一种具有致密化表面的铜基粉末冶金零件的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有致密化表面的铜基粉末冶金零件的制备方法。
【背景技术】
[0002]粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方，均属于粉末烧结技术，因此，一系列粉末冶金新技术也可用于陶瓷材料的制备。由于粉末冶金技术的优点，它已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料的发展中起着举足轻重的作用。粉末冶金零件以其节省原材料、节能、省工、成本低等优势在汽车、家电等方面获得广泛应用，特别适合于大批量的生产。
[0003]铜基粉末冶金自润滑轴承，是铜基粉末冶金零件的主要组成部分，但铜基粉末冶金零件在其它领域应用有限。这是由于铜基粉末冶金零件内有空隙存在，使得铜基粉末冶金材料的密度、强度等性能都低于相应的铸锻材料，这大大阻碍了铜基粉末冶金零件的应用。
[0004]采用成形-预烧结-复压-二次烧结的复压复烧工艺可以提高粉末冶金零件的密度，其中，预烧结有两个作用。一方面，对成形时已经加工硬化的粉末进行退火，降低铜粉颗粒的屈服强度，利于二次压制时提高密度；另一方面，脱出产品中的润滑剂，润滑剂会在产品中占据较大的空间，由于润滑剂的密度较低，成形时这些润滑剂难以压缩，导致粉末冶金零件密度的提高受到限制。经过预烧结后95%以上的润滑剂都能够脱出，这样复压时润滑剂占据的位置就可以被压缩，有利于提高粉末冶金零件的密度。但是采用复压复烧工艺，零件的制造流程长、制造成本高，粉末冶金工艺的优势得不到充分的发挥。
[0005]因此，需要开发新的工艺，解决铜基粉末冶金产品的密度和强度问题。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种密度大、强度高的具有致密化表面的铜基粉末冶金零件的制备方法，该方法工艺步骤简单、制备成本低、效率高且对模具损耗小。
[0007]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种具有致密化表面的铜基粉末冶金零件的制备方法，其特征在于包括以下步骤:
[0008](I)设计材料组成:按重量百分比计，所使用材料包含O?1.0%碳、O?15%锡、O?25%镍、O?30%锌、O?6%铋，不超过2%的不可避免杂质以及余量的铜；
[0009](2)混料:按照步骤(I)的材料组成，将各组分进行混合得到混合粉，并向该混合粉中加入占混料总质量0.1?I %的润滑剂；
[0010](3)压制:将步骤(2)所得混料在大于300MPa的压力下，压制成密度为6.0?7.4g/cm3的零件生还；
[0011](4)烧结:将步骤(3)所得零件生坯在非氧化性气氛中进行烧结，烧结温度为700 °C~ 1090 °C，烧结时间为 5 ?180min ；
[0012](5)挤压:该步骤中使用的挤压阴模具有上下贯通的挤压腔，且该挤压腔的内表面至少成型有自上而下依次衔接的第一导向段、第一挤压段及第一定径段；该步骤中使用的挤压芯棒的外表面成型有自上而下依次衔接的第三导向段、第三挤压段及第二定径段；
[0013]采用挤压阴模对零件的外表面进行挤压，挤压时，先调整挤压模具至初始状态，使下冲模具的端面高于挤压阴模第一导向段最低面0.05?0.2mm，将零件放入挤压阴模的第一导向段，使上冲模具下压、下冲模具保持静止，零件在上冲模具的推动下向下挤压0.1?0.5mm，调整上冲模具与下冲模具位置对零件夹紧并保压且保持相对静止，挤压阴模向上运动对零件进行挤压致密，零件通过挤压阴模第一挤压段完全进入定径段后，下拉或继续上移挤压阴模，移动相应的上冲模具或下冲模具，取出零件，完成挤压致密化，挤压量为 0.01 ?2mm ;
[0014]采用挤压芯棒对零件的内表面进行挤压，挤压时，先调整挤压模具至初始状态，使下冲模具的端面高于挤压阴模第一导向段最低面0.05?0.2mm，将零件放入挤压阴模的第一导向段，使上冲模具下压、下冲模具保持静止，零件在上冲模具的推动下向下挤压0.1?0.5mm，调整上冲模具与下冲模具位置对零件夹紧并保压且保持相对静止，挤压芯棒向上运动对零件进行挤压致密，零件通过挤压芯棒的第三挤压段完全进入第二定径段后，下拉挤压芯棒，使上冲模具向上运动，取出零件，完成挤压致密化，挤压量为0.01?2mm。
[0015]作为改进，所述第一导向段的内径大于第一定径段的内径，且所述第一导向段的侧边与第一挤压段的侧边之间所成锐角为α，且0.5° ^ α 15°。当α角度越小时，产品所受到径向的力较大，而当α角度越大时，产品所受到轴向的力越大，此时会增大产品与模具之间的摩擦，不仅不利于产品成型，也易导致模具损伤，降低模具的使用寿命，采用上述设计，使α角保持在合理的范围内，一方面便于产品移动，另一方面能有效降低产品与模具之间的摩擦。
[0016]进一步改进，所述第一定径段的高度为h，0.5mm Oi < 1mm0采用这样的设计，一方面便于产品成型，另一方面，能避免产品与模具之间过度摩擦。
[0017]再改进，所述挤压阴模的挤压腔的内表面还成型有自上而下依次衔接于第一定径段下端的第二挤压段、第二导向段，所述第二导向段的内径大于第一定径段的内径，且所述第二导向段的侧边与第二挤压段的侧边之间所成锐角为β，3° < β ^ 20°。采用上述结构，当零件通过挤压阴模第一挤压段完全进入定径段后，继续上移挤压阴模，直至零件完全进入第二导向段后，使上冲模具下压、下冲模具保持静止，零件在上冲模具的推动下向下挤压0.1?0.5mm，调整上冲模具与下冲模具位置对零件夹紧并保压且保持相对静止，挤压阴模向下运动对零件进行第二次挤压致密，零件通过挤压阴模第二挤压段完全进入定径段后，下拉或继续上移挤压阴模，移动相应的上冲模具或下冲模具，取出零件，即可完成二次挤压致密；上述β角越小越不利于出模，甚至导致产品卡在模具中无法取出，而β角过于大则容易导致模具开裂，采用上述设计，将β角保持在合理的范围内，一方面利于产品出模，另一发面，确保模具具有较好的牢固度及较长的使用寿命。
[0018]作为改进，所述第三导向段的外径小于第二定径段的外径，且所述第二定径段的侧边与第三挤压段的侧边之间所成锐角为δ，0.5° < δ <15°。当δ角度越小时，产品所受到径向的力越大，而当S角度越大时，产品所受到轴向的力越大，此时会增大产品与模具之间的摩擦，不仅不利于产品成型，也易导致模具损伤，降低模具的使用寿命，采用上述设计，使S角保持在合理的范围内，一方面便于产品移动，另一方面能有效降低产品与模具之间的摩擦。
[0019]进一步改进，所述挤压芯棒的第二定径段的高度为L2，0.5mm ^ L2 ^ 10mm。采用这样的设计，一方面便于产品成型，另一方面，能避免产品与芯棒之间过度摩擦。
[0020]作为优选，在步骤⑷完成后，步骤(5)开始前，在非氧化性气氛中对烧结后的零件进行退火处理，退火工艺为与同成分的铜合金相同。
[0021]优选地，步骤(5)中对零件进行挤压前先将零件预热至温度高于室温而低于900°C，以降低挤压压力，减少对模具的磨损。
[0022]在上述各方案中，步骤(5)中上冲模具或下冲模具对零件夹紧并保压的压力不小于挤压力在模具运动方向上的分力。
[0023]优选地，所述的铜以铜粉、Cu-Sn合金、Cu-Ni合金、Cu-Zn合金、Cu-Bi合金中任意一种或多种的形式加入，或以铜的多元合金的形式加入；所述润滑剂及石墨采用粘接处理方式加入，以便于分散均匀。
[0024]优选地，所述的非氧化性气氛是指真空环境或含氢I?75vol%的氮氢气氛。
[0025]与现有技术相比，本发明的优点在于:
[0026]本发明为了使制备的铜基粉末冶金零件具有较好的致密化效果，专门设置了用于挤压零件外表面的挤压阴模和挤压零件内表面的挤压芯棒，并辅以能将零件进行夹紧的上冲模具及下冲模具，使用时，零件固定不动，移动相应的挤压模具完成挤压，这样的方式可以避免挤压完毕出模后零件易出现裂缝的缺陷；与现有技术中在烧结步骤后进行表面塑性致密化处理时所需要的能量相比，本发明可以以较小的挤压余量得到较大的变形深度，且显著降低了能量需求，从而降低了生产成本，提高了致密化程度；与传统的粉末冶金工艺相比，采用本发明特制的挤压模具大大减少了因零件表面材料流动而导致的零件高度增加问题，且可以减少毛刺飞边的产生，降低了后道加工的工作量