粉末冶金在汽車上的應(yīng)用

劉培祥

（東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，哈爾濱150040）

粉末冶金在汽車上的應(yīng)用

劉培祥

（東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，哈爾濱150040）

汽車行業(yè)的飛速發(fā)展也帶動(dòng)了粉末冶金在汽車上的應(yīng)用。本文介紹了粉末冶金的基本工藝特點(diǎn)，列舉了幾個(gè)粉末冶金在汽車上的應(yīng)用實(shí)例，對(duì)粉末冶金的發(fā)展做出了展望。

粉末冶金；汽車；零件；展望

0　引言

隨著汽車產(chǎn)量的攀升，汽車產(chǎn)業(yè)的節(jié)約材料、節(jié)能、減排以及降低生產(chǎn)成本，毫無疑問成為汽車產(chǎn)業(yè)目前面臨的重要挑戰(zhàn)。粉末冶金是節(jié)能環(huán)保、節(jié)材的金屬加工制造工藝，在現(xiàn)代汽車制造中無疑扮演著不可或缺的角色。

1　粉末冶金技術(shù)介紹

粉末冶金技術(shù)是先進(jìn)的金屬成形加工技術(shù)。1910年美國的Coo1idgeW D發(fā)表論文“The Ptoduction of Ducti1e Tungsten”，是近代粉末冶金的誕生的標(biāo)志。目前粉末冶金已經(jīng)發(fā)展逾百年，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展。粉末冶金包括三個(gè)重要技術(shù)步驟，分別是原料粉末的制備、粉末成型為所需形狀的坯塊、坯塊的燒結(jié)、產(chǎn)品的后序處理。粉末冶金可以直接制造出尺寸準(zhǔn)確、表面光潔的零件，減少了金屬切削過程，節(jié)約材料和加工工時(shí)，可以加工形狀復(fù)雜普通鑄造難以加工的金屬零件。

2　粉末冶金在汽車上的應(yīng)用

最早利用粉末冶金批量生產(chǎn)的零件即為粉末冶金自潤滑軸承，該軸承是由通用公司研發(fā)制造，1922年開始用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)中，這是粉末冶金自潤滑軸承的起源。在很長一段時(shí)間內(nèi)，粉末冶金自潤滑軸承都是粉末冶金主要的零部件。1940年，因其低廉的價(jià)格、優(yōu)異的機(jī)械性能，美國汽車公司率先采用粉末冶金油泵齒輪，這一事件標(biāo)志著粉末冶金在汽車工業(yè)已經(jīng)扎根。粉末冶金的起源與發(fā)展均與汽車產(chǎn)業(yè)密不可分，由于粉末冶金巨大的潛力，美國汽車三巨頭早在1941年就建立了粉末冶金部門用于研發(fā)自身需要的粉末冶金零部件。目前據(jù)統(tǒng)計(jì)，粉末冶金的主要市場一直是汽車產(chǎn)業(yè)，在北美為70%～75%，西歐為80%，而在日本接近90%，這充分表明了粉末冶金與汽車產(chǎn)業(yè)的緊密性。

汽車產(chǎn)業(yè)使用的粉末冶金制品主要有兩類，一種是自潤滑軸承，另一種是粉末冶金結(jié)構(gòu)零件，前者主要是由90Cu-10Sn青銅生產(chǎn)的，后者基本上是由鐵粉為基本原料制造的。從粉末冶金的發(fā)展史上看，粉末冶金結(jié)構(gòu)零件在一定程度上是有粉末冶金自潤滑軸承發(fā)展起來的。粉末冶金自潤滑軸承，又稱為燒結(jié)金屬含油軸承，構(gòu)造簡單但因其多孔性自行供油特性所以必須才有粉末冶金制造。鐵基自潤滑軸承經(jīng)濟(jì)實(shí)用，已經(jīng)被汽車行業(yè)廣泛采用。而粉末冶金結(jié)構(gòu)零件的產(chǎn)生之初就是為了替代已有的齒輪、鏈輪、凸輪及各種形狀的鑄件，鍛造件以及需要切削加工的零件和開發(fā)新種類的零件。

2.1同步器錐環(huán)

同步器作為汽車機(jī)械式變速器的重要部件起到使換擋迅速方便，減輕換擋沖擊的作用。而同步器錐環(huán)作為同步器的核心部件，經(jīng)常受到換擋撥環(huán)力矩、摩擦力矩的沖擊以及磨損，一旦其失效，變速器將不能換擋。過去同步器錐環(huán)多采用耐磨的鋁錳黃銅精鍛而成，而現(xiàn)在國內(nèi)外汽車企業(yè)為降低成本、提高壽命，往往采用粉末冶金制造該零件。同步器錐環(huán)需要搞得尺寸精度及良好的耐磨損性能，目前國內(nèi)外已經(jīng)有成品面世。日本AichiMachine Industty Co.制造的粉末冶金鋼同步器錐環(huán)獲得了美國MPIF（金屬粉末工業(yè)聯(lián)合會(huì)）組織的粉末冶金零件設(shè)計(jì)大賽優(yōu)秀獎(jiǎng)，該零件比拉削的鋼零件可節(jié)約成本25%。

2.2曲軸正時(shí)齒輪和凸輪軸正時(shí)齒輪

曲軸正時(shí)齒輪和凸輪軸正時(shí)齒輪是用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制點(diǎn)火、噴油、氣門開閉等動(dòng)作的關(guān)鍵部件，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率、最大扭矩、燃油消耗率起重要作用。過去汽車采用45鋼或40Gt經(jīng)調(diào)質(zhì)處理作為曲軸正時(shí)齒輪和凸輪軸正時(shí)齒輪使用，現(xiàn)在從降低成本和減少切削加工兩方面考慮，許多新型發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)采用粉末冶金材料制造以上兩類零件。正時(shí)齒輪的主要制造要求是尺寸精度，這就需要模具在設(shè)計(jì)和制造過程中嚴(yán)格，國外有采用電火花加工的工藝，能夠比較精確地將模具加工出來，然后研磨降低粗糙度。

2.3曲軸連桿

發(fā)動(dòng)機(jī)連桿是連接曲軸和活塞的連接件，將活塞產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給曲軸，將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工作中承受活塞銷的作用力和活塞的往復(fù)慣性力，這些力大小、方向隨時(shí)間快速變化，所以連桿承受壓縮、拉伸等交變載荷的作用，故連桿必須有足夠的剛度和疲勞強(qiáng)度。疲勞強(qiáng)度不足，往往會(huì)造成連桿體或連桿螺栓斷裂，進(jìn)而產(chǎn)生整機(jī)破壞的重大事故。若剛度不足，則會(huì)造成桿體彎曲變形及連桿大頭的失圓變形，導(dǎo)致活塞、汽缸、軸承和曲柄銷等的偏磨。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿多采用鍛造或鑄造工藝，鍛造生產(chǎn)的連桿分為調(diào)質(zhì)鋼和非調(diào)質(zhì)鋼。美國通用公司、德國寶馬公司等企業(yè)已經(jīng)在其生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)中采用粉末冶金連桿，該項(xiàng)應(yīng)用前景廣闊。

2.4凸輪軸

凸輪軸是活塞發(fā)動(dòng)機(jī)里的一個(gè)部件。它的作用是控制氣門的開啟和閉合動(dòng)作。雖然在四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)里凸輪軸的轉(zhuǎn)速是曲軸的一半，不過通常它的轉(zhuǎn)速依然很高，而且需要承受很大的扭矩，因此設(shè)計(jì)中對(duì)凸輪軸在強(qiáng)度和支撐方面的要求很高。由于氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律關(guān)系到一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力和運(yùn)轉(zhuǎn)特性，因此凸輪軸在發(fā)動(dòng)機(jī)中占據(jù)著十分重要的地位。近年來，研究人員提出了新型組合式中空凸輪軸，具有重量輕、能耗低、中空結(jié)構(gòu)可做潤滑油路的優(yōu)點(diǎn)。首先把粉末冶金凸輪壓坯套入中空管，然后進(jìn)行燒結(jié)工藝，巧妙地利用了燒結(jié)后粉末冶金收縮的特性。該工藝具有廣泛的應(yīng)用前景。

3　粉末冶金在汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的展望

國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)目前正飛速發(fā)展，國內(nèi)企業(yè)亟需不斷研發(fā)新工藝、材料來完善現(xiàn)有材料的不足。粉末冶金作為一門先進(jìn)的金屬制造加工技術(shù)，目前已經(jīng)應(yīng)用在汽車關(guān)鍵部位。未來粉末冶金進(jìn)一步發(fā)展，就有了取代鑄造和鍛造的可能。據(jù)中國通用機(jī)械零部件協(xié)會(huì)粉末冶金分會(huì)統(tǒng)計(jì)，中國目前粉末冶金機(jī)械零件產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到85 980t，我國目前每輛車平均粉末冶金利用在6kg左右，遠(yuǎn)低于世界平均水平。機(jī)遇與挑戰(zhàn)都擺在中國車企面前，能否通過加快產(chǎn)業(yè)升級(jí)搶占中國巨大的市場是一個(gè)需要面對(duì)的問題。汽車行業(yè)的發(fā)展從某種程度上說就是新材料的發(fā)展，新材料決定了汽車產(chǎn)品的先進(jìn)性，粉末冶金作為一種新材料技術(shù)，正在引導(dǎo)著汽車行業(yè)的變革，而粉末冶金的進(jìn)步也離不開汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展。

10.3969/j.issn.1673-0194.2016.13.060

F407.471

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1673-0194（2016）13-0114-02

2016-04-12