粉末冶金-副本.doc

粉末冶金温压工艺在汽车连杆制备中的应用 1.前言 齿轮传动是现代机械产品中应用最广的一种机械传动。这是因为它能保证恒定的传动比，具有传动功率范围大、效率高、寿命长等优点。不足之处是齿轮的生产成本高、制造与安装精度高。而用粉末冶金工艺制造的齿轮恰恰可大幅度地降低生产成本，保证齿轮的形位与尺寸公差的一致性。与用硬模铸造、灰铸铁件、锻轧材料、锻件等机械加工、；中压、挤压、精密铸造等制造的齿轮相比，粉末冶金齿轮有一系列的优点。但同时，由于各种制造因素上的考虑，粉末冶金齿轮的应用受到一些限制。当前，用粉末冶金法可经济制造的齿轮主要种类有：正齿轮(外齿轮与内齿轮)、直齿伞齿轮、螺旋伞齿轮、棘轮型齿轮、偏轴伞齿轮、斜齿轮(螺旋角小于35。)、齿轮组件、链轮。2 传统连杆制备技术传统铁基材料连杆制备工艺主要有铸造、模锻、粉末锻造和普通粉末冶金工艺等，表2为各种连杆制备工艺比较。目前，传统的铸造连杆和模锻连杆在市场上仍占主导地位，但随着发动机的轻量化、高性能、低成本的要求，粉末锻造和普通粉末冶金连杆制备工艺逐渐受到重视。其中，粉末锻造连杆由于具有优异的使用性能，自20世纪80年代以来，在美、日、德等发达国家得到了大规模生产应用)。到2003年，通用、本田、福特、丰田等汽车公司的新发动机都采用了粉末锻造连杆。然而，粉末锻造工艺比较昂贵，对于使用性能要求不高的发动机连杆（如用于转速小于7000r/min的2.0L以下的发动机），较经济的普通粉末冶金工艺则显示出了其优越性。在欧共体COST503计划中，瑞典、英国和德国等相关企业、院校合作承担了普通粉末冶金连杆制备、工艺化及其应用研究，结果显示，利用压制烧结精整热处理工艺制备的密度为7.07.1g/cm3左右的两种烧结连杆（成分分为Fe-1.5-Cu-0.5C和Distaloy AB-0.5C-0.5MnS,其中Distaloy AB成为Fe-1.75Ni-1.5Cu-0.5Mo）都已经达到了铸造连杆的疲劳强度水平，由Distaloy AB+0.5%C+0.5%MnS混合粉末制备的烧结连杆疲劳程度比Fe+1.5%Cu+0.5%C混合粉末制造的并没有太大的提高；发动机试车表面烧结连杆安全、可靠。连杆在造价与质量方面，就粉末锻造与常规粉末冶金工艺而言，两者造价相同，但后者比前者的质量约高32%,因此只要后者的质量能够之间减轻，其技术、经济效益将明显优于前者。温压技术的出现将为进一步减轻粉末冶金连杆质量、提高粉末冶金连杆性能提供新的契机。对此，福特汽车公司认为温压-烧结连杆将最终取代目前占主导地位的模锻、粉末锻造连杆。另外，随着材料密度的提高，在满足一定的使用性能同时，材料中弥散分布的微量孔隙还可有效降低发动机噪声。3 粉末冶金温压工艺及其在汽车连杆制备中的应用 3.1温压成形 温压技术是由Hoganas公司在20世纪90年代开发并获得工业应用的制造高强度铁基粉末冶金零部件的新型刚性模成形技术。该技术既保持了传统模压工艺的高生产率和尺寸精度高等基本特点，又以较低的成本提高了零部件的密度(720735g/cm3)。由于零部件密度提高，其综合力学性能大幅度改善，应用范围迅速扩大，为充分发挥粉末冶金的技术优势创造了条件。温压技术的致密化主要通过在温压温度下铁粉颗粒的加工硬化速率降低和程度减轻，以及铁粉颗粒塑性变形阻力减小来实现的。此外，在成形过程中的颗粒重新排列，也可以使密度提高。 目前已经制备出抗拉强度达1500MPa的烧结铁基零件。Ford汽车公司已将质量达12 kg的温压流体变速涡轮毂用在发动机上。温压工艺的关键在于以较低的成本制造出高性能的铁基粉末冶金零件，为汽车的零部件在性能与成本之间找到一个较佳的结合点。温压的优势在于：压坯密度和烧结密度高，压坯强度高，脱模压力低，弹性后效小。 宁波东睦(NBTM)公司制造的粉末温压齿轮，其材料为FD-0200。该齿轮温压后压坯密度达7.35g/cm3，1120烧结后密度高于7.3g/cm3，热处理后硬度超过HRA70。 温压技术与模壁润滑结合，可以进一步提高产品的密度。据报道，带有模壁润滑的温压零件，1195烧结并热处理后，密度最高达到7.5g/cm3，抗拉强度达到1600MPa，伸长率可达2.3，极大地促进了零件性能的改善。温压技术的主要工艺特点是，生坯密度比传统方法压制的大0.13-0.253，可达7.27.43。生坯强度比传统方法提高%，为2035，这不仅能降低生坯搬运过程中的损坏率而且能对生坯进行机加工，表面光洁度好。在相同的压制力下，屈服强度比传统工艺平均提高11，极限拉伸强度平均提高13.5，冲击韧性可提高33%。此外，温压工艺还有一个特点就是工艺简单，成本低廉。假如一次压制烧结的普通粉末冶金的成本为1.0，则粉末锻造的成本为2.0，复压复烧的成本为1.5，渗铜工艺的成本为1.4，而温压工艺的成本仅为1.25。温压技术能以较低的成本制造出高密度的粉末冶金零件，为粉末冶金零件在性能与成本之间找到了一个极佳的结合点。随着铁粉温度的升高, 其屈服强度将降低; 当铁粉温度超过130 150 后, 其温度对屈服强度的影响变得不明显. 因此, 如果将铁粉加热到某一温度以上成形, 在相同的压力条件下,温压成形比在室温条件下成形可以得到更高的成形密度和生坯强度。3.1.2 温压工艺发展现状在国外，温压工艺在汽车工业应用中取得了重大技术突破成功开发制备出了温压-烧结连杆，为此法国Federal Mogul烧结公司获得了欧洲粉末冶金协会（EPMA）2000年粉末冶金创新头等奖（The Premier Award for Innovation）。在国内，除了用温压工艺对非铁基粉末冶金材料（如塑性的Al、Cu以及W基高密度材料等）、不锈钢和金属基复合材料等进行探索研究外，主要还是集中在温压工艺的优化、模壁润滑温压技术及温压设备的开发研究。为了提高粉末在加热传输过程中的流动性和自动装粉时的填充性以及进一步提高温压密度，中南大学分别对低温温压工艺、温度低于100和模壁润滑温压工艺进行了较系统的研究。 3.2 粉末冶金温压工艺在汽车连杆制备中的应用3.2.1 研究现状及应用前景虽然常规粉末冶金烧结连杆能满足性能要求不高的发动机使用要求，但为了获得基本的使用性能，在其制备过程中还需对烧结样品进行必要的热处理工序（如淬火和回火等），这增加了样品的尺寸和精度不确定性以及后期的机加工工序；另外，由于其密度（仅为7.1g/cm3左右）不高，孔隙度高，其机加工性较差，因此这些原因促使常规粉末冶金烧结连杆未能获得批量生产和装车应用。进一步提高粉末压制连杆密度是其得到工业化应用的保证。温压技术的出现为制造高性能粉末压制连杆提供了新的契机，它不但可以有效提高粉末压制连杆密度，而且可以使烧结态连杆获得足够的使用性能，免去普通粉末冶金工艺后期的热处理工序。法国Federal Mogul烧结公司于1999年开始了利用温压工艺制造发动机连杆的研究。发动机试车结果表明，温压-烧结连杆的使用性能和模锻或粉末锻造连杆相同，并且有效降低了连杆制造成本，图7a为不同连杆制备工艺成本比较；另外，这种连杆质量比粉末锻造工艺的减轻了6.5%，其所用粉末为加拿大Quebec金属粉末公司的4401型低合金预合金钢粉，温压压力为1000N/mm2，结合密度达到7.4g/cm3，烧结温度为1130。在烧结状态下，抗拉强度为1050 N/mm2，屈服强度为560 N/mm2，抗压屈服点为750 N/mm2，对称循环抗拉疲劳强度为320 N/mm2（r=-1），其波动仅为10 N/mm2，说明烧结件表面质量对疲劳强度影响小。温压提高了密度，使压坯有足够的强度满足去毛刺、钻孔、攻丝等机加工要求以及有望直接对连杆压坯大头进行断开处理；连杆坯烧结之后仅需进行组装和一些精切削与磨削加工，最大限度地减少了连杆后期的机加工工序，图7b为不同连杆制备工艺机加工成本比较。随温压烧结连杆制备工艺的成功开发及其工艺优化（如寻求直接对连杆生坯大头进行裂痕断开处理、有限元优化设计连杆尺寸等），其性价比优势越发明显，将对目前占市场主导地位的铸造、模锻、粉末锻造连杆造成强有力的冲击，并有望逐步取代这些传统连杆制备技术。温压-烧结连杆2002年已投入批量生产，连杆质量350600g，可满足欧洲汽车制造厂商生产的各种发动机的需要。3.2.2 温压3烧结连杆技术经济性分析在国内，中南大学、华南理工大学和北京科技大学等在国家“863”项目的支持下，对温压粉末、温压工艺及其优化、温压产业化设备进行了较系统的研究、开发。目前，国内自主设计的温压专用粉末比Hoeganaes粉末具有更优异的压缩性能；论证了转炉回收铁粉作为低成本温压粉末的可行性；开发了低成本、高效率温压专用粉末动态加热系统；设计了适用于工业生产的模壁润滑用模具及其设备等。利用自主设计的温压粉末和粉末加热系统，采用普通温压工艺，中南大学在637 N/mm2压力条件下试制了带内台阶的高性能铁基粉末冶金齿轮，烧结密度达7.46g/cm3；而法国Federal Mogul 烧结公司在1000 N/mm2压力对应的烧结密度才达7.4 g/cm3，这表明国产温压粉末具有更优异的压缩性能，大大降低了对压机的容量要求。以上说明，国内温压技术及温压装备发展已经趋向成熟，具有了生产诸如温压-烧结连杆等密度高于7.4 g/cm3的高性能PM零件的技术能力,随着国内外汽车工业的迅猛发展$对降低汽车生产成本要求愈加强烈，如福特汽车公司要求零件供应商在2004年1月1日前价格下降3.5%。汽车零件的低成本化将大力推动低成本粉末冶金零件在汽车中的应用。美国著名的通用、戴姆勒、克莱斯勒、福特等3大汽车公司已准备在新型汽车用变速器和发动机中使用更多的粉末冶金制品，以取代更多的铸铁和机加工方法制造的零件，如通用汽车公司拟于2005年推出的新型6速前后轮自动变速器中将采用粉末冶金油泵、齿轮、离合器踏板以及行星齿轮托架等（预计到2008年，该公司仅汽车变速器中用粉末冶金零件年需求量将超过9070t）。4.总结 由于采用温压成形技术可得到较高的成形密度和生坯强度, 而生产成本仅提高20 %, 是粉末热锻生产成本的60% , 因此在汽车、摩托车及电动工具等领域会有广阔的发展前景。 我们可以期待, 随着温压成形技术的进一步发展, 今后可在一定的范围内取代粉末热锻来锻造汽车发动机的连杆以及汽车变速箱中的齿轮等, 在使用了温压成形技术后, 在制造工艺上也能显示出优点.电动工具的各种齿轮也能充分发挥温压成形技术的特点。参考文献：1 近江童司，等.轻型高强度连杆的开发J.国外内燃机,1993,(6):33-372 蔡贵堂,等.铸造连杆工艺J.汽车工艺与材料,1992