汽车用粉末冶金

粉末冶金

一、概述

粉末冶金是一种制造金属粉末和以金属粉末（包括混入非金属粉末者）为原料，用成形烧结方法制造材料与制品的技术。广义的来说，它也包括以氧化物、氮化物、碳化物等非金属化合物粉末为原料，用成形烧结法制造材料和制品的技术。它的制品通称为粉末冶金零件或烧结零件。

粉末冶金零件可分为两大类：一类是只能用粉末冶金法制造的，如含油轴承、摩擦零件、多孔性金属制品、硬质合金及难熔金属制品等；另一类是烧结零件，虽可用铸、锻、冲压、机械加工等工艺制造，但用粉末冶金制造比较经济。

目前，由于粉末冶金零件的高强度化、高精度化发展以及低成本化，所以粉末冶金结构零件在汽车上的使用量越来越多。如粉末冶金链轮、皮带轮、气门座以及自动变速箱中的齿穀和锥环等零件。

二、粉末冶金结构零件制造

粉末冶金结构零件制造工艺有虽然有多种不同的制造工艺。它们最主要的工序都有粉末混合、成形、烧结和后续处理这几道工序。

1.金属原料的制造

目前，在烧结结构零件原材料的生产中，大多采用机械混合法生产原材料。随着世界制粉和混粉技术的发展，现可以使用由制粉企业直接供应高品质的部分合金化，完全合金化的低合金钢粉和经扩散粘结后各组元无偏析的，“开包可用”预合金钢铁粉末。由于调整了添加的润滑剂和粉末粒度分布的标准偏差，能够进行混粉处理。用这些合金粉末制得烧结材料得物理-力学性能见下表。

表：预合金粉末物理性能举例

2.粉末冶金结构零件主要成形工艺分类：

1)传统粉末冶金工艺

传统粉末冶金工艺生产首先将配制的高纯度的混合粉或合金化粉装于模具中，在一定的压力下压制成形，脱模后将压坯放于可控气氛的烧结炉中，在低于基粉熔点的温度下进行烧结，以使粉末之间形成冶金结合。

粉末冶金材料组织中通常含一定量的可控的微小孔隙，这些微小孔隙对声与振动有阻尼作用。利用这些微小孔隙还可赋予粉末冶金制品特殊性能，诸如含浸油与固体润滑剂而具有和自润滑轴承一样的自润滑性能；可浸渍树脂而密封互相连通的微小孔隙；可熔渗熔点较低的金属或合金而增高零件的材料强度与冲击韧度；可通过水蒸气处理而增强材料的耐蚀性。通过调整粉末特性、粉末组成、压制工艺及烧结条件可将微小孔隙的数量与特性控制在一定范围之内。可控孔隙度的一种常见应用耐蚀多孔性金属过滤器。

2)温压

温压工艺是目前一种制造密度7.0～7.6g/cm3的铁基粉末冶金制品的工艺。它是使用传统的成形设备，只是需要将粉末和模具加热到120～150℃进行压制。由于产品的密度提高，故可以大大的提高产品的力学性能。为保证良好的粉末流

动性与粉末充填性，必须将整个系统的温度进行严格控制。例如过去有些采用粉末锻造生产的齿轮，改用温压工艺生产的成本降低了25％。对于温压工艺的关键技术是：1）预混合粉末；2）温压系统。

温压工艺的主要特点：

a.仅需一次压制和烧结，比复压复烧及渗铜等工艺的生产成本低，比粉末锻造的成本更低；

b.压制出的生坯强度高，可直接进行机加后再烧结，能降低成本；

c.压制压力和脱模压力比常规粉末冶金成本低，利于成形复杂形状零件和延长模具使用寿命，从而降低了生产成本；

d.可生产零件质量为0.1～1kg,形状复杂由一个台阶的正齿轮到多台阶的内、外齿形和斜齿轮；

e.力学性能高，其极限抗拉强度比常规的一次压制和烧结零件零件材料平均提高13.5％；若再经复压复烧，其极限强度比常规的复压复烧提高约8.5％。在相同压制压力下，它可提高烧结材料的伸长率及宏观硬度。对同种合金材料，它的冲击韧性亦提高。

由于温压生产的零件材料密度高，强度高，可与传统的铸、锻、轧件竞争，适用于制造高强度的汽车结构零件，诸如发动机和变速器等传动齿轮、链轮及连杆等。预计发动机连杆也正由粉末锻造法制造趋向用温压工艺技术制造，一次压制和烧结，更为经济合理。

3)金属粉末注射成形（MIM）

与传统粉末冶金工艺相比采用这种工艺可以制造形状更为复杂的零件，从而扩大了用粉末冶金工艺制造复杂形状零件的能力。其工艺是将金属粉末与粘结剂的混合料注射到模腔内，粉末与粘结剂都是为这种工艺专门配制的。金属注射成形工艺和塑料注射成形与金属高压压铸很相似，它们可制造的零件形状和特点也大体上相同。成形与脱粘结剂后，将零件成形坯进行烧结后，以获得接近铸造状态的材料性能。金属注射成形的工艺如下图所示。

图：注射成形工艺流程

金属注射成形零件材料的孔隙度很低。其材料的密度大于96％理论密度，其材料的力学性能和类似合金的精铸件相同。

金属注射成形工艺的生产费用虽然比传统的粉末冶金工艺高，但用这种工艺可制造较小的，形状很复杂的制品。

4)粉末锻造（P/F）

粉末锻造是将原料粉末用刚性模具或冷等静压成形为预成形坯，经过或不经过低温预烧结或最终烧结，用热锻或冷锻改变其形状的同时，实现高密度化的技术。它可以得到几乎完全致密的零件，而且零件的晶粒度细小，非金属夹杂与碳化物分布均匀，同时，化学成分较均匀一致，因此可以达到优秀的力学性能。对于粉末锻造国外已经广泛的应用，例如汽车发动机的连杆，已经成熟批量的生产。而我国国内只有少量的外资企业处于前期的研究和试验阶段，还没有成熟批量的生产。粉末锻造连杆采用高合金经热加工使部件致密化，提高了机械强度。而且，由于粉末冶金材料特有的合金颗粒细化的金相组织，具有抵制微裂纹发展，可以提高部件工作的疲劳强度。因此，比现在汽车中所采用的锻造合金钢连杆具有优越性，它的比强度要提高10%。下表列处了几种粉末锻造铁基结构零件材料的典型力学性能。

表：粉末锻造铁基结构零件的典型力学性能

① 表中数据都是由具有规定的化学组成、密度和热处理的试样坯料经切削加工制成的试件

测定的；

② 夏氏V 型凹口冲击功；

③ N ；正火的；Q:淬硬和回火到表中所示硬度值。

2.粉末冶金结构零件烧结工艺

粉末冶金的烧结，是将粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度下进行加热，从而时粉末颗粒之间结合，提高强度和力学性能的过程。烧结分为两种形式：1）固相烧结：即整个烧结过程都是在固态下进行，即不产生液相或熔化；2）液相烧结：即压坯种有两种以上组分，并在烧结种有某种组分出现熔化；

目前常用的烧结方式有两种，分为连续烧结和真空烧结。在烧结中采用保护气体，一般常用的有分解氨、氢气、吸（放）热性煤气、N 2,或在真空状态下。烧结过程一般常分为三段，预热、高温烧结、冷却三段。 三、粉末冶金结构零件材料标准

粉末冶金结构零件材料经过50年发展，技术标准日臻完善，我国的标准JB 2797－81与JB 3593-84，日本JIS Z 2550,美国MPIF 标准35等都是粉末冶金结构零件材料标准。

一般结构零件材料材质一般分为以下几类：

表4- 常用结构零件材料材质分类