浅谈粉末冶金制品与汽车零件市场.pdf

第 2 4卷 第 5期 2 0 1 4年 1 0月 粉 末 冶 金 工 业 POW DER M ETALLURGY I NDUS TRY V o 1 ． 2 4， No． 5， p 5 4 5 8 0c t ． 2 01 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 2 8 8 ． b o y u a n ． i s s n l 0 0 6 - 6 5 4 3 ． 2 0 1 4 0 0 2 0 浅谈粉末冶金制品与汽车零件市场 颜炼， 李森蓉， 周许林 武汉钢铁集团公司研究院， 湖北 武汉 4 3 0 0 8 0 摘 要 近年来， 汽车制造业的发展带动了粉末冶金的发展。简述了粉末冶金产品的技术工艺特点、 新材料 制品在汽车工业的应用情况， 并对高附加值的粉末冶金零件生产的发展方向提出建议。 关键词 粉末冶金； 生产工艺； 应用技术； 汽车零件； 材料制品 文献标志码 A 文章 编号 1 0 0 6 6 5 4 3 一 2 0 1 4 0 5 0 0 5 4 0 5 Di s c u s s i o n o f t h e po wde r me t a l l u r g y p r o duc t s a n d t he a u t o pa r t s ma r ke t Y AN Li a n ， L I S e n r o n g ， ZHOU Xu l i n R e s e a r c h I n s t i t u t e o f Wu h a n I r o n a n d S t e e l G r o u p C o r p o r a t i o n ， Wu h a n 4 3 0 0 8 0 ， C h i n a Abs t r a c t I n r e c e n t y e a r s ， t h e d e v e l o p me n t o f a u t o i n d u s t r y d r i v e s the d e v e l o p me n t o f p o wd e r me t a l l u r g y ． T h e t e c h n i c a l c h a r a c t e ri s t i c s o f p o wd e r me t a l l u r g y p r o d u c t s ， a s we l l a s t h e a p p l i c a t i o n o f n e w ma t e r i a l p r o d u c t s i n a u t o i n d u s t r y we r e b rie fl y i n t r o d u c e d ． T h e d e v e l o p me n t tre n d o f h i g h v a l u e a d d e d p o wd e r me t a l l urg y p a r t s p r o d u c t i o n wa s a l s o s u g g e s t e d ． Ke y wo r d s p o wd e r me t a l l u r g y ； p r o d u c t i o n p r o c e s s ； a p p l i c a t i o n t e c h n o l o gy ； a u t o p a r t ； ma t e ria l a n d p r o d u c t 粉末冶金是一种特殊 的固态成形工艺， 是制取 金属粉末 ， 或采用成形和烧结工艺将金属粉末 、 金 属粉末与非金属粉末的混合物制 成材料或制 品的 工艺技术 。采用粉末冶金技术制 作的材料和制 品 已逐渐显示出其前所未有的市场潜力 ， 尤其是在汽 车工业零部件 的应用上 ， 其产 品使用的 比例逐年递 增 。2 0 1 3 年 ， 美 国整 车使用粉末冶金零件 已达 2 2 。粉末 冶金制 品和 新材料 已经和汽车 的其他用 料如钢材、 塑料 、 橡胶 、 织物 、 玻璃及复合材料等 一 起构成了汽车不可缺少 的零部件和配件 ， 采用粉末 冶金技术生产 的高性能精密产品将进一步推动 汽 车零部件 向材料性能更优异、 适用性更强的新领域 拓展㈣。 1 粉末冶金的制造工艺和作用 铁粉是粉末冶 金制 品的常用 原料。粉末 直接 还原铁制造技术是采用铁矿石经直接还原装置制 备铁精矿粉 ， 再制得直接还原铁 ， 以生产粉末冶金 用还原铁粉或炼钢用直接还原铁粉 ， 并可通过水雾 化法制备钢粉 。制备还原铁粉 的的工艺流程如图 1 所示 。 目前 ， 武钢 制造铁粉 的工 艺过程 是 取杂质含 量低 的热轧沸腾钢和冷轧酸洗再生氧化铁皮 ， 或直 接取高品位铁矿、 球团 铁质量分数 6 9 ％～ 7 l ％ 作为 原料进 行粉碎 、 装罐 后入 隧道 窑制取一 次还原铁 粉， 然后经过磁选 ， 再入钢带式二次精还 原炉制取 二次还原铁粉， 并可通过模具成形 、 烧 结及热 处理 等一系列工序 ， 生产粉末冶金制品。 优质铁粉 的产量和质量将直接影 响我 国粉末 冶金工业 的可持续发展 。我国 目前主要 以铁鳞作 为生产还原铁粉 的原料 ， 而 由于国内轧钢用铁鳞成 分 的不稳定性， 很难控制好质量 ， 使得我国高端优 质铁粉大部分还得从国外进 口， 也就是说 ， 我国的 高端粉末冶金零件制造原料还得依赖进 口 。制造 优质铁粉 以满足 国内供不应求 的市场是 当务之 急， 作者简介 颜炼 1 9 5 9 一 ， 男 ， 工程师 ， 主要从事钢铁粉末冶金科技情报工作。 收稿日期 2 0 1 4 ． 0 2 ． 2 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 颜炼等 浅谈粉末冶金制晶与汽车零什市场 ． 5 5． 如何完善粉末冶金工艺， 提炼出优质的铁 精矿原料 是当下亟待思考和研发的㈣ 。 铁鳞 磁选 筛分 图 l 还原铁 粉制备工艺流程图 2 粉 末冶金材料和制品在 汽车上 的 应 用 直接还 原铁 也称海绵铁 最早的粉末冶金技 术中生产的还原铁粉就是海绵铁粉 ， 是将 高品位铁 矿 含铁质量分数 6 8 ％以上 、 球 团或氧化铁皮等杂 质含量低 的氧化铁用 固体碳直接还原生产的冶金 产 品。在 生产汽车用钢 中加配直接还原铁是非常 重要的手段 。生产实践证 明， 直接还原铁是稀释钢 中有害杂质的非常重要的原料来源。 还原铁粉 目前多采用一次还原海绵铁 热轧 沸腾钢氧化铁皮 、 冷 轧氧化铁皮 、 高品位块矿 或球 团作原料， 经炉窑高温还原1 ， 经粉碎、 筛分和磁选并 通过二次精还 原制取 。优质还原铁粉可经加工制 成零件直接用作汽车零部件； 还原铁粉的另一种用 途是将其 回炉再进行炼钢 ， 作 为冶炼洁净钢 的重要 原料 。全世 界生产 的还原铁粉产量 占全部铁粉产 量的6 0 ％ 质量分数 以上_ 5 _ 。 自润滑轴承 采用 的结构是 多孔性 白行供油 ， 以金属粉末为原料 ， 通过粉末冶金技术成形、 烧结， 制成最初 的轿车发动机铜基润滑轴承， 给后来的汽 车零件业带来 了颠覆性 的变革 。冈铁制造 成本低 于铜， 逐渐以铁基轴承取代 了铜基轴承。铁基 自润 滑轴承经济实用 ， 已经 被汽车行业广泛采用 ， 业 已 成为汽车业不可或缺的零部件。 粉末冶金机械零件 是将金属粉末／ 铁粉在高温 l l o 0℃左右进行还原 、 压制成形、 烧结 、 加工制成 的零件。其产 品种类 繁多， 主要用 于汽车上的有 ， 汽车发动机用粉末烧结钢零件 、 汽车变速器系统用 粉末烧结钢件 、 齿轮保持架 、 温压成形连杆等 ， 如 图2 ～ 5 所示。 图 2 汽车发 动机用粉末烧结钢零件 3 粉末冶金材料和制品是汽车工业的 绿 色产品 粉末冶金材料和制 品正广泛应用于 国民经济 的各行各业 ， 比如 ， 手机 中就有利J { j 粉末冶金技术 制造 的软磁材料磁针， 但更多的应用体现在人 们出行和上下班不 可缺少的代步T具汽车上， 比如 难熔金属材料和制品， 钛 、 钒 、 钨等 ， 隔音 、 减 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粉术冶金 1 一 、 l k 第2 4 卷 图3 汽车变速器 系统用粉末烧结钢件 图4 齿轮保持架 图 5 温压 成形连杆 震、 多孔 、 发汀、 白润滑材料和制 r-7 ， 以及双金属、 金 属． 料等复合材料 制品都或多或少体现在汽车的 零 件 l 。H前， 粉术冶金制品大节应用于汽车 已 足 争的事实。 汽 应用领域， 使用粉末冶金 烧结零件的比例， l l 小r I T 8 5 ％ 质量分数 以上， 雄居 全球汽 1 行业第 l f ， 我国最少， 粉末冶金制品用 量仪为2 8 ％ l 。可 ， 1 j 国外相比， 幽内的粉末冶金材 料刷制。 住汽车零什市场的可府J } ] 间巨大。 粉术冶金作为‘ 种全新的、 绿色的材料制备_ I 艺， 使传统 的材料制备工 艺发生 了根本性 的变化 ， 它用粉未锻造替代* MJ H 、 铸造和锻造 ， 用模壁润 滑技术和温压技术制造高密度粉末冶金制品， 节能 降耗 ， 属于短流程生产， 其 岂过程为 粉末混合一 压制成形一 烧结一 零件。它不同于传统 的钢铁冶 炼的长流程生产 工 艺过程 烧 结矿 1 焦粉一炼铁 1 6 0 0℃ 一炼钢一 轧钢一 精整加 I 一零件 ， 将 f 艺温度从炼铁 1 6 0 0℃降到铁粉还原 1 1 O 0℃， 大大 地降低 了能源消耗， 儿使生产过程明显缩短， 省去 了多道 _ l1 序， 省料节材 。采用粉末冶金技术能够直 接生产 出合乎或接近 成品尺寸的近终形产 品， 从而 减少或取消机加工 ， 其材料利用率 可高达 9 7 ％ 质 量分数 以上 ， 而采用机 加_ 厂 材料 的利用率仅 4 5 ％ 左右p I 。 际上公认， 生产 1 t 粉末冶金铁粉相当于 3 t 的钢材利用率 ， 极大地 降低 了成本。另外 ， 粉末 冶金 1 岂清洁环保， _据 国际公认 的资料证明， 生产 1 0 0 0 0 t 直接还原铁与生产 1 0 0 0 0 t 钢材相比， 前者 要 比后者少排放 二氧化碳 9 9 5 0 k g ， 减少 了污 染 。 此外 ， 在制品制备方丽， 也不存在 电镀等涂层制品 的环保问题 。粉末冶金技术可以就地取材， 在钢铁 生产的过 中可充分利J l} J 泥、 粉尘和氧化铁皮等 含铁 一 一 次资源 ， 进行废物 料再生综合利用 ， 起 到循 环经 济 的作 用， 它是完 全 与新兴 的产 y l k 链相适应 的， 同时也是未来汽乍产 业向轻质、 低成本、 高效率 引擎和传动装置 、 高性能、 高密度 、 耐高温 以及节 能环保的新材料制品的方 向发展的关键。 未来的高附加值粉末冶金材料制品可关注的 领域 该足既能达到汽车高燃油效率义能满足汽 车燃汕经济性的选材上。在注重产 品质量轻、 强度 高、 磁感性好的 同时 ， 又要考 虑能瞬 间提升动力的 涡轮增压和直喷系统低排放 、 低消耗相关的新型粉 末冶金合金零配件上 ， 能否使汽车 的燃油能耗标准 达到汽车燃油经济性指标 3 5 ． 5 m ／ g 每加仑汽油可行 驶公里数1 ， 并最终实现汽车燃油经济指标5 4 ． 5 m ／ g的 要求 ， 将是影响汽午行业未来发展的风向标 。 汽乍齿轮市场是粉末冶金技术的主要应用方 向之一， 大量 的近终形 ， 少、 无机加工的高密度 、 高 力学性能及高精度的齿轮应用于汽车变速器系统， 将带动粉末冶金T业 的进 一 步发展， 在汽车零配件 领域形成新的市场u I 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 颇炼等 浅谈粉末冶金制 品与汽 1 l 零什 『 场 5 7 4 粉 末冶金 在汽车零部件应 用上的 挑战和机遇 并存 埘 快速发展的汽乍 市场 ， 国内企业亟需不断 开发新 的合金一 1 一 艺来完善各种原材料的性 能， 优化 汽车 零部件 ， 使其 m轻 质、 高精密 、 高性能、 高安全 性和低能托的方向拓腱。要想创立品牌， 首先 自身 要有 订核心竞争力的材料和制 l 。征此， 针对汽 车核心零部件 ， 列举汽乍发动机连杆以点带面。 前连 杆制造 核心技术 已经采用粉末 冶金1 一 艺。连杆的材质、 负倚 卜的疲劳周次 以及抗拉强度 等关键指标尤 为重 要。欧 、 美 、 日等汽 车制 造厂在 发动机 郡使用 J ， 粉术锻造连杆， 人人减少 了对锻 钢连杆利铸造连杆 的需求， 极大地提升 了粉末冶金 制 品的质量和供给 ” 。资料显示 ， 国外汽车厂家 严格要求连杆负荷 卜的疲劳周次小低 f 5 0 0 万次 ， 抗拉 强度 要达 到 1 0 4 1 MP a ， 以确保汽车 的安全可 靠性 。而困内连杆 负荷 卜 ． 的疲劳周次 能达到 5 0 余万 次， 町喜 的是， I 一 订 我国汽车粉末锻造 连杆的 研制和 刚 耳 义 得 了突破性的进展 。武汉桂坤科技 有 限公 一 J 和 【 J lj 东莱芜金 集团、 昆钢粉末冶金科技 厂三 办合 作试 制 汽 4 发动 机连 杆 业 已完成 了设计 、 调研 币 u 阶段性 的试制 I 作 ， 见图 6 。已有 国内多家 汽车制造 家对粉木锻压件试制品 比较满意， 并有 很强的需求 。通过数据检测， 该锻 压件最高密度达 剑 7 ． 7 4 g ／ c m ， 未来将 断对模具进行优化 设计 并 完善材料配置， 进行 杆 1 应 的台架试验 ， 使其能够达 到并优 j C 7 0 钢锻连杆的指标 ， 争取 日从试制阶 段投入批馈生产 ， 生产 出拥有我国 自主知识产权 的 汽车发动机连杆。 图6 粉末锻造连杆 总的来说 ， 国内企业只有通过开发 白身的核心 竞争力产品， 依靠行业 的科技创新发腱， 才能提升 国内汽午零部件行业与闭外 业的竞争力。 粉术冶金材料将 引领未来汽牟新材料 的发展 方 向。粉末冶金 _ 】 艺制作的磁性材 料足制造 电 I 钢的必备材料， 然而它 M时在新能源汽 发展中也 占据 非常最要的位置。比如， 新能源汽 乍传动系统 的关键粉术冶金零部件 ， 涉及领域包括汽 空调压 缩机零件系列， 汽车转 向箭柱零件系列 ， 真空泵转 予、 连接器系列， 如 图7 ～ 9 所示。 图7 汽车空调 压缩 机零件 系列 图 8 汽车转 向管柱零件 系列 图 9 真 空泵转子 、 连接器系列 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粉末冶金工业 第2 4 卷 现在 国内企业 已经能够采用粉末冶金技术和 材料 制造 上述产 品 图 6 ～ 9 ， 其在汽车上的应用充 分体现 了粉末冶 金产 品绿色 环保 、 节 能节 材 的特 点 ， 从而迈 开了向汽车新能源领域前进的步伐 ， 并 以此推动整个粉末冶金行业的科技创新发展 ， 提升 了 国 内汽 车 零 部 件 行业 与 国外 企 业 的竞 争 力 。 2 0 1 3 年 ， 我国以汽车产 2 2 1 1 ． 6 8 万辆、 销 2 1 9 8 ． 4 1 万 辆成为世界第一大汽车生产国。近几年 ， 汽车工业 零部件市场对粉末冶金制品的市场需求旺盛， 据国 家统计局数据， 2 0 1 1 年， 中国汽车零部件产业 总产 值达 2 0 1 5 5亿元， 是 2 0 0 1 年的 1 5 倍 。粉末冶金 工 业在汽车零部件制造技术上 以生产高附加值 的零 件直面汽车市场 ， 带来 了可观 的社会经济效益的同 时， 也极大地推动了粉末冶金行业 自身的发展 。现 在用于汽车制 品的粉末冶金零件 无论数量还 是质 量都在成倍地提高， 高附加值 、 新能源材料制品的 粉末冶金零件在汽车领域显示出巨大的商机 。据 中国通用机械零部件协会粉末冶金分会报告 ， 2 0 1 1 年上半年， 中国粉末冶金机械零件产量 主要指铁基 粉末冶金零件 、 自润 滑轴承和摩擦材料 已经达 到 8 5 9 8 0 t ， 销量达到 8 1 2 1 3 t 。据资料显示， 欧洲平均 每辆汽 车的粉末冶金制 品用量是 1 4 k g ， 日本 为 1 6 ，美 国 已达 到 2 2 ， 而我 国却只有 6 k g 左 右 ] 。 怎样缩小差距， 向欧、 美、 日等汽车行业先进水平看 齐 ， 国内粉末冶金行业在面临巨大挑 战的同时， 机 遇也就在 眼前 ， 要不失时机地加快产业升级 ， 无论 是先行者还是后来居上者 ， 能率先抢 占汽车新材料 制品的制高点者就 能引领汽车新材料制 品的前沿 发展方向。 5 结 束语 粉末冶金作 为一 门独特 的汽车零件制造技术 ， 其制 品业 已广泛应用 于汽车 的诸多关键部位 上 。 未来应着力于开发和生产高附加值 的汽车制 品， 进 一 步优化汽车核心部件 ， 如引擎和转动装置等相关 零 部件 工艺 ， 对原材料粉 末的工艺性 能， 如松装密 度 、 流动性、 压缩性和成形性方面深入开发， 以便有 更多更好的新粉末汽车制品投放市场， 最终以粉末 锻造制品取代汽车 目前使用的锻钢和铸造制品， 抢 占粉 末 冶金制 品在 汽 车行 业新 材料 制 品 的制 高 点。毫无疑 问， 高 附加值的、 节 能节材 的粉末冶金 新材料制品已经促使汽车行业发生重大变革， 而粉 末冶金的持续发展同样 也离不 开汽车工业 的蓬勃 发展 。 参考文献 [1] Do n a l d G Wh i t e ． P ／ M i n n o r t h Ame r i c a [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f P o wd e r Me t a l l u r g y , 1 9 9 6 ， 3 2 3 2 2 1 2 2 8 ． [ 2] 毛 志 强． 粉末 冶 金零件 在 汽车 上 的应用 [ J ] ． 粉末 冶金 工业， 2 0 0 3 ， 1 3 1 8 - 1 1 ． [3] 杨 雪峰， 刘 晓红， 梁毅， 等． 一种 优质天然 微合金铁 粉 的制 备 与应用研究 i f ] ／ ／ 2 0 1 3 年全 国粉末 冶金学术会 议暨海峡两岸 粉末 冶金技术研讨会论文集． 厦 门 2 0 1 3 ． [ 4] 倪冠曹． 汽车用粉末冶金件对铁粉的需求[ J ] _ 粉末冶金工业， 2 0 0 3 ， 1 3 2 2 6 2 8 ． [5】 颜 炼， 李森蓉． 粉末冶金技术在钢 铁循 环经济 中的应用 [ J ] ． 粉 末 冶金工业 ， 2 0 1 0 ， 2 0 4 5 0 5 4 ． [6] 孙世 杰． 粉末 冶金制 汽车 零件 目录[ J ] l 粉末冶 金工 业， 2 0 1 2 ， 2 2 1 5 6 ． [7】 李森 蓉， 李念 辛， 赵 少杰． 我 国粉末 锻造 技术 的发 展和前 景 f C] l l 2 0 1 3 年全 国粉末冶金学 术会议 暨海 峡两岸粉末 冶金技 术研讨会论文集． 厦门 2 0 1 3 ． [8] 美 国金属粉末工业联合会． 2 0 1 2 年版粉末 冶金工业发展路线 图 连载一 [ J ] ． 孙世杰， 译． 粉末冶金工业， 2 0 1 3 ， 2 3 4 4 4 ． [9] 美国金属粉末工业联合会 ． 2 0 1 2年版粉 末冶金工业发展路线 图 连载二 [ J ] ． 孙世杰， 译． 粉末冶金工业， 2 0 1 3 ， 2 3 5 5 3 5 4 ． [ 1 0 ] 韩风麟． 用温 压制造汽车变 速器输 出轴毂 [ J 】 _ 粉末 冶金工业， 2 0 1 2 ， 2 2 3 1 - 6 ． [ 1 1 ] Ho wa r d R u t z ， F r a n c i s Ha n e j k o ， T h o ma s Mi l l e r ． 用 于汽 车 自动 变速器 的温 压涡轮毂[ J 】 ． 韩凤麟， 译 ． 粉 末冶金工业， 2 0 1 2 ， 2 2 6 1 6 ． [ 1 2 】 李绍忠． 粉末锻造连杆在汽车发动机上的应用[ J ] ． 粉末冶金 工业， 1 9 9 8 ， 8 6 3 2 3 5 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m