中国粉末冶金零部件产业依托汽车工业的发展研究

曹阳 包崇玺 315191) (东睦新材料集团股份有限公司,宁波 摘要:简述了中国粉末冶金零件产业的发展情况,以及汽车工业对中国粉末冶金零件产业发展的驱动作用;概述了粉末冶金零件的制造工艺特点,并介绍了中国生产的代表性的粉末冶金汽车零件和近年新开发的典型粉末冶金汽车零件;简要介绍了近年国外开发的典型粉末冶金汽车零件,以及国外关于粉末冶金产业技术发展路线图及与汽车工业的关系。关键词:粉末冶金零件产业 粉末冶金零件 粉末冶金汽车零件U466 B Doi:10.19710/j.cnki.1003-8817.

Automobile Technology & Material - - At & M Vision - 1963—),作者简介:曹阳( 男,教授級高级工程师,工学学士,工商管理硕士,研究方向:粉末冶金材料及粉末冶金零件,粉末冶金产业发展。

1 前言

在过去的三十年中,粉末冶金技术在新的产业的应用越来越多,包括高强度、高密度粉末冶金零件、高性能粉末冶金含油轴承、过滤器、摩擦材料、金属注射成形的复杂零件、用于切削工具和耐磨损件的烧结硬质合金材料、超硬金刚石工具、粉末磁性材料、电触点和碳刷,以及粉末冶金中间产品,如工具钢、难熔金属、超合金等,使得粉末冶金技术成为增长最快的金属成型技术。

本文所介绍的粉末冶金技术工艺,仅指以金属粉末(主要是铁粉)为主要原料,添加必要的合金粉末,经压制、烧结等工艺而制备机械零件的工艺过程。

采用粉末冶金技术工艺制造机械零件较其他 金属加工工艺,如铸造、锻造、机械加工等,具有更高的材料利用率,以及更低的单位能耗等比较优1势。图所示为欧洲粉末冶金协会(以下或简称EPMA”) “对粉末冶金工艺(烧结)与其他金属加工工艺,在材料利用率和单位能耗所做的对比试验结果 2 。鉴于粉末冶金工艺具有材料利用率更高、

[]单位能耗更低的优点,美国的金属粉末工业联合MPIF”)会(以下或简称“将粉末冶金技术认定为一2项“绿色技术” 3 ,如图 所示。

[]

从全球范围来看,粉末冶金产业,特别是粉末冶金机械零件产业与汽车工业的发展高度关联。汽车工业的发展为粉末冶金零件产业发展提供了

更高、更大的发展空间,粉末冶金材料及工艺技术的不断提升,也为汽车工业提供了性价比更高的金属零件加工制造的选项。

2 中国粉末冶金零件产业的发展现状

根据美国金属粉末工业联合会和美国能源部2001 9工业技术办公室指导编写,并于 年 月发布PM2 INDUSTRY VISION AND TECHNOLOGY的《ROADMAP— Powder Metallurgy and Particulate Materials》[1],粉末冶金产业的发展机遇是与汽车70%工业密切相关的,因为 的铁基粉末冶金零件是用于汽车产业的;平均一辆汽车的粉末冶金零1978 16 7 kg) 2000件用量已由 年的 磅( 增长到 年36 16 kg),的 磅( 并预计在不久的未来将持续增加50 28 kg) 2017到 磅( 4 。 年北美的粉末冶金铁粉[] 38.6出货量超过了 万吨,用于粉末冶金零件及摩35.4 2016 10擦件的粉末超过了 万吨。根据 年月PM2016 MPIF在汉堡召开的 世界粉末冶金大会上Overview of PM Activities in North主席发表的《America》,北美平均每辆汽车预计使用粉末冶金18.6 kg, 7.2 kg, 8 kg零件达 而欧洲为 日本为 5 。[] 90%另外,以上的铁基粉末冶金零件用于汽车,根EPMA 39%据 的统计, 的粉末冶金汽车零件是用于33%汽车发动机, 的粉末冶金汽车零件是用于汽车变速箱 6 ;日本粉末冶金工业会的相关报告显[] 2009示, 年日本平均每辆汽车使用粉末冶金零件8.6 kg, 50%为 其中 的粉末冶金汽车零件用于汽车25%发动机, 的粉末冶金汽车零件用于汽车变速箱。7 [] 目前,在中国有多个粉末冶金专业协会,但只有中国机械通用零部件工业协会粉末冶金分会(简称“中国机协粉末冶金协会”)是以粉末冶金零 件制造企业会员为主的专业协会,且长期对协会会员的数据进行统计分析,其统计数据在中国粉末冶金零件产业具有一定的代表性。根据中国机协粉末冶金协会的统计数据,其会员统计的粉末1996 2.18冶金零件销量已由 年的 万吨,增加至2017 20.1 3 1996- 2017年的 万吨,如图 所示; 年期间,粉末冶金零件销量的复合增长率达到了11.15%, 2014其中 年之前的复合增长率更是达到12.83%了 。 1996

年以前,中国经历了冰箱压缩机粉末冶金零件的大规模国产化过程,给中国粉末冶金零

1996件行业带来了一次较大的发展机遇; 年之后,中国又经历了空调和摩托车产业的发展,粉末冶金空调压缩机零件和粉末冶金摩托车零件同样也带动了中国粉末冶金零件产业的发展。

中国粉末冶金零件行业的产品结构也随着相关产业的发展阶段不断演变。根据中国机协粉末

2001冶金协会的统计,在 年中国粉末冶金零件销17.8%,量中,粉末冶金汽车零件仅占 粉末冶金家

47.2%, 7.9%;电零件占 粉末冶金摩托车零件占2017 2001

年在中国粉末冶金零件销量增长至 年的4.09

倍的同时,粉末冶金汽车零件占比也提升至53.2%, 20.1%,

此外,粉末冶金家电零件占比降至8.5%, 4粉末冶金摩托车零件占比为 如图 所示。根据中国机协粉末冶金协会的统计数据,中国

2001 0.9粉末冶金汽车零件的销量由 年的近 万吨增

2017 11.0 5 2001-2017长至 年的 万吨,如图 所示; 年期间,粉末冶金汽车零件销量的平均复合年增长率17.2%,达到 其中,中国的汽车工业对中国粉末冶金

2009零件产业发展的大力推动始于 年。

结合中国汽车工业协会统计的中国乘用车产销量情况和中国机协粉末冶金协会统计的协会会

2017员粉末冶金汽车零件销量情况分析, 年平均

4.5 kg每一辆在中国生产的乘用车中,约使用了 由中国机协粉末冶金协会会员制造的粉末冶金零件,与美国、欧洲及日本的数据相比,可以看出尚有一半的粉末冶金汽车零件是非中国机协粉末冶金协

10会的会员单位配套的,即尚有超过 万吨的粉末冶金汽车零件是进口或是与部件一并进口,或由在华外资独资企业生产的。可见,实现粉末冶金汽车零件的国产化进程还有很大的发展空间。

3 粉末冶金零件在中国汽车工业中的应用

3.1 粉末冶金零件产业的技术与工艺特点粉末冶金零件产业的工艺技术,主要是将混合均匀的铁粉及一定的合金粉末(包括石墨粉等)通过特定的模具压制成形以后,经过高温烧结(一1 100- 1 250 ℃,20- 30 min)般在保护气氛下, 以获得一定形状、精度、强度,以及其他特性的结构零/件,实现制造工艺的少 无切削,材料利用率可高达95%以上;其工艺特点非常适合于大批量连续生 产,因此粉末冶金零件具有很高的尺寸一致性和制造性价比。粉末冶金零件还可以进一步进行机械加工、热处理、涂覆等工艺。

“粉末冶金工艺+ ”的粉末冶金零件技术工艺路线,广泛应用于粉末冶金汽车零件的生产。粉

+ +末冶金零件经过“成形 烧结 精整”等粉末冶金基本工艺后,通过附加机械加工以进一步提高零件的尺寸精度,通过附加水蒸气处理工艺以进一步提高零件的气密性和耐磨性、耐蚀性等,通过附加热处理工艺以进一步提高零件的机械强度,甚至可以通过组合烧结,或烧结钎焊等使两个或多个零件实现组合等。

3.2 粉末冶金零件在汽车中的应用

根据粉末冶金工艺的特点,以及粉末冶金材料及粉末冶金技术、工艺的不断提高,粉末冶金零件在汽车中的应用领域越来越广。a.特殊性能要求根据粉末冶金材料的特点,汽车减震器零件,如活塞、导向器、底阀座等广泛采用粉末冶金工艺

/批量生产,除了利用其少 无切削的特点,实现复杂形状零件的批量生产外,同时也很好地利用了材6料的多孔性特点,提高了部件的性能,如图 所示。

此外,根据粉末冶金工艺特点,对于一些特殊性能要求的高合金材料可以实现合金无偏析添加,以及实现合金硬质相的弥散强化作用,以达到

7材料的耐磨性、耐高温等性能要求,如图 所示的发动机的粉末冶金气门阀座和粉末冶金气门导管。为了进一步降低粉末冶金气门阀座的成本,甚至可以制造双层材料的粉末冶金气门阀座。b.复杂结构零件随着粉末冶金材料技术的提高,粉末冶金零件的密度和强度不断提高,粉末冶金专用装备技术的

图14粉末冶金表面致密化齿轮及其齿部密度分布情况 c. /包覆橡胶的传动齿轮 链轮为了进一步减少零件的振动,降低噪音,在粉/末冶金传动齿轮 链轮的齿侧包覆橡胶的设计有增15多的趋势。图 所示为部分包覆了橡胶的粉末冶金齿轮和链轮。

图15 部分包覆橡胶的粉末冶金齿轮、链轮

d.电动及新能源汽车用粉末冶金零件新能源汽车,特别是电动汽车近年来越来越得到市场的关注,粉末冶金零件在新能源汽车及电动汽车中的应用也成为粉末冶金零件产业关注的重16点之一。图 所示为电动汽车用前后逆变器齿轮箱壳体和前后马达终端壳体镶嵌的粉末冶金零件。

图16 部分新能源汽车的粉末冶金零件

总之,汽车工业的不断发展,不仅推动着粉末冶金零件产业的技术升级,也拉动了粉末冶金零件产业规模的不断扩大。

4 国外粉末冶金零件在汽车中的新应用及粉末冶金技术发展路线图

4.1 国外粉末冶金零件在汽车中的最新应用FMS Corporation开发的止推环和两个支撑环 2015获得了美国金属粉末工业联合会 年度汽车变17速器类的大奖,如图 所示;这三个零件是用于新TC10型 自动变速器,采用粉末冶金设计估计比类似/ 30% SMC Powder的锻造机加工件的成本降低 。Metallurgy, Inc. 18开发的粉末冶金不锈钢法兰,如图2015所示,获得了美国金属粉末工业联合会 年度发动机类优秀奖;该法兰用于汽车为汽油直喷技术设计的溢流阀,以替代原来的需要大量机加工的锻造零件 8 。[]

2016获得美国金属粉末工业联合会 年度汽车类粉末冶金零件奖的新产品包括:差动齿轮组、镶嵌橡胶的曲轴链轮、电动转向辅助带轮和电动转向带轮等 9 。

[] GKN Sinter Metals F-150

开发的用于福特 轻型卡车的后桥差速器的粉末冶金差动齿轮组获得了2016美国金属粉末工业联合会 年度汽车传动类零

19件大奖,如图 所示;该差动齿轮组由五个零件组成,采用粉末锻造工艺制造,与其他金属成形工艺相比具有更高的性能,并实现齿轮系统的小型

Cloyes Gear & Products, Inc.化。 开发的镶嵌橡胶的2016曲轴链轮获得了美国金属粉末工业联合会 年20度汽车发动机类零件杰出奖,如图 所示;镶嵌橡胶的链轮包括一个镶嵌橡胶的曲轴链轮和两个镶嵌橡胶的油泵链轮,用于通用汽车第二代高性能V- 6 CT6 ATS,

发动机,目前安装于凯迪拉克 和GMC Acadia Camaro;

和雪佛兰 在曲轴链轮上镶嵌橡胶后噪音、振动和严苛的特性改善目标均超出发动机厂商的预期,且采用粉末冶金制造的链轮

30%比通过钢棒或锻件加工节省约 的成本。Capstan

开发的电动转向辅助带轮获得了美国2016金属粉末工业联合会 年度汽车底盘类零件杰

21 Focus出奖,如图 所示;该零件进入了福特 和Escape

两款车平台的组装,采用粉末冶金工艺,远比采用压铸工艺可以获得更高的精度和更有竞争

GKN Sinter Metals力的价格。 开发的电动转向带

2016轮获得了美国金属粉末工业联合会 年度汽车类底盘零件杰出奖,该零件为具有特殊螺旋角和高精度的从动电动转向带轮,零件在设计阶段就与客户紧密合作,包括精准成形的减重孔等,节材10%, 22超过 如图 所示。 2017获得美国金属粉末工业联合会 年度粉末冶金汽车类零件奖的产品包括:传动类的烧结钎焊行星支架、底盘类的输出皮带轮等,发动机类的双联凸轮链轮、传动类的行星支架等 10 。[] GKN Sinter Metals为福特汽车开发的行星支架总成,采用烧结钎焊将笼架和法兰毂盘组合起来, 23 F如图 所示;该烧结钎焊行星支架用于福特150 10皮卡的全新 速变速箱;行星支架总成成品仅需要简单的铣削和车削加工就能保证精度要GKN Sinter Metals Nidec Automotive求。另外, 为Motor Americas公司开发的输出皮带轮,用于小型24面包车后座的电动斜倚机构,如图 所示。Stackpole International ZF加拿大 为德国 公司开发的烧结钎焊行星支架,是由导向板和笼架SPIDER) 9 ( 组合而成的,用于新款 速变速箱,如图25所示;粉末冶金设计解决了设计轻量化和耐久性的要求。该产品也被评为欧洲粉末冶金协会 Netshape Technologies 26开发的双联链轮,如图4.4 Big Lion所示,最终用于路虎旗舰车 升 的柴油发动机。其原始就采用了粉末冶金的设计,大约较锻30%件机加工件降低 的成本。 2016在欧洲粉末冶金协会评选的 年度获奖产Höganäs品中,与汽车相关的粉末冶金零件包括AB与其他合作伙伴共同参与开发的四档传动齿Carbosint s.p.a. Schunk轮、 开发的从动齿轮、Sintermetalltechnik Gmbh Stackpole开发的斜齿轮、International开发的行星支架等 11 。[] 27 4TH DRIVE如图 所示,四档传动齿轮( TRANSMISSION GEAR)的开发是为了充分挖掘和展示采用粉末冶金工程方案在技术可能性和最终用户利益的全部潜力,并促成了世界上首个根据6粉末冶金齿轮设计技术而优化设计的 速手动变7.3 g/cm3, 32 HRC,速器。该齿轮的密度为 硬度为1 100 MPA,粉末冶金材料的抗拉强度为 屈服强度900 MPA为 。

其原来是由齿轮和衬套两个零件组合起来的,且两者均采用锻钢经机加工制造,采用粉末冶金技术生产后其制造成本大幅降低;粉末冶金件的密度为6.85 g/cm3, 1 200 N/mm2,

材料的抗拉强度为 屈服强900 N/mm2, 320-500)HV10度为 零件的硬度为( 。 4.0° 29斜齿轮为螺旋角大于 的螺旋斜齿轮,如图所示,用于电动驻车制动器中的机械齿轮装置中,系6.60- 6.95 g/cm3,与安全相关的零件;零件的密度为320- 500)HV10,硬度为( 粉末冶金材料的抗拉强度700 MPA, 600 MPA大于 屈服强度大于 。30 ZF Stackpole图 所示的行星支架是由 和 的技术团队通过台架测试结果结合工程特性,有效7.0 g/cm3缩短了开发周期;支架部:密度为 、硬度为80 HRB 510 MPA、粉末冶金材料的抗拉强度为 、屈420 MPA, 7.5 g/cm3服强度为 导板部:密度为 、硬度90 HRB 730 MPA为 、粉末冶金材料的抗拉强度为 、520 MPA屈服强度为 。 2015在日本粉末冶金工业会评选的 年度获奖DIAMET CORPORATION产品中, 开发的“一组用于气门升程执行器的电机烧结接头”获得了新设31 Hitachi Chemical Co., Ltd.计奖,如图 所示; 开发32的汽车发动机链轮获得了工艺进步奖,如图 所示,其所采用的室温下模壁润滑成形可获得不低7.5 g/cm3 Sumitomo Electric Industries,于 的密度; Ltd. E-4WD开发的烧结钎焊 行星齿轮架获得了鼓33 4WD励奖,如图 所示,该零件在混合动力汽车 在日本粉末冶金工业会近日发表的该协会获奖产品中,住友电气工业(株)开发的汽油直喷式34发动机升压机构用的导向器,如图 所示,选用了FE-CU-C具有竞争力的 系的材料,无需热处理,在保证精度的条件下大量减少了加工量,在实现轻30%量化的同时比铸造件降低 的成本。丰田汽车Ravigneaux)公司开发的低成本烧结拉维尼奥( 齿35轮支架,如图 所示,通过成形、烧结、熔焊、加工- -工序完成制造过程;粉末冶金部分采用铁 碳 铜7.05 g/cm3,系材料,平均成形密度为 支架脚部成形的高度差通过生坯加工实现等高,粉末冶金部分通过烧结钎焊后,与钢质套筒焊接在一起 13 。[] 4.2 国外粉末冶金产业的技术发展方向2001 9年 月,金属粉末工业联合会和美国能源PM2 INDUSTRY部工业技术办公室指导编写的《VISION AND TECHNOLOGY ROADMAP—POWDER Metallurgy and Particulate Materials》,提出了粉末冶2020金和粉体材料产业至 年从市场到技术的发展2020 12%目标,其中明确至 年汽车市场每年增长 的

图1 EPMA:各种制造工艺的原材料利用率和能耗

图 中国机协粉末冶金协会统计的中国粉末冶金零件年销量变化情况

图2 MPIF的“绿色技术”标志

图4 中国机协粉末冶金协会统计的2017年度粉末冶金零件市场结构情况

图5 中国机协粉末冶金协会统计的中国粉末冶金汽车零件销量变化情况

a) ( 粉末冶金表面致密化齿轮

图18 粉末冶金不锈钢法兰

图17 粉末冶金止推环和支撑环

b) ( 齿部密度分布

图27 四档传动齿轮 28 STIRNRAD ABTRIEB),图 所示的从动齿轮(

EPMA) 2016 ( 的 年度获奖产品之一。 图23 行星支架总成

图21 电动转向辅助带轮

图25 烧结钎焊行星支架

图19 粉末冶金差动齿轮组

图20 镶嵌橡胶的链轮

图24 输出皮带轮

图22 电动转向带轮

图26 双联链轮

图31 烧结接头 系统中得到了应用[] 12 。

图35 烧结拉维尼奥齿轮支架

图33 烧结钎焊行星齿轮架

图34 导向器

图32 高密度链轮

图28 从动齿轮

图29 斜齿轮

图30 行星齿轮架

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