油轴承已广泛应用在汽车、家电、运输机 械、飞机、坦克、农业机械、食品工业设备、仪器仪表等领域。现代工业中主要使用的 烧结金属含油轴承按所用基体材料可分为铜基、铁基、铜铁基等。 铝是地壳中分布最广泛的元素之一，在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位。在 金属品种中，铝是仅次于钢铁的第二大类应用金属。铝是一种广泛应用的工业材料。纯 铝很软，强度不高，有着良好的延展性。向铝中添加铜、硅等合金元素后，能够显著改 善其力学性能。在纯铝优异性能的基础上，使其室温与高温强度得到显著提高，还可以 提高耐蚀性、耐磨损性等性能【3 4 】。 铝合金质量轻而强度高，因而在飞机制造、汽车、火箭中被广泛应用。由于铝有良 好的导电性和导热性，可以作为超高电压的电缆材料。铝在高温时的还原性极强，可用 于冶炼高熔点的金属。铝富有延展性，可制成铝箔用于包装。近几十年来，铝已成为世 界上应用最为广泛的金属之一。 本论文采用粉末冶金方法，以氮气雾化铝粉为基体材料，向基体中添加铜、镁、硅 元素，通过控制压制、烧结等工艺因素制得铝基烧结含油轴承成品，研究了制备工艺对 烧结成品相对密度、含油率、压溃强度等性能的影响，最终确定烧结铝基含油轴承的制 铝基烧结含油轴承制备工艺及性能研究 备工艺参数及合金成份。从理论上分析和研究了加工工艺对烧结体的压溃强度、相对密 度、孔隙率等性能的影响。 1 2 粉末冶金工艺及应用 1 2 1 粉末冶金工艺概述 粉末冶金是一项集材料制备与零件成形于一体，节能、节材、无( 少) 污染的先进制 造技术，在材料和零件制造业中具有不可替代的地位和作用，已经成为当代材料科学发 展的前沿领域1 5 】。 粉末冶金技术是一项新兴技术，也是一项古老技术。历史上在公元前3 0 0 0 年左右， 埃及人用碳还原氧化铁得到海绵铁，后经高温锻造制成致密块，再捶打成铁器件，这是 粉末冶金工艺的最早应用。1 9 世纪初，俄罗斯和英国相继出现将铂粉经冷压、烧结，后 进行热锻得到致密铂，加工成铂制品的工艺。 在现代粉末冶金工艺发展中，有三个重要的标志。 ( 1 ) 粉末冶工艺发展过程中克服了难熔金属( 如钨、钼等) 熔铸产生的困难。1 9 0 9 年出现的经钨粉成形、烧结、再锻打拉丝工艺制造电灯钨丝的方法为粉末冶金工业发展 迈出了第一步，从而有力的推动了粉末冶金行业的发展。1 9 2 3 年又成功地研制了硬质合 金，被誉为机械加工工业中的革命。 ( 2 ) 2 0 世纪3 0 年代成功地用粉末冶金方法制造金属多孔含油轴承。这种轴承制造成 本低、使用方便等优点，在众多行业中得到了广泛的应用。之后，粉末冶金工艺又转向 生产铁基机械零件，发挥了粉末冶金无切屑、少切屑工艺的优点。这种机械零件目前在 汽车行业得到了广泛应用。 ( 3 ) 粉末冶金技术当前正向新材料新工艺发展。由于粉末冶金工艺的发展，4 0 年代， 新型材料如金属陶瓷、弥散强化材料等不断出现。6 0 年代末到7 0 年代初，粉末高速钢、 粉末超合金开始出现【6 j 。 1 2 2 粉末冶金工艺生产流程 粉末冶金是制取金属粉末并通过成形和烧结等工艺将金属粉末或与废金属粉末的 混合物制成制品的a n - r 方法。从粉末冶金工艺的定义中可以看出，制粉、成形和烧结为 粉末冶金工艺中重要的步骤。粉末冶金的基本工序是：粉末制造、成形、烧结及烧结后 的加工处理。有时要增加熔浸、二次压制和二次烧结等工序。 ( 1 ) 粉末制造。现有的粉末制造方法大体可分机械法和物理化学法两大类。机械法 主要包括机械粉碎及雾化法等；物理化学法包括电化腐蚀法、还原化合法、气相沉积 西华大学硕士学位论文 法、液相沉积法以及电解法等方法。实际生产中应用最广泛的方法是还原法、雾化法和 电解法。 ( 2 ) 成形。成形是将松散的粉末颗粒加工成具有一定形状和尺寸的坯块，并具有一 定的密度和强度。常用的成形方法有模压、轧制、挤压、等静压、粉浆浇注和爆炸成形 等。其中应用最广泛的是模压成形，具有结构简单，操作方便等优点。 ( 3 ) 烧结。烧结是粉末冶金工艺中关键性的工序。压坯或松装粉末体的强度和密度 都是很低的，只有烧结后才能使压坯具有所要求的物理机械性能。烧结过程中粉末颗粒 之间发生粘结，烧结体强度增加，而且在大多数情况下，压坯密度也提高。烧结按烧结 过程中有无液相产生可为液相烧结和固相烧结。对于单元系和多元系的固相烧结，烧结 温度应当选择比金属及合金的熔点低；对于多元系的液相烧结，烧结温度应当比难熔成 分的熔点低，比易熔成分的熔点高。 ( 4 ) 产品的后序处理。烧结后的制品根据要求的不同，后序处理可采取多种方式， 如精整、浸油、机加工、热处理及电镀等。近年来一些新工艺如轧制、锻造也应用于粉 末冶金材料烧结后的后序加工，取得较理想的效果。 “ 具体的生产流程如图1 1 所示。粉末冶金工艺的发展已远远超过以上范畴而日趋多 样化【_ 7 1 ，新工艺新技术也不断应用于粉末冶金工艺生产中。 l l il i 热- 压松装烧结耢黎浇洼 压钳 等静压镊轧铡按- 压 i l ll 烧培 烧结 预烧结烧结 1 i 1 l ； ， i 浸送熟j b 理由铡挤 压 靛结 l i 1 i军l 亍下i 1 l 粉末冶金成品l 图1 1 粉末冶金制品工艺流程 f i g 1 1 p r o c e s so f p o w d e rm e t a l l u r g yp r o d u c t s 铝基烧结含油轴承制备工艺及性能研究 1 2 3 粉末冶金工艺优点及其制品 粉末冶金工艺在技术上和经济上具有众多的优点。从制造机械零件方面来看，粉末 冶金工艺制造的机械零件具有少切屑、无切屑的特点。经粉末冶金工艺得到的制品可以 大大机加工量，节约金属材料，提高劳动生产率。从制取材料方面来看，粉末冶金方法 具有自己的优势，能生产具有特殊机械和物理性能的结构材料、功能材料和复合材料。 ( 1 ) 粉末冶金方法能够生产用普通熔炼法无法生产的具有特殊性能的材料。可自由 控制制品的孔隙度，可生产各种多孔材料、多孔含油轴承等；能利用金属粉末和金属粉 末、金属粉末和非金属粉末的组合，生产各种特殊性能的材料。例如，钨铜假合金型 的电触头材料、金属和非金属组成的摩擦材料等；能生产各种复合材料，如硬质合金金 属陶瓷、弥散强化复合材料和纤维强化复合材料等。 ( 2 ) 与普通熔炼法相比，用粉末冶金方法生产的某些材料，性能更加优越。高合金 粉末冶金材料的性能比熔铸法生产的好。例如，用粉末冶金法生产粉末高速钢、粉末超 合金可保证合金具有均匀的组织和稳定的性能，避免成份偏析，同时这种合金的热加工 性大为改善。生产难熔金属材料或制品，一般要依靠粉末冶金法，例如，使用熔炼法能 制造钨、钼等难熔金属，比采用粉末冶金工艺获得的制品的晶粒要粗，纯度要低【6 】 粉末成本高、粉末冶金制品的大小和形状受到一定的限制，烧结零件的韧性较差等 缺点也成为粉末冶金在应用上的不足之处。但是随着粉末冶金技术的发展这些问题正在 逐步解决。例如，应用等静压成形技术已能压制较大的制品；粉末冶金锻造技术能使粉 末冶金制品的韧性大大提高等。 粉末冶金零部件已经广泛应用于机械、电子、自动化和航空航天等领域，特别是近 代，随着汽车工业的快速发展，粉末冶金工业得到前所未有的发展机遇【8 以1 1 。按材料成 份分类，有铁基粉末冶金、有色金属粉末冶金、稀有金属粉末冶金等。按材料性能分类， 既有多孔材料，又有致密材料；既有硬质材料，又有很软的材料( 如孔隙度6 0 以上的 铁硬度相当于铅。由于在技术上和经济上拥有巨大的优越性，粉末冶金制品在国民经济 中起的作用愈来愈广。 当前应用最广的粉末冶金制品主要包括以下几大类： ( 1 ) 硬质合金。硬质合金是以一种或几种难熔碳化物的粉末为主要成分，加入起粘结 作用的钴粉末，用粉末冶金法制得的材料。常用硬质合金按成分和性能特点分为：钨钴 类、钨钴钛类、钨钛钽( 铌) 类。 ( 2 ) 粉末冶金减摩材料。根据基体材料不同，粉末冶金减摩材料分为铁基材料、铜 基材料和铝基材料。这种材料广泛用于制造中速、轻载荷的轴承，尤其适宜制造不能经 常加油的轴承。 4 西华大学硕士学位论文 ( 3 ) 粉末冶金结构材料。根据所使用的基体金属不同，可以分为铁基材料和铜基材 料。 ( 4 ) 粉末冶金摩擦材料。粉末冶金摩擦材料根据基体金属不同分为铁基和铜基材料， 根据工作条件不同分为干式和湿式材料，湿式材料适宜在油中工作。 1 3烧结金属含油轴承发展及应用 1 3 1 烧结金属含油轴承概况 在现代机械制造工业中，轴承材料是一类很重要的机械结构材料。机器与机构中的 所有转动零件都需用轴承、轴瓦或轴套来支承。由于现代机器与机构的转动速度和负荷 在急剧增高，以及由于宇航、核能及低温技术的发展，在现有的轴承材料中，按照使用 寿命和在不同的条件下工作的可能性，烧结金属轴承材料的应用都占有第一位【1 2 】。 1 8 世纪时人们才开始用金属制造轴瓦、轴套之类的滑动轴承。此后伴随着机器制造 业的快速发展，轴承制造也得到了很大发展。1 8 7 0 年在美国首先出现用粉末冶金方法制 造的金属含油轴承，这是一种不经烧结冷压成形的干摩擦自润滑轴承。现在普遍使用的 的烧结青铜含油轴承是于1 9 1 0 年在德国的专利中提出的。1 9 1 6 年通用电气公司的e g g i l s o n 成功的使其商品化，并获得了美国专利。1 9 3 0 年前后美国汽车工业大发展时，克 莱斯勒公司研制出了烧结青铜一石墨轴承。2 0 世纪3 0 年代后期，德国积极地开展了对烧 结铁基材料的研制工作。2 0 世纪5 0 年代以后，烧结铁基含油轴承生产发展迅速，在某 些领域能够代替青铜石墨轴承。2 0 世纪6 0 年代后期，美国最先研制成功烧结铝基轴承， 并成功应用于在实际生产中。 1 9 3 4 年日本的松川大夫博士也研究并少量生产了金属烧结含油轴承。日本正式生产 金属烧结含油轴承是在1 9 5 0 年以后【l3 1 。从2 0 世纪5 0 年代中期开始，日本的烧结金属 含油轴承开始进入快速发展时期。日本的烧结金属含油轴承的生产发展和渡边光尚教授 的研究开发工作是分不开的。 现代机械制造中使用的轴承材料有几十种类，其中铸造合金的牌号上百种。最符合 轴承材料要求的是烧结金属轴承材料。因为烧结金属轴承材料的力学性能可以和铸造材 料相比拟，磨合性好，摩擦系数小，而且耐磨性较高。烧结金属含油轴承具有自润滑性 能，并可自动调节供给摩擦区的润滑油。含油轴承中含有的微孔有利于磨合；位于微孔 中的润滑油可在摩擦表面形成油膜，因此在启动期间和在摩擦组件的各种工作条件下都 能保证边界润滑。 烧结含油轴承现已成为汽车、家电、音响设备、办公设备、精密机械等发展不可缺 少的一类基础零件【1 4 】。图1 2 为工业生产中金属烧结含油轴承样品。 5 铝基烧结含油轴承制各工艺及性能研究 图1 2 烧结金属含油轴承 f i g 1 2 s i n t e r e dm e t a lo i l - i m p r e g n a t e db e a r i n g 烧结金属含油轴承也是采用粉末冶金法制造的，其与烧结机械结构零件的重大区别 在于：为了使烧结金属含油轴承具有含油性，含油轴承的压坯密度比较低；压坯烧结之 后必须有浸油工序。当前烧结金属含油轴承按照材料( 质量比) 分，铁基材料的约占6 5 ， 铜基材料的约占3 5 ，其他材料目前应用还很少。铝基材料由于生产和性能上还存在一 些其他困难，目前产量还很少，尚待开发与推广应用。 1 3 2 烧结金属含油轴承润滑原理 烧结金属含油轴承与由一般铸铁、青铜等制造的滑动轴承功能相同，二者的区别是 将润滑油共给摩擦表面的方法不同。烧结金属含油轴承，由于润滑油已含浸于轴承材料 的众多微小孔隙之中，所以是自动供油于运转间隙。 当轴处于静止状态时，全部润滑油都储存于孔隙中，载荷由含油轴承与轴间的直接 接触支承。由于毛细作用，轴承材料内部微孔中的润滑油渗出于含油轴承内径表面，在 轴与含油轴承内径表面接触处形成某种状态的边界润滑。 轴回转时，含油轴承与轴之间存在着某种程度的金属摩擦。因为含油轴承与轴之间 摩擦系数较大，导致轴承的温度迅速升高。由于润滑油的热膨胀系数比轴承合金高，润 滑油就会从轴承材料的微小孔隙溢出并进入到轴与轴承的接触区。当轴继续旋转并且载 荷与速度都处于某一限度之内时，由于泵吸作用，会将含油轴承材料内含有的润滑油吸 出，如图1 3 所示【b j 。 6 西华大学硕士学位论文 含油轴承 循环油流目 晒 图1 3 润滑油在含油轴承体内的流动 f i g 1 3 l u b r i c a n to i lf l u i di nt h eo i l i m p r e g n a t e db e a r i n g b o d y 轴承材料内部含浸的润滑油从油压低的上部流向油压高的滑动部分。润滑油的流动 而形成的油膜将轴从轴承底部抬起，从而避免了轴与含油轴承间的相互接触。再者，由 于润滑油的流动，轴会偏向旋转方向，致使轴承内径表面的油压分布状况如图1 3 所示。 在最高压力区附近，润滑油会经由轴承材料中的微孔被强制压入轴承壁内。在高负载情 况下，轴与轴承接触区难以形成完全流体润滑油膜，具有转化为边界润滑的倾向。因此， 与一般致密金属滑动轴承相比，多孔性烧结金属含油轴承的负载容量较小。 1 3 3 金属烧结含油轴承应用 由于烧结含油轴承可在较大范围内调整基体和减摩剂的成分及含量，具有良好的白 润滑性能，因而其应用范围比一般铸造金属或塑料减摩材料广泛，能在缺油甚至无油润 滑的干摩擦条件下，或在高速、高载荷、高温、高真空等极限润滑条件下工作幡1 7 1 。由 于具有众多优点，金属烧结含油轴承目前广泛应用于航天、航空、电子、交通运输、各 种仪器仪表、机械等领域【1 8 彩】。 金属烧结含油轴承按照用途来分，汽车行业及运输机械占总使用量的4 1 ，家电制 品，特别是微小型电机约占总使用量的3 3 ，办公机械等产业机械约