[科普中国]-粉末锻造

介绍

用粉末冶金方 法先制成接近于工件形状的坯料，加热后放在闭式 锻模中进行模锻的一种新型模锻工艺。采用粉末锻 造简化了模锻的制坯工序，提高了材料利用率，并可 以制造形状复杂、尺寸精确、表面光洁、组织均匀 的零件。

粉末锻造的原理粉末锻造是指以金属粉末为原料，经过冷压成形，烧结、热锻成形或由粉末经热等静压、等温模锻，或直接由粉末热等静压及后续处理等工序制成所需形状的精密锻件，将传统的粉末冶金和精密模锻结合起来的一种新工艺，兼有两者的优点,可以制取密度接近材料理论密度的粉末锻件，克服了普通粉末冶金零件密度低的缺点，使粉末锻件的物理力学性能达到甚至超过普通锻件的水平。同时，又保持普通粉末冶金少、无切屑工艺的优点，通过合理设计预成形坯和实行少、无飞边锻造，具有成形精确、材料利用率高、锻造能量消耗少等特点。 典型的粉末锻造工艺流程如图1所示。

即以金属粉末为原料，向生产陶瓷制品一样，经成型、烧结制造成金属制品。鉴于粉末锻造的生产过程和陶瓷完全一样，因此，20世纪初，有人曾将粉末锻造叫做“金属陶瓷制术”。2

粉末锻造的特点粉末锻造的毛坯为烧结体或挤压坯，或经热等静压的毛坯。与采用普通钢坯锻造相比， 粉末锻造的优点如下：

1.）材料利用率高 锻压是采用闭合模锻，锻件没有飞边，无材料耗损，最终机械加工 余量小，从粉末原材料到成品零件，总的材料利用率可达 90%以上。

2.) 成型性能高 可以锻造一般认为不可锻造的金属或合金， 如难变形的高温铸造合金通过粉末锻造制成 形状复杂的制品。 容易获得形状复杂的锻件。

3.) 锻件精密度高 粉末锻造预制坯采用少无氧化保护加热， 锻后精度和粗糙度 可达到精密模锻和精铸的水平。可采用最佳预制坯形状，以便最终成形形状复杂的锻件。

4.) 力学性能高 由于粉末颗粒都是由微量液体金属快速冷凝而成， 而且金属 液滴的成分与母合金几乎完全相同， 偏析就被限制在粉末颗粒的尺寸之内。 因此可克服普通 金属材料中的铸造偏析及晶粒粗大不均等缺陷， 使材质均匀无各向异性.

5.) 成本低，生产率高 粉末锻件的原材料费用及锻造费用和一般模 锻差不多，但和一般模锻件相比，尺寸精度高、表面粗糙度低，可少加工或不加工，从而节 省大量工时。对形状复杂批量大的小零件，如齿轮、花键轴套、连杆等难加工件，节约效果尤其明显。 由于金属粉末合金化容易， 因此有可能根据产品的服役条件和性能要求，设计和制备原材料，从而改变传统的锻压加工都是“来料加工”模式，有利于实现产品、工艺、材料的一体化。

金属粉末的选择及制取粉末锻造工艺应用于制造力学性能高于传统粉末冶金制品的结构零件。因此广泛选择预合金雾化钢粉作为预成形坯的原料。最普通的成分是含Ni和Mo两合金元素，例如，含Ni0.4%和Mo0.6%或含Ni2%和Mo0.5%。这种成分的优点是含少量氧化倾向的合金元素，特别是美国4600(Ni2%，Mo0.5%)只含有Mn0.2%-0.3%和含量小于0.1%的Cr，氧化倾向小，但价格较贵并缺乏足够的淬透性，因此不适于要求高强度和高韧性等综合性能好的零件。

为了提高粉末锻件的淬透性，一般采取在含Ni0.4%和Mo0.6%的预合金雾化钢粉和石墨的混合粉中加入铜。加入2.1%以下的铜，经压制、烧结锻造后，锻件表现出比无铜时具有更高的淬透性。 粉末锻造用原材料粉末的制取方法主要有还原法、雾化法，这些方法被广泛用于大批量生产。适应性最强的方法是雾化法，因为它易于制取合金粉末，而且能很好地控制粉末性能。其它如机械粉碎法和电解法基本上用于小批量生产特殊材料粉末。近年来，快速冷凝技术及机械合金化技术被用来制取一些具有特异性能、用常规方法难以制备的合金粉末，并逐渐在粉末锻造领域应用。粉末锻造之所以有如此大的发展，是由于现在可以生产新的、高质量的、低成本的粉末。

后续处理和加工锻造时由于保压时间短，坯料内部孔隙虽被锻合，但其中有一部分还未能充分扩散结合，可经过退火、再次烧结或热等静压处理，以便充分扩散结合。 粉末锻件可同普通锻件一样进行各种热处理。 粉末锻件为保证装配精度，有时还须进行少量的机械加工。

粉末锻造在汽车行业的应用粉末锻造多用于各种钢粉制件。 目前所用的钢种有几十种， 从普通碳钢到多种低合金钢， 以至不锈钢、耐热钢、超高强度钢等高合金钢和高速工具钢。有色金属粉末锻造不如钢粉末 锻造那样应用广泛和成熟。特别是在汽车制造业，粉末锻造技术有着充分的展现：

以汽车连杆为例，汽车连杆在整量汽车的运行中起着传动的作用，运用粉末锻造技术锻造后经热处理，材料获得较好的综合力学性能，数据表明抗拉强度达1090MPa，硬度HRC为40.7，冲击韧性为38J/cm2，用于取代一些合金以节约较为稀缺的镍。 同时，经过粉末锻造技术的连杆可以获得更高的密度，可以避免高负荷运动下的断裂，又由于密度的提高可以在制造中更加精准的掌握连杆的尺寸精度，是器械的契合度更加完美。正因为粉末锻造的连杆优势多多，他们经常用于发动机内部的连杆机构，来承受高强度的冲击和负荷。

在国外的一些知名汽车厂就运用这粉末锻造技术实行汽车零部件的生产。德国宝马汽车公司于1992年在V8发动机上采用粉末锻造连杆，使连杆的长度有125mm缩短到115mm，而质量降低20%，明显改进了平衡性，并降低了生产成本。 又类如（1）美国通用汽车公司（GM）在1995年，在北极星V8型4.6L发动机大量运用了粉末连杆及铝合金凸转轮，其技术及经济效果显著。( 2) 美国福特汽车公司1986 年, 福特汽车公司大量生产和装车使用粉末锻造连杆, 用于排量119L 四缸发动机和416L V8 发动机上。至1991 年, 该公司至少已使用粉末锻造连杆达1000 万根, 耗用钢粉7000t 以上。在1995 年车型的318L V6发动机和1996 年新产车型Zeta- Ó型四缸发动机上, 亦大量使用了这种粉末锻造连杆。1996 年, 福特公司在全北美( 美国和加拿大)制造的发动机上大量装机使用, 并在欧洲福特汽车公司也装车使用了粉末锻造连杆。( 3) 美国克莱斯勒( Chrysler) 汽车公司克莱斯勒汽车公司也在新生产的210L、214L 发动机上大量使用了粉末锻造连杆。