郭江涛
河北新金钢铁有限公司
摘要：简要综述了国内外汽车铁基粉末冶金零件的应用现状，介绍了铁基粉末冶金零件的分类和应用，并指出高致密度、高性能的铁基粉末冶金零件是汽车工业产品的未来发展方向。
关键词：铁基粉末冶金零件；高性能结构件；研究进展
粉末冶金技术是新材料科学中最具发展活力的分支之一，已被广泛应用于交通、机械、电子、信息、兵器、生物、新能源、航空航天和核工业等领域。粉末冶金制品节能、省材、性能优异、产品精度高且稳定性好，非常适合于大批量生产。粉末冶金零件是粉末冶金行业的主导产品之一，应用领域广、需求量大。近年来，由于技术、经济等因素，铁基粉末烧结材料逐渐取代部分铸钢、锻钢材料，在机械、航空，特别是汽车、摩托车工业上广泛应用。
铁基粉末烧结材料是发展迅速和具有巨大应用潜力的工程材料，其中汽车工业是粉末冶金零件的主要用户，粉末冶金制品已成为汽车工业的重要材料。机械制品中常用的铁基粉末烧结材料，是在铁粉中加入合金元素活化烧结，形成球化孔隙，固溶强化，提高淬透性。经过热处理，充分发挥合金化的作用，因而节能、节材，具有生产效率高的优点，适宜大批量生产。该材料具有多样性的特点，可满足不同用途结构零件的性能要求。
一、近年汽车铁基粉末冶金零件的发展
随着我国经济的快速发展，特别是汽车、摩托车、家电、电动工具、工程机械等产业的高速拉动，带动了粉末冶金零件产业的发展，使粉末冶金市场需求量不断增加。据中国汽车工业协会统计，我国2012年全年累计生产汽车1927.18万辆，同比增长4.6％，销售汽车1 930.64万辆，同比增长4.3％，产销同比增长率较2011年分别提高了3.8和1.8个百分点。2012年，轻型车市场依然是影响粉末冶金工业兴旺与未来增长的主导力量。2012年全国粉末冶金零件累计产量达113万t，同比增长9.93%，汽车工业消耗23万t粉末冶金零件。2010年粉末冶金零件的销量为137146t，同比增长42.9%。其中铁基零件销量近13万t，同比增长41.8%，铜基零件销量为8961t，同比增长60.6%。2009年欧洲每辆车平均用粉末冶金零件7.2 kg。2008年日本用8 kg，通用汽车每辆车用粉末冶金零件约21.7 kg，福特用20 kg，克莱斯勒用19.5 kg，亚洲品牌用17 kg，某些欧洲SUV与轻型卡车用粉末冶金零件19 kg。中国已经成为世界第一大汽车生产国及消费国，这将是拉动粉末冶金工业发展的强劲动力。在国外铁基粉末冶金制品70%以上的市场在汽车工业，而我国只有38%左右。就汽车铁基粉末冶金零件的用量而言，我国平均每辆汽车至少还有7~10 kg的增长潜力，这可以增加大约20万t／a的粉末冶金零部件的需求量。
二、铁基粉末冶金零件的分类
（一）中低强度结构件
典型零件有发动机上正时凸轮轴带轮、曲轴带轮、水泵带轮、曲轴正时齿轮、凸轮轴正时齿轮等，这种类型零件通常为Fe-C-Cu材料，密度在6.4～6.8 g／cm3之间。上述零件往往形状较复杂，精度要求较高，所用原材料通常采用还原铁粉，合金元素通过机械混合形式加入。对铁粉的要求：
（1）良好的成形性能、较高的生坯强度，以防压件产生裂纹（尤其对多台阶异形结构件）和工序间流转时压件掉边缺角。
（2）良好的压缩性能、较低的压制回弹率，降低零件成型压力，延长模具寿命，减少压件裂纹的产生。要求提高粉末退火还原质量，降低铁粉中碳、氧含量和铁粉颗粒硬度。
（3）良好的质量稳定性，如化学成分中铁粉的含氧量不稳定，将影响到配料的准确性，影响零件工艺过程中尺寸变化率和零件最终成分及性能；如物理性能中松比、流速不稳定，将影响模腔的装粉量，引起压坯重量和高度尺寸变化较大，导致产品质量不稳定。
（二）中高强度结构件
典型零件有发动机、变速箱传动、齿轮、链轮等。这类零件一般要求能够承受较高负荷，具有较好的耐磨性，成分通常为Fe-C-Cu-Ni，或Fe-C-Cu-Ni-Mo等，密度在6.8～7.4 g／cm3之间，有些零件则需要进行热处理，以达到其性能要求。
同步器锥环是变速箱齿轮中的一个重要零件，它形状复杂，尺寸精度高，且有较高的耐磨性与力学性能的要求，特别是对硬度和强度的要求高。如果该零件失效了，变速箱就不能换档了，在换档过程中该零件承受冲击与磨损，同步器锥环能否满足设计要求，需进行专门的换档台架试验后才能决定。锥环尺寸精度和冲击磨损性能均要求较高。随着汽车使用的马力不断增加，离合器和变速箱的扭矩相应增加，对材料强度的要求也越来越高。此外，国内还有采用主要成分为Fe-0.5Mo-2Si-2Ni-2C，采用复压复烧方法制备同步器锥环，有效提高产品密度，精确控制产品尺寸，对设备要求较低，降低了生产成本，可以广泛应用于制备各种汽车零部件。
（三）高性能粉末烧结件
现在开发的汽车用粉末冶金零件中，大部分集中在发动机和变速器上，主要是形状复杂的，高密度、高强度、高使用性能的零件应用在增加。典型零件有发动机连杆、气门座圈、驱力器驱动齿轮、行星齿轮架、高扭矩链轮、变速器油泵、单向离合器环等、气门导管、凸轮轴轴颈、凸轮轴和曲轴链轮、轴承盖、凸轮轴挡板、排气管法兰、气门摇壁支座、油泵齿轮等零件。这些零件几乎都是高强度、高密度零件，因此所用的铁粉一般都有特殊要求。
（1）汽车发动机连杆大多为锻钢连杆和铸造连杆两种。锻钢连杆有调质钢和非调质钢，如跃进汽车集团生产的IVECO柴油机采用42CrMo调质钢；桑塔纳和夏利轿车采用非调质钢。铸造连杆有球墨铸铁连杆和可锻铸铁连杆，如一汽488发动机连杆采用球墨铸铁，北京切诺基轿车连杆采用可锻铸铁。
（2）随着汽车发动机技术的不断发展，汽车发动机气门座圈工况更加恶劣，以及无铅汽油的普及，气门和气门座圈之间由于没有铅的润滑，原来普遍使用的高铬铸造合金常因过早磨损而无法满足正常工作。国内采用低合金粉末冶金座圈，合金成分低、密度低、硬度低、导热和耐热性能差，使其在耐磨、耐蚀、耐热冲击等性能方面达不到使用性能的要求，无法达到主机要求的使用寿命。
（3）粉末冶金行星齿轮架替代的是重型变速器中的铸铁架，铸铁架除需要进行大量地切削加工外，粉末冶金架还可以减轻重量，增加功能特性。粉末冶金行星齿轮架极限强度比铸铁切削加工件高40%，而成本减少35%以上，热处理后台架心部的极限抗拉强度为950 MPa，而端面板为455 MPa。增高刚度及减小短轴的挠曲，提供精密控制的花键，增强耐久性，花键不需要热处理，从而显著降低生产成本。
三、展望
我国的汽车工业起步较迟，对粉末冶金零件的认识还不足，大多数是以粉末冶金材料来替换传统金属材料，所以发展较慢。目前粉末冶金件应用在汽车、摩托车工业的比例只有38%。随着大量引进车型上规定用粉末冶金零件，将带动我国粉末冶金零件在汽车制造工业上的蓬勃发展，使人们对粉末冶金零件的技术和经济特点有了一定的认识。特别是近期引进的车型中，又出现许多新的零件，因此在生产中除了进一步扩大通用制造工艺外，还需要用一些特殊的工艺来制造，如：金属注射成型、温压成型、粉末锻造、热等静压、冷等静压等等，从而使粉末冶金零件在汽车工业领域上的应用将更多、更广。
参考文献
[1]付雷杰,魏伟,曹岩,白瑀,冷杰武,左鹏军.铁基粉末冶金零件切削特性的研究进展[J].工具技术,2021,55(03):14-19.
[2]宋晓波.铁基粉末冶金零件的性能改善[J].冶金与材料,2020,40(03):31-32.
[3]黄伯云,韦伟峰,李松林,张立,李丽娅,刘锋,李瑞迪.现代粉末冶金材料与技术进展[J].中国有色金属学报,2019,29(09):1917-1933.
[4]熊翔,杨宝震,刘咏,刘如铁.汽车工业中的粉末冶金新材料与新技术[J].粉末冶金工业,2019,29(04):1-7.