擴散CuSn10粉末燒結性能研究

張曉峰

（1.中色礦業香港控股有限公司，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、機械強度高、導熱率高、工作壽命長等優點，廣泛應用于精密電子、高檔家用電器、通訊設施、汽車和IT等領域中。目前已成為機械行業中一個必不可少的基礎零件[1,2]。

由于各項性能指標優越，擴散CuSn10金屬粉末在粉末冶金領域中應用也較為廣泛，其中一個重要用途是生產微型自潤滑含油軸承產品，該領域產品對零件尺寸精度要求較高[3,4]。金屬粉末由于生產批次不同，粉末物理性能存在差異往往導致含油軸承在生產中難以控制其成品尺寸，形成較高的報廢率，嚴重影響企業生產率及利潤。為了確保含有軸承尺寸穩定，對粉末燒結性能提出了要求。通過控制燒結溫度，可以對不同批次的擴散CuSn10粉末進行工藝微調，能有效提高產品零件尺寸精度控制。

1 擴散CuSn10粉末的物理性能分析

CuSn10粉末生產中，通過混料法生產的混合CuSn10粉末或通過擴散法生產預合金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生局部偏析，導致燒結制品中合金元素分布不均勻和制品尺寸變化率波動，嚴重時甚至會釀成廢品。因此，采用銅粉混合錫粉通過擴散工藝生產的預合金CuSn10粉末具有成分均勻、性能穩定的優勢[5-7]。圖1為某企業通過高溫擴散生產的CuSn10金屬粉末微觀形貌。

圖1 某企業生產擴散CuSn10粉末微觀形貌

從該金屬粉末產品的微觀形貌可以看出，單體CuSn10顆粒的樹枝狀結構在高溫合金化過程中存在一定的熔浸。這是由于擴散CuSn10在生產過程中，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，使銅粉樹枝狀結構呈現“萎縮”狀態。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合，形成性能穩定的Cu-Sn固溶體物質，這是確保擴散CuSn10粉末產品性能穩定最重要的原因。

該金屬粉末應用于多種類型含有軸承零部件燒結，終端產品一般多為圓環、片狀結構。在高溫保護性氣氛燒結條件下，金屬粉末顆粒間主要以固相燒結為主，各顆粒間形成致密連接，樹枝狀結構將進一步“萎縮”，顆粒間隙減少，含油軸承零件的抗壓強度隨之提高，同時擴散CuSn10粉末在高溫燒結過程中壓縮成品件產品尺寸縮小。

隨機選取國內某知名企業金屬粉末生產廠家提供的擴散CuSn10粉末產品作為本文的實驗樣品，其產品物理性能的檢測結果如表1所示。

該企業生產的擴散CuSn10產品性能較為穩定，國內市場占有率較高，客戶使用效果較好。金屬粉末產品性能的重要參數如粉末松比、流動速度等均能穩定控制在較窄的范圍內，不同批次產品的粒度分布也較為穩定，這將為后續產品燒結性能穩定性奠定了良好的基礎。

表1 某企業生產的擴散CuSn10產品物理參數檢測結果

2 燒結溫度對擴散CuSn10粉末燒結收縮性的影響

一般的粉末冶金零部件產品在生產過程中，首先通過對金屬粉末進行冷壓成型，隨后進入保護性氣氛燒結爐內進行高溫燒結，從而提高產品各項使用性能。在粉末冶金產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。壓坯密度是擴散CuSn10粉末燒結性能的影響因素之一。通過改變燒結溫度，測試該工藝參數對擴散CuSn10金屬粉末燒結收縮性的影響，試驗結果如圖2所示。

圖2 燒結溫度對擴散CuSn10粉末燒結收縮性能的影響

為考察燒結溫度對擴散CuSn10燒結性能的影響，分別進行了700℃、715℃、730℃、745℃、760℃產品燒結測試。從圖2的測試結果可以看出，壓坯密度對擴散CuSn10金屬粉末在產品燒結性能影響較小。在同一燒結溫度條件下，壓制成型件密度控制在6.1g/cm3～6.7g/cm3范圍內，粉末冶金產品燒結尺寸變化幅度較小，基本處于穩定狀態。因此壓坯密度參數不是擴散CuSn10產品燒結收縮性能的主要影響因素。

從圖2中可以明顯看出，隨著燒結溫度的提高，擴散CuSn10產品收縮率逐漸增大，在燒結溫度為700℃條件下，燒結收縮率為5%左右，當燒結溫度控制在760℃條件下，產品燒結收縮率為12%左右，燒結溫度的變化對該金屬粉末產品的燒結性能影響較為明顯。企業在生產含有軸承等粉末冶金零部件產品過程中，需要注意控制燒結溫度參數，可以有效降低產品報廢率。

3 燒結溫度對擴散CuSn10粉末燒結后壓潰強度的影響

粉末冶金產品的主要性能指標之一是成品的壓潰強度，壓潰強度是決定產品的使用壽命因素之一。因此，為控制產品合格率，提高成品壓潰強度是粉末冶金企業所關注的技術指標之一。

通過提高粉末冶金產品燒結溫度，可以有效提高產品壓潰強度。試驗過程中分別進行了700℃、715℃、730℃、745℃、760℃的燒結溫度對粉末冶金產品壓潰強度測試，測試結果如圖3所示。

圖3 燒結溫度對擴散CuSn10壓潰強度性能的影響

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溫度條件下其產品壓潰強度均呈現較為明顯的增加，整體上看，隨著燒結溫度的提高，產品壓潰強度也隨之提高。當壓坯密度為6.0g/cm3時，燒結溫度為700℃，燒結后產品壓潰強度為127Mpa，當壓坯密度控制在6.8 g/cm3、燒結溫度為760℃時，產品的壓潰強度為322MPa。因此，通過改變壓坯強度及燒結溫度，能夠有效提升產品壓潰強度性能。綜合考慮含有軸承孔隙率及壓潰強度，選擇合適的壓坯密度及燒結溫度，是改善企業生產CuSn10粉末冶金零件的有效方式。

4 結論

①燒結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粉末冶金產品燒結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收縮率的影響較??；②隨著壓坯密度的提高，粉末冶金產品壓潰強度有較為明顯的提高，提升燒結溫度也是提高CuSn10粉末冶金零件壓潰強度的有效途徑；③粉末冶金零件生產過程中，需要關注粉末產品物理性能的穩定性，通過合理控制燒結溫度及壓坯密度，可以有效提升產品合格率。

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