粉末冶金零件在汽車上的應(yīng)用

1、POWDERMETALLURGYINDUSTRY2003年2月Feb.2003粉末冶金零件在汽車上的應(yīng)用毛志強(躍進汽車集團汽車研究所,江蘇南京210037)摘 要:列出了我國部分引進牌號汽車每輛汽車上應(yīng)用的粉末冶金零件數(shù)量;介紹了汽車工業(yè)粉末冶金零件的應(yīng)用情況,包括粉末冶金進、排氣門座,同步器錐環(huán),曲軸正時齒輪和凸輪軸正時齒輪,機油泵主、從動齒輪,減震器零件,燒結(jié)銅合金 鋼背雙金屬軸承,粉末鍛造連桿,粉末冶金凸輪軸等。關(guān)鍵詞:汽車;粉末冶金零件;進排氣門座;粉末鍛造連桿;粉末冶金凸輪軸中圖分類號:TF125.1 文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1006-6543(2003)01-0008-04APP

2、LICATIONOFP MPARTSTOAUTOMOBILEMAOZhi qiang(YuejinAutomotiveGroupAutomotiveResearchInstitute,Yuejin210037,China)Abstract:TheamountofP Mpartsusedoneachjointventuremanufacturedautomobileisgiven.Theap plicationofP Mpartsinautomobileindustryisintroduced,includinggasinletoutletvalvebased,synchro uizerconi

3、cring,cranshafttiminggears,cam shafttiminggears,drininganddrivengearsoflubricantpumps,partsofshock absorber,sinteredcopperalloy steelbimetalbearingsforgedP Mlinks,P Mcam shaftsetc.Keywords:automobile;P Mparts;gasinletoutletvalvebase;forgedP Mlink;P Mcamshaft(5)東風(fēng)汽車公司富康ZX轎車,每車20種451 汽車工業(yè)粉末冶金零件的年需量粉末冶

4、金零件在汽車工業(yè)的應(yīng)用有廣闊的前景,現(xiàn)在日本汽車平均每輛為6.5kg,歐洲每輛汽車平均為7kg,北美每輛汽車平均達(dá)12kg。中國部分車型應(yīng)用粉末冶金零件情況如下:(1)上海普通桑塔納轎車每車6kg左右;(2)上海通用別克轎車每車12kg左右;(3)東風(fēng)汽車公司5噸EQ1090E載重汽車每車29種102件6.62kg;(4)東風(fēng)汽車公司8噸平頭柴油機載重汽車(EQ1141G)每車18種39種5.22kg;21件,4.2kg;(6)躍進汽車集團IVECO柴油輕型客車,每車6kg左右。從上面可以初略估計出:2000年我國汽車以年產(chǎn)量200萬輛計算,平均每輛車5kg,則全國汽車用粉末冶金零件需1萬t,

5、再加上20%配件,總計為12000t。32 汽車工業(yè)粉末冶金零件的應(yīng)用情況2.1 粉末冶金進、排氣門座發(fā)動機的進、排氣門座控制燃?xì)獾奈牒蛷U氣收稿日期:2002-09-12作者簡介:毛志強(1934-),男(漢),浙江杭州人,研究員級高級工程師。第1期 毛志強:粉末冶金零件在汽車上的應(yīng)用 9的排出,在高溫下經(jīng)受氣流的沖蝕和氣門的沖擊與磨損,工作條件比較惡劣。氣門座的失效主要是因磨損而導(dǎo)致氣門座下沉量過大,氣密性差,進而影響發(fā)動機功率。汽油機進氣門座溫度一般在200300 ;排氣門座一般在400600 。柴油機進氣門座溫度一般在300400 ;排氣門座溫度一般在500 左右。過去,汽油中添加四乙

6、基鉛,使汽油燃燒較好,四乙基鉛燃燒后形成鉛的氧化物對環(huán)境造成危害,但含鉛汽油燃燒后的氧化物積存在氣門和氣門座上,能起減磨和耐磨作用。從環(huán)保要求出發(fā),目前國內(nèi)、外已立法取消添加四乙基鉛的汽油,而采用無鉛汽油,從而加劇了氣門與氣門座的磨損。柴油機腐蝕情況與汽油機不同,柴油中含有釩、硫、鈉等元素,燃燒后生成V2O5和Na2SO4等。采用含鉛汽油時,進、排氣門座大多采用含鉻鑄鐵(如含鉻量分別為13%、20%和33%的含鉻鑄鐵)。隨著無鉛汽油的大量應(yīng)用,氣門與氣門座間的氧化鉛沒有了,從而使氣門與氣門座的沖擊磨損加劇。向粉末冶金制品中的孔隙滲銅或者使用含鉛的粉末冶金制品,對于應(yīng)用無鉛汽油的氣門座能起到減磨

7、和耐磨作用。目前新型發(fā)動機大多采用含鉛和含銅粉末冶金氣門座。為了提高其耐熱性能,排氣門座大多添加有鈷。(1)含鉛粉末冶金氣門座:德國汽車廠采用較多,我國引進的德國轎車采用的含鉛進、排氣門座的情況見表1。表1 中國引進德國轎車含鉛進、排氣門座成分與性能C化學(xué)成分MnNiMoCrCoPb密度 g cm-3硬度2.0 3.0>7.35280320HB1.5 2.5360HB2.0 3.0>7.3280320HB0.5 1.5>7.356468HRA1.8 2.8轎車A轎車B轎車C2.5 3.51.0 2.0化學(xué) 成 分含鉛進、排氣門座的生產(chǎn)是比較困難的,一是因為鉛很容易蒸發(fā);二是鉛

8、蒸氣有劇毒;三是鉛的密度大,容易分布不均。所以一般含鉛粉末冶金氣門座大多在真空燒結(jié)爐中進行燒結(jié),生產(chǎn)中要嚴(yán)格注意安全。鉛的加入方法是粉末冶金氣門座生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)之一,目前國內(nèi)正在開展這方面的攻關(guān)工作。(2)含銅粉末冶金氣門座:英國、日本許多汽車廠沒有像德國汽車廠那樣采用含鉛粉末冶金材料,而采用滲銅的粉末冶金氣門座,銅含量為15%25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。氣門座滲銅后導(dǎo)熱率可以提高2.5倍,排氣門座溫度可以下降50100 ,另外還可改善其耐磨性和耐腐蝕性。中國部分汽車采用的含銅粉末冶金進、排氣門座的情況見表2。表2 中國部分汽車采用的含銅粉末冶金氣門座化學(xué)成分與性能CCrMoWVCuCoNi其他密度

9、 g cm-3硬度!2.0>7.5400550HB!2.0>7.5400550HB排氣門座(試制)6滲銅大多與粉末冶金氣門座的燒結(jié)一起進行,燒結(jié)氣門座時,下面放一專門研制的熔滲劑銅合金片,控制好爐內(nèi)氣氛與壓力,使銅滲入到粉末冶金氣門座的孔隙中。2.2 同步器錐環(huán)過去同步器錐環(huán)大多用鋁錳黃銅精鍛而成。近10多年來,國內(nèi)、外許多汽車廠為了進一步降低成本和提高使用壽命,許多新設(shè)計的變速箱同步器錐環(huán)由鋁錳黃銅精鍛改為用粉末冶金制造。同步器錐環(huán)是變速箱齒輪中的一個重要零件,如該零件失效,變速箱就不能換檔了,在換檔過程中該零件承受沖擊與磨損,同步器錐環(huán)能否滿足設(shè)計10 粉末冶金工業(yè) 第13卷例

10、如,某廠轎車同步器錐環(huán)要用粉末冶金制品,其化學(xué)成分為:C0.6%1.0%Ni3.0%6.0%,Cu0.5%2.0%,Mo0.2%0.6%,其他元素!1.5%,余為鐵。密度不低于7.4g cm;燒結(jié)態(tài)的力學(xué)性能為: b不小于560MPa, s不低于385MPa,伸長率不低于2.5%,沖擊功高于19J,硬度90HRB。該零件需經(jīng)過局部表面感應(yīng)淬火,有效硬化層深度為2mm,齒根硬度為不低于74HRA(47HRC),金相組織硬化區(qū)為馬氏體,非硬化區(qū)為貝氏體+珠光體,允許有少量的鐵素體。也有些廠家同步器錐環(huán)燒結(jié)后需經(jīng)淬火、回火或碳氮共滲處理。同步器錐環(huán)尺寸精度和沖擊磨損性能均要求較高,目前國內(nèi)許多粉末冶

11、金廠正在組織攻關(guān),也有些廠已經(jīng)試制成功。2.3 曲軸正時齒輪和凸輪軸正時齒輪過去汽車上的曲軸正時齒輪和凸輪軸正時齒輪大多用45號鋼或40Cr鋼調(diào)質(zhì)后使用,也有些要求比較高,調(diào)質(zhì)處理后再經(jīng)軟氮化處理。為了減少切削加工和降低成本,許多新型發(fā)動機曲軸正時齒輪和凸輪軸正時齒輪均改用粉末冶金制品,如某轎車曲軸正時齒輪化學(xué)成分為:C0.4%1.0%,Cu1.0%5.0%,其他元素低于3%,余為鐵。密度為6.46.8g cm;硬度高于59HRB; b不低于400MPa; s不低于280MPa。正時齒輪生產(chǎn)難點在于齒輪的尺寸精度,即模具的設(shè)計與制造,一般要控制齒輪的一周擺差、單齒的齒向擺差和齒形誤差等。國外設(shè)

12、計圖紙上常標(biāo)有精密電火花加工時計算機輸入數(shù)據(jù),用這些數(shù)據(jù)輸入到精密電火花加工設(shè)備上,能夠較精確的將模具加工出來,最后再經(jīng)研磨來降低粗糙度。2.4 機油泵主、從動齒輪該對齒輪,一個為內(nèi)齒,一個為外齒,目前我國已大量采用粉末冶金制品。如某轎車機油泵主動齒輪化學(xué)成分為:C0.39%,Mo0.54%,Ni3.65%,Cu1.6%,余鐵。密度高于7.1g cm,硬度207220HB,金相組織為貝氏體+珠光體+鐵素體+孔隙。2.5 減震器零件筒式減震器中有活塞、壓縮閥座和連桿導(dǎo)向座,3較高,另外對耐磨性要求較高,這些要求比較適合采用粉末冶金方法制造。東風(fēng)汽車公司從20世紀(jì)70年代開始,連桿導(dǎo)向座和活塞就正

13、式采用粉末冶金方法制造(壓縮閥座曾經(jīng)大量裝車試驗,但未采用粉末冶金方法制造。)由于形狀復(fù)雜,尺寸精度要求高,并有許多小孔,所以模具設(shè)計和制造有一定的難度。2.6 燒結(jié)銅合金 鋼背雙金屬軸承汽車上發(fā)動機、底盤總成中有許多滑動摩擦件,設(shè)計中采用雙金屬軸套。雙金屬軸套大多采用08Al低碳冷軋鋼帶制作鋼背,以提高其強度及剛度,并具有良好的加工性能,將不同粒度組成的鉛青銅粉或錫青銅粉燒結(jié)到鋼背上,以作為減摩及耐磨合金表面層,從而復(fù)合成雙金屬軸套。東風(fēng)汽車公司EQ1141G載重汽車上采用燒結(jié)鉛青銅及錫青銅鋼背雙金屬軸套,共有17種44件,主要的有發(fā)動機連桿小頭軸套,前、后鋼板彈簧襯套,轉(zhuǎn)向節(jié)上、下襯套,前

14、、后制動蹄襯套等。除了燒結(jié)銅合金鋼背雙金屬軸套外,還有3層復(fù)合材料軸承,它是在雙金屬材料上再加一層改性塑料,形成改性塑料、燒結(jié)CuSn10粉、鋼背3層復(fù)合材料,其主要應(yīng)用在離合器分離叉軸襯套等。此外,汽車發(fā)動機曲軸瓦和連桿瓦采用銅鉛合金 鋼背粉末冶金軸瓦,銅鉛層上要鍍一層鎳,再在鎳上鍍?nèi)辖?Pb Sn Cu)。2.7 粉末鍛造連桿汽車發(fā)動機連桿大多為鍛鋼連桿和鑄造連桿兩種,鍛鋼連桿有調(diào)質(zhì)鋼和非調(diào)質(zhì)鋼,如躍進汽車集團生產(chǎn)IVECO柴油機采用42CrMo調(diào)質(zhì)鋼;桑塔納和夏利轎車采用非調(diào)質(zhì)鋼。鑄造連桿有球墨鑄鐵連桿和可鍛鑄鐵連桿,如一汽488發(fā)動機連桿采用球墨鑄鐵;北京切諾基轎車連桿采用可鍛鑄鐵

15、。連桿是發(fā)動機上的重要零件,連桿承受大壓小拉的壓 拉疲勞負(fù)荷,許多引進車型圖紙上都規(guī)定有連桿的疲勞試驗負(fù)荷,并要求在該負(fù)荷下的疲勞周次達(dá)到500萬以上。鑄造連桿疲勞周次要達(dá)到500萬以上是很困難的,因為連桿的工字筋部位均不經(jīng)切削加工,細(xì)小的缺陷對連桿的疲勞壽命影響較大。最近引進美國通用汽車公司的別克轎車,連桿2第1期 毛志強:粉末冶金零件在汽車上的應(yīng)用 11德國寶馬公司BMW發(fā)動機連桿也采用粉末鍛造,由GNKSintermetals公司制造,材料為werhodit70或werhoditFe Cu C,密度7.65g cm,抗拉強度10411MPa。粉末鍛造連桿發(fā)展前途今后仍然看好。2.8 粉末

16、冶金凸輪軸近幾年來,美國和日本汽車公司開發(fā)復(fù)合凸輪軸,如美國RoverMG-F汽車的可變閥控制(VVC)發(fā)動機,凸輪軸由冷拉鋼管制成,鋼管上的凸輪用AstaloyE鋼粉(含2.5%C,5%Cr,1%Mo,2%Cu,0.5%P及1%Si)燒結(jié)而成,驅(qū)動輪的燒結(jié)元件用Fe Cu C燒結(jié)而成,然后再釬焊在鋼管上,這樣的復(fù)合凸輪軸在重量上節(jié)材40%左右,使加工大大簡化、降低成本,并使發(fā)動機功率得到提高13參考文獻1 郭德.1998粉末冶金世界會議及展覽展品介紹C.見:江蘇省粉末冶金技術(shù)交流論文集,2000.7.2 李紹忠.粉末冶金鐵基零件和減摩復(fù)合材料的應(yīng)用J.汽車工藝與材料,1997.6.3 冷啟明

17、.富康ZX轎車材料國產(chǎn)化問題及對策R.東風(fēng)汽車集團制造工程部,1996.4.4 陳厚發(fā).粉末冶金材料在NJ1020GHA汽車上的應(yīng)用R.南京汽車研究所,1998.3.5 LaneMS,ColeAT.SinteredPowderMetalValveInsertsforDieselEnginesC.AEGROUP86Symposium,1986.6 屠穎斐等.汽車發(fā)動機氣門座圈材料的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢J.汽車工藝與材料,2000.6.。國外信息微波燒結(jié)粉末冶金TC-0208鋼的力學(xué)性能中圖分類號:TF124.5 文獻標(biāo)識碼:D微波是波長1mm至1m,頻率從0.3GHz到300GHz的電磁波,微波加熱是

18、從被加熱物體的內(nèi)部產(chǎn)生熱量,微波加熱的快慢與被加熱物體的大小、幾何形狀、質(zhì)量等密切有關(guān)。由于微波加熱具有速度快、節(jié)約能源和可提高材料性能等優(yōu)點,微波加熱已被用于陶瓷、半導(dǎo)體的制備等研究領(lǐng)域,但微波會被許多金屬反射,所以很少有人嘗試用微波燒結(jié)粉末冶金制品。通過采取一些措施,本次試驗嘗試以微波燒結(jié)MPIF牌號為TC-0208的微合金鋼,試驗用普通的2.0kW商用微波爐燒結(jié)試樣。燒結(jié)試樣前需要對商用微波爐進行一些改造,在微波爐兩邊鉆孔將一根外徑31.8mm,內(nèi)徑25.4mm,長度為914.5mm的多鋁紅柱石管插入,使用纖維板包住微波爐內(nèi)的部分多鋁紅柱石管,防止在燒結(jié)過程中熱量散失。在微波爐的底部和四面接銅管,銅管中通以冷卻水,以降低燒結(jié)過程中微波爐外部的溫度。將微波爐內(nèi)壁上孔洞與多鋁紅柱石管間的縫隙以鋁箔堵住,防止微波泄漏。為了預(yù)熱樣品和使其受熱均勻,使用SiC或碳基特殊材料圍住樣品。使用紅外高溫計測量樣品溫度,另外還用一個普通光學(xué)高溫計測溫,對溫度測量結(jié)果進行交叉驗證。使用加拿大Quebec金屬粉末有限公司生產(chǎn)的AtometAXD3401鐵銅合金混合粉制做斷裂試樣,制做每個斷裂試樣需用粉約20g,壓坯壓制的壓力約為656MPa,保壓時間為2min,壓坯的尺寸為31.85mm#12.803mm#6.95mm,密度在6.977.07g cm范圍。將