汽車連桿制備工藝

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粉末鍛造連桿汽車工業(yè)與粉末冶金制品（二）演講者：李福成Contents粉末鍛造的前世今生1為什么選擇粉末鍛造2機(jī)遇與挑戰(zhàn)3粉末鍛造工藝4粉末鍛造技術(shù)粉末鍛造技術(shù)：粉末冶金+鍛造充分結(jié)合了粉末冶金的近終成形與鍛造技術(shù)的致密加工鑒于粉末鍛造零件，力學(xué)性能高，形狀與尺寸精度好，生產(chǎn)工藝可靠性高，價(jià)格可行，用粉末鍛造制造高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)零件受到了廣泛的肯定。其中，最重要的一個(gè)標(biāo)志性產(chǎn)品是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿。粉末鍛造連桿的前世今生最早的粉末鍛造連桿是由GKN于1970年代為Porshe928發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的。原料粉為完全預(yù)合金化合金鋼粉，生產(chǎn)成本高，未能進(jìn)入市場(chǎng)。1981年，日本豐田汽車公司．以Fe—Cu—C混合粉為原料粉，開始生產(chǎn)S型發(fā)動(dòng)機(jī)的粉末鍛造連桿。美國(guó)一些公司，于1980年代中從日本引進(jìn)了粉末鍛造連桿生產(chǎn)技術(shù)。1986年Ford汽車公司率先采用了粉末鍛造連桿，1990年代初GM（通用公司）與Chrysler（克萊斯勒）也都相繼采用了粉末鍛造連桿。上世紀(jì)90年代，GKN發(fā)動(dòng)粉末冶金行業(yè)大兼并，粉末鍛造連桿的生產(chǎn)廠家，除日本豐田汽車內(nèi)部的粉末鍛造生產(chǎn)線外，全球的粉末鍛造連桿由幾十家生產(chǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的僅由GKN燒結(jié)金屬與美國(guó)的MetaldyneCorp(戴恩金屬有限公司）兩家獨(dú)家生產(chǎn)供應(yīng)．MetaldyneCorp.有四家工廠生產(chǎn)粉末鍛造連桿，該公司從1987年第一次為福特汽車公司大量供應(yīng)Escort發(fā)動(dòng)機(jī)用的粉末鍛造連桿，15年已經(jīng)連續(xù)生產(chǎn)粉末鍛造連桿2.3億根；GKN燒結(jié)金屬公司有三家工廠16條生產(chǎn)線在生產(chǎn)粉末鍛造連桿，供五家汽車制造廠的20種不同型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)使用，年計(jì)劃產(chǎn)量不少于2500萬(wàn)根GKN在中國(guó)

GKN集團(tuán)創(chuàng)建于1759年，至今已有251年的歷史。目前已發(fā)展為英國(guó)第二大工程技術(shù)型生產(chǎn)商。集團(tuán)在全世界有280多個(gè)子公司和分支機(jī)構(gòu)。下列產(chǎn)品的制造業(yè)務(wù)為全世界第一：汽車傳動(dòng)系統(tǒng)獨(dú)立的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件和航空航天復(fù)合材料部件供應(yīng)商粉末冶金制件新型合金粉末

汽車用金屬催化轉(zhuǎn)化器抗排污過(guò)濾器GKN在中國(guó)吉?jiǎng)P恩粉末冶金部是全世界最大的粉末冶金部件制造商，為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，變速箱，車身及底盤提供精密燒結(jié)的粉末冶金部件。同時(shí)也為電動(dòng)工具，軸承，白色家電以及花園設(shè)備提供工業(yè)及消費(fèi)類粉末冶金部件。吉?jiǎng)P恩粉末冶金部在中國(guó)江蘇省丹陽(yáng)市有兩個(gè)工廠。吉?jiǎng)P恩粉末冶金中國(guó)公司為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱提供燒結(jié)部件，如燒結(jié)鍛造的發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)桿，同步輪和行星帶輪等。GKN在中國(guó)為什么選擇粉末鍛造？粉末鍛造

下料→加熱(1150℃)→多道制坯輥鍛→壓力機(jī)上預(yù)鍛和終鍛→切邊→大、小頭沖孔→熱校正→冷精壓→機(jī)械加工。該種方法存在質(zhì)量偏差大、精度低(尺寸精度靠機(jī)械加工保證)、材料利用率低及成本高等缺點(diǎn)。工藝比較普通模鍛和機(jī)械加工預(yù)合金鋼粉配料及混料→預(yù)成形坯壓制→燒結(jié)成鍛坯→致密化閉式模鍛→熱處理→噴丸強(qiáng)化→撐斷法剖分連桿體與蓋工藝流程短、生產(chǎn)工序少，但每道工序的要求較高。粉末鍛造工藝

決定粉末鍛造優(yōu)越性的因素原材料的開發(fā)：普遍采用Fe—Cu—C合金日本豐田公司采用的原料配比為：Fe—2Cu—0.55C；Metaldyne為：Fe—2Cu—（0.5~0.8）C—0.32MnS，加入S或者M(jìn)nS是為了改善合金材料的切削性

2000年美國(guó)MPIF標(biāo)準(zhǔn)：致密化閉式模鍛粉末鍛造連桿產(chǎn)業(yè)快速成長(zhǎng)的關(guān)鍵因素是于1990年前后研發(fā)并得到成功應(yīng)用的斷裂剖分(FractureSplitting)工藝。這項(xiàng)新工藝的采用，由于切削加工費(fèi)用大大減低，顯著增強(qiáng)了粉末鍛造連桿對(duì)銅錘鍛連桿的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，鍛鋼連桿的切削加工費(fèi)用占總成本的62％，而粉末鍛造連桿僅為42％連桿粉末鍛造剖分工藝如右圖左上方，在預(yù)成形坯大頭內(nèi)側(cè)兩邊各開一“V”行切口，這個(gè)切口要相當(dāng)尖銳，右下圖為鍛造后殘留的切口，后續(xù)加工只要在大頭孔內(nèi)施加以較小的液壓脹大壓力就能使連桿體與連桿蓋分開，這樣的加工方式能是兩部件很好的吻合，且較少的后續(xù)加工粉末鍛造設(shè)備粉末鍛造清洗機(jī)粉末鍛造成形壓力機(jī)粉末鍛造液壓機(jī)粉末鍛造連桿的優(yōu)勢(shì)北美三大汽車制造公司為什么相繼采用粉末鍛造連桿？汽車制造廠家從精鍛鋼連桿改用粉末鍛造連桿時(shí)可獲得以下益處：（1）切削工序大量減少（2）基建投資費(fèi)用大大減少（3）可騰出大量設(shè)備占有的場(chǎng)地（4）可減少切削加工生產(chǎn)線的勞動(dòng)力（5）節(jié)省能源，切削液/潤(rùn)滑劑等費(fèi)用（6）簡(jiǎn)化后勤管理（7）不需要為斷裂分開而進(jìn)行切割切口作業(yè)（8）由于切削性改進(jìn)，降低工具費(fèi)用（9）單一的質(zhì)量分級(jí)（10）斷裂剖分與在組裝的可靠性高（11）因材料強(qiáng)度高，可減輕連桿質(zhì)量，（12）質(zhì)量偏差小，可改進(jìn)NVH特性和耐久性

挑戰(zhàn)與機(jī)遇為什么國(guó)內(nèi)一直無(wú)法在粉末鍛造連桿上有大的發(fā)展？（1）市場(chǎng)需求決定粉末鍛造連桿無(wú)法突破。相對(duì)于占有大量市場(chǎng)份額的GKN和Metaldyne來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)企業(yè)所能獲得的訂單量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于他們，這就大大降低了該領(lǐng)域的利潤(rùn)（數(shù)量越大，成本越低）（2）汽車制造企業(yè)只向指定的汽車零件企業(yè)購(gòu)買汽車零件福特公司從1987年就一直從Metaldyne獲得連桿，這是因?yàn)镸etaldyne等不僅提供連桿，還會(huì)連帶提供汽車所需的一系列零件（3）中國(guó)企業(yè)所生產(chǎn)的連桿在穩(wěn)定性等遠(yuǎn)不及GKN等……..挑戰(zhàn)與機(jī)遇如何能迎頭趕上呢？關(guān)鍵不在于“追”，而在于“新”，如果國(guó)內(nèi)企業(yè)能在新的工藝上有大的發(fā)展，使連桿的制造成本再一次大大的降低，就像粉末鍛造替代錘鍛一樣，引發(fā)新一輪的技術(shù)革命，那么國(guó)內(nèi)企業(yè)就能超越老牌企業(yè)…….新工藝包括：材料上的改進(jìn)

（1）C-70引發(fā)大論戰(zhàn)：2005年4月在底特律市舉行的SAE100周年世界大會(huì)上，美國(guó)AISI的條鋼與圓鋼組和粉末冶金產(chǎn)業(yè)就“粉末鍛造和C一70鋼鍛造連桿的性能與價(jià)格”進(jìn)行了一場(chǎng)“論戰(zhàn)”。（具體見(jiàn)：《粉末鍛造與C-70鋼鍛造發(fā)動(dòng)機(jī)連桿——2005年4月美國(guó)SAE100周年世界大會(huì)“論戰(zhàn)”紀(jì)要》

（2）粉末冶金鋁合金連桿

2003年，在LasVegs．召開的PM2TEC2003會(huì)議上Metaldyne的ScottBrennan報(bào)告了PMPRA(采用顆粒增強(qiáng)粉末冶金鋁合金)計(jì)劃中粉末鍛造連桿的進(jìn)展。早在1999年就有報(bào)道，日本的日立粉末冶金公司在用粉末鍛造，由混合粉制作Al—Si—Cu—Mg—Ni合金的通用發(fā)動(dòng)機(jī)連桿。機(jī)遇與挑戰(zhàn)新技術(shù)的替代——一次壓制／燒結(jié)連桿（1