(1.廣東省科學(xué)院廣東省材料與加工研究所，廣東廣州，510650；2.國(guó)家鈦及稀有金屬粉末冶金工程技術(shù)研究中心，廣東廣州，510650；3.中南大學(xué)粉末冶金研究院，湖南長(zhǎng)沙，410083；4.廣東省科學(xué)院廣東省工業(yè)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化推廣中心，廣東廣州，510650)

銅錫粉主要用于含油軸承、金剛石工具等行業(yè)，其中CuSn10粉末因具有較好的壓制和燒結(jié)性能，成為生產(chǎn)含油軸承的基礎(chǔ)原料[1-2]。隨著錫含量升高，合金中開(kāi)始出現(xiàn)δ等硬脆相，使其硬度、耐磨性等性能顯著提高，更高錫含量的CuSn15和CuSn20等粉末被廣泛用做金剛石工具的胎體材料[3-5]。常用的銅錫粉主要有銅粉與錫粉的混合粉、銅錫霧化合金粉和銅錫擴(kuò)散合金粉3種。其中，混合粉成分不均勻，燒結(jié)尺寸收縮不穩(wěn)定；霧化合金粉呈球形或近球形，常規(guī)壓制時(shí)成形性差，生坯強(qiáng)度低；擴(kuò)散合金粉繼承了原料銅粉的不規(guī)則形狀，具有較好的成形性和優(yōu)良的燒結(jié)性能，容易實(shí)現(xiàn)高密度和高強(qiáng)度[6-7]。銅錫擴(kuò)散合金粉逐漸成為含油軸承和金剛石工具等行業(yè)的主要原料，已有較多研究采用擴(kuò)散法制備了CuSn10合金粉末[2,8-10]。就增強(qiáng)效果而言，銅錫合金主要通過(guò)錫的固溶強(qiáng)化和/或硬脆相的沉淀強(qiáng)化提高基體強(qiáng)度，固溶強(qiáng)化效果有限，而硬脆相在高溫下會(huì)發(fā)生粗化和溶解，導(dǎo)致在高溫下性能變差[11-13]。相比之下，穩(wěn)定彌散的第二相粒子能夠強(qiáng)烈阻礙位錯(cuò)、晶界和亞晶界的運(yùn)動(dòng)，因此，彌散強(qiáng)化不僅具有強(qiáng)化基體的作用，而且能夠使基體具有良好的高溫強(qiáng)度與硬度，是一種更有效的基體強(qiáng)化途徑。Al2O3具有熔點(diǎn)高、高溫下熱穩(wěn)定性好和彈性模量高等特性，是常用的彌散強(qiáng)化相，尤其在強(qiáng)化銅合金時(shí)取得了顯著效果[14-16]。以?xún)?nèi)氧化法制備的Al2O3彌散強(qiáng)化銅合金(簡(jiǎn)稱(chēng)“彌散銅”)粉末為原料，通過(guò)高速壓制、熱擠壓或熱壓等多種方法制備的彌散銅合金，不僅具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能、高的強(qiáng)度和硬度，而且具有優(yōu)異的高溫抗軟化性能[17]。與錫的固溶強(qiáng)化和δ等硬脆相的沉淀強(qiáng)化相比，預(yù)期Al2O3彌散強(qiáng)化能取得更優(yōu)異的強(qiáng)化效果，因此，本文作者對(duì)Al2O3彌散強(qiáng)化銅-錫合金粉末進(jìn)行研究，以彌散銅粉和錫粉為原料，通過(guò)擴(kuò)散處理制備彌散銅-錫合金粉末，對(duì)合金粉末的組織結(jié)構(gòu)、微觀形貌、粉末特性和成形特性等性能進(jìn)行全面表征，期望通過(guò)彌散強(qiáng)化進(jìn)一步提升CuSn基合金粉末的性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

所用的原料粉末包括內(nèi)氧化法制備的粒徑小于150 μm的彌散銅粉末(Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%)和平均粒徑為10 μm的霧化錫粉，其中彌散銅粉末的制備過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[18]。將彌散銅與錫粉按質(zhì)量比為9:1混合均勻，分別在600，700和800℃真空擴(kuò)散處理1 h，然后機(jī)械粉碎、過(guò)孔徑0.15 mm篩，最后低溫還原，制備錫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的彌散銅-錫合金粉末。在機(jī)械壓機(jī)上將合金粉末連續(xù)自動(dòng)壓制成外徑×內(nèi)徑×高為9.16 mm×6.08 mm×10.00 mm的軸承壓坯，考察粉末的成形特性。

1.2 樣品表征

采用X線衍射(XRD)分析合金粉末的物相組成，采用金相顯微鏡(OM)觀察微觀組織，采用JXA-8100型電子探針(EPMA)觀察微觀形貌，同時(shí)結(jié)合能譜(EDS)進(jìn)行成分分析，借助Zwick顯微硬度計(jì)測(cè)試顯微硬度，根據(jù)GB/T 1479.1—2011采用漏斗法測(cè)定粉末的松裝密度，根據(jù)GB/T 1482—2010采用標(biāo)準(zhǔn)漏斗法(霍爾流速計(jì))測(cè)定粉末的流動(dòng)性，根據(jù)GB/T 19077—2016采用激光衍射法進(jìn)行粒度分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 擴(kuò)散溫度對(duì)粉末物相組成的影響

采用內(nèi)氧化法制備彌散銅合金時(shí)，在合適的內(nèi)氧化條件下，Al可以完全從銅基體中發(fā)生脫溶，生成彌散分布的納米Al2O3粒子，此時(shí)，彌散銅合金的XRD圖譜與純Cu的相同。圖1所示為彌散銅-錫混合粉末及其經(jīng)不同擴(kuò)散溫度處理后的XRD圖譜。在混合粉末中(圖1(a))，出現(xiàn)了Cu和Sn的衍射峰，其中Cu(111)面衍射峰的位置為2θ=43.240°，與純Cu(111)面衍射峰的位置2θ=43.297°接近，表明原料粉末的內(nèi)氧化過(guò)程完成得比較徹底，固溶于CuAl合金中的Al充分脫溶，轉(zhuǎn)變生成為Al2O3。由于彌散銅粉末中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(1.0%)，粒徑較小(約10 nm)，圖1(a)中未能探測(cè)到Al2O3的衍射峰[19-21]。經(jīng)600℃擴(kuò)散合金化處理后，生成了Cu13.7Sn相，其(111)面衍射峰位置為2θ=42.70°，同時(shí)，Sn的衍射峰消失(圖1(b))。當(dāng)擴(kuò)散溫度提升至700℃時(shí)，Cu13.7Sn(111)面衍射峰繼續(xù)向小角度偏移，位置為2θ=42.54°(圖1(c))。繼續(xù)提升擴(kuò)散溫度至800℃，Cu13.7Sn(111)面衍射峰位置依然為2θ=42.54°(圖1(d))。由于Sn的原子半徑(0.158 nm)大于Cu的原子半徑(0.128 nm)[3]，Sn的固溶使Cu基體晶格發(fā)生膨脹，點(diǎn)陣常數(shù)變大，故衍射峰向小角度發(fā)生偏移，意味著Sn發(fā)生了進(jìn)一步的固溶。與700℃擴(kuò)散處理合金相比，800℃擴(kuò)散處理后衍射峰位置沒(méi)有變化，表明當(dāng)擴(kuò)散合金化溫度達(dá)到700℃時(shí)，就可以使Sn在銅基體中充分固溶。

圖1 不同擴(kuò)散溫度處理后粉末的XRD圖譜Fig.1 XRD Patterns of powders treated at different diffusion temperatures

經(jīng)600℃擴(kuò)散處理后，彌散銅-錫合金粉末中存在較多的富錫區(qū)，表明在600℃保溫1 h未能使錫擴(kuò)散均勻。當(dāng)擴(kuò)散溫度提高至700℃時(shí)，富錫區(qū)消失，粉末成分均勻(圖2(b))。經(jīng)800℃擴(kuò)散處理后的粉末金相組織(圖2(c))與700℃的相似，表明經(jīng)700℃和800℃擴(kuò)散處理后，錫均勻擴(kuò)散至銅基體中。該金相結(jié)果與XRD結(jié)果一致。

為了進(jìn)一步確定錫的擴(kuò)散均勻性，采用能譜(EDS)對(duì)粉末顆粒進(jìn)行成分分析，其中600℃選取顏色均一的粉末顆粒進(jìn)行分析。表1所示為粉末顆粒表層、內(nèi)層和芯部的EDS分析結(jié)果。經(jīng)600℃擴(kuò)散處理后，粉末顆粒不同部位的錫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.17%～5.46%，與錫的設(shè)計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%差距較大，這是由于存在尚未擴(kuò)散的富錫區(qū)所致。經(jīng)700℃擴(kuò)散處理后，粉末顆粒不同部位的錫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.90%～9.99%。進(jìn)一步提升擴(kuò)散溫度至800℃，粉末顆粒不同部位的錫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.58%～11.28%。經(jīng)700℃及800℃擴(kuò)散處理后的錫質(zhì)量分?jǐn)?shù)均接近設(shè)計(jì)值，進(jìn)一步證明錫在銅基體中已擴(kuò)散均勻，即經(jīng)700℃和800℃擴(kuò)散處理后，得到了錫分布均勻的彌散銅-錫合金粉末。

圖2 不同擴(kuò)散溫度處理后粉末的OM照片F(xiàn)ig.2 OM images of powders treated at different diffusion temperatures

2.2 彌散銅-錫合金粉末的顯微形貌

圖3所示為彌散銅-錫混合粉末及其經(jīng)不同溫度擴(kuò)散處理后的微觀形貌?？梢?jiàn)：在混合粉末中，表面光滑的球形和橢球形顆粒為霧化錫粉，形狀不規(guī)則、表面粗糙的顆粒為彌散銅粉(圖3(a))。經(jīng)不同溫度擴(kuò)散處理后，球形和橢球形的錫顆粒消失，生成的彌散銅-錫合金粉末的形貌與彌散銅粉末相似，即與彌散銅粉末相比，彌散銅-錫合金粉末的形貌具有明顯的“遺傳性”，粉末整體呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，局部呈近球形。這種粉末形貌有助于獲得良好的流動(dòng)性和成形性。

2.3 彌散銅-錫合金粉末的基本物理性能

從表2可以看出：不同溫度擴(kuò)散處理后，彌散銅-錫合金粉末的松裝密度和流動(dòng)性變化不大，分別為 2.66～2.74 g/cm3和 34.6～35.8 s/(50 g)。該粉末的松裝密度較低，流動(dòng)性較好，達(dá)到了自動(dòng)模壓成形的使用要求(松裝密度≤3.0 g/cm3，流動(dòng)性≤40 s/(50 g))。

隨擴(kuò)散溫度的升高，彌散銅-錫合金粉末的顯微硬度略有升高，600，700和800℃擴(kuò)散處理后的顯微硬度(HV0.05)分別為132.0，140.2和149.5，經(jīng)不同溫度擴(kuò)散處理后的硬度提升幅度依次為6.2%和6.6%。由于Al2O3在擴(kuò)散溫度范圍內(nèi)均能保持良好的尺寸穩(wěn)定性，因此，顯微硬度的變化主要與錫的固溶程度有關(guān)。由EDS結(jié)果可知，隨擴(kuò)散溫度的升高，錫的擴(kuò)散均勻化程度會(huì)進(jìn)一步提升，因此，合金粉末的顯微硬度有所提升。與純銅和霧化CuSn10粉末的顯微硬度(二者硬度分別為77和94)相比，彌散銅-錫合金粉的顯微硬度更高。這表明與固溶強(qiáng)化相比，彌散強(qiáng)化效果更加明顯，這有助于提高制品的強(qiáng)度和硬度。

圖3 不同擴(kuò)散溫度處理后粉末的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of powders treated at different diffusion temperatures

表2 彌散銅-錫合金粉末的基本物理性能Table2 Basic physical properties of ODS copper-tin alloy powders

彌散銅-錫合金粉末的激光粒度分布曲線如圖4所示。由圖4可以看出：3種彌散銅-錫合金粉末的粉末粒度均呈正態(tài)分布，粉末粒度分布范圍較寬，其粒度分布見(jiàn)表2所示。經(jīng)600，700和800℃擴(kuò)散處理后，3種粉末的中位粒徑D50依次為45.0，38.8和45.6 μm。相比之下，經(jīng)700℃擴(kuò)散處理后粉末粒度較細(xì)，這與SEM結(jié)果一致。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以考慮對(duì)700℃和800℃擴(kuò)散處理后的粉末進(jìn)行篩分、合批處理，從而獲得松裝密度、流動(dòng)性和壓縮性可控且穩(wěn)定的彌散銅-錫合金粉末。鑒于700℃擴(kuò)散處理后的彌散銅-錫合金粉以細(xì)粉為主，且含有一定量的粗粉，這種粉末通常具有比較好的壓縮性，因此，直接使用700℃擴(kuò)散處理后的彌散銅-錫合金粉進(jìn)行成形性能評(píng)估。

圖4 彌散銅-錫合金粉末的激光粒度分布曲線Fig.4 Laser particle size distribution curve of ODS copper-tin alloy powders

2.4 彌散銅-錫合金粉末的成形特性

在700℃擴(kuò)散處理制備的彌散銅-錫合金粉末中添加0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的硬脂酸鋅作為成形劑，采用6T的粉末冶金機(jī)械壓機(jī)連續(xù)自動(dòng)壓制成密度分別為6.10，6.30和7.00 g/cm3的3種軸承生坯，考察粉末的成形特性。

實(shí)際壓制過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整壓制壓強(qiáng)，使壓坯密度分別控制在 6.05～6.15，6.25～6.35 和 6.95～7.05 g/cm3范圍內(nèi)，其對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)如表3所示。每種密度自動(dòng)、連續(xù)壓制100個(gè)軸承生坯。這些軸承樣品均形狀完好，表面光滑，邊緣未見(jiàn)裂紋與破損(圖5)。經(jīng)過(guò)全檢，生坯高度方向的偏差不超過(guò)±0.04 mm，一致性良好。這表明該彌散銅-錫合金粉末成形性能穩(wěn)定，適合批量生產(chǎn)。

表3 彌散銅-錫合金粉末的壓縮性Table3 Compression features of ODS copper-tin alloy powder

圖5 彌散銅-錫軸承生坯的宏觀照片(密度6.30 g/cm3)Fig.5 Macroscopic image of ODS copper-tin compacts with 6.30 g/cm3density

3 結(jié)論

1)以彌散銅粉和錫粉為原料，經(jīng)700℃和800℃擴(kuò)散處理可以制備成分均勻的彌散銅-錫合金粉末，粉末整體呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，局部呈近球形。

2)擴(kuò)散法制備的彌散銅-錫合金粉末具有松裝密度低、流動(dòng)性好、顯微硬度高、粒度細(xì)小等綜合粉末特性。經(jīng)700℃擴(kuò)散處理制備合金粉末的松裝密度、流動(dòng)性、顯微硬度(HV0.05)和中位粒徑分別為2.74 g/cm3，35.1 s/(50 g)，140.2和38.8 μm。

3)擴(kuò)散法制備的彌散銅-錫合金粉末具有良好的壓縮性，連續(xù)壓制時(shí)尺寸穩(wěn)定性好，適用于規(guī)?；a(chǎn)。