粉末锻造的工艺适应性与零件应用

时间：2016-11-03作者：浙江兆东机械有限公司浏览：81

                          粉末锻造的工艺适应性与零件应用
    粉末冶金作为金属零件制造的少无切削工艺又二—  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，铁铜基粉末冶金零部件在汽车、摩托车及机械零部件上的应用越来越多。但一般粉末冶金零件在致密性和机械性能上难以达到冶炼钢的水平。尽管采用了许多新工艺方法，如复压复烧、温压成形等，却很难突破7 .7g/cm3以上的密度水平，且成本大幅提高。粉末锻造工艺较好地解决了这一问题，通过粉末冶金和精密锻造工艺的**结合，使粉末冶金材料各向同性、材质均匀，密度接近或达到冶炼钢的水平，材料综合性能达到甚至**过合金钢的性能。如今粉末锻造已成为重要的机械零件近净成形工艺之一。
                                    国内外现状
    1940年美国通用汽车公司就进行过粉末锻造工艺的实验研究。1968年该公司宣布粉末冶金锻造汽车后桥差速器行星齿轮试制成功，并与辛辛那提公司合作建立了自动生产线。80年代初，日本、德国和美国的粉末锻造汽车连杆开始投入生产应用，1987年各种粉末锻造产品达到年产2万吨的水平，美国福特公司的粉末锻造汽车连杆在1991年达到100万支的生产能力。曰本丰田公司粉末锻造连杆在80年代已达到年产30万件，日本神户制钢所80年代建立了**条粉末锻造生产线。德国Krebsoge公司1992年在BMW—V8型轿车发动机上采用了粉末锻造连杆，并生产出用于高性能摩托车BMW—1RORS双缸发动机用粉锻连杆。其基本成分为O. 6%C，（0. 3一0.4） %Mn，（0.1一0. 25 ）%Cr，（0. 2一0 .3）%Ni ，(0.25一0 3 5 )%Mo，其余为Fe。经锻造后，密度可达理论密度的97%以上，抗拉强度为100MPa。在其他零部件方面，美国生产钻井钻头迄今较重达2.6kg，但粉末锻造件一般不**过2kg。原材料方面已有粉末锻造**标准，如AISI4600粉末成分0.5%C，2%Ni，0.5%Mo，0.24%Mn。
    我国的粉末锻造研究起步较晚，受制于设备和原材料水平，推广应用不多。近年来我国粉末原材料品种不断增多，质量有了较大提高，为粉末锻造的发展提供了原材料的**，粉末锻造工艺的研究有了新的开端，部分企业开展了汽车连杆粉末锻造应用研究，开发了部分粉末锻造产品为进一步的发展打下了基础。
                                粉末锻造的工艺特点
     近净成形
    从毛坯压制到锻造均使用模具成形，可以获得接近零件尺寸的毛坯或较终产品，属于少切削和无切削的先进制造技术，材料利  用率可高达95%以上。烧结和锻造在保护  气氛下进行，表面氧化少，提高了锻件精度， 模具寿命长。
     机械性能高
    经过粉末锻造和热处理，材质密度达到  理论密度的98%以上，内部组织均匀、无  偏析，机械性能达到甚至**过普通模锻钢。 特别是疲劳强度比普通合金钢有明显提高， 在汽车连杆等抗疲劳要求较高的零件上得到 广泛应用。
     成分可调整
    用粉末作为原材料，可以根据零件的实际使用工况和性能要求，大范围地调整材料成分，获得较大性价比。
     生产效率高
    由于从毛坯制造到锻造采用精密模具成形，工序少，流程短，可以满足大批量、自动化生产。有较高的生产效率。
     产品成本低
    由于材料利用率和加工精度高，省去了粗加工，减少了中间工序，实现了少无切削，  产品成本大幅降低。特别是外形复杂、加工 工序多、加工工时多的机械零件利用粉末锻 造可以有效降低成本。
                                      工艺适应性
    粉末锻造零件在考虑可靠性的同时应进行经济分析。粉末锻造的意义在于它使粉末冶金这一工艺从低密度产品到高密度产品有了一个完整的选择区域。密度范围在5.8~7.8g/cm3的零件，粉末冶金包括粉末锻造都可发挥模具成形、提高工效、降低加工成本的优势。和传统工艺相比，外型较复杂、台阶较少、加工量较大的零件更适于粉末锻造，如连杆、齿轮等。
    可采用粉末锻造的汽车零部件包括：发动机（连杆、齿轮、气门**杆、交流电机转子、阀门、起动机齿轮、环形齿轮、汽缸衬筒、齿圈换挡齿轮、气缸瓦等）；变速器（毅套、回动空转齿轮、离合器、轴承座圈同步器、各种齿轮、反向齿轮、同步环、倒挡惰轮等）；底盘（后壳体端盖、扇形齿轮、万向轴、测齿轮、轮毅、伞齿轮、环形齿轮、齿圈等）；自动变速器（内环、外环、离合器凸轮、副轴齿轮压板、停车自锁齿轮、齿圈、其他齿轮等）。
    机械零件的高精度和高强度对粉末锻造工艺提出了更高要求。高密度≥ 7. 8g/cm3以及密度的均匀性；对模具的精度和寿命要求高：粉末锻造的温度一般在950一1050度之间，加热过程防氧化；粉末锻造的**设备缺乏，且价格不菲等。
                                     典型零件应用
    发动机连杆承担着把活塞的直线运动通过曲柄转换为往复回转运动不仅要求抗拉、抗弯，而且要求耐磨、耐冲击，其综合机械性能要求苛刻。选择TB50摩托车发动机连杆为对象，研究了粉末锻造连杆的材质及工艺，取得了较好的效果。
    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。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。粉末锻造的任务有两个，一是有满足良好机械性能的合理的材质成分，得到均匀合理的预成形坯，二是采用的粉末冶金和精密锻造相结合，得到高密度高强度的机械零件。因此实验包括以下步骤：（1）不同的粉末组成对烧结和性能的影响；（2）设计毛坯和粉末冶金压型模具；（3）设计热锻模具，研究粉末冶金预成形坯的热流动规律及成分对锻造和锻后性能的影  响；（4）加工性能及热处理后性能检测；（5）装机  考核。
     预成型坯和压型模的设计
    设计要点为：（1）预成形坯尽量接近连杆的  形状；（2）有利于预成形坯各部位密度均匀。要做到这一点必须设法控制压制过程中粉末的横 向流动。为了抑制横向流动，压型模的冲头各部位必须多工位运动，可称为不同步压制。利用这种方法，应根据混合粉末的松装密度设计模具冲头各部位的高度，只有粉末预制坯的密度均匀，才能为锻造均匀创造条件。
     预成型坯成分设计
    作为受力复杂的结构件，连杆要求有高弛韧性，同时回转部位要有较高硬度，因此杠料的设计要考虑以下几点：（1）含碳量为中侣碳；（2）有一定的淬透性，基体淬火后的硬度在30HRC以上、满足局部渗碳的要求。为止，选择Fe—C，Fe—C—Ni—Mo，Fe—C—Cu，Fe—C—Cu—Mo系进行了交叉实验。铁粉选用赫格那斯（Hoganas）100目雾化粉。碳的加入形态为200目以上的鳞片状石墨，考虑烧结过程中的碳损失，把含碳量控制在0.3%~0. 6%。镍、钼的加入是为了提高强韧性和淬硬性。
     锻造模具的设计
    钢制连杆的锻造一般为开式锻模，即上下模腔，带飞边。把粉末预成形坯用开式锻模锻造发现易出现锻造裂纹，无法做到无切边和高密度，因此连杆粉末锻造不能使用开式锻模。采用闭式锻模特点是无飞边，导柱导向。留出模斜度和排气孔，由上下冲头一次封闭挤压，使锻件的密度较高。而且外型光洁完整。
    锻模选用3Cr2W8制造，设计中应考虑热膨胀因素。密度为6.4g/cm3的粉末预成形坯的热膨胀系数1000度时为2.3%~2.5%不同的成分影响不明异。
     锻造及热处理
    锻造实验打击力度为10t/cm3，保护气加热，锻模预热至300度左右，随着加热温度提高。连杆密度增大，但温度提高到10500度以后，在其他条件相同的情况下密度达到峰值。温度增高，表面氧化脱碳趋于严重，因此锻造温度设在1000一1050度范围。锻造以后工件入油冷却，锻件经镗孔后两轴孔和端面需渗碳淬火，其余部位涂防渗涂料，850度淬油，200度回火。
     实验结果与分析
    实验证明，在相同的打击力情况下，预成型坯密度在6.4~6.5g/cm3时段后连杆的密度较高。通过锻件机械性能的比较。选择Fe—CCuMo系作为分段连杆说的材质组成：0 . 5%C、（1一2） %Cu、（0.3一0.6）%Mo、其余为Fe，这样的材质组成既保证了连杆整体的强韧性，又能满足表面热处理的需要。热处理后的主要金相组织为低碳马氏体、珠光体和铁素体，渗层深度为0.6一0. 9mm。粉末冶金材料趋于各向同性，保证了材质的均匀性，使连杆具有良好的综合机械性能。
                                      结束语
    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**结合，零件综合性能达到甚至**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造，如连杆、齿轮等。
    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TB50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。


——选自《锻造与加工》


浙江兆东机械有限公司专注于铜锻造,铜机加工,铜冲压等

• 词条

  词条说明

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