1　鐵基粉末冶金零件的市場現(xiàn)狀 近十年來,粉末冶金工業(yè)發(fā)展迅速。1989～1999年中國大陸與世界鐵基粉末主要生產(chǎn)地區(qū)的鐵基粉末年發(fā)貨量比較[1～6]。鐵基粉末的市場需求在總體上有明顯的增長,特別是北美市場已保持了連續(xù)9年的高速增長[1]。日本雖然受到國內(nèi)長期經(jīng)濟不景氣的拖累,但鐵基粉末的產(chǎn)量仍然較高。中國大陸的鐵基粉末產(chǎn)量緩慢增長。1994～1998年亞洲部分地區(qū)粉末冶金件的年產(chǎn)量[4,7]。1997年亞洲金融風暴令日本和韓國的粉末冶金工業(yè)蒙受挫折,但在中國(包括大陸和臺灣省),粉末冶金制品的產(chǎn)量明顯增長。
粉末冶金制品的用途廣泛,但主要用于機械零件,其中以鐵基材料為主。過去十多年,全球粉末冶金制品大部分用于汽車工業(yè),一直占粉末冶金件的70%左右[1]。目前,每部歐洲汽車中約有7ｋｇ重的粉末冶金件。而每部美國汽車中粉末冶金件重達16ｋｇ[1],相對于1991年的10ｋｇ增幅超過50%。各大汽車制造商預言,未來10年每部汽車中將有重達25ｋｇ的粉末冶金件,美國汽車中或許更高[1,8]。因此,在未來10年,汽車工業(yè)仍將是推動粉末冶金工業(yè)發(fā)展的主要動力。高性能鐵基粉末冶金件已普遍用于傳動裝置、發(fā)動機、通用機械和工具等產(chǎn)品,其市場前景非常廣闊。 2　溫壓技術的特點 基于安全和耐用等理由,對汽車零部件的性能要求很高。近年我國快速發(fā)展的汽車工業(yè)必然會帶動高性能粉末冶金材料特別是鐵基材料的發(fā)展。因此,開發(fā)高性能特別是高力學性能的粉末冶金材料,是粉末冶金的發(fā)展方向和研究重點。提高粉末冶金材料的密度,是實現(xiàn)這一目的的最有效途徑。 傳統(tǒng)一次壓制/一次燒結(jié)生產(chǎn)的鐵基粉末冶金制品,其密度一般在7 1ｇ/ｃｍ3(相對密度約90%)以下,力學性能遠低于同類材料的全致密件。生產(chǎn)高密度、高性能粉末冶金件一直是粉末冶金行業(yè)追求的目標之一。在眾多的高密度粉末冶金生產(chǎn)方法中,溫壓是最為經(jīng)濟的一種新工藝。溫壓技術在90年代中期發(fā)展成熟并成功用于工業(yè)生產(chǎn)。數(shù)家國際知名的粉末冶金公司各自推出受到專利保護的溫壓技術,如瑞典Ｈ ｇａｎ ｓＡＢ的ＤｅｎｓｍｉｘＴＭ、美國ＨｏｅｇａｎａｅｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ的ＡｎｃｏｒｄｅｎｓｅＴＭ和加拿大ＱＭＰＭｅｔａｌＰｏｗｄｅｒ的ＦｌｏｗｍｅｔＷＰＴＭ等。 溫壓工藝是在傳統(tǒng)粉末冶金工藝的基礎上改進而來。工藝過程是將混有溫壓專用潤滑劑(和粘結(jié)劑)的粉末加熱至130～155℃,然后在加熱到上述溫度的模具里壓制成形[9～11]。與傳統(tǒng)工藝相比,溫壓成形的壓坯密度約有0 15～0 30ｇ/ｃｍ3的增幅[9～11],對于提高粉末冶金制品的性能特別是力學性能具有重要作用。溫壓工藝的特色是工藝簡單、成本低廉,在傳統(tǒng)的粉末冶金設備上稍加改裝,經(jīng)一次溫壓壓制/一次燒結(jié)即可生產(chǎn)出高密度、高性能且質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品,其密度可達7 45ｇ/ｃｍ3[9],經(jīng)復壓復燒更可高達7 65ｇ/ｃｍ3[12,13]。 Ｓｈａｈ和Ｉｓｓａｃｓ比較了以溫壓工藝和傳統(tǒng)復壓復燒工藝生產(chǎn)齒輪的成本[14]。表1是對兩種齒輪的成本分析結(jié)果。在零件性能相當?shù)那闆r下,溫壓生產(chǎn)的成本比復壓復燒生產(chǎn)的成本低10%左右。表2列出了各工藝的優(yōu)缺點及成本比較[15]。溫壓能以低于復壓復燒的成本生產(chǎn)出性能相當?shù)漠a(chǎn)品。值得注意的是,其產(chǎn)品在某些方面可以和鍛造產(chǎn)品相競爭。溫壓工藝成本低廉、產(chǎn)品密度高而均勻、力學性能優(yōu)越,兼有彈性后效小、脫模力低等工藝特點,其生坯強度超過20ＭＰａ[10],可在燒結(jié)工序前作機加工處理,以節(jié)約機加工工時和減少刀具磨損。 3　溫壓技術工業(yè)化現(xiàn)狀 自1994年溫壓技術的成果被正式公布到1996年年底為止,在短短的兩年時間就有大約36種溫壓產(chǎn)品在批量生產(chǎn)或準備批量生產(chǎn),其中包括重達1 2ｋｇ,用在福特卡車變速箱上的轉(zhuǎn)矩渦輪轂[16,17]。國外多家公司也利用溫壓技術開發(fā)出高密度、高強度的斜齒輪。溫壓工藝除使齒輪整體密度增大外,齒的密度也大為增加,使齒的強度提高約30%[18],從而省去了用滾壓工藝來局部提高齒部密度的工序。日本日立粉末金屬公司采用溫壓技術生產(chǎn)粉末冶金小節(jié)錐半角斜傘齒輪,成功取代過去以機加工鍛鋼坯的昂貴生產(chǎn)工藝[19]。法國ＦｅｄｅｒａｌＭｏｇｕｌ公司以溫壓技術為汽車工業(yè)制造了使用性能與鍛造和粉末鍛造相近,但成本較低的連桿,表明了溫壓技術有了重大突破,該公司計劃到2002年生產(chǎn)350～600ｇ重的各種連桿1500萬件[20]。瑞典Ｈ ｇａｎ ｓＡＢ與ＳｃａｎｉａＣＶ公司采用溫壓工藝共同開發(fā)出一種用于重型卡車變速器的大型零件ＬａｔｃｈＣｏｎｅ[21]。該零件長期以來都是用精密鍛造或粉末鍛造方法生產(chǎn)的。由此可見,溫壓工藝具有工藝簡單和較高性能價格比的優(yōu)勢是完全可以和鍛造工藝競爭的。 在國內(nèi),引進溫壓工藝的粉末冶金零件生產(chǎn)廠有寧波東睦粉末冶金公司和揚州保來得工業(yè)有限公司。兩家工廠都是從國外引進技術、生產(chǎn)線與購買專用溫壓粉末進行生產(chǎn)。 4　溫壓技術的發(fā)展及在我國的應用前景 由于長期缺乏數(shù)量較大和附加值較高的零件需求,沒有機會讓粉末冶金行業(yè)發(fā)揮它特有的優(yōu)勢,因此我國粉末冶金工業(yè)基礎較為薄弱,一直都未受到重視。1989年粉末冶金軸承占我國粉末冶金零件總產(chǎn)量的60%(質(zhì)量分數(shù)),其中大部分是低附加值的普通軸承。90年代中期,汽車工業(yè)發(fā)展較快,為高性能鐵基粉末冶金件的生產(chǎn)發(fā)展提供了良好的機遇,用于汽車和摩托車工業(yè)的粉末冶金零件按質(zhì)量計算在10年間幾乎翻了一番[23,24]。與此同時,用于附加值較低的農(nóng)機工業(yè)粉末冶金零件則幾乎減少一半。由此可見,發(fā)展高性能粉末冶金零件是大勢所趨。目前,國產(chǎn)轎車只維持在年產(chǎn)幾十萬輛的水平,預期到2010年將會達到年產(chǎn)100萬輛左右。屆時,對高性能鐵基粉末冶金件的需求將會達到萬噸以上。這無疑是發(fā)展我國粉末冶金工業(yè)的一次難得的機遇。根據(jù)對我國粉末冶金零件市場的預測[25],在2000年生產(chǎn)規(guī)模的基礎上,粉末冶金零件在各行各業(yè)的應用都將有所增長。到2005年,摩托車行業(yè)和小型制冷壓縮機行業(yè)將有40%的增幅,而汽車行業(yè)的預期增幅更達70%。目前,國產(chǎn)汽車平均每輛使用3～6ｋｇ粉末冶金零件[26,27],而國外則多達16ｋｇ,兩者的差距反映出我國粉末冶金工業(yè)相對比較落后。但是,隨著中國汽車工業(yè)邁向大規(guī)模生產(chǎn),這一差距將很快縮小。以桑塔納轎車為例,每輛用粉末冶金件僅15種,重3ｋｇ,而去年投放市場、以美國技術生產(chǎn)的別克轎車則每輛用粉末冶金件35種,重12 5ｋｇ[27]。從生產(chǎn)普通粉末冶金件向生產(chǎn)高性能粉末冶金件過渡不是一朝一夕的事,特別是為汽車提供零件不是接了訂單就能組織生產(chǎn)這么簡單,必須通過一連串的試驗、試制、臺架試驗、裝機試驗、定型、批量生產(chǎn)等相當長的過程。盡管未來汽車用粉末冶金件大量需求,但在國內(nèi)推廣溫壓技術的工業(yè)化還有不少困難。除少數(shù)幾家擁有雄厚財力和技術實力的大型粉末冶金廠外,一般生產(chǎn)廠是不太可能投入大量的資金進口昂貴的溫壓設備和專用粉末。因此,溫壓技術的國產(chǎn)化非常重要。 性能優(yōu)良、質(zhì)量穩(wěn)定的粉末是高性能粉末冶金工業(yè)的基礎,我國的鐵基粉末生產(chǎn)無論在產(chǎn)量、性能或質(zhì)量的穩(wěn)定性等方面都與世界發(fā)達地區(qū)有著明顯的差距。適用于生產(chǎn)高密度、高性能零件的霧化鐵粉其產(chǎn)量長期偏低,90年代以前年產(chǎn)量一直徘徊在幾百噸,1995年起開始快速增長,目前霧化鐵粉的產(chǎn)量已占鐵基粉末總產(chǎn)量的1/4左右。霧化鐵粉的年產(chǎn)量節(jié)節(jié)攀升,充分說明我國鐵基粉末冶金件的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)正向高性能方向發(fā)展。目前,溫壓專用粉末尚未有批量生產(chǎn)。如果完全依賴進口,不但成本高昂,而且還將制約粉末冶金產(chǎn)品的自主開發(fā)。因此,大批量生產(chǎn)壓縮性能優(yōu)良和質(zhì)量穩(wěn)定的鐵粉和預合金粉末,并研制適合我國國情的溫壓專用粉末加熱裝置是當務之急,以免過分依賴昂貴的進口產(chǎn)品。可喜的是華南理工大學已成功開發(fā)出有自主知識產(chǎn)權的溫壓專用粉末及其加熱裝置,為溫壓原材料及設備的國產(chǎn)化打下了基礎。 目前,對粉末冶金結(jié)構(gòu)件的密度要求一般在7 0ｇ/ｃｍ3以上,有些甚至高達7 6ｇ/ｃｍ3。而溫壓成形正好是生產(chǎn)密度此范圍零件的工藝。我們可以利用溫壓技術只需較小成形壓力等優(yōu)點開發(fā)較大型的零件。我們亦可以利用溫壓成形的零件具有較高力學性能的優(yōu)勢,在免除諸如熱處理等后續(xù)工序的基礎上生產(chǎn)強度達800ＭＰａ以上、精度達ＩＴ6～ＩＴ5的粉末冶金零件以增強粉末冶金零件的競爭力。Ｈ ｇａｎ ｓＡＢ公司報道,以溫壓成形并經(jīng)一次燒結(jié)的含Ｃｒ鐵基粉末冶金材料,其燒結(jié)態(tài)的強度可達1299ＭＰａ[28]。也可以通過合金成分的調(diào)整,利用溫壓工藝生產(chǎn)高強韌零件。ＨｏｅｇａｎａｅｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ探討了以溫壓成形代替機加工可鍛鑄鐵制造高強韌齒輪的可行性,以減免熱處理和機加工工序[29]。結(jié)果顯示,他們的溫壓粉末冶金材料其燒結(jié)態(tài)的沖擊韌度與熱處理態(tài)的可鍛鑄鐵差不多,抗拉強度和屈服強度與熱處理到28ＨＲＣ的可鍛鑄鐵一樣,但伸長率較低。華南理工大學研制出強度在600ＭＰａ以上、伸長率達4%的鐵基粉末冶金材料,并在高強耐磨零件方面,通過加入適量硬質(zhì)顆粒增強零件的耐磨性,成功地開發(fā)出一系列耐磨鐵基復合材料,適合于制造發(fā)動機的導筒和導管等零件。 德國Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ研究所在溫壓工藝的基礎上,開發(fā)出一種稱為“流動溫壓工藝”(ＷａｒｍＦｌｏｗＣｏｍ ｐａｃｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓ)的技術[30,31]。通過加入適量較微細的粉末、加大及調(diào)節(jié)潤滑劑的含量以提高粉末的流動性、填充能力和成形性,可以制造帶有垂直于壓制方向上的凹槽、孔和螺絲孔等制件。制造此類粉末冶金件過去一直被認為是非常困難甚至是不可能的,利用程控壓機復雜和精準的動作也只能生產(chǎn)出較為簡單的此類零件[32]。該工藝不但適用于鐵基材料,還適用于諸如鈦、ＷＣ Ｃｏ等其他材料。由此可見,溫壓工藝具有非常廣闊的發(fā)展前景。目前,溫壓技術還遠遠沒有發(fā)揮出其潛在的和應有的作用,其發(fā)展前途是不可低估的。 利用計算機進行溫壓成形過程的模擬是提高產(chǎn)品開發(fā)效率的有效工具,可充分利用溫壓的優(yōu)點開發(fā)新零件或重新設計零件,擴大粉末冶金件的應用,并突破只憑經(jīng)驗摸索的瓶頸,大量減少試驗次數(shù),縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,使企業(yè)能更快速地對市場作出反應。高密度、高性能零件是未來幾年的高增長點,掌握此方面的技術對奪取潛在的市場具有積極意義。 利用粉末冶金技術開發(fā)無需油脂潤滑的耐磨件,以適應某些特殊行業(yè)的要求,如紡織機械等行業(yè)。在紡織機械和縫紉機上的某些零件,目前是采用復壓復燒法生產(chǎn),其密度達7 5ｇ/ｃｍ3,抗拉強度達500ＭＰａ[33]。這些產(chǎn)品的性能正好是溫壓工藝所能達到的范圍,問題是產(chǎn)量的大小,因為粉末冶金的低成本是建立于大批量生產(chǎn)的基礎上,所以開發(fā)非汽車用的粉末冶金零件還要耐心地解決有關問題。所幸我國市場龐大,以縫紉機為例,1995年的產(chǎn)量就達970萬臺[34]。只要不發(fā)生惡性競爭,開發(fā)非汽車用零件是大有可為的。 大力發(fā)展和推廣溫壓工藝這種低投入、低成本的高密度粉末冶金生產(chǎn)技術,能為我國粉末冶金工業(yè)在新世紀里擠身國際市場打下堅實的基礎。我國的汽車工業(yè)目前還處于初級發(fā)展階段,在未來的十多年里隨著汽車工業(yè)的發(fā)展,一定能提供一個龐大的市場消化我國粉末冶金工業(yè)為國產(chǎn)汽車研制的高性能粉末冶金件,形成一個以市場帶動新技術,又以新技術開發(fā)新產(chǎn)品、開拓新市場的良性循環(huán)。