粉末冶金在汽车上的应用
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[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“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，这是粉末冶金自轴承的起源。在很长一段时间内，粉末冶金自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轴承发展起来的。粉末冶金自轴承，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。