文／洪慎章·上海交通大學(xué)塑性成形技術(shù)與裝備研究院

汽車連桿粉末鍛造工藝

文／洪慎章·上海交通大學(xué)塑性成形技術(shù)與裝備研究院

傳統(tǒng)的普通模鍛和機(jī)械加工方法已難以滿足當(dāng)今汽車、摩托車等工業(yè)生產(chǎn)中高質(zhì)量、高精度、高效率、低消耗及低成本的要求。20世紀(jì)90年代，國(guó)外已研制成功的新型金屬塑性成形工藝——粉末鍛造，先后鍛成汽車連桿和差速器行星齒輪等鍛件，并建成世界上第一條粉末鍛造生產(chǎn)線。它是常規(guī)的粉末冶金工藝和精密鍛造有機(jī)結(jié)合而發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)頗具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的少、無(wú)切削金屬加工方法。以金屬粉末為原料，經(jīng)過(guò)預(yù)成形壓制，在保護(hù)氣氛中進(jìn)行加熱燒結(jié)，作為鍛造毛坯在壓力機(jī)上一次鍛造成形和實(shí)現(xiàn)無(wú)飛邊精密模鍛，獲得與普通模鍛件相同密度、形狀復(fù)雜的精密鍛件。

它既有粉末冶金成形性能較好的優(yōu)點(diǎn)，又有鍛造變形能有效地改變金屬材料組織和性能作用的特點(diǎn)，使粉末冶金和鍛造工藝在生產(chǎn)上取得了新的突破，是邊緣專業(yè)的學(xué)科，特別適宜大批量生產(chǎn)高強(qiáng)度、形狀復(fù)雜的零件，因此在各工業(yè)部門(mén)中有較大推廣應(yīng)用的發(fā)展前途。

粉末鍛造工藝流程

一般的粉末鍛造工藝流程如圖1所示，即對(duì)經(jīng)過(guò)適當(dāng)配方和混合的粉末用與制造普通燒結(jié)件相同的方法使其成形，制成低密度的預(yù)成形件，并以此作為鍛造毛坯，在燒結(jié)后進(jìn)行熱態(tài)鍛造。當(dāng)預(yù)成形體中含有潤(rùn)滑劑時(shí)，在燒結(jié)之前應(yīng)增加潤(rùn)滑劑脫除工序。燒結(jié)后如果冷卻了，需在鍛造前再加熱。在鍛造后的熱處理之前，常常需要某種程度的機(jī)械加工。整個(gè)工藝過(guò)程中除短時(shí)間的鍛造外，全部加熱都在防氧化的保護(hù)氣氛內(nèi)進(jìn)行。

圖1 粉末鍛造工藝流程

粉末鍛造工藝的要求

生產(chǎn)實(shí)踐表明，要滿足技術(shù)上要求的粉末鍛件，與下列主要工序密切有關(guān)：

⑴配料及混料。根據(jù)不同產(chǎn)品對(duì)粉末的材質(zhì)和性能要求，選擇合適的低合金鋼粉，經(jīng)配料計(jì)算和準(zhǔn)確稱取粉重后，置于混料機(jī)內(nèi)混和至分布均勻。

⑵壓預(yù)成形坯。在壓制機(jī)上將粉料壓成預(yù)成形坯。對(duì)預(yù)成形坯的設(shè)計(jì)應(yīng)合理，對(duì)其密度、質(zhì)量、質(zhì)量變化和尺寸要嚴(yán)格控制，以避免超負(fù)荷而損壞模具。

⑶燒結(jié)。在通有還原性保護(hù)氣氛的燒結(jié)爐中進(jìn)行，其溫度為1100～1130℃，至完全合金化。然后，將燒結(jié)體移入無(wú)氧化性氣氛的保溫爐（約1000℃）中進(jìn)行保溫。

⑷閉式模鍛。目前燒結(jié)體的鍛造工藝有兩種：一是利用燒結(jié)體余熱保溫至鍛造溫度時(shí)立即進(jìn)行鍛造，以節(jié)約能源；二是在燒結(jié)體冷卻至室溫后，又重新加熱，再進(jìn)行鍛造，此法的能源消耗相對(duì)增大。燒結(jié)體經(jīng)致密化閉式模鍛時(shí)，可將80%理論密度的燒結(jié)體鍛造直至接近100%理論密度。必須指出，在鍛造變形中，預(yù)成形坯的形狀設(shè)計(jì)要合理，以減少金屬的橫向流動(dòng)及減輕對(duì)鍛模的磨損。

粉末鍛件的應(yīng)用實(shí)例

國(guó)外轎車中用粉末鍛造方法制造的重要零件見(jiàn)表1。

表1 轎車中的粉末鍛件

國(guó)外按產(chǎn)品質(zhì)量組成具體的連貫成一個(gè)整體的粉末鍛造生產(chǎn)線。圖2為日本一家制鋼所粉末鍛造生產(chǎn)線的平面圖。

圖2 粉末鍛造生產(chǎn)線

該生產(chǎn)線由旋轉(zhuǎn)式電阻燒結(jié)加熱爐、鍛造加熱爐、粉末鍛造壓機(jī)和粉末預(yù)成形壓機(jī)等主要設(shè)備組成，其設(shè)備的主要規(guī)格見(jiàn)表2。國(guó)外已建成了18條類似的粉末鍛造生產(chǎn)線。

表2 生產(chǎn)線上設(shè)備的規(guī)格

粉末鍛造工藝的優(yōu)點(diǎn)

圖3為固體模鍛與粉末鍛造的制件比較和粉末鍛造精密模具。長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐證明，用粉末鍛造工藝代替普通模鍛具有以下明顯的優(yōu)點(diǎn)。

⑴成形性能高。

由于粉體顆粒較細(xì)，倒入模具型腔時(shí)，像流體一樣充填型腔各處，成形性能極高，所以對(duì)各種形狀復(fù)雜的鍛件都能順利成形。毛坯對(duì)零件的材料利用率已達(dá)100%，即不留任何金屬加工的余量以及敷料。

⑵力學(xué)性能高。

如美國(guó)賽車連桿的疲勞強(qiáng)度從普通模鍛件的290MPa增加到粉末鍛件的340MPa，經(jīng)金相分析指出，這是由于基體中晶粒較細(xì)、無(wú)偏析，且呈連續(xù)纖維方向等原因所致。由此可見(jiàn)，連桿粉末鍛件的力學(xué)性能明顯超過(guò)了普通模鍛件。

⑶鍛件精度高。

由于鍛造的加熱溫度較低，且又在防氧化的保護(hù)氣氛中進(jìn)行，沒(méi)有氧化皮，故可以獲得較高尺寸精度和較低表面粗糙度的鍛件，制件表面在高溫下受到模具型腔光滑表面的熨平。大量生產(chǎn)粉末鍛件的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與普通鍛件進(jìn)行比較見(jiàn)表3。

⑷材料利用率高。

圖3 固體模鍛與粉末鍛造的制件比較和粉末鍛造精密模具

表3 兩種工藝生產(chǎn)鍛件的比較

由于合理的制坯技術(shù)，再在較低溫度下進(jìn)行無(wú)毛邊、無(wú)余量的精密閉式模鍛，大大提高了材料利用率，材料利用率從普通模鍛的40%～60%增加到95%以上。如英國(guó)生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)粉末鍛件連桿，其質(zhì)量?jī)H為605g（普通模鍛件的毛坯下料質(zhì)量為1.2kg)。

⑸模具壽命高。

表4為粉末鍛造工藝的生產(chǎn)條件與普通模鍛生產(chǎn)條件的比較。由表4中的數(shù)據(jù)可知，因粉末坯料的加熱溫度較低及在無(wú)氧化皮的情況下進(jìn)行鍛造，減少了對(duì)模具表面的摩擦。更重要的是，單位壓力僅是普通模鍛的1/4～1/3，甚至更低，模具的受壓條件大為改善，故其模具壽命可提高10～20倍。

表4 兩種工藝參數(shù)的比較

⑹生產(chǎn)率高。

如轎車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的生產(chǎn)工藝，普通模鍛把加熱后的毛坯進(jìn)行多道制坯輥鍛，又在壓力機(jī)上進(jìn)行預(yù)鍛及終鍛，然而再進(jìn)行切邊、大、小頭沖孔、熱校正及冷精壓等多道工序。而粉末鍛造首先是省去了切邊、大、小頭沖孔、熱校正、冷精壓等工序，大大提高了生產(chǎn)率。國(guó)外一條粉末鍛造生產(chǎn)線的生產(chǎn)率已達(dá)每分鐘15～30件。

⑺產(chǎn)品成本低。

與普通模鍛加工方法相比，首先因?yàn)榧庸ぞ雀撸梢源蠓鹊毓?jié)省機(jī)械加工，提高材料利用率，對(duì)節(jié)省工時(shí)和降低成本有很大的經(jīng)濟(jì)效果。因?yàn)樵牧戏勰┰诔杀局兴嫉谋壤^高，生產(chǎn)實(shí)踐證明，機(jī)械加工量越大的零件采用粉末鍛造就越有利。也就是說(shuō)，原來(lái)機(jī)械加工工時(shí)越多的零件，改為粉末鍛造后，在節(jié)省工時(shí)和降低成本方面就越能獲得更大的效果。如某種型號(hào)轎車發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿，粉末鍛造的價(jià)格僅為普通模鍛的50%。

結(jié)束語(yǔ)

目前，粉末鍛造工藝方法已經(jīng)成熟，是一種精減工序，減少污染和節(jié)約資源，符合時(shí)代的發(fā)展。隨著轎車工業(yè)的高速發(fā)展，轎車零部件將朝著高性能和低成本的方向發(fā)展。基于粉末鍛造零件具有精度高、性能高、材料利用率高和成本低等優(yōu)點(diǎn)，因而在轎車上的應(yīng)用日趨增多。今后，將會(huì)有更多的轎車零部件采用粉末鍛造件。