燒結溫度對鋁銅含油軸承的影響

1、燒結溫度對鋁銅含油軸承的影響     近年來，隨著能源危機和環(huán)保問題的日益嚴重，人們對于節(jié)能節(jié)材產品的需求越來越高，產品的輕量化已成為一種趨勢1 4。Al 是一種輕金屬，具有導電、導熱性好，耐蝕性優(yōu)異等特性5。Al 合金質量輕而強度高，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，滿足機械設備輕量化發(fā)展的要求，

2、而又不降低設備的使用性能，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，燒結溫度是一個非常關鍵而又敏感的工藝參數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% ( 質量分數)

3、 的 Cu、Mg、Si 等合金化元素粉末，使用鋼模以 80MPa 的壓力在數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%。將其置于真空燒結爐中于 520 570 燒結 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坯的局部熔化溫度區(qū)間，用掃描電子顯微鏡觀察燒結坯的顯微結構，用 SWX數顯式萬能強度試驗儀測定燒結坯的壓潰強度，用真空浸漬法測定燒結坯的含油率。2 結果與討論2. 1 燒結溫度的優(yōu)化選擇燒結溫度的選擇必須滿足在此溫度下燒結坯內存在較多的液相，但過多的

4、液相將使坯體變形、坍塌，因此不同合金相應地有不同的最佳燒結溫度9。為了選擇較優(yōu)的燒結溫度，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，表明此時熔化結束。從圖中質量損失變化曲線可以看出: 由室溫到 230，樣品質量損失較快，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，此時質量損失急劇增大，主要是因為樣品內部熔化區(qū)域顯著增大導致樣品大量揮發(fā)造成的。圖中熱流變化曲線與質量損失變化曲線所對應的溫度較為吻合，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，直接影響燒結坯的微觀形貌及性能。為了使燒結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性能，必須精確地控制燒結溫度，使壓坯在燒結過程中僅發(fā)生局部熔化，避免熔融現(xiàn)象的出現(xiàn)。因此，燒結溫度應介于局部熔化開始溫度與局部熔化結束溫度之間。由 Al-Cu 系含油軸承合金樣品的 DSC-TGA 圖譜分析得出，其燒

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

7、?？梢钥闯?，燒結坯的壓潰強度隨著燒結溫度的上升而顯著增大，超過最佳燒結溫度 550后又逐漸降低，含油率卻隨著燒結溫度的上升而急劇下降。當燒結溫度低于 540 時，燒結坯的壓潰強度很低，承受很小的壓力即碎，這主要是因為燒結溫度較低時，致密的 Al2O3薄膜不易被破壞，顆粒之間未產生明顯的冶金結合，結合強度很低; 當燒結溫度高于 550 時，燒結坯的含油率較低，僅為 15%左右，這主要是因為燒結溫度過高促使燒結坯發(fā)生過燒及熔融，顆粒大量熔化，顆粒間的燒結頸迅速長大，相鄰顆粒彼此熔結在一起，顆粒間間隙大大減少，孔隙直徑顯著增大，孔隙數量急劇減少; 燒結溫度為 550時，燒結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坯內部產生了少量的液相，破壞了 Al 粉顆粒表面致密的 Al2O3薄膜，粉末顆粒之間產生了良好的冶金結合，并且，燒結坯孔隙數量較多，孔隙大小適中，微觀形貌良好。圖 2 所示為不同燒結溫度下燒結坯的顯微結構照片。從圖 2( a) 可以看出，540燒結時，粉末顆粒之間未發(fā)生明顯的冶金結合，大多數 Cu 顆粒仍保持粉末顆粒中的形貌，彌散分布在 Al 基體之中。這是由于燒結溫度偏低，覆蓋在 Al 顆粒表面的致密的Al2O3薄膜阻礙了物質之間的擴散遷移，使顆粒之間不能互相融合長大，進而不能產生良好的冶金結合。因此，燒結坯的塑性很差，稍微

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