（材料学专业论文）低噪音自润滑微型轴承用cusn10部分合金化粉末的研究.pdf

摘要 本文以雾化锡粉、电解铜粉为研究对象，研究了不同混合方式 和扩散烧结条件对c u s n l 0 部分合金化粉末性能的影响，并对其作用 机理进行了探讨。 研究表明，未加入钢球、煤油时，粉末不易混合均匀，。而且这 种不均匀性不能在扩散烧结过程中得到改善；加入钢球、煤油后，粉 末在实验条件下混合较均匀，有利于s n 元素在c u s n l o 部分合金化粉 末中的均匀分布。生坯密度过高时，s n 粉熔化后不能充分流动；生 坯密度过低时，s n 粉熔化后在重力作用下会在压坯底部聚集，这两。 种情形均不利于s n 元素的均匀分布。只有在中等适当的生坯密度时， 在c u 粉末间形成的毛细管力作用下，s n 粉末熔化后可充分流动，有 利于s n 元素的均匀分布。 利用扫描电镜，x 射线衍射仪，能谱分析仪，材料实验机等对 c u s n l o 部分合金化粉末的结构、合金相组织、形貌机粉末性能进行 r 分析与测试。结果表明：c u s n l o 部分合金化粉末结构为核心是未 参与反应的铜，外部分布着反应后形成的合金相；扩散烧结条件不同 时，得到的合金相也不一样；扩散烧结时间越长，温度越高，则合金 化程度越高：粉末的形貌由发达的树枝晶状逐渐变为树枝晶状不明显 的不规则状；粉末的松装密度、流速随着扩散烧结时间和温度的增加 两增加，粉末的表面积、生坯强度随着扩散烧结时间和温度的增加而 降低。 对c u s n l o 部分合金化粉末、c u s n l o 雾化粉末、c u s n l o 混合粉 末三种粉末的性能进行了比较。结果表明，部分合金化粉末综合了雾 化粉末、混合粉末的优点，避免了它们存在的缺点，使粉末的综合性 能得到了提高。本实验制备的c u s n l o 部分合金化粉末达到了日本同 类粉末水平，已部分代替日本同类粉末在国内厂家得到应用，反响良 好。对部分合金化机理进行了探讨，认为其作用是改善了s n 元素的 分布均匀性和得到适当的合金化程度，进而可以制各出性能优异的 c u s n l 0 部分合金化粉末。 关键词： c u s n l o ，部分合金化，粉末，含油轴承 a b s t r a c t w it ht h ea t o m i z e ds np o w d e r s ，e l e c t r o l y t ec up o w d e r sa sr e s e a r c h s u b j e c t ，e f f e c t so fb l e n d i n ga n ds i n t e r i n g d i i f u s i o nc o n d i t i o n so nt h e p r o p e r t i e s o f c u s n l 0 p a r t i a 1 ya l l o y e dp o w d e r s a r es t u d i e da n dt h e m e c h a n js ma r e i n v e s t i g a t e d t h er e s u i t ss h o wt h a tw i t h o u tk e r o s e n ea n ds t e e lh a l l s ，t h eb l e n d i n g u n i f o r m i t yc a n n o tb er e a c h e da n ds nd i s t r i b u t iv eu n i f o r m i t yc a n n o tb e i m p r o v e dd u r i n g t h e s i n t e r i n g d i i f u s i o np r o c e s s ：w i t h k e r o s e n ea n d s t e e lb a l l s ，t h ep o w d e r sc a r lb eu n i f o r m l yb l e n d e da n dt h i si m p r o v e st h e s nu n i f o r md is t r i b u t i o ni nc u s n l 0p a r t i a l l ya 1 1 0 y e dp o w d e r s m e t e ds n c a n n o t f u l l yf o wa th i g h e rg r e e nc o m p a c td e n s i t ya n dw i l lf l o wt ot h e b o t t o mu n d e rg r a v i t ya t1 0 w e rd e n s i t y o n l ya ta p p r o p r i a t eg r e e nc o m p a c t d e n s i t y m e l t e ds nc a nf u l l yf l o wu n d e rt h ec a p i l i a r yf o r m e db yc up o w d e r s a n du n i f o r m l yd is t r i b u t e s e m ，x - r a y ，e d s a n dm a t e r i a le x p e r i m e n t a lm a c h i n ea r eu s e dt o s t u d y t h ep o w d e rs t r u c t u r e ，a 1 1 0 y i n gp h a s e ，m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f c u s n l op a r t i a l l ya l l o y e dp o w d e r s t h er e s u l t ss h o wt h a tc u s n l op a r t i a l l y a l l o y e dp o w d e rh a su n r e a c t e dc ui nt h ec e n t e ra n du n i f o r m l yd i s t r ib u t e d a 1 】o y i n gp h a s eo nt h es u r f a c e ：d i f f e r e n ta 1 1 0 y i n gp h a s e sc a nb eo b t a i n e d u n d e rd i f f e r e n t s i n t e r i n g d if f u s i o n c o n d i t i o n s ：t h e a l l o y i n g e x t e n t i n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s e m e n to f t e m p e r a t u r e a n dt i m e ：t h e m i c r o s t r u c t u r eo fp o w d e r sb e c o m ef r o ma d v a n c e dd e n d r i t et on o to b v i o u s d e n d r i t e ：h i g h e rs i n t e r i n gt e m p e r a t u r ea n dl o n g e rs i n t e r i n gt i m el e a d t oh i g h e rf l o wr a t ea n da p p a r e n td e n s i t y ，b u tl o w e rs u r f a c ea r e aa n d g r e e n c o m p a c td e n s it y t h e p r o p e r t i e so fc u s n l o p a r t i a l l ya l l o y e d p o w d e r s ，a t o m iz e d p o w d e r s ，m i x e dp o w d e r s a r e c o m p a r e d t h er e s u t ss h o wt h a tc u s n o p a r t i a l ya 】l o y e dp o w d e r s w h i c hh a v et h ea d v a n t a g e so ft h eo t h e rp o w d e r s i l a n da v o i dt h es h o r t c o m i n g s ，h a v et h eh e s t p r o p e r t i e s ，c u s n l op a r t i a l l y a l l o y e dp o w d e r sm a d ei nt h ise x p e r i m e n tr e a c ht h es a m e e v e o fj a p a na n d h a v ea l r e a d yb e e nu s e di ns o m eb e a r i n g sm a n u f a c t u r e r si nc h i n at 。r e d l a c e s o m ep o w d e z 。o r i g i n a ll yi m p o r t e df r o m j a p a na n da c h i e v e dg o o dr e s u l t s t h e m e c h a n i s mjs e x p l o r e da n di t sf u n c t i o njst oi m p r o v es nd i s t r i b u t i ( ) na n d o h t a i na p p r o p r i a t ea l l o y i n ge x t e n t t om a k ee x c e l l e n tc u s n l o p a r t i a l l v a l l o y e dp o w d e r s k e yw o r d s ：c u s n 0 ，p a r t i a l l ya l l o y e f i ，p o w d e r s ，b e a r i n g s 文献综述 文献综述 c us n 合余是一种古典青铜，它属于为人类使用的最古老的合金，行对人类 文明史有重要作用1 。c u s n 金属粉末材料是粉术冶金工艺( p m ) 制造锡青铜自 润滑含油轴承( 如图卜1 ) 必需的一种粉术材判，台金元素成分主要是 c u 9 0 w o 一$ n i o w o ，利用c us n 台会良好的导热性能、抗腐蚀性能、合适的机械 强度等特点，大大提高了c u s n l o 自润滑含油轴承的应用范围。根据不同的使用 要求，该种轴承广泛应用于精密电子、高档家用电器、通讯设施、汽车和等 国民经济的各个部门和国防建设领域中。一1 。 粉术原料对p m 制品的最终性能有重要的影响，因此对原料粉术的研究一直 得到人们的重视。 改善原料粉术性能是提高c u s n l 0 自涧滑含油轴承性能的重要方法之一。通 常，对于c u 、s n 的混合粉术，可以通过调整c u 粉末的性能、改善混粉条件、 即混即用和采用部分c u s n l o 雾化粉末与铜粉、锡粉同时混合等，并已取得定 效果。 剧l 一1p m 工艺制造的小型自润滑含油轴承 f i g u r e l - i s e l f - l u b r i c a t i n gm i c r o - b e a r i n g sm a n u f a c t u r e db yp m 将铜粉、锡粉混和后，对其进行扩散烧结处理，使之部分合会化，可改善粉 术性能，大大减小原料粉末对c u s n l o 自润滑含油轴承的不利影响，从而提高含 油轴承的性能。那么，将c u 粉、s n 粉扩散烧结处理后，会对粉术材料的性能 改善、对含油轴承性能的提高有什么影响呢? 本文将对c u s n l o 部分合金化粉末 的部分合金化过程和扩散烧结处理对粉术性能的影响进行研究，并对其机理加 文献综述 以探讨。 1 含油轴承 ( 1 ) 自润滑含油轴承 随着生产的发展以及科学技术水平的不断提高，轴承的种类及应用范围愈来 愈广泛，对其产品质量、性能也提出了越来越高的要求。在一些加工工业和特 殊用途中，为避免由于润滑油滴落到产品上而使其报废，或对某些难以加润滑 油的摩擦部位，均不i i - 至常地添加润滑油。在上述情况下，若采用原来的致密 轴承是不能满足其全部性能要求的，因此，必须采用新的轴承材料和新的润滑 方式。近几十年来，因内外广泛采用了粉术冶金自润滑含油轴承来满足这一要 求。目前，自润滑含油轴承已成为汽车、家电、音响设备及电子等工业领域中 的一个基础零件i 。 粉术冶金自润滑含油轴承材料系由基体材料与润滑材料两部分组成。基体材 料包括铁基、铜基、铝基和其它金属基。润滑材料有三种：流体( 以油为主) 、 润滑脂( 半固态) 及固体润滑剂。铁基含油轴承由于其原料来源充足，轴承性 能好，价格便宜等优点获得广泛使用。与铁基含油轴承相比，铜基含油轴承的 承载能力略低，一般适用于中轻负荷的工作状况，但铜基含油轴承具有良好的 抗腐蚀i 1 1 i i 口抗卡性能，因此，铜基含油轴承也得到广泛应用，“。 含油轴承的最大特点就是具有多孔组织和自润滑r 1 2 1 1 。”。“。多孔组织是在轴 承体内部有一定百分比的连通孔隙，并且这些连通孔隙与轴承表面相连通，多 孔组织中可以存储一定量的润滑油，同时多孔组织还增强了塑性变形能力，使 轴承具有较好的磨合性。所谓自润滑性是指合油轴承在工作时，能将储存于轴 承孔隙中的润滑油自动提供给摩擦表面进行润滑，从而达到减摩这一| 生能。由 于含油轴承具有i ! i 润滑性，故改善了材料的使用特性，减少了轴与轴承相互之 间的摩损。 在自润滑含油轴承工作时，存储于孔隙中的润滑油可供长时间使用而不需经 文献综述 常加油，这样在许多情况下，就消除了轴承因缺乏润滑油而被磨坏的危险，也 简化了摩擦组合件的结构，从而节省了润滑油和维修工时，避免了凶润滑油滴 落在产品上造成的废品或由此带来的不便。而般致密轴承，当从轴承顶部加 入润滑油后它顺着轴与轴承的狭窄问隙流向轴承底部，对轴进行润涓，然后 就从轴承下部流出，因此，必须l 训隔一定时问经常向摩擦表面加入润滑油。 轴在轴承中高速旋转时，必然发生一定程度的摩擦，有时还比较强烈，同时， 轴承还要承受轴颈传给它的周期性负载，这样必然造成轴和轴承的磨损。轴通 常造价昂贵，经常更换是不经济的，因此最好选择满足一定性能的轴承合金以 确保轴的最小縻损度，延长轴的使用寿命，同时也可延长机械的工作寿命，提 高工作效率。含油轴承是一种典型的减摩制品，对这类材料和制品的要求是： 适当的孔隙度，以存储润滑油保证白润滑性；应当耐磨并且有较小的摩擦系数， 以减小轴的磨损；应有较高的疲劳强度和抗压强度，以承受巨大的周期性负荷； 应具有足够的塑性和韧性，以抵抗冲击和振动，并改善轴和轴承的磨合性能： 应有良好的导热性和酬蚀性，以防轴和轴承因强烈摩擦升温而发生咬合等。 自润滑合油轴承之所以能够在各工业部门获得广泛的应用，主要原因是因为 此种轴承具有一系列的特点= i + 。与铸造轴承相比较，含油轴承具有如下优势 “： 1 含油轴承有自涧滑性能，较强的承载能力。在低转速下，可以承受比铸造 轴承更大的负载而且许多性能都高于铸造轴承：高速下，噪音比铸造轴承低得 多。 2 材料成分可以在相当大的范围内调整，可加入相当多的润滑组元，以便改 善材料的润滑性能和提高耐磨性。 3 含油轴承的多孔性不仅保证轴承的自润滑性能，而且也起到减震、消音的 作用。同时，还节省了大量的金属材料，提高了材料的利用率。 4 材料的多孔性降低了宏观硬度，使得材料容易发生局部变形，当轴旋转时， 轴与轴承之问易于贴服，因而多孔含油轴承的磨合性能优异。 i 生产制造过程中，原料来源充足，工序少，周期短，效率高，成本低。 文献综述 ( 2 )o u s n l 0 青铜含油轴承”1 。1 烧结青铜含油轴承是最早的粉术冶会制品之一，出现于丌创近代粉术冶金的 1 9 世纪未。1 9 1 0 年瑞翅人就取得了制造现代烧结含油轴承的专利，其实用化确 是在1 9 1 6 年前后，由美困的e g g i 】s o n 实现的。之后以工业制品的形态对其 不断进行了调整与发展，1 9 2 2 年美国通用电气公司丌始用p 法成批生产了烧 结青铜含油轴承，并将其应用在发动机上，其时f 值美国汽车工业发腠期，大 大促进了p m 烧结青铜含油轴承的快速发展。在日本，1 9 3 4 年松川达夫也进行 过烧结含油轴承的相关研究，还少量的进行过生产，但f 式大量生产却是在1 9 5 0 年之后。在中国，1 9 4 9 年解放后，在莳苏联帮助下， ：始进行烧结含油轴承的 研究与f 匕产。在j o 年代初期试制成功6 - 6 3 铜基含油轴承，并首先应用在f 巳风 扇上，获得了良好效果，以后又逐步扩大了适用范围。 烧结含油轴承的材质( 按重量比) ，铁基的约占6 5 ，铜基的约占3 5 ，铝基 及其他材质的极少。依掘用途( 按重量比) ，以汽车为主的运输机械用约占4 1 ， 以家电制品为主体的电器机械用约占3 3 ，以办公机械为主体产业机械用约占 2 1 ，照相机、计量仪表等及其他用约占j 。从中可以看出，铜基含油轴承所 占比例较大。而铜基含油轴承中绝大部分为c u s n l o 含油轴承。与铁基含油轴承 相比，c u s n l o 含油轴承承载能力略低，一般适于中轻负荷的工作状态，但是 c u s n l 0 青铜含油轴承由于具有较好的抗腐蚀性能和抗卡性能、机械强度高、导 热率高、工作寿命长等优点，因此广泛用于汽车、家电、音响设备、仪器仪表、 办公机械以及电子机器等工业领域，目前已成为机械行业领域中不可缺少的一 个机械基础零件。 c u s n l o 含油轴承是国外广泛使用的青铜含油轴承，合会元素成分主要是 c u 9 0 w o s n l o w o ，采用p m 工艺制造，根据不同的使用要求和环境，可制成 不同含油率、不同强度、不同大小的轴承，以满足各种性能要求。c u s n l o 青铜 含油轴承的合会成分与密度见表卜l ，其物理机械性能见表卜2 。烧结青铜含油 轴承内部呈多孔并连通状态，孔隙中可以存有相当量的润滑油，在轴承工作时， 由于热胀冷缩作用，润滑油从孔隙中流出，在轴及轴承表面形成油膜，可对轴 炙献综迷 及轴承接触表面提供润滑作用。c u s n l 0 龠油轴承工作寿命长，甚至有时可以工 表1 1 c u s n l0 青铜舍油轴承的合金成分与密度 t a b l e1 - 1 a l l o y i n ge l e m e n t sa n dd e n s i t yo f c u s n l 0b r o n z eo i lb e a r i n g s 合金成分牌号含油密度( g c m l )化学成分( ) c us n 其它 锡青铜f z 2 2 6 56 2 、6 8余量8 1 1o 1 表1 2 c u s n l0 青铜舍油轴承物理机械性能 t a b l e l - 2 p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f c u s n l 0b r o n z eo i lb e a r i n g s 牌号物理机械性能 含油率( ) 径向压溃强度( k g f m m ”)表观硬度( h b ) f z 2 2 6 5 1 5 1 5 z 00 0 图1 2 为锡青铜含油轴承的各种强度性能与锡含量的关系。从中可以看到 含s n 一1 0 的青铜性能最佳，这种成分能够保证形成具有高强度性能的固溶体 也说明了为什么c u s n l o 这种成分的含油轴承应用如此广泛。 4o 00 60 20 l5 l0 5 60 50 40 30 0510 1520 sn ，( ) 图卜2 锡青铜含油轴承的各种强度性能与锡含量的关系( 材料孔隙度18 20 ) f i g u r e1 - 2 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nv a r i o u sp r o p e r t i e so f t i nb r o n z eo i lb e a r i n g sa n dt h e v a r i o u sc o n t e n t so f s ne l e m e n t 1 一硬度，h b ：2 一抗拉强度，口b ，；3 一抗弯强度，ob b ；4 一抗压强度。b c 1 h a r t i n e s s ：2 一t e n s i l es t r e n g t h ；3 - - t r a n s v e r s es t r e n g t h ；4 - - c o m p r e s s i o ns t r e n g t h 一5 一 二o=：日1一i 文献综述 在制造较大锡青铜含油轴承时，国内外粉末原料主要为铜、锡的元素混合粉， 因为价格便宜，而且性能上的偏忻在宏观上表现不明显，至今制造c u f i n l0 青铜 含油轴承仍是铡、锡元素粉的主要用途之一；在制造较小、微型含油轴承，特 别是高速、低噪音锡青铜含油轴承时，国外优先采用c u s n l 0 部分预合金化粉末， 但是到目前为止，困内此类粉米仍需大量进口。 以r 本为例：1 9 9 0 年度，r 本c n s a l 0 含油轴承的年产量达到了约2 0 3 2 吨。 其中，c n s n l 0 微型含油轴承以打单件重量平均为5 克以上，近年来，由于重约 0 2 克的微型马达用含油轴承的需要量增多，平均单件重量减少到l 克以下。 在同本，现在c n s n l 0 微型烧结含油轴承大体上一年约生产1 0 亿个，但装在身 边的机器中，平均每个= i | 本人约使用1 0 个c n s n l 0 微型含油轴承。 近年来，电声器材、微特电机等的发展对c u s n l 0 含油轴承又提出了高精度、 低噪音、长寿命的要求，为适应各种不同的使用条件，铜基含油轴承的制造工 艺发展很快，同时也促进了人们对制造轴承所需粉术原料的重视与丌发。 很长时间以来，铜、锡在制造含油轴承材料中占有重要地位，下面几个因素 有助于理解它们为什么得到如此广泛应用： 1 ) 铜表面易生成保护性氧化膜( 在空气中加热时) ； 2 ) 润滑油中含有微量的硫化物，与铜易形成保护性硫化物膜； 3 ) 具有高的导热率，可以较快的散发摩擦产生的热量，因此降低接触面温度； 4 ) 锡能强化铜并增加其硬度，可以和未进行硬化处理的钢作对偶材料； 5 ) 与油形成的保护性有机酸锡膜，具有高的离析温度； 6 ) 锡青铜比锌黄铜有更高的性能； 7 ) 铜合金一般具有面心立方结构，对偶材料一般是具有体心立方结构的铁 合金，这种结构不同有利于防止铜合金与铁合金咬合的危险。 除上面技术性能原因外，也有下面的经济因素，生产c u s n l 0 自润滑含油轴 承经济效益高，可直接成形制造少余量或无余量的毛坯或成品，减少机加工， 提高材料利用率，缩短工序，降低制造成本，适于大批量生产，降低能耗。 总之，c u f i n l 0 烧结含油轴承是多孔质的，自身含有油和具备供油和储油能 文献综述 力，h 此，具有不从外部供油可以使用的优点。另一方面，由于其是多孔质的， 在运转时，难以保持稳定的流体润滑摩擦：因此，与常时供油的一般致密轴承 相比，具有摩擦系数随温度上升而升高的特点。所以应在充分理解这类c u s n l 0 含油轴承的优缺点的基础1 7 _ ，立足广阔视野，致力于其制造与使用的丌发。 ( 3 )c u s n l 0 含油轴承性能的影响因素”1 制造c u s n l o 含油轴承的基本工艺： 原料粉末在一定压力下，经压制后，于 保护气氛中于最高金属熔点的8 0 i n 度下进行烧结。有时需经复压、复烧，获得 要求的尺寸精度，光滑表面，有时通过加工硬化，提高弹性。 国际标准组织对c u s n l 0 含油轴承性能要求： i s 0 5 7 5 5 一p 4 0 1 3 含有9 一1 1 s n ，余量为铜，密度是p = 6 8 - 7 9 c m 。，硬度为 h b = 3 0 由；有良好的动负荷能力。 i s 0 5 7 5 5p 4 0 2 2 和i s 0 5 7 5 5p 4 0 2 3 含有9 一11 s n 和0 2 一2 c ( 石墨) 的锡 青铜，p - 6 6 - 7 5 9 c m2 ，硬度h b ：2 5 。 多孔金属含油轴承的性能取决于以下几个因素： 合金成分与组织我们知道，锡青铜合金成份为c u 9 0 一s n l o ，在青铜含油 轴承中已述及此种合金成份的优点。c u s n l o 轴承最终合会组织a + 少量的6 相， 组织塑性好，6 相为少量硬质点。基体成份的显微组织对减磨性能也有很大影 i 自。如图卜3 示出了c u s n l o 减磨性能与基体组织之刈的关系，可以看出，当会 相组织含1 0 的6 相时，摩擦系数增大，引起咬合和强烈的磨损，只有当材料 的组织为细的。相组织加少量不连续6 相( a 十e 转变更是如此。一般情况下得不到q 。 s 组织，只能得到a + 6 组织。 文献练连 4 本文的目的、意义和主要研究内容 ( 1 ) 选题的目的和意义 目i d ，c u s n i 0 部分合金化粉术是国外生产高精度微型、高速、低噪音自 润滑含油轴承中优先采用的粉术原材料。高精度微型、高速、低噪音自润滑含 油轴承用c u s n l o 部分合金化粉末7 三产技术，在美国、同本等工业发达国家已是 一种较成熟的技术，但是发达国家对如何制造该种部分合令化粉术的工艺、技 术及装备严格保密。而国内对c u s n o 部分合令化粉末研究不足，尚不能生产出 具有满意性能的c u s n l o 部分合金化粉末。目前，国内一些主要的制造含油轴承 的厂家，如中外合资成都平和粉末冶金有限公司，宁波东睦粉术冶金有限公司， 扬州保柬得工业有限公司等所需的c u s n l 0 部分合金化粉术均从国外进口，年需 求量约2 0 0 0 吨，粉水用量很大，并有不断增加的趋势。因此，本项目研究有助 于推动固内粉术冶金工业在粉末制造方面的发展，若获得成功，则可替代部分国 外同类粉术，产生可观的经济效益。本实验的研究目的就是，研制出适用于生产 高精度微型、高速、低噪音臼润滑含油轴承要求的c u s n l o 部分合金化粉术，并 探讨粉术的合盒化程度及粉末对轴承性能的影响。 ( 2 ) 本文的主要研究内容 本实验将采用扩散烧结工艺，以电解铜粉、雾化锡粉两种不同的金属粉术为 原料研究在不同烧结扩散工艺条件下的c u s n l o 部分合会化粉末的性能和粉末 合会化程度，并对其作用机理加以探讨；c u s n l o 部分合金化粉末对含油轴承性 能的影响；确定c u s n o 部分合金化粉末制备的工艺参数。 实验材料与襄验方、击 二实验材料与实验方法 本实验将采用扩散烧结工芝制备c u s n t o 部分合会化粉术，实验_ _ | 二艺 流程如图2 1 所示： 图2 1本买验工艺流程 f i g u r e21 t h ee x p e r i m e n t a p r o c e d u r e s 在各工序中，对c u s n l o 部分预合金化粉末材料的性能均有不同程度的 影响。其中粉术原料的混合、生坯密度和扩散烧结工艺是影响c u s n l o 部分 合盒化粉末材料性能的主要因素。粉术原料的混合包括c u 粉、s n 粉的选择 及原料粉末的均匀混合；生坯密度是指粉未经扩散烧结处理前的压坯的密 度，本次实验要确定合适的生坯密度；扩散烧结工艺主要包括工艺参数的确 定：扩散温度、升温速度和保温时问等。 1粉末原料的选择 原材料选择的好坏、合适与否是影响c u s n l o 部分合金化粉术性能的主 要因素之一。不同粉术制造方法可以得到不同的颗粒形状和不同的粉末粒度 霄孛壹 一自一 一日一 一电一 一暇一 匝。 叵 至竺塑堂皇墨竺至查 一 分如，这些条件都会对后续，。：品的最终性能有重大影响。选择合适的原料粉 木将有利于制造出性能优异的c u s n l 0 部分合金化粉术。 ( 1 ) c u 粉原料的选择 c u 粉的生产方法主要有雾化法、电解法、氧化一还原法等三种方法，其 中雾化法和电解法足国内生产c u 粉的主要方法。氧化一还原法在国外应用的 较普遍，但日阿国内在这方面技术发展较缓慢，因此没有考虑采用氧化还 原法制备的c u 粉。雾化c u 粉的化学成分直接受到所用原料的影响，杂质含 量和种类控制起来相对柬讲比较困难，粉木颗粒的形貌受工艺条件影响较 大。与电解c u 粉相比，粒度相同时，雾化c u 粉的表面积不如电解c u 粉的 发达，这不利于部分合金化扩散过程的进行。另外，电解c u 粉化学纯度更 高而目性能更加稳定，粉末颗粒细小，外观为发达的树枝晶状，粉术比表面 积大，储存更高的表面能，这些性质有利于提高粉术闯的扩散接触面积和促 进部分合余化过程的顺利进行。因此，本试验c u 粉术原料选用电解c u 粉。 图2 2 电解铜粉s e m 形貌 北京恒源粉末科技有限公司制造 f i g u r e 2 - 2 s e mm i c r o - s t r u c t u r eo fe l e c t r o l y t ec up o w d e r s m a n u f a c t u r e db yb e i j i n gh e n g y u a np o w d e rs c i - t e c hc o 墨竺塑堑量壅竺空查 1 二“o 。 f ：? 1 i f iz 图2 3电解铜粉能谱图 f i g u r e 2 - 3e n e r g yc h a no f e l e c t r o l y t ec up o w d e r s 本实验中的电解c u 粉为北京恒源粉末科技有限公司制造，此种电解c u 粉经过低温烧结处理。图1 为所选粉术的s e x 形貌。图2 为所选粉末的能谱 图。表l 、表2 分别为所选粉术的化学成分和粉术的性能。该种电解c u 粉 经过烧结处理后，消弱了树枝品状粉术i 日j 的搭结现象，减小了颗粒问相互移 动的阻力，提高了粉术的流动性和松装密度。 袁2 - 1 试验中选用的电解铜粉化学成分( ) t a b l e2 - 1 t h ec h e m i c a le l e m e n t so ft h ee l e c t r o l y t ec up o w d e r si nt h ee x p e r i m e n t 曛 c u f ep ba ss b0sc l 水分 酸不 容物 旧 ) 0 0 0 10 0 0 50 0 0 50 0 0 l0 0 20 ，0 0 40 0 0 40 0 50 0 5 9 9 7 表2 2试验中选用的电解铜粉性能( 北京恒源粉末科技有限公司制造) t a b l e 2 2 t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ee l e c t r o l y t ec up o w d e r si nt h ee x p e r i m e n t ( m a n u f a c t u r e db yb e i j i n gh e n g y u a np o w d e rs c i t e e hc o ) 松装密度流动性粒度组成( ) 名称 tg e m ) ( s 5 0 9 )+ 2 0 0 目+ 3 2 5 目 3 2 5 目 电解铜粉 2 o3 93 2 86 9 壅竺笪茎量壅竺查查 ( 2 )锡粉原料的选择 目前，国内外s n 粉的生产方法主要为雾化法c 因此，本试验选择雾化 s n 粉。从实验工艺中可知，粉术经扩散烧结工艺进行部分合金化之前，必 须使粉未混合均匀。因此，要考虑选择合适的锡粉，以利于两种粉末的均匀 混合过程。不同材料的粉术相互混合时，各自的密度、粉末粒度及粒度组成 对粉术的均匀混合影响较大。密度相差过大时，由于重力因素，密度高的粉 术倾向于停留在下面，密度低的倾向于漂浮在上面。因此，如果密度相差过 大，粉末不易混合均匀。在本试验中所选粉末c u 粉、s n 粉均为重金属，密 度相差不大，这样密度因素可以不考虑，那么主要考虑粉末粒度及其粒度组 成。不同粉术混合时，粉木粒度接近将有利于粉术的均匀混合。从2 1 1 中 可知，c u 粉种类选择为电解c u 粉，其中一3 2 5 目的占6 9 。因此，本实验的 s n 粉原料选择为一3 2 5 目的雾化s n 粉，其中一4 0 0 目的粉未占4 5 。图2 4 为所选雾化s n 粉的s e m 形貌图。表2 - 3 为所选雾化s n 粉的性能。 图2 - 4 雾化锡粉s e m 形貌 北京恒源粉末科技有限公司制造 f i g u r e2 - 4s e mm i c r o s t r u c t u r eo fa t o m i z e ds np o w d e r s ( m a n u f a c t u r e db yb e i j i n gh e n g y u a np o w d e rs c i - t e c hc o ) 表2 - 3 本试验中选用的雾化锡粉末性能( 北京恒源粉末科技有限公司制造) t a b l e2 - 3 t h ep r o p e r t i e so fa t o m i z e ds np o w d e r si nt h ee x p e r i m e n t ( m a n u f a c t u r e db yb e i j i n gh e n g y u a np o w d e rs c i - t e c hc o ) 名称 松装密度( g c m 。)流动性( s 5 0 9 )粒度组成( ) 3 2 5 、+ 4 0 0 目4 0 0 目 雾化锡粉 3 6 8 3 0 0 d 4 5 壅竺塑堂皇墨竺查兰 2 实验方法与过程 在选择粉术原料的过程中，考虑到了所选粉术原料对均匀混合性的影n 向 问题。粉术均匀混合性除受上述因素影响外，还与混合粉术时采用的混合方 式和混合时问有关。不同的混合方式、混合时间对粉末均匀混合性会产生不 同程度的影响，这样必然对最终的c u s n l 0 部分合金化粉术性能产生一定的 影响。为了使c u 粉、s n 粉两种粉术均匀混合，本试验中将采用两种不同的 混合方式和不同的混合时i b j ，以考察对粉术均匀混合程度的影响，从中选择 最佳的混合条件。混合方式：1 ) 添加钢球和煤油，在三维混料机中混合c u 粉、s n 粉；2 ) 不加入任何介质，在三维混料机中混合c u 粉、s n 粉。 混和时f b j ：3 0 分钟、6 0 分钟、1 2 0 分钟。 根据本实验工艺，粉末混合均匀后，要经过压制以得到一定密度的坯块。 本实验中，对粉术进行的压制过程与生产粉末冶金制品时的压制过程不同。 在粉末冶金制品中，压制目的是为了得到并保持一定形状、尺寸、密度和高 强度的压坯，进而制造性能优异的粉术冶金制品。但是在本试验中，压制目 的是为了提高c u 粉、s n 粉问进行部分合金化时的接触面积，进而促进部分 合金化的进行。对于一定量的粉末，不同的压制压力将得到密度不同的粉未 压坯，这样就使粉末颗粒闻f l o j l 洞和接触面有所不同。本次试验将通过压制 生坯密度不同的压坯，范围为4 o g c m 7 4 9 c m ，来考察粉末压坯密度不 同对部分合金化过程及粉末性能的影响，从中选择出有利于粉末部分合会化 过程进行的压坯密度。 粉术经压制后，就对粉末压坯进行扩散烧结处理，使粉术部分合金化。 扩散烧结工艺对部分合金化粉术性能有直接的影响，在此过程中，扩散烧结 气氛、升温速度、扩散温度和扩散时问是需要考虑的主要影响因素。 本实验研究的对象是电解c u 粉和雾化s n 粉的部分合余化过程，烧结气 氛是扩散烧结处理过程中必不可少的条件之一，对部分合会化粉末的组织和 性能均有很大影响。c u 易于与氧发生氧化反应，这会对合金化过程产生不 实验材料与实验方法 利影响，冈此所选烧结2 i 氛应具有还原性。同时还原性气氛可使c u 粉颗粒 表面吸附的少量的氧得到还原。还原性气氛主要有氢气、分解氨等。考虑到 经济性和已经具备的实验条件，本次实验是在具有还原性的分解氨保护气氛 下进行的。 对压坯进行扩散烧结处理时，升温速度对部分合金化过程也有一定影 响。但为了减少实验过程中需要考虑的因素，本次试验将升温速度定为2 0 h 钟，冷却方式采用循环水冷却方式。 在粉末部分合金化过程中，扩散烧结温度和扩散烧结时间对粉术合金化 程度具有决定性的影向。在一定温度范围内，扩散烧结温度越高，原子扩散 能力越强，这可加速粉术部分合会化过程并对粉术性能产生显著影响。扩散 温度主要根据材料的化学成分来确定。参照粉术冶会制品烧结工艺，对于混 合粉术的压坯。扩散烧结温度要低于其主要成分的熔点，通常可按下式( 2 一1 ) 近似确定： t * = ( 0 7 0 8 ) t *( 2 - 1 ) 其中：t * ：制品的扩散烧结温度 t 一：制品中主要合金成分的熔点 式2 - l 为烧结粉术冶金制品时的经验式，扩散烧结