粉末冶金产品密度测量方法粉末冶金技术的应用

发布日期:2020-07-20 03:26

  1铁基粉末冶金零件的市场现状 近十年来,粉末冶金工业发展迅速。1989~1999年中国大陆与世界铁基粉末主要生产地区的铁基粉末年发货量比较[1~6]。铁基粉末的市场需求在总体上有明显的增长,特别是北美市场已保持了连续9年的高速增长[1]。日本虽然受到国内长期经济不景气的拖累,但铁基粉末的产量仍然较高。中国大陆的铁基粉末产量缓慢增长。1994~1998年亚洲部分地区粉末冶金件的年产量[4,7]。1997年亚洲金融风暴令日本和韩国的粉末冶金工业蒙受挫折,但在中国(包括大陆和台湾省),粉末冶金制品的产量明显增长。

  粉末冶金制品的用途广泛,但主要用于机械零件,其中以铁基材料为主。过去十多年,全球粉末冶金制品大部分用于汽车工业,一直占粉末冶金件的70%左右[1]。目前,每部欧洲汽车中约有7kg重的粉末冶金件。而每部美国汽车中粉末冶金件重达16kg[1],相对于1991年的10kg增幅超过50%。各大汽车制造商预言,未来10年每部汽车中将有重达25kg的粉末冶金件,美国汽车中或许更高[1,8]。因此,在未来10年,汽车工业仍将是推动粉末冶金工业发展的主要动力。高性能铁基粉末冶金件已普遍用于传动装置、发动机、通用机械和工具等产品,其市场前景非常广阔。 2温压技术的特点 基于安全和耐用等理由,对汽车零部件的性能要求很高。近年我国快速发展的汽车工业必然会带动高性能粉末冶金材料特别是铁基材料的发展。因此,开发高性能特别是高力学性能的粉末冶金材料,是粉末冶金的发展方向和研究重点。提高粉末冶金材料的密度,是实现这一目的的最有效途径。 传统一次压制/一次烧结生产的铁基粉末冶金制品,其密度一般在7 1g/cm3(相对密度约90%)以下,力学性能远低于同类材料的全致密件。生产高密度、高性能粉末冶金件一直是粉末冶金行业追求的目标之一。在众多的高密度粉末冶金生产方法中,温压是最为经济的一种新工艺。温压技术在90年代中期发展成熟并成功用于工业生产。数家国际知名的粉末冶金公司各自推出受到专利保护的温压技术,如瑞典H gan sAB的DensmixTM、美国HoeganaesCorporation的AncordenseTM和加拿大QMPMetalPowder的FlowmetWPTM等。 温压工艺是在传统粉末冶金工艺的基础上改进而来。工艺过程是将混有温压专用润滑剂(和粘结剂)的粉末加热至130~155℃,然后在加热到上述温度的模具里压制成形[9~11]。与传统工艺相比,温压成形的压坯密度约有0 15~0 30g/cm3的增幅[9~11],对于提高粉末冶金制品的性能特别是力学性能具有重要作用。温压工艺的特色是工艺简单、成本低廉,在传统的粉末冶金设备上稍加改装,经一次温压压制/一次烧结即可生产出高密度、高性能且质量稳定的产品,其密度可达7 45g/cm3[9],经复压复烧更可高达7 65g/cm3[12,13]。 Shah和Issacs比较了以温压工艺和传统复压复烧工艺生产齿轮的成本[14]。表1是对两种齿轮的成本分析结果。在零件性能相当的情况下,温压生产的成本比复压复烧生产的成本低10%左右。表2列出了各工艺的优缺点及成本比较[15]。温压能以低于复压复烧的成本生产出性能相当的产品。值得注意的是,其产品在某些方面可以和锻造产品相竞争。温压工艺成本低廉、产品密度高而均匀、力学性能优越,兼有弹性后效小、脱模力低等工艺特点,其生坯强度超过20MPa[10],可在烧结工序前作机加工处理,以节约机加工工时和减少刀具磨损。 3温压技术工业化现状 自1994年温压技术的成果被正式公布到1996年年底为止,在短短的两年时间就有大约36种温压产品在批量生产或准备批量生产,其中包括重达1 2kg,用在福特卡车变速箱上的转矩涡轮毂[16,17]。国外多家公司也利用温压技术开发出高密度、高强度的斜齿轮。温压工艺除使齿轮整体密度增大外,齿的密度也大为增加,使齿的强度提高约30%[18],从而省去了用滚压工艺来局部提高齿部密度的工序。日本日立粉末金属公司采用温压技术生产粉末冶金小节锥半角斜伞齿轮,成功取代过去以机加工锻钢坯的昂贵生产工艺[19]。法国FederalMogul公司以温压技术为汽车工业制造了使用性能与锻造和粉末锻造相近,但成本较低的连杆,表明了温压技术有了重大突破,该公司计划到2002年生产350~600g重的各种连杆1500万件[20]。瑞典H gan sAB与ScaniaCV公司采用温压工艺共同开发出一种用于重型卡车变速器的大型零件LatchCone[21]。该零件长期以来都是用精密锻造或粉末锻造方法生产的。由此可见,温压工艺具有工艺简单和较高性能价格比的优势是完全可以和锻造工艺竞争的。 在国内,引进温压工艺的粉末冶金零件生产厂有宁波东睦粉末冶金公司和扬州保来得工业有限公司。两家工厂都是从国外引进技术、生产线与购买专用温压粉末进行生产。 4温压技术的发展及在我国的应用前景 由于长期缺乏数量较大和附加值较高的零件需求,没有机会让粉末冶金行业发挥它特有的优势,因此我国粉末冶金工业基础较为薄弱,一直都未受到重视。1989年粉末冶金轴承占我国粉末冶金零件总产量的60%(质量分数),其中大部分是低附加值的普通轴承。90年代中期,汽车工业发展较快,为高性能铁基粉末冶金件的生产发展提供了良好的机遇,用于汽车和摩托车工业的粉末冶金零件按质量计算在10年间几乎翻了一番[23,24]。与此同时,用于附加值较低的农机工业粉末冶金零件则几乎减少一半。由此可见,发展高性能粉末冶金零件是大势所趋。目前,国产轿车只维持在年产几十万辆的水平,预期到2010年将会达到年产100万辆左右。届时,对高性能铁基粉末冶金件的需求将会达到万吨以上。这无疑是发展我国粉末冶金工业的一次难得的机遇。粉末冶金产品密度测量方法根据对我国粉末冶金零件市场的预测[25],在2000年生产规模的基础上,粉末冶金零件在各行各业的应用都将有所增长。到2005年,摩托车行业和小型制冷压缩机行业将有40%的增幅,而汽车行业的预期增幅更达70%。目前,国产汽车平均每辆使用3~6kg粉末冶金零件[26,27],而国外则多达16kg,两者的差距反映出我国粉末冶金工业相对比较落后。但是,随着中国汽车工业迈向大规模生产,这一差距将很快缩小。以桑塔纳轿车为例,每辆用粉末冶金件仅15种,重3kg,而去年投放市场、ag8下载粉末冶金技术的应用以美国技术生产的别克轿车则每辆用粉末冶金件35种,重12 5kg[27]。从生产普通粉末冶金件向生产高性能粉末冶金件过渡不是一朝一夕的事,特别是为汽车提供零件不是接了订单就能组织生产这么简单,必须通过一连串的试验、试制、台架试验、装机试验、定型、批量生产等相当长的过程。粉末冶金技术概念尽管未来汽车用粉末冶金件大量需求,但在国内推广温压技术的工业化还有不少困难。除少数几家拥有雄厚财力和技术实力的大型粉末冶金厂外,一般生产厂是不太可能投入大量的资金进口昂贵的温压设备和专用粉末。因此,温压技术的国产化非常重要。 性能优良、质量稳定的粉末是高性能粉末冶金工业的基础,我国的铁基粉末生产无论在产量、性能或质量的稳定性等方面都与世界发达地区有着明显的差距。适用于生产高密度、高性能零件的雾化铁粉其产量长期偏低,90年代以前年产量一直徘徊在几百吨,1995年起开始快速增长,目前雾化铁粉的产量已占铁基粉末总产量的1/4左右。雾化铁粉的年产量节节攀升,充分说明我国铁基粉末冶金件的产品结构正向高性能方向发展。目前,温压专用粉末尚未有批量生产。如果完全依赖进口,不但成本高昂,而且还将制约粉末冶金产品的自主开发。因此,大批量生产压缩性能优良和质量稳定的铁粉和预合金粉末,并研制适合我国国情的温压专用粉末加热装置是当务之急,以免过分依赖昂贵的进口产品。可喜的是华南理工大学已成功开发出有自主知识产权的温压专用粉末及其加热装置,为温压原材料及设备的国产化打下了基础。粉末冶金技术手册 目前,对粉末冶金结构件的密度要求一般在7 0g/cm3以上,有些甚至高达7 6g/cm3。而温压成形正好是生产密度此范围零件的工艺。我们可以利用温压技术只需较小成形压力等优点开发较大型的零件。我们亦可以利用温压成形的零件具有较高力学性能的优势,在免除诸如热处理等后续工序的基础上生产强度达800MPa以上、精度达IT6~IT5的粉末冶金零件以增强粉末冶金零件的竞争力。H gan sAB公司报道,以温压成形并经一次烧结的含Cr铁基粉末冶金材料,其烧结态的强度可达1299MPa[28]。也可以通过合金成分的调整,利用温压工艺生产高强韧零件。HoeganaesCorporation探讨了以温压成形代替机加工可锻铸铁制造高强韧齿轮的可行性,以减免热处理和机加工工序[29]。结果显示,他们的温压粉末冶金材料其烧结态的冲击韧度与热处理态的可锻铸铁差不多,抗拉强度和屈服强度与热处理到28HRC的可锻铸铁一样,但伸长率较低。华南理工大学研制出强度在600MPa以上、伸长率达4%的铁基粉末冶金材料,并在高强耐磨零件方面,通过加入适量硬质颗粒增强零件的耐磨性,成功地开发出一系列耐磨铁基复合材料,适合于制造发动机的导筒和导管等零件。 德国Fraunhofer研究所在温压工艺的基础上,开发出一种称为“流动温压工艺”(WarmFlowCom pactionProcess)的技术[30,31]。通过加入适量较微细的粉末、加大及调节润滑剂的含量以提高粉末的流动性、填充能力和成形性,可以制造带有垂直于压制方向上的凹槽、孔和螺丝孔等制件。制造此类粉末冶金件过去一直被认为是非常困难甚至是不可能的,利用程控压机复杂和精准的动作也只能生产出较为简单的此类零件[32]。该工艺不但适用于铁基材料,还适用于诸如钛、WC Co等其他材料。由此可见,温压工艺具有非常广阔的发展前景。目前,温压技术还远远没有发挥出其潜在的和应有的作用,其发展前途是不可低估的。 利用计算机进行温压成形过程的模拟是提高产品开发效率的有效工具,可充分利用温压的优点开发新零件或重新设计零件,扩大粉末冶金件的应用,并突破只凭经验摸索的瓶颈,大量减少试验次数,缩短产品开发周期,使企业能更快速地对市场作出反应。高密度、高性能零件是未来几年的高增长点,掌握此方面的技术对夺取潜在的市场具有积极意义。 利用粉末冶金技术开发无需油脂润滑的耐磨件,以适应某些特殊行业的要求,如纺织机械等行业。在纺织机械和缝纫机上的某些零件,目前是采用复压复烧法生产,其密度达7 5g/cm3,抗拉强度达500MPa[33]。这些产品的性能正好是温压工艺所能达到的范围,问题是产量的大小,因为粉末冶金的低成本是建立于大批量生产的基础上,所以开发非汽车用的粉末冶金零件还要耐心地解决有关问题。所幸我国市场庞大,以缝纫机为例,1995年的产量就达970万台[34]。只要不发生恶性竞争,开发非汽车用零件是大有可为的。 大力发展和推广温压工艺这种低投入、低成本的高密度粉末冶金生产技术,能为我国粉末冶金工业在新世纪里挤身国际市场打下坚实的基础。我国的汽车工业目前还处于初级发展阶段,在未来的十多年里随着汽车工业的发展,一定能提供一个庞大的市场消化我国粉末冶金工业为国产汽车研制的高性能粉末冶金件,形成一个以市场带动新技术,又以新技术开发新产品、开拓新市场的良性循环。

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