含鋁銅基燒結(jié)含油軸承的制備

查五生，陳秀麗，廖 磊，劉改華

（1. 西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039；2. 濟(jì)南市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)院，山東 濟(jì)南 250101）

具有自潤滑功能的燒結(jié)含油軸承有著尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、工作噪音低、價格便宜等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、家電、辦公設(shè)備、農(nóng)業(yè)機(jī)械、精密機(jī)械等各種機(jī)器中[1-3]。目前，銅基、鐵基軸承已經(jīng)得到廣泛的發(fā)展，但銅基、鐵基燒結(jié)含油軸承制造成本高，而且鐵基軸承容易腐蝕生銹。與銅基、鐵基燒結(jié)含油軸承相比，鋁基含油軸承具有低密度、低成本、高耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，但其低強(qiáng)度，限制了其工業(yè)應(yīng)用[4-6]。因此，對含鋁銅基燒結(jié)含油軸承的研究成為必然的發(fā)展趨勢，其能夠在保證較好綜合性能的前提下，實(shí)現(xiàn)銅基燒結(jié)含油軸承輕量化和低成本，具有較強(qiáng)的工程意義和實(shí)用價值。

本文在銅基、鋁基燒結(jié)含油軸承基礎(chǔ)上制備不同鋁含量的含鋁銅基燒結(jié)含油軸承試樣，研究了鋁含量對含鋁銅基燒結(jié)含油軸承試樣性能和微觀形貌的影響規(guī)律及其機(jī)理。

1 含鋁銅基燒結(jié)含油軸承的制備

1.1 試樣制備

采用平均粒徑75 μm 的銅粉、霧化鋁粉，按照質(zhì)量比85%Cu-15%Al 稱量并置于球磨罐中，加入直徑6 mm 的Al3O2磨球，球料比5:1，在QM-3SP2 型行星式球磨機(jī)中球磨12 h。將球磨后的粉料壓制成相對密度約為75%，尺寸為Φ17 mm×Φ12 mm×6 mm 的環(huán)形軸承壓坯。在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，將軸承壓坯置于真空管式燒結(jié)爐內(nèi)920 ℃燒結(jié)120 min，隨爐冷卻至室溫。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測定燒結(jié)試樣的壓潰強(qiáng)度和含油率，采用S-3400N 型掃描電子顯微鏡觀察燒結(jié)樣品的微觀結(jié)構(gòu)，采用DMAX 2500 型X 射線衍射儀檢測燒結(jié)樣品的相組成。

1.2 檢測結(jié)果分析

采用SWX 數(shù)顯式萬能強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)測得燒結(jié)試樣壓潰強(qiáng)度為177.50 MPa，采用排水法測得燒結(jié)試樣含油率為9.43%。雖然壓潰強(qiáng)度和含油率數(shù)值不是很高，但均超過了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的最低要求，具有實(shí)用價值。

圖1 為燒結(jié)試樣的斷口形貌。從中發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)樣品內(nèi)均勻分布著細(xì)小的孔隙，且粉末顆粒冶金結(jié)合致密，顆粒表面出現(xiàn)了明顯的撕裂痕跡，表明顆粒之間形成了燒結(jié)頸，呈現(xiàn)出良好的燒結(jié)狀態(tài)。電或?qū)щ娦圆畹奈镔|(zhì)生成，彌散分布于燒結(jié)樣品中。由EDS 能譜數(shù)據(jù)分析可知，白色物質(zhì)為金屬氧化物。金屬氧化物的存在，會降低燒結(jié)試樣的強(qiáng)度，在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)避免氧化物的生成。采用霧化鋁粉、機(jī)械球磨法能有效減少金屬氧化物的含量，有利于提高燒結(jié)試樣的強(qiáng)度。

圖2 85%Cu-15%Al 燒結(jié)樣品的面掃描圖

圖3 和圖4 為85%Cu-15%Al 燒結(jié)樣品的EDS能譜圖和XRD 圖譜，表1 列出了EDS 能譜數(shù)據(jù)。從中得出，燒結(jié)樣品內(nèi)部生成了一定含量的第二相Cu9Al4。Cu9Al4是一種熔點(diǎn)高、硬度大、脆性大的金屬間化合物，彌散分布于燒結(jié)樣品內(nèi)部，對基體具有彌散強(qiáng)化作用，能夠有效提高燒結(jié)樣品強(qiáng)度[8]。其次，第二相的生成能夠阻止再結(jié)晶和晶粒長大，使燒結(jié)樣品組織細(xì)化，細(xì)晶強(qiáng)化作用使燒結(jié)樣品的強(qiáng)度顯著提高[9]。

表1 中，測定點(diǎn)3 的原子百分比顯示，燒結(jié)樣品中出現(xiàn)了CuAlO2相。這個物相的出現(xiàn)，表明銅基基體中所含的CuO 與其他金屬鋁表面的氧化物Al3O2發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為新的復(fù)合氧化物CuAlO2相。新物相的出現(xiàn)，說明燒結(jié)過程中基體銅與添加的鋁產(chǎn)生了冶金結(jié)合。

圖1 85%Cu-15%Al 燒結(jié)試樣的斷口形貌

2 鋁含量對含鋁銅基燒結(jié)含油軸承性能的影響

圖2 為85%Cu-15%Al 燒結(jié)樣品的面掃描圖。可以發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)樣品主要含有Cu、Al 和O，且均勻分布，表明機(jī)械球磨使得粉末混合均勻。機(jī)械球磨能有效地破壞鋁粉表面的Al3O2氧化膜，使鋁粉和銅粉能充分接觸和混合，促進(jìn)粉末顆粒冶金結(jié)合和合金化[7]。在面掃描圖中發(fā)現(xiàn)孔隙周圍有白色不導(dǎo)

以銅粉為基體，分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、15%、20%和25%的鋁粉制備含鋁銅基燒結(jié)含油軸承。對于不同鋁粉含量，其最佳燒結(jié)溫度不相同，為了進(jìn)行比較，取4 種含量下性能都較好的溫度900 ℃在氮?dú)鈿夥罩袩Y(jié)120 min，制備出不同鋁含量的含鋁銅基燒結(jié)含油軸承，測試和分析燒結(jié)試樣的綜合性能，優(yōu)化出最佳鋁含量，研究了鋁含量對含鋁銅基燒結(jié)含油軸承綜合性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律及其機(jī)理。

圖3 85%Cu-15%Al 燒結(jié)樣品的EDS 能譜圖

圖4 85%Cu-15%Al 燒結(jié)樣品的XRD 圖譜

表1 85%Cu-15%Al 燒結(jié)樣品的EDS 能譜數(shù)據(jù)

表2 和圖5 為不同鋁含量的含鋁銅基燒結(jié)含油軸承試樣的壓潰強(qiáng)度和含油率。從中發(fā)現(xiàn)，隨著鋁含量的增加，試樣的壓潰強(qiáng)度逐漸降低，試樣的含油率呈現(xiàn)先增加后降低趨勢。鋁是一種質(zhì)量輕、質(zhì)軟、低密度的金屬，銅基中添加一定量的鋁粉，降低了試樣的相對密度和強(qiáng)度，隨著鋁含量的增加，試樣的相對密度和強(qiáng)度降低加劇[10]。鋁的熔點(diǎn)低，在900 ℃保溫?zé)Y(jié)過程中，容易熔化成液相，隨著保溫時間的延長，液相擴(kuò)散流動進(jìn)入固相Cu 顆粒內(nèi)部，并在原位處留下孔洞。適當(dāng)?shù)匿X粉添加量，能夠使燒結(jié)樣品獲得一定大小和數(shù)量的孔隙。鋁粉添加量過多時，導(dǎo)致液相增加，流動加劇，燒結(jié)樣品更加致密。內(nèi)部形成大尺寸孔洞的同時，閉孔率增加，使得燒結(jié)試樣壓潰強(qiáng)度和含油率顯著下降[11]。另一方面，基體中產(chǎn)生的脆性相增多，導(dǎo)致壓潰強(qiáng)度降低。當(dāng)鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時，含鋁銅基燒結(jié)含油軸承試樣能夠獲得較好的綜合性能。

表2 不同鋁含量燒結(jié)試樣的壓潰強(qiáng)度和含油率

圖5 不同鋁含量燒結(jié)試樣的壓潰強(qiáng)度和含油率

3 鋁含量對含鋁銅基燒結(jié)含油軸承顯微結(jié)構(gòu)的影響

圖6 為不同鋁含量的含鋁銅基燒結(jié)含油軸承試樣的微觀形貌。從圖中可以得出，隨著鋁含量的增加，燒結(jié)樣品內(nèi)部孔隙數(shù)量增加、尺寸增大。如圖6(a)所示，鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，燒結(jié)樣品內(nèi)部存在細(xì)小的間隙，但無明顯的孔隙；粉末顆粒的輪廓出現(xiàn)“圓化”，使得燒結(jié)試樣的壓潰強(qiáng)度高，而含油率較低。如圖6(b)所示，鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到15%時，燒結(jié)樣品內(nèi)部出現(xiàn)明顯孔隙，尺寸約為15 μm，且分布均勻，粉末顆粒的輪廓明顯“圓化”，觀察到明顯的撕裂痕跡。這表明此時粉末顆粒冶金結(jié)合良好，出現(xiàn)了燒結(jié)頸，使得燒結(jié)試樣的壓潰強(qiáng)度較高，同時含油率明顯提高。如6 圖(c)所示，鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時，燒結(jié)樣品內(nèi)部孔隙率下降，同時有大尺寸孔隙產(chǎn)生，且分布不均勻，粉末顆粒的輪廓不清晰，燒結(jié)頸消失，結(jié)合致密，導(dǎo)致燒結(jié)試樣的壓潰強(qiáng)度明顯降低[12]。如6 圖(d)所示，鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時，燒結(jié)樣品內(nèi)部出現(xiàn)大量的大尺寸孔洞，尺寸約為40 μm，粉末顆粒之間結(jié)合致密，呈現(xiàn)“過燒”狀態(tài)，使得開孔率下降，導(dǎo)致燒結(jié)試樣的壓潰強(qiáng)度和含油率均下降。

圖6 不同鋁含量燒結(jié)試樣的微觀形貌

4 結(jié)論

1)在氮?dú)鈿夥罩?20 ℃保溫?zé)Y(jié)120 min，制備出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的含鋁銅基燒結(jié)含油軸承，具有較好的綜合性能，壓潰強(qiáng)度和含油率分別為177.50 MPa、9.43%。

2)鋁含量對含鋁銅基燒結(jié)含油軸承試樣的綜合性能有著重要的影響。隨著鋁含量的增加，含鋁銅基燒結(jié)含油軸承試樣的壓潰強(qiáng)度逐漸降低，含油率先增加后降低。當(dāng)鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時，樣品能夠獲得較好的綜合性能。

3)燒結(jié)試樣的微觀形貌隨著鋁含量的增加而發(fā)生改變，燒結(jié)樣品內(nèi)部孔隙尺寸隨著鋁含量的增加而增大，鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時，孔隙尺寸約40 μm，導(dǎo)致燒結(jié)試樣壓潰強(qiáng)度降低。隨著鋁含量的增加，燒結(jié)樣品內(nèi)部液相增多，孔隙數(shù)量減少，粉末顆粒冶金結(jié)合更加致密，燒結(jié)樣品開孔率下降，導(dǎo)致燒結(jié)試樣含油率降低。鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時，燒結(jié)試樣呈現(xiàn)最佳燒結(jié)狀態(tài)，孔隙率和粉末冶金結(jié)合致密度良好。