粉末冶金制品工業(yè)是一個高、新技術(shù)產(chǎn)業(yè)新材料、新工藝、新裝備層出不窮,瞬息萬變,當前正在致力于研究與開發(fā)將鐵基粉末冶金零件的密度提高到7.6g/cm3的制造技術(shù)和粉末原料,預(yù)計2010年以前這個目標可以實現(xiàn)。實際上,現(xiàn)在些粉未冶金零件的密度己達到了7.5g/cm3,例如法國Sintertech生產(chǎn)的同步器環(huán)。當前值得注意的一些技術(shù)發(fā)展動向是:溫壓、模壁潤滑、高溫燒結(jié)、金屬注射成形、燒結(jié)硬化及軟磁復(fù)合材料等。
對粉末冶金機械零件行業(yè)而言,進入九十年代以來,溫壓是*重要的技術(shù)進展之一。據(jù)瑞典赫格納斯公司估計(1),全世界用溫壓生產(chǎn)的粉末冶金零件己有38種,生產(chǎn)線共有20條,還有20多家公司正在進行試驗(見表1)。溫壓的可能用途見表2。實際上,現(xiàn)在用溫壓生產(chǎn)的粉末冶金零件遠比表1中所列者多。如上所述,臺灣保來得公司就己用溫壓生產(chǎn)40多種零件了。
表一 :1996年全球溫壓的動態(tài)(1)
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美 國 |
歐 洲 |
遠 東 |
生產(chǎn)線 |
10 |
6 |
4 |
在生產(chǎn)的零件 |
20 |
3 |
15 |
在試驗的公司 |
一些 |
10+ |
10+ |
表二 :溫壓的可能用途(1)
應(yīng) 用 |
優(yōu) 點 |
螺旋齒輸(電動工具) |
增高強度 |
泵輪 |
增高強度 |
連桿 |
增高疲勞強度 |
凸輪 |
減少磨損 |
鏈輪 |
增高切削加工強度 |
同步器轂 |
增高強度 |
螺旋齒輪(變速箱) |
增高彎曲疲勞強度 |
軟磁零件 |
較高密度 |
粉末鍛造興起于七十年代初。1981年日本豐田汽車公司宣布粉末鍛造汽車發(fā)動機連桿試制成功,并投入了生產(chǎn)。但是,真正投入大批量生產(chǎn)和使用的是美國的Masco Tech Sintered Components與福特汽車公司,預(yù)計到1998年年生產(chǎn)能力將達到約3000萬根(2)。到1993年底,這家公司共生產(chǎn)了粉鍛連桿2500萬根。但是,1994年溫壓工藝出現(xiàn)后,福特汽車公司認為粉鍛連桿不久將達到應(yīng)用的頂點,*終將為一次壓制一次燒結(jié)的連桿所替代。他們認為“未來是屬于一次燒結(jié)連桿的”(3)。
在粉末冶金零件生產(chǎn)中,為了減少粉末顆粒之間和粉末顆粒與模壁之間的摩擦,粉末混合料中都添加有一定量的潤滑劑,諸如硬脂酸鋅等。要除去這些潤滑劑始終是粉末冶金機械零件生產(chǎn)中一個難題。能否將潤滑劑混入粉末中改為噴涂于模壁上,是長期探索的一條途徑。據(jù)文獻報導(4),用鐵粉(F-0000)和鋼粉(FN0205,Fe-2.Ni-0.45 C-1.3Cu)進行的試驗表明,在密度6.0g/em³-7.3g/cm³的范圍內(nèi),模壁潤滑者比將潤滑劑摻加于粉末內(nèi)者,生坯強度可增高128%-127%(對于F-0000)和66%-139%(對于FN0205),而兩者的燒結(jié)件強度相差很小,可認為在試驗的誤差范圍之內(nèi)。現(xiàn)在,美國Gasbarre Products己采用模壁潤滑,其系統(tǒng)已在市場出售。
燒結(jié)硬化是將鐵基粉末冶金零件的燒結(jié)過程和借助于通過爐子冷卻帶時進行淬火硬化結(jié)合起來的一項新工藝。在美國MPIF1997年版“粉末冶金結(jié)構(gòu)零件材料標準”中,己含有這類材料的技術(shù)標準(見“粉末冶金工業(yè)”V01.8N0.3,1998,444)。這類材料是由預(yù)合金化Ni-Mo鋼粉混合以銅粉與石墨粉制成的。QMP的ATOMET4701粉就是為燒結(jié)硬化工藝而開發(fā)的。在燒結(jié)硬化過程中,可通過控制燒結(jié)爐冷卻帶的冷卻速度來調(diào)整材料的顯微組織,使之達到所要求的馬氏體含量和力學性能。表3顯示由低合金Ni-Mo鋼粉+2%銅粉+1%石墨粉制造的,密度6.75g/cm³的燒結(jié)硬化鋼的硬度和馬氏體百分含量的關(guān)系(5)。很明顯,這類材料的開發(fā),對于需要進行后續(xù)熱處理的高強度粉末冶金結(jié)構(gòu)零件的發(fā)展具有重要實際意義。
表三 :燒結(jié)硬化鋼的硬度與馬氏體百分含量的關(guān)系
硬 度(HRC) |
馬氏體(%) |
珠光體+孔隙(%) |
10 |
10 |
90 |
15 |
18 |
82 |
20 |
40 |
60 |
25 |
55 |
45 |
30 |
75 |
25 |
35 |
85 |
15 |
40 |
95 |
5 |
這種材料是由顆粒表面涂覆有一層樹脂類材料的鐵粉,用溫壓壓制成形的。瑞典赫格納斯公司生產(chǎn)的這類粉末牌號為Somaloy500、QMP的牌號為ATOMETEM-1。由這種SMC材料制造的鐵粉芯,在美國通用汽車公司的整體線圈與電子線路(ICE-4)點火裝置中己得到了應(yīng)用。在1997年SAE國際會議與博覽會上,這個產(chǎn)品獲得了汽車革新獎。這個產(chǎn)品是用溫壓試制的*產(chǎn)品,1990年開始在葡萄牙試生產(chǎn),1992年樣品開始投放歐洲與南美市場,1998年這種產(chǎn)品將開始用于美國車輛中,現(xiàn)在這種SMC材料已發(fā)展到第三代,其性能改進的數(shù)據(jù)見表4。
表四 :美國通用汽車公司用于AC用途的SMC材料的性能改進(4)
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初期材料 |
現(xiàn)在的材料 |
第二代材料 |
第三代材料 |
密度(g/cm³) |
7.20 |
7.25 |
7.35 |
7.45 |
電陰率(ohm-cm) |
0.15 |
0.20 |
0.20 |
1.50 |
Bmax(KG) |
13.00 |
13.5 |
14.5 |
15.75 |
*大磁導率 (G/Oe) |
90 |
190 |
350 |
400 |
于1500e和50Hz下測量的數(shù)據(jù) |
這種材料的開發(fā)與應(yīng)用為汽車點火裝置、電燈振流器、變壓器鐵芯、低頻濾波器與扼流圈鐵芯,以及電動機中的硅鋼片制品,找到了一種經(jīng)濟的替代產(chǎn)品。因此,這可能是一類極有發(fā)展前景,市場廣闊的新材料。
除上述外,金屬注射成形(MIM)和高溫燒結(jié)工藝也都是值得重視的新工藝。