汽車連桿粉末鍛造工藝

文／洪慎章·上海交通大學塑性成形技術與裝備研究院

汽車連桿粉末鍛造工藝

文／洪慎章·上海交通大學塑性成形技術與裝備研究院

傳統的普通模鍛和機械加工方法已難以滿足當今汽車、摩托車等工業生產中高質量、高精度、高效率、低消耗及低成本的要求。20世紀90年代，國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線。它是常規的粉末冶金工藝和精密鍛造有機結合而發展起來的一項頗具有市場競爭力的少、無切削金屬加工方法。以金屬粉末為原料，經過預成形壓制，在保護氣氛中進行加熱燒結，作為鍛造毛坯在壓力機上一次鍛造成形和實現無飛邊精密模鍛，獲得與普通模鍛件相同密度、形狀復雜的精密鍛件。

它既有粉末冶金成形性能較好的優點，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，使粉末冶金和鍛造工藝在生產上取得了新的突破，是邊緣專業的學科，特別適宜大批量生產高強度、形狀復雜的零件，因此在各工業部門中有較大推廣應用的發展前途。

粉末鍛造工藝流程

一般的粉末鍛造工藝流程如圖1所示，即對經過適當配方和混合的粉末用與制造普通燒結件相同的方法使其成形，制成低密度的預成形件，并以此作為鍛造毛坯，在燒結后進行熱態鍛造。當預成形體中含有潤滑劑時，在燒結之前應增加潤滑劑脫除工序。燒結后如果冷卻了，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械加工。整個工藝過程中除短時間的鍛造外，全部加熱都在防氧化的保護氣氛內進行。

圖1 粉末鍛造工藝流程

粉末鍛造工藝的要求

生產實踐表明，要滿足技術上要求的粉末鍛件，與下列主要工序密切有關：

⑴配料及混料。根據不同產品對粉末的材質和性能要求，選擇合適的低合金鋼粉，經配料計算和準確稱取粉重后，置于混料機內混和至分布均勻。

⑵壓預成形坯。在壓制機上將粉料壓成預成形坯。對預成形坯的設計應合理，對其密度、質量、質量變化和尺寸要嚴格控制，以避免超負荷而損壞模具。

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

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

粉末鍛件的應用實例

國外轎車中用粉末鍛造方法制造的重要零件見表1。

表1 轎車中的粉末鍛件

國外按產品質量組成具體的連貫成一個整體的粉末鍛造生產線。圖2為日本一家制鋼所粉末鍛造生產線的平面圖。

圖2 粉末鍛造生產線

該生產線由旋轉式電阻燒結加熱爐、鍛造加熱爐、粉末鍛造壓機和粉末預成形壓機等主要設備組成，其設備的主要規格見表2。國外已建成了18條類似的粉末鍛造生產線。

表2 生產線上設備的規格

粉末鍛造工藝的優點

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。長期生產實踐證明，用粉末鍛造工藝代替普通模鍛具有以下明顯的優點。

⑴成形性能高。

由于粉體顆粒較細，倒入模具型腔時，像流體一樣充填型腔各處，成形性能極高，所以對各種形狀復雜的鍛件都能順利成形。毛坯對零件的材料利用率已達100%，即不留任何金屬加工的余量以及敷料。

⑵力學性能高。

如美國賽車連桿的疲勞強度從普通模鍛件的290MPa增加到粉末鍛件的340MPa，經金相分析指出，這是由于基體中晶粒較細、無偏析，且呈連續纖維方向等原因所致。由此可見，連桿粉末鍛件的力學性能明顯超過了普通模鍛件。

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氣氛中進行，沒有氧化皮，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。大量生產粉末鍛件的實測數據與普通鍛件進行比較見表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 兩種工藝生產鍛件的比較

由于合理的制坯技術，再在較低溫度下進行無毛邊、無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。如英國生產的發動機粉末鍛件連桿，其質量僅為605g（普通模鍛件的毛坯下料質量為1.2kg)。

⑸模具壽命高。

表4為粉末鍛造工藝的生產條件與普通模鍛生產條件的比較。由表4中的數據可知，因粉末坯料的加熱溫度較低及在無氧化皮的情況下進行鍛造，減少了對模具表面的摩擦。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 兩種工藝參數的比較

⑹生產率高。

如轎車發動機連桿的生產工藝，普通模鍛把加熱后的毛坯進行多道制坯輥鍛，又在壓力機上進行預鍛及終鍛，然而再進行切邊、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，大大提高了生產率。國外一條粉末鍛造生產線的生產率已達每分鐘15～30件。

⑺產品成本低。

與普通模鍛加工方法相比，首先因為加工精度高，可以大幅度地節省機械加工，提高材料利用率，對節省工時和降低成本有很大的經濟效果。因為原材料粉末在成本中所占的比例較高，生產實踐證明，機械加工量越大的零件采用粉末鍛造就越有利。也就是說，原來機械加工工時越多的零件，改為粉末鍛造后，在節省工時和降低成本方面就越能獲得更大的效果。如某種型號轎車發動機的連桿，粉末鍛造的價格僅為普通模鍛的50%。

結束語

目前，粉末鍛造工藝方法已經成熟，是一種精減工序，減少污染和節約資源，符合時代的發展。隨著轎車工業的高速發展，轎車零部件將朝著高性能和低成本的方向發展。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點，因而在轎車上的應用日趨增多。今后，將會有更多的轎車零部件采用粉末鍛造件。