扩散CuSn10粉末烧结性能研究

张晓峰

（1.中色矿业香港控股有限公司，刚果金 卢本巴西 999059；2.中色华鑫马本德矿业有限公司，刚果金 卢本巴西 999059）

采用粉末冶金工艺（PM）制造的CuSn10微型自润滑轴承具有抗腐蚀性能强、机械强度高、导热率高、工作寿命长等优点，广泛应用于精密电子、高档家用电器、通讯设施、汽车和IT等领域中。目前已成为机械行业中一个必不可少的基础零件[1,2]。

由于各项性能指标优越，扩散CuSn10金属粉末在粉末冶金领域中应用也较为广泛，其中一个重要用途是生产微型自润滑含油轴承产品，该领域产品对零件尺寸精度要求较高[3,4]。金属粉末由于生产批次不同，粉末物理性能存在差异往往导致含油轴承在生产中难以控制其成品尺寸，形成较高的报废率，严重影响企业生产率及利润。为了确保含有轴承尺寸稳定，对粉末烧结性能提出了要求。通过控制烧结温度，可以对不同批次的扩散CuSn10粉末进行工艺微调，能有效提高产品零件尺寸精度控制。

1 扩散CuSn10粉末的物理性能分析

CuSn10粉末生产中，通过混料法生产的混合CuSn10粉末或通过扩散法生产预合金CuSn10粉末。由于采用混合粉末制造均匀的混合粉末存在较大难度。此外，在运输过程中不可避免的振动和从粉末粉斗自动装粉至模具过程中的振动均会引起混合粉中原始粉料产生局部偏析，导致烧结制品中合金元素分布不均匀和制品尺寸变化率波动，严重时甚至会酿成废品。因此，采用铜粉混合锡粉通过扩散工艺生产的预合金CuSn10粉末具有成分均匀、性能稳定的优势[5-7]。图1为某企业通过高温扩散生产的CuSn10金属粉末微观形貌。

图1 某企业生产扩散CuSn10粉末微观形貌

从该金属粉末产品的微观形貌可以看出，单体CuSn10颗粒的树枝状结构在高温合金化过程中存在一定的熔浸。这是由于扩散CuSn10在生产过程中，金属Sn粉高温熔融时在电解铜粉表层均匀地形成了Cu-Sn固溶体，降低了金属铜的熔点，使铜粉树枝状结构呈现“萎缩”状态。金属Sn粉在熔融过程中，能够较为均匀地与电解铜粉表面结合，形成性能稳定的Cu-Sn固溶体物质，这是确保扩散CuSn10粉末产品性能稳定最重要的原因。

该金属粉末应用于多种类型含有轴承零部件烧结，终端产品一般多为圆环、片状结构。在高温保护性气氛烧结条件下，金属粉末颗粒间主要以固相烧结为主，各颗粒间形成致密连接，树枝状结构将进一步“萎缩”，颗粒间隙减少，含油轴承零件的抗压强度随之提高，同时扩散CuSn10粉末在高温烧结过程中压缩成品件产品尺寸缩小。

随机选取国内某知名企业金属粉末生产厂家提供的扩散CuSn10粉末产品作为本文的实验样品，其产品物理性能的检测结果如表1所示。

该企业生产的扩散CuSn10产品性能较为稳定，国内市场占有率较高，客户使用效果较好。金属粉末产品性能的重要参数如粉末松比、流动速度等均能稳定控制在较窄的范围内，不同批次产品的粒度分布也较为稳定，这将为后续产品烧结性能稳定性奠定了良好的基础。

表1 某企业生产的扩散CuSn10产品物理参数检测结果

2 烧结温度对扩散CuSn10粉末烧结收缩性的影响

一般的粉末冶金零部件产品在生产过程中，首先通过对金属粉末进行冷压成型，随后进入保护性气氛烧结炉内进行高温烧结，从而提高产品各项使用性能。在粉末冶金产品零部件制备过程中，压坯密度是在粉末压制过程中，通过施加合适的加压过程，控制粉末压制成型后零部件的密度，压坯密度决定金属粉末在冷压成型过程中颗粒间接触状况及空隙状态。压坯密度是扩散CuSn10粉末烧结性能的影响因素之一。通过改变烧结温度，测试该工艺参数对扩散CuSn10金属粉末烧结收缩性的影响，试验结果如图2所示。

图2 烧结温度对扩散CuSn10粉末烧结收缩性能的影响

为考察烧结温度对扩散CuSn10烧结性能的影响，分别进行了700℃、715℃、730℃、745℃、760℃产品烧结测试。从图2的测试结果可以看出，压坯密度对扩散CuSn10金属粉末在产品烧结性能影响较小。在同一烧结温度条件下，压制成型件密度控制在6.1g/cm3～6.7g/cm3范围内，粉末冶金产品烧结尺寸变化幅度较小，基本处于稳定状态。因此压坯密度参数不是扩散CuSn10产品烧结收缩性能的主要影响因素。

从图2中可以明显看出，随着烧结温度的提高，扩散CuSn10产品收缩率逐渐增大，在烧结温度为700℃条件下，烧结收缩率为5%左右，当烧结温度控制在760℃条件下，产品烧结收缩率为12%左右，烧结温度的变化对该金属粉末产品的烧结性能影响较为明显。企业在生产含有轴承等粉末冶金零部件产品过程中，需要注意控制烧结温度参数，可以有效降低产品报废率。

3 烧结温度对扩散CuSn10粉末烧结后压溃强度的影响

粉末冶金产品的主要性能指标之一是成品的压溃强度，压溃强度是决定产品的使用寿命因素之一。因此，为控制产品合格率，提高成品压溃强度是粉末冶金企业所关注的技术指标之一。

通过提高粉末冶金产品烧结温度，可以有效提高产品压溃强度。试验过程中分别进行了700℃、715℃、730℃、745℃、760℃的烧结温度对粉末冶金产品压溃强度测试，测试结果如图3所示。

图3 烧结温度对扩散CuSn10压溃强度性能的影响

从图3中可以看出，随着压坯密度增加，粉末冶金成型件在不同烧结温度条件下其产品压溃强度均呈现较为明显的增加，整体上看，随着烧结温度的提高，产品压溃强度也随之提高。当压坯密度为6.0g/cm3时，烧结温度为700℃，烧结后产品压溃强度为127Mpa，当压坯密度控制在6.8 g/cm3、烧结温度为760℃时，产品的压溃强度为322MPa。因此，通过改变压坯强度及烧结温度，能够有效提升产品压溃强度性能。综合考虑含有轴承孔隙率及压溃强度，选择合适的压坯密度及烧结温度，是改善企业生产CuSn10粉末冶金零件的有效方式。

4 结论

①烧结温度对粉末冶金零件性能影响较为明显，随着温度的提高，CuSn10粉末冶金产品烧结收缩率变化较为明显，成型过程中压坯密度对粉末冶金烧结收缩率的影响较小；②随着压坯密度的提高，粉末冶金产品压溃强度有较为明显的提高，提升烧结温度也是提高CuSn10粉末冶金零件压溃强度的有效途径；③粉末冶金零件生产过程中，需要关注粉末产品物理性能的稳定性，通过合理控制烧结温度及压坯密度，可以有效提升产品合格率。

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