粉末冶金在汽車上的應用

劉培祥

（東北林業大學交通學院，哈爾濱150040）

粉末冶金在汽車上的應用

劉培祥

（東北林業大學交通學院，哈爾濱150040）

汽車行業的飛速發展也帶動了粉末冶金在汽車上的應用。本文介紹了粉末冶金的基本工藝特點，列舉了幾個粉末冶金在汽車上的應用實例，對粉末冶金的發展做出了展望。

粉末冶金；汽車；零件；展望

0　引言

隨著汽車產量的攀升，汽車產業的節約材料、節能、減排以及降低生產成本，毫無疑問成為汽車產業目前面臨的重要挑戰。粉末冶金是節能環保、節材的金屬加工制造工藝，在現代汽車制造中無疑扮演著不可或缺的角色。

1　粉末冶金技術介紹

粉末冶金技術是先進的金屬成形加工技術。1910年美國的Coo1idgeW D發表論文“The Ptoduction of Ducti1e Tungsten”，是近代粉末冶金的誕生的標志。目前粉末冶金已經發展逾百年，應用領域也在不斷拓展。粉末冶金包括三個重要技術步驟，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、產品的后序處理。粉末冶金可以直接制造出尺寸準確、表面光潔的零件，減少了金屬切削過程，節約材料和加工工時，可以加工形狀復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用

最早利用粉末冶金批量生產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制造，1922年開始用于汽車發動機當中，這是粉末冶金自潤滑軸承的起源。在很長一段時間內，粉末冶金自潤滑軸承都是粉末冶金主要的零部件。1940年，因其低廉的價格、優異的機械性能，美國汽車公司率先采用粉末冶金油泵齒輪，這一事件標志著粉末冶金在汽車工業已經扎根。粉末冶金的起源與發展均與汽車產業密不可分，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自身需要的粉末冶金零部件。目前據統計，粉末冶金的主要市場一直是汽車產業，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業的緊密性。

汽車產業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構零件，前者主要是由90Cu-10Sn青銅生產的，后者基本上是由鐵粉為基本原料制造的。從粉末冶金的發展史上看，粉末冶金結構零件在一定程度上是有粉末冶金自潤滑軸承發展起來的。粉末冶金自潤滑軸承，又稱為燒結金屬含油軸承，構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。鐵基自潤滑軸承經濟實用，已經被汽車行業廣泛采用。而粉末冶金結構零件的產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新種類的零件。

2.1同步器錐環

同步器作為汽車機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。而同步器錐環作為同步器的核心部件，經常受到換擋撥環力矩、摩擦力矩的沖擊以及磨損，一旦其失效，變速器將不能換擋。過去同步器錐環多采用耐磨的鋁錳黃銅精鍛而成，而現在國內外汽車企業為降低成本、提高壽命，往往采用粉末冶金制造該零件。同步器錐環需要搞得尺寸精度及良好的耐磨損性能，目前國內外已經有成品面世。日本AichiMachine Industty Co.制造的粉末冶金鋼同步器錐環獲得了美國MPIF（金屬粉末工業聯合會）組織的粉末冶金零件設計大賽優秀獎，該零件比拉削的鋼零件可節約成本25%。

2.2曲軸正時齒輪和凸輪軸正時齒輪

曲軸正時齒輪和凸輪軸正時齒輪是用于發動機控制點火、噴油、氣門開閉等動作的關鍵部件，對于發動機最大功率、最大扭矩、燃油消耗率起重要作用。過去汽車采用45鋼或40Gt經調質處理作為曲軸正時齒輪和凸輪軸正時齒輪使用，現在從降低成本和減少切削加工兩方面考慮，許多新型發動機已經采用粉末冶金材料制造以上兩類零件。正時齒輪的主要制造要求是尺寸精度，這就需要模具在設計和制造過程中嚴格，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

發動機連桿是連接曲軸和活塞的連接件，將活塞產生的動力傳遞給曲軸，將活塞的往復運動轉變為曲軸的旋轉運動，工作中承受活塞銷的作用力和活塞的往復慣性力，這些力大小、方向隨時間快速變化，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度。疲勞強度不足，往往會造成連桿體或連桿螺栓斷裂，進而產生整機破壞的重大事故。若剛度不足，則會造成桿體彎曲變形及連桿大頭的失圓變形，導致活塞、汽缸、軸承和曲柄銷等的偏磨。汽車發動機連桿多采用鍛造或鑄造工藝，鍛造生產的連桿分為調質鋼和非調質鋼。美國通用公司、德國寶馬公司等企業已經在其生產的發動機中采用粉末冶金連桿，該項應用前景廣闊。

2.4凸輪軸

凸輪軸是活塞發動機里的一個部件。它的作用是控制氣門的開啟和閉合動作。雖然在四沖程發動機里凸輪軸的轉速是曲軸的一半，不過通常它的轉速依然很高，而且需要承受很大的扭矩，因此設計中對凸輪軸在強度和支撐方面的要求很高。由于氣門運動規律關系到一臺發動機的動力和運轉特性，因此凸輪軸在發動機中占據著十分重要的地位。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、中空結構可做潤滑油路的優點。首先把粉末冶金凸輪壓坯套入中空管，然后進行燒結工藝，巧妙地利用了燒結后粉末冶金收縮的特性。該工藝具有廣泛的應用前景。

3　粉末冶金在汽車產業應用的展望

國內汽車產業目前正飛速發展，國內企業亟需不斷研發新工藝、材料來完善現有材料的不足。粉末冶金作為一門先進的金屬制造加工技術，目前已經應用在汽車關鍵部位。未來粉末冶金進一步發展，就有了取代鑄造和鍛造的可能。據中國通用機械零部件協會粉末冶金分會統計，中國目前粉末冶金機械零件產量已經達到85 980t，我國目前每輛車平均粉末冶金利用在6kg左右，遠低于世界平均水平。機遇與挑戰都擺在中國車企面前，能否通過加快產業升級搶占中國巨大的市場是一個需要面對的問題。汽車行業的發展從某種程度上說就是新材料的發展，新材料決定了汽車產品的先進性，粉末冶金作為一種新材料技術，正在引導著汽車行業的變革，而粉末冶金的進步也離不開汽車行業的蓬勃發展。

10.3969/j.issn.1673-0194.2016.13.060

F407.471

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1673-0194（2016）13-0114-02

2016-04-12