燒結(jié)溫度對鋁銅含油軸承的影響

1、燒結(jié)溫度對鋁銅含油軸承的影響     近年來，隨著能源危機和環(huán)保問題的日益嚴(yán)重，人們對于節(jié)能節(jié)材產(chǎn)品的需求越來越高，產(chǎn)品的輕量化已成為一種趨勢1 4。Al 是一種輕金屬，具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好，耐蝕性優(yōu)異等特性5。Al 合金質(zhì)量輕而強度高，其“比強度”勝過很多合金鋼，成為工業(yè)中廣泛使用的有色金屬材料。Al 基燒結(jié)含油軸承作為一種新型的減摩材料，其特有的密度小、價格低、耐腐蝕性好等優(yōu)點，引起了人們極大的興趣，是 Cu 基和 Fe 基軸承潛在的理想替代品。用 Al 基軸承代替 Cu 基軸承和 Fe 基軸承，可以節(jié)約大量工業(yè)用 Cu，滿足機械設(shè)備輕量化發(fā)展的要求，

2、而又不降低設(shè)備的使用性能，還能達到節(jié)能、環(huán)保、低成本的目的。粉末冶金法與傳統(tǒng)的鑄造、鍛造方式相比，制造的零件尺寸精度高，節(jié)約了大量的材料，同時制備所需的溫度低，節(jié)約了能源，成為產(chǎn)品輕量化發(fā)展的研究熱點6，7，被稱為是解決高科技、新材料問題的鑰匙。然而，在用粉末冶金法制備 Al 基含油軸承時，燒結(jié)溫度是一個非常關(guān)鍵而又敏感的工藝參數(shù)8，對 Al 基含油軸承的性能起著決定性的作用。本文采用粉末冶金法制備了 Al-Cu 系含油軸承，研究了燒結(jié)溫度對 Al-Cu 系含油軸承的壓潰強度、含油率和微觀形貌的影響規(guī)律及機理。1 試驗將平均粒度為 60m 的 N2霧化 Al 粉配以 0 15% ( 質(zhì)量分?jǐn)?shù))

3、 的 Cu、Mg、Si 等合金化元素粉末，使用鋼模以 80MPa 的壓力在數(shù)顯式工程陶瓷壓縮強度試驗機上壓制成 17mm × 12mm ×11mm 的壓坯，該壓坯的相對密度約為 78%。將其置于真空燒結(jié)爐中于 520 570 燒結(jié) 4h，隨爐自然冷卻至室溫，于 90真空浸油 30min。用同步差式掃描量熱/熱重分析測試儀分析燒結(jié)坯的局部熔化溫度區(qū)間，用掃描電子顯微鏡觀察燒結(jié)坯的顯微結(jié)構(gòu)，用 SWX數(shù)顯式萬能強度試驗儀測定燒結(jié)坯的壓潰強度，用真空浸漬法測定燒結(jié)坯的含油率。2 結(jié)果與討論2. 1 燒結(jié)溫度的優(yōu)化選擇燒結(jié)溫度的選擇必須滿足在此溫度下燒結(jié)坯內(nèi)存在較多的液相，但過多的

4、液相將使坯體變形、坍塌，因此不同合金相應(yīng)地有不同的最佳燒結(jié)溫度9。為了選擇較優(yōu)的燒結(jié)溫度，將樣品置于 N2保護下以 10 /min 的速度加熱，進行同步差式掃描量熱-熱重分析( DSC-TGA) 測試。圖 1 所示為 Al-Cu 系含油軸承合金樣品的 DSC-TGA 測試結(jié)果。從圖中熱流變化曲線可以看出: 加熱溫度為 520時，樣品開始吸熱，但吸熱量很小，表明此時微小局部熔化; 溫度升高到 567 時，吸熱速度明顯加快，表明此時熔化區(qū)域顯著增大; 溫度升高到 577時，吸熱停止，表明此時熔化結(jié)束。從圖中質(zhì)量損失變化曲線可以看出: 由室溫到 230，樣品質(zhì)量損失較快，該階段失重主要是由于樣品中吸

5、附的氣體和水的揮發(fā); 溫度為 570 時，此時質(zhì)量損失急劇增大，主要是因為樣品內(nèi)部熔化區(qū)域顯著增大導(dǎo)致樣品大量揮發(fā)造成的。圖中熱流變化曲線與質(zhì)量損失變化曲線所對應(yīng)的溫度較為吻合，很好地反映了 Al-Cu 軸承合金樣品隨加熱溫度的變化情況。燒結(jié)溫度對 Al 基含油軸承的性能起著決定性的作用，直接影響燒結(jié)坯的微觀形貌及性能。為了使燒結(jié)坯能夠獲得良好的微觀形貌、較高的尺寸精度和較好的力學(xué)性能，必須精確地控制燒結(jié)溫度，使壓坯在燒結(jié)過程中僅發(fā)生局部熔化，避免熔融現(xiàn)象的出現(xiàn)。因此，燒結(jié)溫度應(yīng)介于局部熔化開始溫度與局部熔化結(jié)束溫度之間。由 Al-Cu 系含油軸承合金樣品的 DSC-TGA 圖譜分析得出，其燒

6、結(jié)溫度應(yīng)在520 570 。2. 2 燒結(jié)溫度對壓潰強度、含油率與微觀形貌的影響由于 Al 的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，極容易與 O 反應(yīng)，其表面常覆蓋一層致密的、化學(xué)性能穩(wěn)定的、強度高的 Al2O3薄膜。在 Al 燒結(jié)過程中 ，Al2O3薄膜阻礙了顆粒之間的直接接觸和元素在燒結(jié)過程中的潤濕和擴散，妨礙了燒結(jié)的進行10 12。燒結(jié)溫度偏低，致密的 Al2O3薄膜不易被破壞，Al 粉的冶金結(jié)合比較困難，燒結(jié)坯強度很低; 燒結(jié)溫度偏高，燒結(jié)坯發(fā)生過燒及熔融，孔隙直徑增大，孔隙數(shù)量急劇減少，含油率較低，收縮較大，尺寸精度較差，都不能滿足使用要求。表 1 所示為不同燒結(jié)溫度下燒結(jié)坯的壓潰強度、含油率與尺寸變化

7、?？梢钥闯?，燒結(jié)坯的壓潰強度隨著燒結(jié)溫度的上升而顯著增大，超過最佳燒結(jié)溫度 550后又逐漸降低，含油率卻隨著燒結(jié)溫度的上升而急劇下降。當(dāng)燒結(jié)溫度低于 540 時，燒結(jié)坯的壓潰強度很低，承受很小的壓力即碎，這主要是因為燒結(jié)溫度較低時，致密的 Al2O3薄膜不易被破壞，顆粒之間未產(chǎn)生明顯的冶金結(jié)合，結(jié)合強度很低; 當(dāng)燒結(jié)溫度高于 550 時，燒結(jié)坯的含油率較低，僅為 15%左右，這主要是因為燒結(jié)溫度過高促使燒結(jié)坯發(fā)生過燒及熔融，顆粒大量熔化，顆粒間的燒結(jié)頸迅速長大，相鄰顆粒彼此熔結(jié)在一起，顆粒間間隙大大減少，孔隙直徑顯著增大，孔隙數(shù)量急劇減少; 燒結(jié)溫度為 550時，燒結(jié)坯具有最佳的壓潰強度和含油

8、率，分別達到了 198MPa 和 22%，這主要是因為在此溫度下燒結(jié)坯內(nèi)部產(chǎn)生了少量的液相，破壞了 Al 粉顆粒表面致密的 Al2O3薄膜，粉末顆粒之間產(chǎn)生了良好的冶金結(jié)合，并且，燒結(jié)坯孔隙數(shù)量較多，孔隙大小適中，微觀形貌良好。圖 2 所示為不同燒結(jié)溫度下燒結(jié)坯的顯微結(jié)構(gòu)照片。從圖 2( a) 可以看出，540燒結(jié)時，粉末顆粒之間未發(fā)生明顯的冶金結(jié)合，大多數(shù) Cu 顆粒仍保持粉末顆粒中的形貌，彌散分布在 Al 基體之中。這是由于燒結(jié)溫度偏低，覆蓋在 Al 顆粒表面的致密的Al2O3薄膜阻礙了物質(zhì)之間的擴散遷移，使顆粒之間不能互相融合長大，進而不能產(chǎn)生良好的冶金結(jié)合。因此，燒結(jié)坯的塑性很差，稍微

9、施加外力即被壓潰，表現(xiàn)出了明顯的“欠燒結(jié)狀態(tài)”。從圖 2( b) 可以看出，550 燒結(jié)時，由于燒結(jié)溫度略高于 Al-Cu共晶合金的共晶點溫度( 548) ，燒結(jié)坯內(nèi)部發(fā)生了微小局部熔化，產(chǎn)生的局部熔化破壞了顆粒之間致密的 Al2O3薄膜，顆粒之間的物質(zhì)遷移得以實現(xiàn)，彼此粘結(jié)，實現(xiàn)了冶金結(jié)合; 并且，燒結(jié)坯中的液相在毛細(xì)管力的作用下，滲入 Al 粉顆粒之間，在產(chǎn)生液相的位置形成了數(shù)量眾多、分布均勻、大小約為30m 的細(xì)小孔隙，因此，燒結(jié)坯具有較高的壓潰強度和含油率，呈現(xiàn)出“最佳燒結(jié)狀態(tài)”。從圖 2( c)和圖 2( d) 可以看出，當(dāng)燒結(jié)溫度560時，粉末顆粒的局部熔化區(qū)間顯著增大，產(chǎn)生大量的液相，燒結(jié)坯孔隙直徑顯著增大，孔隙數(shù)量急劇減少，燒結(jié)坯的含油率迅速降低; 此外，燒結(jié)坯的尺寸收縮較大，達到了 1. 5%左右，尺寸精度較差，大直徑孔隙對基體的割裂作用較大，嚴(yán)重影響燒結(jié)坯的塑性，其強度也呈下降趨勢，已不能滿足使用要求，燒結(jié)坯呈現(xiàn)出“過燒結(jié)”及“熔融”狀態(tài)。3 結(jié)論燒結(jié)溫度顯著影響 Al-Cu 系含油軸承的壓潰強度、含油率和微觀形貌。540真空燒結(jié)時，顆粒之間未發(fā)生明顯的冶金結(jié)合，壓潰強度較低，燒結(jié)坯呈現(xiàn)出明顯的“欠燒結(jié)狀態(tài)”; 高于 560 真空燒結(jié)時，燒結(jié)坯發(fā)生過燒結(jié)及熔融，收縮較大，尺寸精度較差，含油率較低，燒結(jié)坯呈現(xiàn)出明顯的