過(guò)去l0多年,全球粉末燒結(jié)制品大部分用于汽車(chē)、摩托車(chē)運(yùn)輸工業(yè),一直占粉末冶金工件的70%左右。目前,每部歐洲汽車(chē)中有7~9kg的粉末燒結(jié)件,而每部美國(guó)汽車(chē)中粉末燒結(jié)件重達(dá)16kg,相對(duì)于1991年的lOkg增幅超過(guò)50%。各大汽車(chē)制造商預(yù)言,未來(lái)10年每部汽車(chē)中20o5年第5 M C 琢代零部件將有重達(dá)25~30kg的粉末燒結(jié)件,美國(guó)汽車(chē)中或許更高。
為何粉末燒結(jié)材料會(huì)在汽車(chē)制造業(yè)上廣泛被應(yīng)用?除了眾所周知的節(jié)材、省能、低價(jià)地大批量生產(chǎn)、形狀復(fù)雜及具有最終精度零件的特點(diǎn)之外,粉末燒結(jié)零件還具有密度可調(diào)使重量減輕、孔隙的阻尼作用使振動(dòng)和噪聲降低、材質(zhì)等可變更、實(shí)現(xiàn)耐熱和耐磨性、模具化的批量生產(chǎn)、達(dá)到性能和尺寸的一致性、特殊工藝的原因,這些使得高難度零件的生產(chǎn)成為可能。
粉末燒結(jié)件在汽車(chē)中的應(yīng)用,常見(jiàn)的有帶輪、鏈輪、齒轂、凸輪、連桿、閥座等。根據(jù)零件在主機(jī)中部件和作用的不同,對(duì)零件的性能要求也有不同,必須選擇合適的材料和制造工藝以滿(mǎn)足其要求,下面簡(jiǎn)要介紹幾種類(lèi)型零件及其技術(shù)要求。
1.中低強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件
典型零件有發(fā)動(dòng)機(jī)上正時(shí)凸輪軸帶輪、曲軸帶輪、水泵帶輪、曲軸正時(shí)齒輪、凸輪軸正時(shí)齒輪等,這種類(lèi)型零件通常為Fe—C—Cu材料,密度在6.4~6.8g/cm 之間。上述零件往往形狀較復(fù)雜,精度要求較高,所用原材料通常采用還原鐵粉,合金元素通過(guò)機(jī)械混合形式加入。
(1)曲軸正時(shí)齒輪和凸輪軸正時(shí)齒輪 過(guò)去汽車(chē)上的曲軸正時(shí)齒輪和凸輪軸正時(shí)齒輪大多采用中碳鋼(45鋼)或中碳合金鋼(40Cr鋼)調(diào)質(zhì)后使用,也有些調(diào)質(zhì)處理后再經(jīng)軟氮化處理。為了減少切削加工和降低成本,許多新型發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸正時(shí)齒輪和凸輪軸正時(shí)齒輪均改用粉末燒結(jié)制品,如某轎車(chē)曲軸正時(shí)齒輪化學(xué)成分為:C: 0.4%~1.0%,Cu: 1.0% ~5.0%,其他元素低于3%,其余為鐵。密度為6.4~6.8g/cm ,硬度>59HRB,a ≥400MPa,0 ≥280MPa。
正時(shí)齒輪生產(chǎn)難點(diǎn)在于齒輪的尺寸精度,即模具的設(shè)計(jì)與制造,一般要控制齒輪的一周擺差、單齒的齒向擺差和齒形誤差等。國(guó)外設(shè)計(jì)圖樣上常標(biāo)有精密電火花加工時(shí)計(jì)算機(jī)的輸入數(shù)據(jù),將這些數(shù)據(jù)輸入到精密電火花加工設(shè)備上,能夠較精確地將模具加工出來(lái),最后再經(jīng)研磨來(lái)降低表面粗糙度值,以提高齒輪的品質(zhì)。
(2)減振品零件 筒式減振品中有活塞、壓縮閥座和連桿導(dǎo)向座等零件,形狀比較復(fù)雜,小孔加工較多,尺寸精度較高,對(duì)耐磨性要求也較高,這些要求比較適合采用粉末燒結(jié)方法制造。
東風(fēng)汽車(chē)公司從20世紀(jì)70年代開(kāi)始,連桿導(dǎo)向座和活塞正式采用Fe—C—Cu鐵基粉末燒結(jié)材料制造(壓縮閥座未采用)。但由于形狀復(fù)雜,尺寸精度要求高并有許多小孔,所以模具設(shè)計(jì)和制造有一定的難度。
2. 中高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件
典型零件有發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱傳動(dòng)、齒輪、鏈輪等。這類(lèi)零件一般要求能夠承受較高負(fù)荷,具有較好的耐磨性,成分通常為Fe—c—Cu—Ni,或Fe—C—Cu—Ni—Mo等,密度在6.8~7.4g/cm 之間,有些零件則需要進(jìn)行熱處理,以達(dá)到其性能要求。
(1)同步器錐環(huán) 同步器錐環(huán)是變速箱齒輪中的一個(gè)重要零件,錐環(huán)尺寸精度和沖擊磨損性能均要求較高。過(guò)去同步器錐環(huán)大多用鋁錳黃銅精鍛而成。近10多年來(lái),國(guó)內(nèi)、外許多汽車(chē)廠(chǎng)為了進(jìn)一步降低成本和提高使用壽命,許多新設(shè)計(jì)的變速箱同步器錐環(huán)由鋁錳黃銅精鍛改為用粉末燒結(jié)制造。
目前國(guó)內(nèi)許多粉末燒結(jié)廠(chǎng)正在組織攻關(guān),有些廠(chǎng)已經(jīng)試制成功。例如,某廠(chǎng)轎車(chē)同步器錐環(huán)要用粉末燒結(jié)制造,其化學(xué)成分為:C: 0.6%~1.0%,Ni:3.0% ~6.0% , Cu: 0.5% ~2.0% ,Mo:0.2%~0.6%,其他元素≤1.5%,其余為鐵,密度≥7.2g/cm ;燒結(jié)態(tài)的力學(xué)性能為:0 ≥560MPa,0 ≥385MPa,伸長(zhǎng)率不低于2.5%,沖擊功高于19J,硬度大于90HRB。該零件需經(jīng)過(guò)局部表面感應(yīng)淬火,有效硬化層深度為1.8~2mm,齒根硬度≥74HRA,金相組織硬化區(qū)為馬氏體,非硬化區(qū)為貝氏體+珠光體,允許有少量的鐵素體。也有些廠(chǎng)家對(duì)同步器錐環(huán)燒結(jié)后經(jīng)淬火、回火或碳氮共滲處理。
(2)機(jī)油泵主,從動(dòng)齒輪 該對(duì)齒輪一個(gè)為內(nèi)齒,一個(gè)為外齒, 目前我國(guó)已大量采用鐵基粉末燒結(jié)材料制造。如某轎車(chē)機(jī)油泵主動(dòng)齒輪化學(xué)成分為:C: 0.39%,Mo: 54%, Ni:3.65%,Cu:1.6%,其余為鐵,密度>7.1g/cm ,硬度207~220HBS,金相組織為貝氏體+珠光體+孔隙。
3.高性能粉末燒結(jié)件
(1)粉末鍛造連桿汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大多為鍛鋼連桿和鑄造連桿兩種。鍛鋼連桿有調(diào)質(zhì)鋼和非調(diào)質(zhì)鋼,如躍進(jìn)汽車(chē)集團(tuán)生產(chǎn)的IVECO柴油機(jī)采用42CrMo調(diào)質(zhì)鋼;桑塔納和夏利轎車(chē)采用非調(diào)質(zhì)鋼。鑄造連桿有球墨鑄鐵連桿和可鍛鑄鐵連桿,如一汽488發(fā)動(dòng)機(jī)連桿采用球墨鑄鐵,北京切諾基轎車(chē)連桿采用可鍛鑄鐵。
連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)上的重要零件,連桿承受大壓小拉的壓一拉疲勞負(fù)荷,許多引進(jìn)車(chē)型圖樣上都規(guī)定有連桿的疲勞試驗(yàn)負(fù)荷,并要求在該負(fù)荷下的疲勞周次達(dá)到500萬(wàn)次以上。鑄造連桿疲勞周次要達(dá)~15oo萬(wàn)次以上是很困難的,細(xì)小的缺陷對(duì)連桿的疲勞壽命影響較大。
最近引進(jìn)美國(guó)通用汽車(chē)公司的別克轎車(chē),其連桿采用粉末鍛造法生產(chǎn)以達(dá)到全致密狀態(tài),產(chǎn)品密度≥7.8g/cm 。粉末鍛造對(duì)粉末的清潔度有相當(dāng)高的要求,非全屬夾雜物是致密鍛件的裂紋源,會(huì)導(dǎo)致零件在工作中失效。德國(guó)寶馬公司BMW發(fā)動(dòng)機(jī)連桿也采用粉末鍛造,由GNK sintermetals公司制造,材料為werhodit 70或werhodit Fe—Cu—C,密度7.65g/cm ,抗拉強(qiáng)度1041MPa。粉末鍛造連桿發(fā)展前景今后十分看好。
(2)粉末燒結(jié)凸輪軸 近幾年來(lái),美國(guó)和日本汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)了復(fù)合凸輪軸,如美國(guó)RoverMG~F汽車(chē)的可變閥控制(VVC)發(fā)動(dòng)機(jī),凸輪軸由冷拉鋼管制成,鋼管上的凸輪用Astaloy E鋼粉(C:2.5%,Cr: 5%, Mo:1%,Cu: 2%,P: 5% 及Si:1%)燒結(jié)而成,驅(qū)動(dòng)輪的燒結(jié)元件用Fe— Cu—C燒結(jié)而成。然后再釬焊在鋼管上。這樣的復(fù)合凸輪軸在重量上節(jié)材40%左右,不僅加工大大簡(jiǎn)化,也降低成本并使發(fā)動(dòng)機(jī)功率得到提高。
鐵基粉末燒結(jié)材料在汽車(chē)、摩托車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)中發(fā)展勢(shì)頭迅猛,它可以加工形狀復(fù)雜的高性能結(jié)構(gòu)部件,但是鐵基粉末燒結(jié)材料孔隙的存在和組織不均勻性也制約了它的強(qiáng)度指標(biāo),將影響其應(yīng)用勢(shì)頭減慢。把化學(xué)表面改性熱處理或激光淬火處理應(yīng)用于高性能鐵基粉末燒結(jié)材料中,可以顯著提高其硬度,這是擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域的最為經(jīng)濟(jì)有效的途徑。
隨著汽車(chē)、摩托車(chē)整車(chē)的生產(chǎn)發(fā)展,零部件工業(yè)的發(fā)展也必然加快,因此,“十五”規(guī)劃期間是鐵基粉末燒結(jié)材料發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)間。我國(guó)粉末燒結(jié)零件的主要優(yōu)勢(shì)在于其生產(chǎn)成本低廉,但在生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)品質(zhì)量及研究與開(kāi)發(fā)方面仍需大力加強(qiáng)與提高。
一種好材料并不都能在短時(shí)間內(nèi)被大家接受, 它需要有一個(gè)了解、認(rèn)識(shí)和接受的過(guò)程。如何使機(jī)械行業(yè)的經(jīng)理、廠(chǎng)長(zhǎng)、設(shè)計(jì)工程師、生產(chǎn)技術(shù)等方面的人員了解、熟悉并敢于采用粉末燒結(jié)材料還是一個(gè)問(wèn)題。筆者在調(diào)研中經(jīng)常發(fā)現(xiàn),一些機(jī)械工程公司設(shè)計(jì)人員對(duì)粉末燒結(jié)材料毫無(wú)了解。通過(guò)講解粉末燒結(jié)材料的性能、特點(diǎn),有針對(duì)性地介紹粉末燒結(jié)材料的成功應(yīng)用實(shí)例,多次交流,相互討論研究,提供有關(guān)粉末燒結(jié)材料的信息,最終打開(kāi)局面,成功的開(kāi)發(fā)粉末燒結(jié)材料。其他大量生產(chǎn)粉末燒結(jié)材料的工廠(chǎng)也有同樣的體會(huì),當(dāng)用戶(hù)得到效益時(shí),粉末燒結(jié)材料的產(chǎn)量和品種就會(huì)相應(yīng)增加。
另外國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)大量應(yīng)用鐵基粉末燒結(jié)材料證明這些國(guó)家的汽車(chē)、摩托車(chē)機(jī)械設(shè)備、軍工等產(chǎn)品性能更優(yōu)越,或者說(shuō)明其產(chǎn)品成本降低、利潤(rùn)增加,因而其產(chǎn)品在國(guó)際上更具競(jìng)爭(zhēng)力。中國(guó)應(yīng)注意加快鐵基粉末燒結(jié)材料的發(fā)展以促進(jìn)制造業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展,爭(zhēng)取通過(guò)5~l0年時(shí)間研制、開(kāi)發(fā)并投入大批量生產(chǎn),使高技術(shù)含量的粉末燒結(jié)材料能在我國(guó)機(jī)械行業(yè)發(fā)展中占有一席之地(本信息僅供參考,請(qǐng)謹(jǐn)慎采用,風(fēng)險(xiǎn)自負(fù)