汽車零部件的粉末材料技術及其發(fā)展

（東風汽車公司，十堰442001）

汽車零部件的粉末材料技術及其發(fā)展

劉道春
（東風汽車公司，十堰442001）

粉末冶金材料與人們的生活密切相關，不僅在家電產(chǎn)品，甚至航天、軍工等產(chǎn)業(yè)中是必不可少的材料，而且因其材料性能凸顯，尤其在汽車上也大量應用并有增加的趨勢，根據(jù)粉末冶金汽車零部件廣闊的市場前景，介紹了粉末冶金材料的結(jié)構(gòu)特點和工藝性能；闡述了汽車零件及對粉末原材料的要求；研究了粉末冶金在汽車上的應用實例；指出了粉末冶金是汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的方向。

汽車 零部件 粉末冶金 材料技術 發(fā)展方向

1 汽車制造業(yè)是粉末冶金發(fā)展的牽引力

粉末冶金（PM）一般俗稱的鐵粉，其準確的名稱應為鋼鐵粉末。粉末冶金制品的用途廣泛，主要用于機械零件，其中以鐵基材料為主。粉末冶金結(jié)構(gòu)的汽車零件正在替代已有的齒輪、凸輪、鏈輪、各種形狀的鑄件、鍛件、切削加工件。世界粉末冶金PM零件的最大市場是汽車制造業(yè)。過去十多年，全球粉末冶金制品大部分用于汽車工業(yè)，一直占粉末冶金件的70%左右。在PM零件總銷售量中，PM汽車零件在美國占71%，日本約為88%，西歐約為80%，韓國約為79%，中國為27%。我國粉末冶金齒輪是少切屑、無切屑的高新技術的產(chǎn)物。凸輪軸齒形帶輪是各種汽車發(fā)動機中普遍使用的粉末冶金零件，通過一次成形和精整工藝，不需要其他后處理工藝，可以完全達到尺寸精度要求，尤其是齒形精度。因此，與用傳統(tǒng)機械加工方法制造相比，在材料投入和制造上都大大減少，它是體現(xiàn)粉末冶金特點的典型產(chǎn)品。在汽車核心零部件中，附加值較高的主要有：發(fā)動機的進排氣門、發(fā)動機連桿、變速箱齒輪中的同步器錐環(huán)和油泵主從動齒輪等。而這些零部件中，主流的核心技術，便是粉末冶金技術。如：連桿是發(fā)動機上的重要零件，許多引進車型圖紙上都規(guī)定有連桿的疲勞試驗負荷，并要求在該負荷下的疲勞周次達到500萬次以上。而國內(nèi)汽車發(fā)動機連桿大多采用的鍛鋼連桿和鑄造連桿，其疲勞周次要達到50萬以上是很困難的。因為連桿的工字筋部位均不經(jīng)切削加工，細小的缺陷對連桿的疲勞壽命影響較大。而國外主流連桿主要采用粉末鍛造，如：美國通用汽車公司的別克轎車，德國寶馬公司、GNK Sintermetals公司制造的連桿，其抗拉強度甚至達到了1 041 MPa。

上世紀90年代我國平均每輛卡車粉末冶金制品用量只有2～3 kg，產(chǎn)品品種也以套筒類含油軸承件為主；而目前每輛車的用量已平均達到5 kg左右，產(chǎn)品品種也轉(zhuǎn)向以結(jié)構(gòu)件為主。動力轉(zhuǎn)向機閥套、機油泵轉(zhuǎn)子等一批代表性結(jié)構(gòu)件的開發(fā)成功，標志著我國粉末冶金工業(yè)上了一個新臺階。雖然我國粉末冶金工業(yè)取得了長足進展，但與發(fā)達國家仍有較大差距。資料顯示，北美市場2003年金屬粉末產(chǎn)量已達到51.7萬噸，2010年將達到85萬噸。發(fā)達國家汽車制造業(yè)粉末冶金制品的用量占其粉末冶金制品總產(chǎn)量的絕大多數(shù)，如美國占70%，歐洲為80%，而我國目前尚不足40%。歐洲平均每輛汽車的粉末冶金制品使用量是14 kg，日本為16 kg，美國已達到18 kg以上，預計未來幾年可能達到22 kg。隨著我國汽車市場加速增長，粉末冶金技術市場潛力凸現(xiàn)。近幾年，中國汽車業(yè)一直保持高速發(fā)展。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2010年，中國汽車產(chǎn)銷量將超過1 600萬輛，已經(jīng)成為世界第二大汽車消費國，第三大汽車生產(chǎn)國，第一大汽車潛在市場。伴隨著中國汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，帶動了零部件市場的快速發(fā)展。與此同時，我國粉末冶金工業(yè)由于長期缺乏數(shù)量較大和附加值較高的零件需求，沒有讓粉末冶金行業(yè)發(fā)揮它特有的優(yōu)勢提供良好的機遇。直到20世紀90年代中期，用于汽車和摩托車工業(yè)的粉末冶金零件按質(zhì)量計算在10年間幾乎翻了一番，而用于附加值較低的農(nóng)機工業(yè)粉末冶金零件則幾乎減少一半?？梢姡吒郊又档姆勰┮苯鹆慵鸩较蚱囶I域轉(zhuǎn)移。

中國部分車型應用粉末冶金零件情況如下：上海普通桑塔納轎車每車6 kg左右；上海通用別克轎車每車12 kg左右；東風5噸EQ1090E載重汽車為29種，共計102件零件，6.62 kg；東風8噸平頭柴油機載重汽車（EQ1141G）每車為18種，計39件零件，5.22 kg；富康ZX轎車每車20種45件，4.2 kg；躍進IVECO柴油輕型客車，每車6 kg左右。按平均每輛車5 kg計算，預計2010年我國汽車產(chǎn)量1600萬輛，則全國汽車用粉末冶金零件需7.5萬t，再加上20%配件，總量約10萬噸左右，如果我國每輛汽車粉末冶金制品的用量達到歐洲水平，加上保有量汽車粉末冶金零件的更換，那么僅此一項的鋼鐵粉末就需要近10萬噸/年。

快速發(fā)展的國內(nèi)汽車市場給汽車粉末冶金產(chǎn)業(yè)也帶來了廣闊的發(fā)展前景，汽車技術進步與新技術的應用給汽車粉末冶金制品提出新的要求。清潔汽車生產(chǎn)將成為今后的重點發(fā)展趨勢，包括清潔能源汽車和更加嚴格的排放要求等。國家節(jié)能減排降耗及汽車安全環(huán)保政策與法規(guī)的出臺，替代能源的使用也是今后重點研究課題，轎車發(fā)動機柴油化趨勢，汽車產(chǎn)品的輕量化趨勢，以及電動汽車、氫能源汽車發(fā)展等，也必將對汽車粉末冶金產(chǎn)業(yè)提出新要求，也給汽車粉末冶金制品發(fā)展提供機遇。汽車行業(yè)的成本競爭壓力，也給汽車粉末冶金制品提供了機遇。各大汽車制造商預言，未來10年汽車工業(yè)仍將是推動粉末冶金工業(yè)發(fā)展的主要動力。每部汽車中將有重達25 kg的粉末冶金件，美國汽車中或許更高。因此，高性能鐵基粉末冶金件已普遍用于汽車傳動裝置、發(fā)動機、通用機械和工具等產(chǎn)品，市場前景非常廣闊。

2 粉末冶金材料的結(jié)構(gòu)特點和工藝性能

粉末冶金是一種特殊的固態(tài)成形工藝，它是制取金屬粉末，采用成形和燒結(jié)工藝將金屬粉末（或金屬粉末與非金屬粉末的混合物）制成制品的工藝技術。用粉末冶金方法制造零件與常規(guī)的鑄、鍛、切削加工制造同樣的零件相比，具有少、無切削加工、節(jié)能(與制造同樣1 kg機械零件相比節(jié)約能耗高達60%）、節(jié)材(材料利用率高達95%以上）、無環(huán)境污染、成本低（比切削加工低30%以上）、高效等特點，能生產(chǎn)具有特殊性能或其他工藝難以生產(chǎn)的材料和制品。粉末冶金是制取金屬或用金屬粉末（或金屬粉末與非金屬粉末的混合物）作為原料，經(jīng)過成形和燒結(jié)，制造金屬材料、復合以及各種類型制品的工藝技術。粉末冶金法與生產(chǎn)陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技術也可用于陶瓷材料的制備。由于粉末冶金技術的優(yōu)點，它已成為解決新材料問題的鑰匙，在新材料的發(fā)展中起著舉足輕重的作用。

粉末冶金技術可以最大限度地減少合金成分偏聚，消除粗大、不均勻的鑄造組織。在制備高性能稀土永磁材料、稀土儲氫材料、稀土發(fā)光材料、稀土催化劑、高溫超導材料、新型金屬材料（如Al-Li合金、耐熱Al合金、超合金、粉末耐蝕不銹鋼、粉末高速鋼、金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料等）具有重要的作用?？梢灾苽浞蔷?、微晶、準晶、納米晶和超飽和固溶體等一系列高性能非平衡材料，這些材料具有優(yōu)異的電學、磁學、光學和力學性能?？梢匀菀椎貙崿F(xiàn)多種類型的復合，充分發(fā)揮各組元材料各自的特性，是一種低成本生產(chǎn)高性能金屬基和陶瓷復合材料的工藝技術?？梢陨a(chǎn)普通熔煉法無法生產(chǎn)的具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分離膜材料、高性能結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷材料等?？梢詫崿F(xiàn)凈近形成形和自動化批量生產(chǎn)，從而，可以有效地降低生產(chǎn)的資源和能源消耗。可以充分利用礦石、尾礦、煉鋼污泥、軋鋼鐵鱗、回收廢舊金屬作原料，是一種可有效進行材料再生和綜合利用的新技術。我們常見的機加工刀具，很多就是粉末冶金技術制造的。

粉末性能：粉末所有性能的總稱。它包括粉末的幾何性能(粒度、比表面、孔徑和形狀等)；粉末的化學性能(化學成分、純度、氧含量和酸不溶物等)；粉體的力學特性(松裝密度、流動性、成形性、壓縮性、堆積角和剪切角等)；粉末的物理性能和表面特性(真密度、光澤、吸波性、表面活性、電位和磁性等)。粉末性能往往在很大程度上決定了粉末冶金產(chǎn)品的性能。幾何性能最基本的是粉末的粒度和形狀。

常用的金屬粉末（化學成分）有鐵、銅、鋁等及其合金的粉末，要求其雜質(zhì)和氣體含量不超過1%～2%，否則會影響制品的質(zhì)量。粉末的物理性能：粒度及粒度分布：粉料中能分開并獨立存在的最小實體為單顆粒。實際的粉末往往是團聚了的顆粒，即二次顆粒。粉末顆粒的外觀幾何形狀可通過顯微鏡的觀察確定。單位質(zhì)量粉末的總表面積，可通過實際測定。比表面積大小影響著粉末的表面能、表面吸附及凝聚等表面特性。

粉末的工藝性能包括流動性、填充特性、壓縮性及成形性等。填充特性指在沒有外界條件下，粉末自由堆積時的松緊程度。常以松裝密度或堆積密度表示。粉末的填充特性與顆粒的大小、形狀及表面性質(zhì)有關。流動性指粉末的流動能力，常用50 g粉末從標準漏斗流出所需的時間表示。流動性受顆粒粘附作用的影響。壓縮性表示粉末在壓制過程中被壓緊的能力，用規(guī)定的單位壓力下所達到的壓坯密度表示，在標準模具中，規(guī)定的潤滑條件下測定。影響粉末壓縮性的因素有顆粒的塑性或顯微硬度，塑性金屬粉末比硬、脆材料的壓縮性好；顆粒的形狀和結(jié)構(gòu)也影響粉末的壓縮性。成形性指粉末壓制后，壓坯保持既定形狀的能力，用粉末能夠成形的最小單位壓制壓力表示，或用壓坯的強度來衡量。

粒度影響粉末的加工成形、燒結(jié)時收縮和產(chǎn)品的最終性能。某些粉末冶金制品的性能幾乎和粒度直接相關，例如，過濾材料的過濾精度在經(jīng)驗上可由原始粉末顆粒的平均粒度除以10求得；硬質(zhì)合金產(chǎn)品的性能與wc相的晶粒有很大關系，要得到較細晶粒度的硬質(zhì)合金，惟有采用較細粒度的wc原料才有可能。生產(chǎn)實踐中使用的粉末，其粒度范圍從幾百個納米到幾百個微米。粒度越小，活性越大，表面就越容易氧化和吸水。當小到幾百個納米時，粉末的儲存和輸運很不容易，而且當小到一定程度時量子效應開始起作用，其物理性能會發(fā)生巨大變化，如鐵磁性粉會變成超順磁性粉，熔點也隨著粒度減小而降低。

粉末的顆粒形狀取決于制粉方法，如電解法制得的粉末，顆粒呈樹枝狀;還原法制得的鐵粉顆粒呈海綿片狀;氣體霧化法制得的基本上是球狀粉。此外，有些粉末呈卵狀、盤狀、針狀等。粉末顆粒的形狀會影響到粉末的流動性和松裝密度，由于顆粒間機械嚙合，不規(guī)則粉的壓坯強度也大，特別是樹枝狀粉其壓制坯強度最大。但對于多孔材料，采用球狀粉最好。

粉末的力學性能即粉末的工藝性能，它是粉末冶金成形工藝中的重要工藝參數(shù)。粉末的松裝密度是壓制時用容積法稱量的依據(jù)；粉末的流動性決定著粉末對壓模的充填速度和壓機的生產(chǎn)能力；粉末的壓縮性決定壓制過程的難易和施加壓力的高低；而粉末的成形性則決定坯的強度?；瘜W性能主要取決于原材料的化學純度及制粉方法。較高的氧含量會降低壓制性能、壓坯強度和燒結(jié)制品的力學性能，因此粉末冶金大部分技術條件中對此都有一定規(guī)定。例如，粉末的允許氧含量為0.2%～1.5%，這相當于氧化物含量為1%～10%。

3 汽車零件及對粉末原材料的要求

幾種典型類型汽車零件及其對粉末原材料的要求如下。

中低強度汽車結(jié)構(gòu)件典型零件有：汽車發(fā)動機正時凸輪軸帶輪、曲軸帶輪、水泵皮帶輪等。這種類型零件通常為Fe-C-Cu材料，密度在6.4～6.8g/cm3之間。它們往往形狀較復雜、精度要求較高;所用原材料通常采用還原鐵粉；合金元素通過機械混合形式加入。鐵粉應具有良好的成形性能、較高的生坯強度，以防壓件產(chǎn)生裂紋(尤其對多臺階異形結(jié)構(gòu)件)和工序間流轉(zhuǎn)時壓件掉邊缺角;應具有良好的壓縮性能、較低的壓制回彈率，降低零件成型壓力，延長模具壽命，減少壓件裂紋的產(chǎn)生。要求提高粉末退火還原質(zhì)量，降低鐵粉中碳、氧含量和鐵粉顆粒硬度；應具有良好的質(zhì)量穩(wěn)定性，如化學成分中鐵粉的含氧量不穩(wěn)定，將影響到配料的準確性，影響零件工藝過程中尺寸變化率和零件最終成分及性能；如物理性能中松比、流速不穩(wěn)定，將影響模腔的裝粉量，引起壓坯重量和高度尺寸變化較大，導致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定(對陰模帶肩類的產(chǎn)品影響尤為明顯)。

中高強度汽車結(jié)構(gòu)件典型零件有：發(fā)動機、變速箱傳動齒輪、鏈輪等。這種類型零件一般要求能夠承受較高負荷、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6.8～7.2g/cm3之間，有些零件則需要進行熱處理，以達到其性能要求。生產(chǎn)這種零件所用原材料較為經(jīng)濟的選擇是采用霧化鐵粉，合金元素通過機械混合形式加入，最好采用無偏析混料法。當然如采用擴散合金粉，質(zhì)量將更為可靠，但缺點是原材料成本較高。另外指出的是霧化鐵粉中含有適量的Mn對提高結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量有明顯的效果。

高性能汽車結(jié)構(gòu)件典型零件有：變速箱同步器齒轂、同步環(huán)等。這種類型零件具有形狀復雜、精度高、硬度強度高等特點，因此綜合技術難度較高，零件材料相當于DIN標準中的D39。生產(chǎn)該類零件原材料通常采用擴散合金粉的方法，如Distaloy AE、DB-48等。

粉末鍛造典型汽車零件有：發(fā)動機連桿，變速箱齒環(huán)等。零件采用粉末鍛造法生產(chǎn)，以達到全致密狀態(tài)，如SGM齒環(huán)的密度要求≥7.82。生產(chǎn)該類零件的原材料通常采用預合金化的低合金鋼粉。雖然這種粉末在常溫下壓縮性較差，但在熱鍛條件下，坯件可以達到全致密程度。此外，粉末鍛造對粉末的清潔度有相當高的要求，非金屬夾雜物將成為致密鍛件的裂紋源，導致零件在工作中失效。

高溫、高耐磨性的典型粉末冶金汽車零件有：汽車發(fā)動機的排氣閥座等。發(fā)動機工作時排氣閥座承受高溫和交變應力的作用。在惡劣的工況條件下，零件要求具有足夠的壽命、耐磨性，因此對材料性能要求較高，通常選擇耐熱、耐磨高合金材料。原材料通常采用霧化合金粉，為了改善粉末的壓縮性能，也有采用母合金粉與純鐵粉按一定比例混合的形式生產(chǎn)。由于閥座類零件質(zhì)量要求很嚴格，整個缸蓋上每個閥座的加工面尤其是與氣門配合面不允許有任何針孔，因此生產(chǎn)中必須對原料粉及混合粉的清潔度進行嚴格控制，防止有夾雜物混入其中。

上海通用汽車別克轎車上的粉末冶金件用粉是，別克轎車發(fā)動機零件：14種、55件8.9 kg/臺；變速箱零件：12種、12件4.3 kg/臺；共計：26種、67件，重13.2 kg/輛。主要為：進排氣門座圈、氣門導管、凸輪軸軸頸、凸輪軸和曲軸鏈輪、軸承蓋、凸輪軸擋板、連桿、排氣管法蘭、氣門搖壁支座、油泵齒輪等零件。這些零件所使用的鐵粉按類型區(qū)分，就是以上的五大類，幾乎都是高強度、高密度零件，因此所用的鐵粉一般都有特殊要求。這其中還存在與鐵粉供應商共同研究開發(fā)適合各個零件特性的不同要求的粉末。從質(zhì)量保證體系角度上講，粉末供應商和產(chǎn)品制造商是同一根供應鏈上的不同的節(jié)點。隨著大量引進車型上規(guī)定用粉末冶金零件，帶動了我國粉末冶金零件在汽車制造工業(yè)上的蓬勃發(fā)展。特別是近期引進的車型中，又出現(xiàn)許多新的零件，因此在生產(chǎn)中除了進一步擴大通用制造工藝外，還需要用一些特殊的工藝來制造，如：金屬注射成形、溫壓成形、粉末鍛造、熱等靜壓、冷等靜壓等等，從而使粉末冶金零件，在汽車工業(yè)領域上的應用將更多、更廣，同時所需求的鐵粉將更廣泛。

4 粉末冶金在汽車上的應用

眾所周知，粉末冶金制品具有良好的成本比較優(yōu)勢。隨著粉末冶金制造技術不斷進步，粉末冶金制品的成本優(yōu)勢將伴隨汽車行業(yè)成本競爭的加劇而日益顯現(xiàn)。使之在某些復雜結(jié)構(gòu)零件，如連桿、凸輪軸、軸承蓋、齒形零件、封閉型腔零件、內(nèi)型腔復雜結(jié)構(gòu)零件等，成為其他行業(yè)的替代品。隨著汽車零件以及切削和成形工具的發(fā)展，粉末冶金的強度和質(zhì)量都得到了改善和提高。它們被用于制造凸輪的凸角、護圈、鏈輪、凸輪軸連桿、曲軸軸鏈輪、分配齒輪、燃油注射泵、主軸承蓋、油泵齒輪、泵的轉(zhuǎn)子、凸輪、側(cè)板、葉輪，動力轉(zhuǎn)向裝置中的閘瓦、后轉(zhuǎn)子板、挺桿閥導套、節(jié)流凸輪、閥座和襯墊、軸套、法蘭蓋和水泵中的皮帶輪等發(fā)動機零部件。也可制造汽車傳動零部件。由于采用現(xiàn)代粉末冶金技術可以制取一系列具有特殊性質(zhì)的優(yōu)質(zhì)材料，因而現(xiàn)代粉末冶金常被劃入高技術領域。粉末冶金作為一門重要的材料制造技術，是解決高科技新材料問題的鑰匙，用粉末冶金工藝制取的新材料可以列舉許多。高性能材料愈來愈多的的高強度粉末冶金零件被用在汽車上。

發(fā)動機的進、排氣門座控制燃氣的吸入和廢氣的排出，在高溫下經(jīng)受氣流的沖蝕和氣門的沖擊與磨損，工作條件比較惡劣。氣門座的失效主要是因磨損而導致氣門座下沉量過大，氣密性差，進而影響發(fā)動機功率。汽油機進氣門座溫度一般在200～300℃，排氣門座一般在400～600℃。柴油機進氣門座溫度一般在300～400℃，排氣門座溫度一般在500℃左右。過去，汽油中添加四乙基鉛，使汽油燃燒較好，四乙基鉛燃燒后形成鉛的氧化物對環(huán)境造成危害，但含鉛汽油燃燒后的氧化物積存在氣門和氣門座上，能起減磨和耐磨作用。從環(huán)保要求出發(fā)，目前國內(nèi)、外已立法取消添加四乙基鉛的汽油，而采用無鉛汽油，從而加劇了氣門與氣門座的磨損。柴油機腐蝕情況與汽油機不同，柴油中含有釩、硫、鈉等元素，燃燒后生成V2O5和Na2SO4等。采用含鉛汽油時，進、排氣門座大多采用含鉻鑄鐵(如含鉻量分別為l3%、20%和33%的含鉻鑄鐵)。隨著無鉛汽油的大量應用，氣門與氣門座間的氧化鉛沒有了，從而使氣門與氣門座的沖擊磨損加劇。向粉末冶金制品中的孔隙滲銅或者使用含鉛的粉末冶金制品，對于應用無鉛汽油的氣門座能起到減磨和耐磨作用。

過去同步器錐環(huán)大多用鋁錳黃銅精鍛而成。國內(nèi)、外許多汽車廠為了進一步降低成本和提高使用壽命，許多新設計的變速箱同步器錐環(huán)由鋁錳黃銅精鍛改為用粉末冶金制造。同步器錐環(huán)是變速箱齒輪中的一個重要零件，如該零件失效，變速箱就不能換檔了，在換檔過程中該零件承受沖擊與磨損，同步器錐環(huán)能否滿足設計要求，需進行專門的換檔臺架試驗后才能決定。該零件需經(jīng)過局部表面感應淬火，有效硬化層深度為2 mm，齒根硬度為不低于74HRA(47HRC)，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。也有些廠家同步器錐環(huán)燒結(jié)后需經(jīng)淬火、回火或碳氮共滲處理。同步器錐環(huán)尺寸精度和沖擊磨損性能均要求較高，目前國內(nèi)許多粉末冶金廠正在組織攻關，也有些廠已經(jīng)試制成功。

過去汽車上的曲軸正時齒輪和凸輪軸正時齒輪大多用45號鋼或40Cr鋼調(diào)質(zhì)后使用，也有些要求比較高，調(diào)質(zhì)處理后再經(jīng)軟氮化處理。組裝式粉末冶金空心凸輪軸是近年來的新產(chǎn)品，它是由鐵基粉末冶金材料制成凸輪，然后用燒結(jié)或機械的辦法固定在空心鋼管上組成。與常規(guī)的鍛鋼件或鑄鐵件相比，可降重25%～30%。此種凸輪軸已在高速汽油機上使用，隨著柴油機凸輪軸使用工況的日益苛刻，粉末冶金空心凸輪軸有推向柴油機的趨勢。為了減少切削加工和降低成本，許多新型發(fā)動機曲軸正時齒輪和凸輪軸正時齒輪均改用粉末冶金制品，硬度高于59HRB；斷裂強度不低于400 MPa，屈服強度不低于280 MPa。正時齒輪生產(chǎn)難點在于齒輪的尺寸精度，即模具的設計與制造，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。國外設計圖紙上常標有精密電火花加工時計算機輸入數(shù)據(jù)，用這些數(shù)據(jù)輸入到精密電火花加工設備上，能夠較精確的將模具加工出來，最后再經(jīng)研磨來降低粗糙度。

機油泵主、從動齒輪我國已大量采用粉末冶金制品。筒式減震器中有活塞、壓縮閥座和連桿導向座等零件，形狀比較復雜，小孔加工較多，尺寸精度也較高，另外對耐磨性要求較高，這些要求比較適合采用粉末冶金方法制造。東風汽車公司從20世紀70年代開始，連桿導向座和活塞就正式采用粉末冶金方法制造。由于形狀復雜，尺寸精度要求高，并有許多小孔，所以模具設計和制造有一定的難度。

汽車發(fā)動機、底盤總成有許多滑動摩擦件，設計中采用雙金屬軸套。雙金屬軸套大多采用08AL低碳冷軋鋼帶制作鋼背，以提高其強度及剛度，并具有良好的加工性能，將不同粒度組成的鉛青銅粉或錫青銅粉燒結(jié)到鋼背上，以作為減摩及耐磨合金表面層，從而復合成雙金屬軸套。東風汽車公司EQ1141G載重汽車上采用燒結(jié)鉛青銅及錫青銅-鋼背雙金屬軸套，共有17種44件，、主要的有發(fā)動機連桿小頭軸套，前、后鋼板彈簧襯套，轉(zhuǎn)向節(jié)上、下襯套，前、后制動蹄襯套等。除了燒結(jié)銅合金-鋼背雙金屬軸套外，還有3層復合材料軸承，它是在雙金屬材料上再加一層改性塑料，形成改性塑料、燒結(jié)CuSnl0粉、鋼背3層復合材料，其主要應用在離合器分離叉軸襯套等。此外，汽車發(fā)動機曲軸瓦和連桿瓦采用銅鉛合金．鋼背粉末冶金軸瓦，銅鉛層上要鍍一層鎳，再在鎳上鍍?nèi)辖?Pb-Sn-Cu)。

汽車發(fā)動機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，如躍進汽車集團生產(chǎn)IVECO柴油機采用42CrMo調(diào)質(zhì)鋼；桑塔納和夏利轎車采用非調(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)動機連桿采用球墨鑄鐵；北京切諾基轎車連桿采用可鍛鑄鐵。連桿是發(fā)動機上的重要零件，連桿承受大壓小拉的壓．拉疲勞負荷，許多引進車型圖紙上都規(guī)定有連桿的疲勞試驗負荷，并要求在該負荷下的疲勞周次達到500萬以上。鑄造連桿疲勞周次要達到500萬以上是很困難的，因為連桿的工字筋部位均不經(jīng)切削加工，細小的缺陷對連桿的疲勞壽命影響較大。粉末鍛造連桿已經(jīng)成功應用，近年開發(fā)的一次燒結(jié)粉末冶金連桿技術的生產(chǎn)成本較低，可實現(xiàn)11%的輕量化。最近引進美國通用汽車公司的別克轎車，連桿采用粉末鍛造。德國寶馬公司BMW發(fā)動機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7.65 g/cm3，抗拉強度1041MPa。德國Opel公司裝在2.0 L的OHC發(fā)動機上行駛30萬km使用正常。近年來，美國和日本汽車公司開發(fā)復合凸輪軸，如英國Rover MG-F汽車的可變閥控制(VVC)發(fā)動機，凸輪軸由冷拉鋼管制成，鋼管上的凸輪用Astaloy E鋼粉燒結(jié)而成，驅(qū)動輪的燒結(jié)元件用Fe-Cu-C燒結(jié)而成，然后再釬焊在鋼管上，這樣的復合凸輪軸在重量上節(jié)材40%左右，使加工大大簡化、降低成本，并使發(fā)動機功率得到提高。

5 粉末冶金是汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的方向

為適應汽車對環(huán)保、節(jié)能、降低制造成本和提高性能等方面的要求，近些年開發(fā)了汽車發(fā)動機、變速器等用的上千種粉末冶金關鍵零件，諸如排氣門閥座、連桿、ABS環(huán)、各種齒輪、鏈輪、自動變速器零件、凸輪等。粉末冶金零件現(xiàn)在是汽車制造及汽車零部件的重要基礎零件。粉末冶金技術已經(jīng)成為汽車及汽車零部件制造業(yè)改進與提高質(zhì)量、開發(fā)新材料、新產(chǎn)品、降低生產(chǎn)成本、增強競爭能力的核心技術之一，一直倍受全球汽車工業(yè)的關注。隨著我國汽車工業(yè)快速發(fā)展，高附加值的零部件需求將加速增長。與此同時，汽車產(chǎn)業(yè)鏈全球化的采購系已經(jīng)形成，帶給國內(nèi)零部件企業(yè)商機顯而易見。

從我國粉末冶金生產(chǎn)總量和生產(chǎn)體系看，盡管僅次于日本，但從產(chǎn)品開發(fā)能力、技術性能、產(chǎn)品質(zhì)量和制造水平及其在國際市場上的競爭能力看，與世界粉末冶金強國——美國、日本、歐洲比，差距更大。主要表現(xiàn)為：一是產(chǎn)品趨同化，構(gòu)成不合理。缺少高性能產(chǎn)品。汽車發(fā)動機、減震器、變速箱中使用的高強度、高密度、高精度的粉末冶金零件、高精度微小型含油軸承、高性能摩擦材料等產(chǎn)品還不能滿足需求；二是產(chǎn)品性能較低，可靠性較差。目前，我國生產(chǎn)的粉末冶金鐵基結(jié)構(gòu)零件，一般來講，由于原料粉末和輔料來源多，質(zhì)量管理、生產(chǎn)與技術等問題，產(chǎn)品質(zhì)量還不夠穩(wěn)定，由于產(chǎn)品開發(fā)能力弱，產(chǎn)品性能和可靠性以及競爭輻射能力尚待增強；三是產(chǎn)品創(chuàng)新和自行開發(fā)能力較弱，不能滿足快速發(fā)展的汽車制造業(yè)以及新學科領域正在發(fā)展中的通訊、切削工具、辦公自動化、物質(zhì)輸送及其他高科技工業(yè)的配套需求。目前很多國產(chǎn)轎車上使用的粉末冶金零件大多是隨汽車零部件進口的。

未來我國汽車粉末冶金零件產(chǎn)品市場潛力將呈井噴增長。據(jù)資料顯示，發(fā)達國家汽車制造業(yè)粉末冶金制品的用量占其粉末冶金制品總產(chǎn)量的絕大多數(shù)，而我國目前平均每輛汽車粉末冶金制品的用量卻只有5 kg左右。如果按年產(chǎn)1 500萬輛車計算，我國全年汽車零件用鋼鐵粉末約7.5萬噸左右，如果我國每輛汽車粉末冶金制品的用量達到歐洲水平，加上保有量汽車粉末冶金零件的更換，那么僅此一項的鋼鐵粉末就需要近10萬噸。

當前我國的粉末冶金技術水平相對國外發(fā)達國家依然有著不小的距離。但由于我國擁有原料供給的區(qū)域優(yōu)勢，作為產(chǎn)業(yè)競爭力提升的基礎，依然有較強的競爭力。

近年來，粉末冶金制品行業(yè)在我國發(fā)展較快，東部和沿海地區(qū)的年增長幅度均在10%以上。鋼鐵粉末的產(chǎn)量也在逐年遞增，年產(chǎn)量約20萬噸以上。一些生產(chǎn)企業(yè)由于引進了國外先進設備技術，生產(chǎn)高強度、高精度粉末冶金零件，把粉末冶金制品的質(zhì)量、技術提高到一個新的水平；粉末注射成型、粉末鍛造、納米技術、精細陶瓷等新技術的開發(fā)應用提高了行業(yè)整體技術水平，構(gòu)成了一個完整的行業(yè)體系，產(chǎn)品應用各個領域。

6 結(jié)束語

粉末冶金作為一種獨特的汽車零件制造技術，其應用也越來越廣泛，正向高致密化、高性能化、集成化和低成本等方向發(fā)展，并越來越受到設計和制造人員的重視。粉末冶金是一項集材料制備與零件成形于一體，節(jié)能、節(jié)材、高效、最終成形、少污染的先進制造技術，在材料和零件制造業(yè)具有不可替代的地位和作用，已經(jīng)進入當代材料科學的發(fā)展前沿。由于許多粉末冶金新技術的出現(xiàn)和實用化，已開發(fā)出不少優(yōu)異材料，這些材料已經(jīng)或正在促使相關應用領域發(fā)生重大變革。可以預言，粉末冶金的發(fā)展前景是非常美好的。

1劉軍，佘正國編著.粉末冶金與陶瓷成型技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.

2黃培云編著.粉末冶金原理[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1997.

3陳振華編著.現(xiàn)代粉末冶金技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007.

4周作平，申小平編著.粉末冶金機械零件實用技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006.

Technology and Development of the Powder Material for Auto Parts

Liu Daochun
（Dongfeng Auto Corporation,Shiyan 442001,China）

Powder metallurgy materials are closely related to people's lives.They are essential materials not only for home appliances,but also for aerospace,military and other industries,and are widely used in automotive industry because of their prominent properties.Their application in automotive industry will get increasing.Introduction of the structural characteristics and manufacturing performances of powder metallurgy materials are presented based on the broad market prospect of powder metallurgy auto parts, explaining requirements of automotive parts on powder raw materials,studying cases of powder metallurgy material application,and pointing out that powder metallurgy is the direction for sustainable development of automotive industry.

automotive,parts,powder metallurgy,materials technology,development

10.3969/j.issn.1671-0614.2011.01.002

來稿日期：2010-12-02

劉道春（1967-）,男，工程師，主要研究方向為汽車技術。