[科普中國(guó)]-粉末鍛造

介紹

用粉末冶金方 法先制成接近于工件形狀的坯料，加熱后放在閉式 鍛模中進(jìn)行模鍛的一種新型模鍛工藝。采用粉末鍛 造簡(jiǎn)化了模鍛的制坯工序，提高了材料利用率，并可 以制造形狀復(fù)雜、尺寸精確、表面光潔、組織均勻 的零件。

粉末鍛造的原理粉末鍛造是指以金屬粉末為原料，經(jīng)過(guò)冷壓成形，燒結(jié)、熱鍛成形或由粉末經(jīng)熱等靜壓、等溫模鍛，或直接由粉末熱等靜壓及后續(xù)處理等工序制成所需形狀的精密鍛件，將傳統(tǒng)的粉末冶金和精密模鍛結(jié)合起來(lái)的一種新工藝，兼有兩者的優(yōu)點(diǎn),可以制取密度接近材料理論密度的粉末鍛件，克服了普通粉末冶金零件密度低的缺點(diǎn)，使粉末鍛件的物理力學(xué)性能達(dá)到甚至超過(guò)普通鍛件的水平。同時(shí)，又保持普通粉末冶金少、無(wú)切屑工藝的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)預(yù)成形坯和實(shí)行少、無(wú)飛邊鍛造，具有成形精確、材料利用率高、鍛造能量消耗少等特點(diǎn)。 典型的粉末鍛造工藝流程如圖1所示。

即以金屬粉末為原料，向生產(chǎn)陶瓷制品一樣，經(jīng)成型、燒結(jié)制造成金屬制品。鑒于粉末鍛造的生產(chǎn)過(guò)程和陶瓷完全一樣，因此，20世紀(jì)初，有人曾將粉末鍛造叫做“金屬陶瓷制術(shù)”。2

粉末鍛造的特點(diǎn)粉末鍛造的毛坯為燒結(jié)體或擠壓坯，或經(jīng)熱等靜壓的毛坯。與采用普通鋼坯鍛造相比， 粉末鍛造的優(yōu)點(diǎn)如下：

1.）材料利用率高 鍛壓是采用閉合模鍛，鍛件沒(méi)有飛邊，無(wú)材料耗損，最終機(jī)械加工 余量小，從粉末原材料到成品零件，總的材料利用率可達(dá) 90%以上。

2.) 成型性能高 可以鍛造一般認(rèn)為不可鍛造的金屬或合金， 如難變形的高溫鑄造合金通過(guò)粉末鍛造制成 形狀復(fù)雜的制品。 容易獲得形狀復(fù)雜的鍛件。

3.) 鍛件精密度高 粉末鍛造預(yù)制坯采用少無(wú)氧化保護(hù)加熱， 鍛后精度和粗糙度 可達(dá)到精密模鍛和精鑄的水平?？刹捎米罴杨A(yù)制坯形狀，以便最終成形形狀復(fù)雜的鍛件。

4.) 力學(xué)性能高 由于粉末顆粒都是由微量液體金屬快速冷凝而成， 而且金屬 液滴的成分與母合金幾乎完全相同， 偏析就被限制在粉末顆粒的尺寸之內(nèi)。 因此可克服普通 金屬材料中的鑄造偏析及晶粒粗大不均等缺陷， 使材質(zhì)均勻無(wú)各向異性.

5.) 成本低，生產(chǎn)率高 粉末鍛件的原材料費(fèi)用及鍛造費(fèi)用和一般模 鍛差不多，但和一般模鍛件相比，尺寸精度高、表面粗糙度低，可少加工或不加工，從而節(jié) 省大量工時(shí)。對(duì)形狀復(fù)雜批量大的小零件，如齒輪、花鍵軸套、連桿等難加工件，節(jié)約效果尤其明顯。 由于金屬粉末合金化容易， 因此有可能根據(jù)產(chǎn)品的服役條件和性能要求，設(shè)計(jì)和制備原材料，從而改變傳統(tǒng)的鍛壓加工都是“來(lái)料加工”模式，有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品、工藝、材料的一體化。

金屬粉末的選擇及制取粉末鍛造工藝應(yīng)用于制造力學(xué)性能高于傳統(tǒng)粉末冶金制品的結(jié)構(gòu)零件。因此廣泛選擇預(yù)合金霧化鋼粉作為預(yù)成形坯的原料。最普通的成分是含Ni和Mo兩合金元素，例如，含Ni0.4%和Mo0.6%或含Ni2%和Mo0.5%。這種成分的優(yōu)點(diǎn)是含少量氧化傾向的合金元素，特別是美國(guó)4600(Ni2%，Mo0.5%)只含有Mn0.2%-0.3%和含量小于0.1%的Cr，氧化傾向小，但價(jià)格較貴并缺乏足夠的淬透性，因此不適于要求高強(qiáng)度和高韌性等綜合性能好的零件。

為了提高粉末鍛件的淬透性，一般采取在含Ni0.4%和Mo0.6%的預(yù)合金霧化鋼粉和石墨的混合粉中加入銅。加入2.1%以下的銅，經(jīng)壓制、燒結(jié)鍛造后，鍛件表現(xiàn)出比無(wú)銅時(shí)具有更高的淬透性。 粉末鍛造用原材料粉末的制取方法主要有還原法、霧化法，這些方法被廣泛用于大批量生產(chǎn)。適應(yīng)性最強(qiáng)的方法是霧化法，因?yàn)樗子谥迫『辖鸱勰夷芎芎玫乜刂品勰┬阅?。其它如機(jī)械粉碎法和電解法基本上用于小批量生產(chǎn)特殊材料粉末。近年來(lái)，快速冷凝技術(shù)及機(jī)械合金化技術(shù)被用來(lái)制取一些具有特異性能、用常規(guī)方法難以制備的合金粉末，并逐漸在粉末鍛造領(lǐng)域應(yīng)用。粉末鍛造之所以有如此大的發(fā)展，是由于現(xiàn)在可以生產(chǎn)新的、高質(zhì)量的、低成本的粉末。

后續(xù)處理和加工鍛造時(shí)由于保壓時(shí)間短，坯料內(nèi)部孔隙雖被鍛合，但其中有一部分還未能充分?jǐn)U散結(jié)合，可經(jīng)過(guò)退火、再次燒結(jié)或熱等靜壓處理，以便充分?jǐn)U散結(jié)合。 粉末鍛件可同普通鍛件一樣進(jìn)行各種熱處理。 粉末鍛件為保證裝配精度，有時(shí)還須進(jìn)行少量的機(jī)械加工。

粉末鍛造在汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用粉末鍛造多用于各種鋼粉制件。 目前所用的鋼種有幾十種， 從普通碳鋼到多種低合金鋼， 以至不銹鋼、耐熱鋼、超高強(qiáng)度鋼等高合金鋼和高速工具鋼。有色金屬粉末鍛造不如鋼粉末 鍛造那樣應(yīng)用廣泛和成熟。特別是在汽車(chē)制造業(yè)，粉末鍛造技術(shù)有著充分的展現(xiàn)：

以汽車(chē)連桿為例，汽車(chē)連桿在整量汽車(chē)的運(yùn)行中起著傳動(dòng)的作用，運(yùn)用粉末鍛造技術(shù)鍛造后經(jīng)熱處理，材料獲得較好的綜合力學(xué)性能，數(shù)據(jù)表明抗拉強(qiáng)度達(dá)1090MPa，硬度HRC為40.7，沖擊韌性為38J/cm2，用于取代一些合金以節(jié)約較為稀缺的鎳。 同時(shí)，經(jīng)過(guò)粉末鍛造技術(shù)的連桿可以獲得更高的密度，可以避免高負(fù)荷運(yùn)動(dòng)下的斷裂，又由于密度的提高可以在制造中更加精準(zhǔn)的掌握連桿的尺寸精度，是器械的契合度更加完美。正因?yàn)榉勰╁懺斓倪B桿優(yōu)勢(shì)多多，他們經(jīng)常用于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的連桿機(jī)構(gòu)，來(lái)承受高強(qiáng)度的沖擊和負(fù)荷。

在國(guó)外的一些知名汽車(chē)廠就運(yùn)用這粉末鍛造技術(shù)實(shí)行汽車(chē)零部件的生產(chǎn)。德國(guó)寶馬汽車(chē)公司于1992年在V8發(fā)動(dòng)機(jī)上采用粉末鍛造連桿，使連桿的長(zhǎng)度有125mm縮短到115mm，而質(zhì)量降低20%，明顯改進(jìn)了平衡性，并降低了生產(chǎn)成本。 又類(lèi)如（1）美國(guó)通用汽車(chē)公司（GM）在1995年，在北極星V8型4.6L發(fā)動(dòng)機(jī)大量運(yùn)用了粉末連桿及鋁合金凸轉(zhuǎn)輪，其技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效果顯著。( 2) 美國(guó)福特汽車(chē)公司1986 年, 福特汽車(chē)公司大量生產(chǎn)和裝車(chē)使用粉末鍛造連桿, 用于排量119L 四缸發(fā)動(dòng)機(jī)和416L V8 發(fā)動(dòng)機(jī)上。至1991 年, 該公司至少已使用粉末鍛造連桿達(dá)1000 萬(wàn)根, 耗用鋼粉7000t 以上。在1995 年車(chē)型的318L V6發(fā)動(dòng)機(jī)和1996 年新產(chǎn)車(chē)型Zeta- ó型四缸發(fā)動(dòng)機(jī)上, 亦大量使用了這種粉末鍛造連桿。1996 年, 福特公司在全北美( 美國(guó)和加拿大)制造的發(fā)動(dòng)機(jī)上大量裝機(jī)使用, 并在歐洲福特汽車(chē)公司也裝車(chē)使用了粉末鍛造連桿。( 3) 美國(guó)克萊斯勒( Chrysler) 汽車(chē)公司克萊斯勒汽車(chē)公司也在新生產(chǎn)的210L、214L 發(fā)動(dòng)機(jī)上大量使用了粉末鍛造連桿。