一種具有致密化表面的銅基粉末冶金零件的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有致密化表面的銅基粉末冶金零件的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)作為原料，經(jīng)過(guò)成形和燒結(jié)，制造金屬材料、復(fù)合材料以及各種類型制品的工藝技術(shù)。粉末冶金法與生產(chǎn)陶瓷有相似的地方，均屬于粉末燒結(jié)技術(shù)，因此，一系列粉末冶金新技術(shù)也可用于陶瓷材料的制備。由于粉末冶金技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，它已成為解決新材料問題的鑰匙，在新材料的發(fā)展中起著舉足輕重的作用。粉末冶金零件以其節(jié)省原材料、節(jié)能、省工、成本低等優(yōu)勢(shì)在汽車、家電等方面獲得廣泛應(yīng)用，特別適合于大批量的生產(chǎn)。
[0003]銅基粉末冶金自潤(rùn)滑軸承，是銅基粉末冶金零件的主要組成部分，但銅基粉末冶金零件在其它領(lǐng)域應(yīng)用有限。這是由于銅基粉末冶金零件內(nèi)有空隙存在，使得銅基粉末冶金材料的密度、強(qiáng)度等性能都低于相應(yīng)的鑄鍛材料，這大大阻礙了銅基粉末冶金零件的應(yīng)用。
[0004]采用成形-預(yù)燒結(jié)-復(fù)壓-二次燒結(jié)的復(fù)壓復(fù)燒工藝可以提高粉末冶金零件的密度，其中，預(yù)燒結(jié)有兩個(gè)作用。一方面，對(duì)成形時(shí)已經(jīng)加工硬化的粉末進(jìn)行退火，降低銅粉顆粒的屈服強(qiáng)度，利于二次壓制時(shí)提高密度；另一方面，脫出產(chǎn)品中的潤(rùn)滑劑，潤(rùn)滑劑會(huì)在產(chǎn)品中占據(jù)較大的空間，由于潤(rùn)滑劑的密度較低，成形時(shí)這些潤(rùn)滑劑難以壓縮，導(dǎo)致粉末冶金零件密度的提高受到限制。經(jīng)過(guò)預(yù)燒結(jié)后95%以上的潤(rùn)滑劑都能夠脫出，這樣復(fù)壓時(shí)潤(rùn)滑劑占據(jù)的位置就可以被壓縮，有利于提高粉末冶金零件的密度。但是采用復(fù)壓復(fù)燒工藝，零件的制造流程長(zhǎng)、制造成本高，粉末冶金工藝的優(yōu)勢(shì)得不到充分的發(fā)揮。
[0005]因此，需要開發(fā)新的工藝，解決銅基粉末冶金產(chǎn)品的密度和強(qiáng)度問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀，提供一種密度大、強(qiáng)度高的具有致密化表面的銅基粉末冶金零件的制備方法，該方法工藝步驟簡(jiǎn)單、制備成本低、效率高且對(duì)模具損耗小。
[0007]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種具有致密化表面的銅基粉末冶金零件的制備方法，其特征在于包括以下步驟:
[0008](I)設(shè)計(jì)材料組成:按重量百分比計(jì)，所使用材料包含O?1.0%碳、O?15%錫、O?25%鎳、O?30%鋅、O?6%鉍，不超過(guò)2%的不可避免雜質(zhì)以及余量的銅；
[0009](2)混料:按照步驟(I)的材料組成，將各組分進(jìn)行混合得到混合粉，并向該混合粉中加入占混料總質(zhì)量0.1?I %的潤(rùn)滑劑；
[0010](3)壓制:將步驟(2)所得混料在大于300MPa的壓力下，壓制成密度為6.0?7.4g/cm3的零件生還；
[0011](4)燒結(jié):將步驟(3)所得零件生坯在非氧化性氣氛中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為700 °C~ 1090 °C，燒結(jié)時(shí)間為 5 ?180min ；
[0012](5)擠壓:該步驟中使用的擠壓陰模具有上下貫通的擠壓腔，且該擠壓腔的內(nèi)表面至少成型有自上而下依次銜接的第一導(dǎo)向段、第一擠壓段及第一定徑段；該步驟中使用的擠壓芯棒的外表面成型有自上而下依次銜接的第三導(dǎo)向段、第三擠壓段及第二定徑段；
[0013]采用擠壓陰模對(duì)零件的外表面進(jìn)行擠壓，擠壓時(shí)，先調(diào)整擠壓模具至初始狀態(tài)，使下沖模具的端面高于擠壓陰模第一導(dǎo)向段最低面0.05?0.2mm，將零件放入擠壓陰模的第一導(dǎo)向段，使上沖模具下壓、下沖模具保持靜止，零件在上沖模具的推動(dòng)下向下擠壓0.1?0.5mm，調(diào)整上沖模具與下沖模具位置對(duì)零件夾緊并保壓且保持相對(duì)靜止，擠壓陰模向上運(yùn)動(dòng)對(duì)零件進(jìn)行擠壓致密，零件通過(guò)擠壓陰模第一擠壓段完全進(jìn)入定徑段后，下拉或繼續(xù)上移擠壓陰模，移動(dòng)相應(yīng)的上沖模具或下沖模具，取出零件，完成擠壓致密化，擠壓量為 0.01 ?2mm ;
[0014]采用擠壓芯棒對(duì)零件的內(nèi)表面進(jìn)行擠壓，擠壓時(shí)，先調(diào)整擠壓模具至初始狀態(tài)，使下沖模具的端面高于擠壓陰模第一導(dǎo)向段最低面0.05?0.2mm，將零件放入擠壓陰模的第一導(dǎo)向段，使上沖模具下壓、下沖模具保持靜止，零件在上沖模具的推動(dòng)下向下擠壓0.1?0.5mm，調(diào)整上沖模具與下沖模具位置對(duì)零件夾緊并保壓且保持相對(duì)靜止，擠壓芯棒向上運(yùn)動(dòng)對(duì)零件進(jìn)行擠壓致密，零件通過(guò)擠壓芯棒的第三擠壓段完全進(jìn)入第二定徑段后，下拉擠壓芯棒，使上沖模具向上運(yùn)動(dòng)，取出零件，完成擠壓致密化，擠壓量為0.01?2mm。
[0015]作為改進(jìn)，所述第一導(dǎo)向段的內(nèi)徑大于第一定徑段的內(nèi)徑，且所述第一導(dǎo)向段的側(cè)邊與第一擠壓段的側(cè)邊之間所成銳角為α，且0.5° ^ α 15°。當(dāng)α角度越小時(shí)，產(chǎn)品所受到徑向的力較大，而當(dāng)α角度越大時(shí)，產(chǎn)品所受到軸向的力越大，此時(shí)會(huì)增大產(chǎn)品與模具之間的摩擦，不僅不利于產(chǎn)品成型，也易導(dǎo)致模具損傷，降低模具的使用壽命，采用上述設(shè)計(jì)，使α角保持在合理的范圍內(nèi)，一方面便于產(chǎn)品移動(dòng)，另一方面能有效降低產(chǎn)品與模具之間的摩擦。
[0016]進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一定徑段的高度為h，0.5mm Oi < 1mm0采用這樣的設(shè)計(jì)，一方面便于產(chǎn)品成型，另一方面，能避免產(chǎn)品與模具之間過(guò)度摩擦。
[0017]再改進(jìn)，所述擠壓陰模的擠壓腔的內(nèi)表面還成型有自上而下依次銜接于第一定徑段下端的第二擠壓段、第二導(dǎo)向段，所述第二導(dǎo)向段的內(nèi)徑大于第一定徑段的內(nèi)徑，且所述第二導(dǎo)向段的側(cè)邊與第二擠壓段的側(cè)邊之間所成銳角為β，3° < β ^ 20°。采用上述結(jié)構(gòu)，當(dāng)零件通過(guò)擠壓陰模第一擠壓段完全進(jìn)入定徑段后，繼續(xù)上移擠壓陰模，直至零件完全進(jìn)入第二導(dǎo)向段后，使上沖模具下壓、下沖模具保持靜止，零件在上沖模具的推動(dòng)下向下擠壓0.1?0.5mm，調(diào)整上沖模具與下沖模具位置對(duì)零件夾緊并保壓且保持相對(duì)靜止，擠壓陰模向下運(yùn)動(dòng)對(duì)零件進(jìn)行第二次擠壓致密，零件通過(guò)擠壓陰模第二擠壓段完全進(jìn)入定徑段后，下拉或繼續(xù)上移擠壓陰模，移動(dòng)相應(yīng)的上沖模具或下沖模具，取出零件，即可完成二次擠壓致密；上述β角越小越不利于出模，甚至導(dǎo)致產(chǎn)品卡在模具中無(wú)法取出，而β角過(guò)于大則容易導(dǎo)致模具開裂，采用上述設(shè)計(jì)，將β角保持在合理的范圍內(nèi)，一方面利于產(chǎn)品出模，另一發(fā)面，確保模具具有較好的牢固度及較長(zhǎng)的使用壽命。
[0018]作為改進(jìn)，所述第三導(dǎo)向段的外徑小于第二定徑段的外徑，且所述第二定徑段的側(cè)邊與第三擠壓段的側(cè)邊之間所成銳角為δ，0.5° < δ <15°。當(dāng)δ角度越小時(shí)，產(chǎn)品所受到徑向的力越大，而當(dāng)S角度越大時(shí)，產(chǎn)品所受到軸向的力越大，此時(shí)會(huì)增大產(chǎn)品與模具之間的摩擦，不僅不利于產(chǎn)品成型，也易導(dǎo)致模具損傷，降低模具的使用壽命，采用上述設(shè)計(jì)，使S角保持在合理的范圍內(nèi)，一方面便于產(chǎn)品移動(dòng)，另一方面能有效降低產(chǎn)品與模具之間的摩擦。
[0019]進(jìn)一步改進(jìn)，所述擠壓芯棒的第二定徑段的高度為L(zhǎng)2，0.5mm ^ L2 ^ 10mm。采用這樣的設(shè)計(jì)，一方面便于產(chǎn)品成型，另一方面，能避免產(chǎn)品與芯棒之間過(guò)度摩擦。
[0020]作為優(yōu)選，在步驟⑷完成后，步驟(5)開始前，在非氧化性氣氛中對(duì)燒結(jié)后的零件進(jìn)行退火處理，退火工藝為與同成分的銅合金相同。
[0021]優(yōu)選地，步驟(5)中對(duì)零件進(jìn)行擠壓前先將零件預(yù)熱至溫度高于室溫而低于900°C，以降低擠壓壓力，減少對(duì)模具的磨損。
[0022]在上述各方案中，步驟(5)中上沖模具或下沖模具對(duì)零件夾緊并保壓的壓力不小于擠壓力在模具運(yùn)動(dòng)方向上的分力。
[0023]優(yōu)選地，所述的銅以銅粉、Cu-Sn合金、Cu-Ni合金、Cu-Zn合金、Cu-Bi合金中任意一種或多種的形式加入，或以銅的多元合金的形式加入；所述潤(rùn)滑劑及石墨采用粘接處理方式加入，以便于分散均勻。
[0024]優(yōu)選地，所述的非氧化性氣氛是指真空環(huán)境或含氫I?75vol%的氮?dú)錃夥铡?br>[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0026]本發(fā)明為了使制備的銅基粉末冶金零件具有較好的致密化效果，專門設(shè)置了用于擠壓零件外表面的擠壓陰模和擠壓零件內(nèi)表面的擠壓芯棒，并輔以能將零件進(jìn)行夾緊的上沖模具及下沖模具，使用時(shí)，零件固定不動(dòng)，移動(dòng)相應(yīng)的擠壓模具完成擠壓，這樣的方式可以避免擠壓完畢出模后零件易出現(xiàn)裂縫的缺陷；與現(xiàn)有技術(shù)中在燒結(jié)步驟后進(jìn)行表面塑性致密化處理時(shí)所需要的能量相比，本發(fā)明可以以較小的擠壓余量得到較大的變形深度，且顯著降低了能量需求，從而降低了生產(chǎn)成本，提高了致密化程度；與傳統(tǒng)的粉末冶金工藝相比，采用本發(fā)明特制的擠壓模具大大減少了因零件表面材料流動(dòng)而導(dǎo)致的零件高度增加問題，且可以減少毛刺飛邊的產(chǎn)生，降低了后道加工的工作量