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零部件上的应用(2)
Cui Lijun
About the Application of Powder Forging
Process in Motorcycle Parts(2)
崔利军
（上接2019年第2期）铁路职工之家
连杆在工作中承受多向交变载荷的作用，要具有很高的强度。因此，连杆材料一般都采用高强度碳钢和合金钢，如45钢、65钢、40Cr 、40MnB 等。近年来也有采用球墨铸铁和粉末冶金材料的。发动机连杆采用40MnB 钢，用模缎法成型，将杆体和杆盖锻成一体。对于这种整体锻造的毛坯，要在以后的机械加工过程中将其切开。为保证切开孔的加工余量均匀，一般将连杆大头孔锻成椭圆形。相对于分体锻造而 言，整体锻造的连杆毛坯具有材料损耗少、锻造工时少、模具少等优点。其缺点是所需锻造设备动力大及存在金属纤维被切断等问题。
与传统模锻连杆、铸造连杆相比，粉末锻造具有的特性。粉末锻造是将烧结的预成形坯，经加热后在闭式模中锻造成零件的工艺，是将传统的粉末冶金和精密模锻结合起来的一种新工艺。粉末锻造为制取高密度、高强度、高韧性、高精度粉末冶金零件开辟了广阔的前景，成为现代粉末冶金技术最重要的发展方向之一。随着汽车工业的发展，对汽车用高性能粉末冶金零件的需求不断增长，粉末锻造的研究与应用得到了迅速而稳定的发展。 连杆是发动机中的主要传力部件之一，其小头经活塞销与活塞联接，大头与曲轴连杆轴颈联接，气缸
燃烧室中受压缩的油气混合气体经点火燃烧后急剧膨胀，以很大的压力压向活塞顶面，连杆则将活塞所受的力传给曲轴，推动曲轴旋转。摩托车发动机连杆使用工况为承受复杂的交变应力，失效方式为断裂，变形和磨损。粉末锻造的材质及工艺技术要求：端面和内孔硬度58～62HRC ，杆部硬度34HRC ，原来选用的材质是20CrMo 。原加工工艺为：下料→锻造→切边→钻孔→防渗处理、钻孔→渗碳淬火、回火→喷砂、精磨。
连杆部件由连杆体，连杆盖和螺栓、螺母等组成。在发动机工作过程中，连杆要承受膨胀气体交变压力和惯性力的作用，连杆除应具有足够的强度和刚度外，还应尽量减小连杆自身的重量，以减小惯性
力。连杆杆身的横截面为工字形，从大头到小头尺寸逐渐变小。
近年来，粉末锻造新工艺制造连杆通过改进设计降低重量而适应了轻量化的要求，并由于其许多特点而迅速在发动机上获得了应用，尤其在北美新开发的发动机几乎全部采用这类连杆。基于技术和经济原因，粉末锻造连杆目前主要取代模锻连杆。
粉末锻造工艺可以发挥模具成形的优势，具有节约材料、提高效率、降低成本的特点。通过粉末冶金和精密锻造工艺的有机结合，零件综合性能达到甚至
超过合金钢的性能。和传统工艺相比，外形较复杂、台阶较少、加工量较大的零件更适于粉末锻。通过对典型零件摩托车发动机连杆粉末锻造的研究表明，粉锻连杆的机械性能满足了发动机的要求，同时节省材料，减少机加工量，提高生产效率，大幅降低成本。
纳赛尔主义4 粉末锻造摩托车齿轮、气门座圈
锻造是机械制造中常用的成形方法。通过锻造能消除金属的铸态疏松，焊合孔洞，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。机械中负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简单的可用轧制的板材、型材或焊接件外，多采用锻件。
锻造和冲压同属塑性加工性质，统称锻压。粉末锻造新技术在成型加工齿轮中的应用整体锻造过程：
装粉—填充粉—粉末封压—粉末压制—压胚脱落—压胚导走—装粉。利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。常用的粉末锻造方法有粉末冷锻、锻造烧结、烧结锻造、和粉末锻造，粉末锻造在许多领域中得到了应用。特别是在机械车辆制造业中的应用更为突出。
锻造按成形方法则可分为自由锻、模锻、冷镦、径向锻造、挤压、成形轧制、辊锻、辗扩等。坯料在压力下产生的变形基本不受外部限制的称自由锻，也称开式锻造。其他锻造方法的坯料变形都受到模具的限制，称为闭模式锻造。成形轧制、辊锻、辗扩等的成形工具与坯料之间有相对的旋转运动，对坯料进行逐点、渐近的加压和成形，故又称为旋转锻造。
齿轮作为重要的传动零件，在车辆上起着关键的作用。齿轮的密度、硬度等与材料的性能及制备工艺息息相关。先进的压形技术提高了粉末压坯的密度，改进了粉末锻造制品的性能；同时，零件的尺寸精度可以获得提高，形状也可以更加复杂。粉末锻造是粉末冶金技术领域近年采用锻造法发展起来的高强度齿轮新工艺。
粉末冶金齿轮是摩托车发动机中最普遍使用的粉
末冶金零件，通过一次成形和精整工艺，不需要其他
后处理工艺，可以完全达到尺寸精度要求，尤其是齿
形精度。常用粉末冶金方法制备摩托产品：摩托车零
件如油泵齿轮、转子系列；气门导管类、连接盘、连
接套等。
末日的回响粉末冶金一般都是用来制作各类零件，材料利用
率非常高；少切削或无切削，成本底；适合大批量生产，模具成形产品精度高、一致性好；有孔隙，可以
控制孔隙度，可用于多孔材料、含油轴承。气门座圈
是发动机配气机构中的关键零件，经常处于高应力和
高温度的工作环境中，其失效表现为磨损严重，进而
降低发动机的工作效率。传统粉末冶金气门座圈由于临床试验注册
其低密度与疏松性，降低了零件的热硬度与耐磨性，
限制了其广泛应用，因此，粉末冶金制品的致密化已
经成为粉末冶金技术发展的必然趋势。粉末锻造是减笛卡尔坐标系
少粉末烧结材料内部孔洞，提高粉末冶金零件密度，
进而提高其综合机械性能的有效方法。该工艺是以金
属粉末为原料，经过压制、烧结得到预制坯，再通过
模锻进行锻造成形，显著地提高了产品致密度，改善
了微观组织结构，提高了零件的力学性能。气门导管
是发动机气门的导向装置，对气门起导向作用，并使
气门杆上的热量经气门导管传给汽缸盖。气门导管工
作温度较高，润滑较差，一般用含石墨较高的铸铁或
铁基粉末冶金制成，以提高自润滑性能。铜基轴承合
金具有高的疲劳强度和承载能力，优良的耐磨性，良
好的导热性，摩擦系数低，能在250℃以下正常工作。
适合于制造高速、重载下工作的轴承。含油轴承，即
多孔质轴承，以金属粉末为主要原料，用粉末冶金法
制作的烧结体，其本来就是多孔质的，而且具有在制
造过程中可较自由调节孔隙的数量、大小、形状及分
布等功能含油轴承具有成本低、能吸震、噪声小、在
较长工作时间内不需加润滑油等特点，特别适用于不
易润滑或不允许油污的工作环境。
由于粉末锻造传统工艺技术的限制，成型加工齿
轮密度较低，影响了齿轮的性能。温压成形、高速成
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形、成型加工硬化、高温成型加工、熔渗、HVC粉末成形和齿轮表面致密化等技术在成型加工齿轮中的应用解决了密度较低、尺寸精度和力学性能达不到规定要求的问题。从目前的技术发展来看，成型加工齿轮要达到全致密不存在技术障碍，尺寸变化也完全可以达到可控的程度。但是成本也是考虑成型加工齿轮的一个重要因素。生产成型加工齿轮真正困难的是同时达到高密度、低成本和高精度。成型加工齿轮的性能与粉末锻造工艺密切相关，不同工艺和技术路线生产的齿轮，性能差异很大，而粉末锻造技术的发展促进了成型加工齿轮性能的提高和尺寸的稳定。近年来发展起来的温压成形、高速成形、成型加工硬化、高温成型加工、熔渗和齿轮表面致密化等技术及其在齿轮制造中的应用可望同时实现高密度、低成本和高精度的齿轮生产。
随着汽车工业的发展，对齿轮等零件的要求越来越高，适合大批量生产，能满足汽车工业对零部件的要求。国内粉末锻造行业的汽车市场仅占19%。粉末锻造是生产高强度和形状复杂齿轮的有效工艺。通过使用高性能的粉末成形、成型加工和特殊的后加工，粉末锻造工艺已经可以生产出密度超过7.5g/cm3的齿轮。这些技术的使用，已经成功地替代了机加工或其他方法加工的零件。粉末锻造工艺的成功，使设计高性能和较低成本的零件成为可能，随着汽车工业的发展，必将对粉末锻造工业提出更高的要求。
5 粉末锻造的未来发展
粉末锻造是粉末冶金技术领域中近年发展起来的一项新工艺，它兼有粉末冶金和锻压成形的特点，可以制造外形复杂和强度要求高的零件。同机加工和钢的模锻、挤压相比，简化了工序，减少了切削量及加工设备，提高了材料的利用率(一般在90%以上)。因此，正获得迅速的发展。粉末锻造是将烧结的预成形坯，经加热后，在闭式模中锻造成零件的工艺，是将传统的粉末冶金和精密模锻结合起来的一种新工艺。粉末锻造为制取高密度、高强度、高韧性、高精度粉末冶金零件开辟了广阔的前景，成为现代粉末冶金技术最重要的发展方向之一。粉末锻造技术在成形高致密和高性能粉末冶金零件方面具有独特优势，可实现复杂形状零件的一次锻造成形，成本低、效率高，应用前景广阔。
据报载，粉末锻造作为金属制品的生产技术，在美国已发展成功粉末冶金和热锻造的复合技术。它是把烧结零件作为热锻用的坯料而使用的加工方法，因而兼有粉末冶金和热锻造两种加工方法的特点，粉末锻造比从前的热锻造用的坯料重量误差少，可锻造复杂形状而且精度高，锻造时可控制几乎不产生缺陷，用一次压缩就可成形复杂形状，所得到的制品可达到真密度。强度大体能达到锻造品的值。精度、光洁度可接近烧结零件的优良值，成品的加工非常少，也有不要施行任何机械加工的。不过作复杂形状需要有在坯料成形和锻造两方面使用的昂贵的金属模型。粉末锻造工艺虽然原则上不外乎由粉末混合一成形一烧结，后面再加上热锻造工序所组成的，但实际上粉末锻造是处于这样一种现状：出现了各种各样的工艺，并且都得到了实际应用，可是这些工艺还没有一个统一的称呼。为了得到高强度粉末锻造零件，一般使用合金粉末，只有在强度要求低时可用混合粉。粉末锻造所用坯料的成形
与通常的烧结零件的成形方法基本相同，但有一点不同，用烧结零件必须得到规定的尺寸精度和光洁度。
粉末锻造的基本工序有原料粉末配制、预制坯压制、烧结、锻造、后续处理等，其中前3个工步属于粉末冶金工序、后两个工步属于锻造工序。粉末冶金工序和锻造工序间的合理连接仍然是粉末锻造正在寻求解决的问题。若烧结后立即进行锻造，则可省掉烧结后的冷却和锻前的再加热工步，节能效果显著，生产率高，但对各工步节拍要求严格，连续生产中的稳定性难以保证。反之，将预制坯冷却到一定温度出炉，然后再进行加热和锻造，则生产中的稳定性容易保证，但烧结时的热量未能利用。为了满足粉末锻造的
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生产稳定性要求，实际生产中较多采用二次加热方式组织生产，但是一次加热方式的应用研究仍然得到人们的广泛重视。
近年来，美国和日本汽车公司开发汽车、摩托车复合凸轮轴，其凸轮用钢粉烧结而成，驱动轮的烧结元件用Fe-Cu-C烧结而成，然后再钎焊在钢管上，这样的复合凸轮轴在重量上节材40%左右，使加工大大简化、降低成本，并使发动机功率得到提高。为适应汽车、摩托车对环保、节能、降低制造成本和提高性能等方面的要求，近些年开发了车用上千种关键粉末冶金零件，诸如，排气门阀座、连杆、
各种齿轮、链轮、变速器零件、凸轮等。粉末冶金零件现在是汽车、摩托车的重要基础零件。粉末冶金技术已经成为零部件制造业改进与提高质量、开发新材料、新产品、降低生产成本、增强竞争能力的核心技术之一，一直倍受全球汽车、摩托车工业的关注。随着我国汽车、摩托车工业快速发展，高附加值的零部件需求将加速增长。与此同时，产业链全球化的采购系已经形成，带给国内零部件企业商机显而易见。
从我国粉末锻造生产总量和生产体系看，尽管仅次于日本，但从产品开发能力、技术性能、产品质量和制造水平及其在国际市场上的竞争能力看，与世界粉末冶金强国—美国、日本、欧洲比，差距更大。主要表现为：产品趋同化，构成不合理。缺少高性能产品。高强度、高密度、高精度的粉末冶金零件、高精度微小型含油轴承、高性能摩擦材料等产品还不能满足需求；产品性能较低，可靠性较差。目前，我国生产的粉末冶金铁基结构零件，一般来讲，由于原料粉末和辅料来源多，质量管理、生产与技术等问题，产品质量还不够稳定，由于产品开发能力弱，产品性能和可靠性以及竞争辐射能力尚待增强；产品创新和自我开发能力较弱，不能满足快速发展的制造业以及新学科领域正在发展中的其他高科技工业的配套需求。目前很多汽车、摩托车上使用的粉末冶金零件大多是随车进口的。
粉末锻造制品行业在我国发展较快，钢铁粉末的产量也在逐年递增，年产量约20万吨以上。一些生
产企业由于引进了国外先进设备技术，生产高强度、
高精度粉末冶金零件，把粉末冶金制品的质量、技术y550p
提高到一个新的水平；粉末注射成型、粉末锻造、纳
米技术、精细陶瓷等新技术的开发应用提高了行业整
体技术水平，构成了一个完整的行业体系，产品应用
各个领域。粉末冶金作为一种独特的汽车零件制造技术，其应用也越来越广泛，正向高致密化、高性能化、集成化和低成本等方向发展，并越来越受到设计
和制造人员的重视。当前我国的粉末锻造技术水平相
对国外发达国家依然有着不小的距离。但由于我国拥
有原料供给的区域优势，作为产业竞争力提升的基础，依然有较强的竞争力。
未来我国粉末锻造零件产品市场潜力将呈井喷增长。据资料显示，发达国家汽车、摩托车制造业粉末
冶金制品的用量占其粉末冶金制品总产量的绝大多数，如美国占90%，欧洲为80%，而我国目前尚不足40%。如果我国每辆车粉末冶金制品的用量达到欧洲水平，加上保有量粉末冶金零件的更换，那么
仅此一项
的钢铁粉末就需要近10万t。粉末锻造技术既保持粉末
冶金成形性能较好的优点，又发挥锻造工艺有效地改
变金属材料组织和性能作用的特点。这使粉末冶金和
锻造工艺在生产上取得了新的突破，在各工业部门中
有较大推广应用的发展前景。
总之，粉末锻造是一项集材料制备与零件成形于
一体，节能、节材、高效、最终成形、少污染的先进
制造技术，在材料和零件制造业具有不可替代的地位
和作用，已经进入当代材料科学的发展前沿，随着科
技的发展、技术的进步，在我们身边可以看到更多的
粉末冶金制品。粉末锻造作为金属零件制造的少无切
削工艺之一，采用模压成形和烧结工艺，具有节约材料、提高效率、降低成本的特点。由于许多粉末锻造
新技术的出现和实用化，已开发出不少优异材料，这
些材料已经或正在促使相关应用领域发生重大变革。
可以预言，粉末锻造的发展前景是非常广阔的。
（全文完）
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