粉末冶金在汽车上的应用

[摘 要] 汽车行业的飞速发展也带动了粉末冶金在汽车上的应用。本文介绍了粉末冶金的基本工艺特点，列举了几个粉末冶金在汽车上的应用实例，对粉末冶金的发展做出了展望。

[关键词] 粉末冶金；汽车；零件；展望

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2016. 13. 060

[中图分类号] F407.471 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2016）13- 0114- 02

0 引 言

随着汽车产量的攀升，汽车产业的节约材料、节能、减排以及降低生产成本，毫无疑问成为汽车产业目前面临的重要挑战。粉末冶金是节能环保、节材的金属加工制造工艺，在现代汽车制造中无疑扮演着不可或缺的角色。

1 粉末冶金技术介绍

粉末冶金技术是先进的金属成形加工技术。1910年美国的Coolidge W D发表论文“The Production of Ductile Tungsten”，是近代粉末冶金的诞生的标志。目前粉末冶金已经发展逾百年，应用领域也在不断拓展。粉末冶金包括三个重要技术步骤，分别是原料粉末的制备、粉末成型为所需形状的坯块、坯块的烧结、产品的后序处理。粉末冶金可以直接制造出尺寸准确、表面光洁的零件，减少了金属切削过程，节约材料和加工工时，可以加工形状复杂普通铸造难以加工的金属零件。

2 粉末冶金在汽车上的应用

最早利用粉末冶金批量生产的零件即为粉末冶金自润滑轴承，该轴承是由通用公司研发制造，1922年开始用于汽车发动机当中，这是粉末冶金自润滑轴承的起源。在很长一段时间内，粉末冶金自润滑轴承都是粉末冶金主要的零部件。1940年，因其低廉的价格、优异的机械性能，美国汽车公司率先采用粉末冶金油泵齿轮，这一事件标志着粉末冶金在汽车工业已经扎根。粉末冶金的起源与发展均与汽车产业密不可分，由于粉末冶金巨大的潜力，美国汽车三巨头早在1941年就建立了粉末冶金部门用于研发自身需要的粉末冶金零部件。目前据统计，粉末冶金的主要市场一直是汽车产业，在北美为70%～75%，西欧为80%，而在日本接近90%，这充分表明了粉末冶金与汽车产业的紧密性。

汽车产业使用的粉末冶金制品主要有两类，一种是自润滑轴承，另一种是粉末冶金结构零件，前者主要是由90Cu-10Sn青铜生产的，后者基本上是由铁粉为基本原料制造的。从粉末冶金的发展史上看，粉末冶金结构零件在一定程度上是有粉末冶金自润滑轴承发展起来的。粉末冶金自润滑轴承，又称为烧结金属含油轴承，构造简单但因其多孔性自行供油特性所以必须才有粉末冶金制造。铁基自润滑轴承经济实用，已经被汽车行业广泛采用。而粉末冶金结构零件的产生之初就是为了替代已有的齿轮、链轮、凸轮及各种形状的铸件，锻造件以及需要切削加工的零件和开发新种类的零件。

2.1 同步器锥环

同步器作为汽车机械式变速器的重要部件起到使换挡迅速方便，减轻换挡冲击的作用。而同步器锥环作为同步器的核心部件，经常受到换挡拨环力矩、摩擦力矩的冲击以及磨损，一旦其失效，变速器将不能换挡。过去同步器锥环多采用耐磨的铝锰黄铜精锻而成，而现在国内外汽车企业为降低成本、提高寿命，往往采用粉末冶金制造该零件。同步器锥环需要搞得尺寸精度及良好的耐磨损性能，目前国内外已经有成品面世。日本Aichi Machine Industry Co.制造的粉末冶金钢同步器锥环获得了美国MPIF（金属粉末工业联合会）组织的粉末冶金零件设计大赛优秀奖，该零件比拉削的钢零件可节约成本25%。

2.2 曲轴正时齿轮和凸轮轴正时齿轮

曲轴正时齿轮和凸轮轴正时齿轮是用于发动机控制点火、喷油、气门开闭等动作的关键部件，对于发动机最大功率、最大扭矩、燃油消耗率起重要作用。过去汽车采用45钢或40Gr经调质处理作为曲轴正时齿轮和凸轮轴正时齿轮使用，现在从降低成本和减少切削加工两方面考虑，许多新型发动机已经采用粉末冶金材料制造以上两类零件。正时齿轮的主要制造要求是尺寸精度，这就需要模具在设计和制造过程中严格，国外有采用电火花加工的工艺，能够比较精确地将模具加工出来，然后研磨降低粗糙度。

2.3 曲轴连杆

发动机连杆是连接曲轴和活塞的连接件，将活塞产生的动力传递给曲轴，将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，工作中承受活塞销的作用力和活塞的往复惯性力，这些力大小、方向随时间快速变化，所以连杆承受压缩、拉伸等交变载荷的作用，故连杆必须有足够的刚度和疲劳强度。疲劳强度不足，往往会造成连杆体或连杆螺栓断裂，进而产生整机破坏的重大事故。若刚度不足，则会造成杆体弯曲变形及连杆大头的失圆变形，导致活塞、汽缸、轴承和曲柄销等的偏磨。汽车发动机连杆多采用锻造或铸造工艺，锻造生产的连杆分为调质钢和非调质钢。美国通用公司、德国宝马公司等企业已经在其生产的发动机中采用粉末冶金连杆，该项应用前景广阔。

2.4 凸轮轴

凸轮轴是活塞发动机里的一个部件。它的作用是控制气门的开启和闭合动作。虽然在四冲程发动机里凸轮轴的转速是曲轴的一半，不过通常它的转速依然很高，而且需要承受很大的扭矩，因此设计中对凸轮轴在强度和支撑方面的要求很高。由于气门运动规律关系到一台发动机的动力和运转特性，因此凸轮轴在发动机中占据着十分重要的地位。近年来，研究人员提出了新型组合式中空凸轮轴，具有重量轻、能耗低、中空结构可做润滑油路的优点。首先把粉末冶金凸轮压坯套入中空管，然后进行烧结工艺，巧妙地利用了烧结后粉末冶金收缩的特性。该工艺具有广泛的应用前景。

3 粉末冶金在汽车产业应用的展望

国内汽车产业目前正飞速发展，国内企业亟需不断研发新工艺、材料来完善现有材料的不足。粉末冶金作为一门先进的金属制造加工技术，目前已经应用在汽车关键部位。未来粉末冶金进一步发展，就有了取代铸造和锻造的可能。据中国通用机械零部件协会粉末冶金分会统计，中国目前粉末冶金机械零件产量已经达到85 980t，我国目前每辆车平均粉末冶金利用在 6kg左右，远低于世界平均水平。机遇与挑战都摆在中国车企面前，能否通过加快产业升级抢占中国巨大的市场是一个需要面对的问题。汽车行业的发展从某种程度上说就是新材料的发展，新材料决定了汽车产品的先进性，粉末冶金作为一种新材料技术，正在引导着汽车行业的变革，而粉末冶金的进步也离不开汽车行业的蓬勃发展。

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