1　鐵基粉末冶金零件的市場現狀 近十年來,粉末冶金工業發展迅速。1989～1999年中國大陸與世界鐵基粉末主要生產地區的鐵基粉末年發貨量比較[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9年的高速增長[1]。日本雖然受到國內長期經濟不景氣的拖累,但鐵基粉末的產量仍然較高。中國大陸的鐵基粉末產量緩慢增長。1994～1998年亞洲部分地區粉末冶金件的年產量[4,7]。1997年亞洲金融風暴令日本和韓國的粉末冶金工業蒙受挫折,但在中國(包括大陸和臺灣省),粉末冶金制品的產量明顯增長。
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,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,汽車工業仍將是推動粉末冶金工業發展的主要動力。高性能鐵基粉末冶金件已普遍用于傳動裝置、發動機、通用機械和工具等產品,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。近年我國快速發展的汽車工業必然會帶動高性能粉末冶金材料特別是鐵基材料的發展。因此,開發高性能特別是高力學性能的粉末冶金材料,是粉末冶金的發展方向和研究重點。提高粉末冶金材料的密度,是實現這一目的的最有效途徑。 傳統一次壓制/一次燒結生產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。生產高密度、高性能粉末冶金件一直是粉末冶金行業追求的目標之一。在眾多的高密度粉末冶金生產方法中,溫壓是最為經濟的一種新工藝。溫壓技術在90年代中期發展成熟并成功用于工業生產。數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,在傳統的粉末冶金設備上稍加改裝,經一次溫壓壓制/一次燒結即可生產出高密度、高性能且質量穩定的產品,其密度可達7 45ｇ/ｃｍ3[9],經復壓復燒更可高達7 65ｇ/ｃｍ3[12,13]。 Ｓｈａｈ和Ｉｓｓａｃｓ比較了以溫壓工藝和傳統復壓復燒工藝生產齒輪的成本[14]。表1是對兩種齒輪的成本分析結果。在零件性能相當的情況下,溫壓生產的成本比復壓復燒生產的成本低10%左右。表2列出了各工藝的優缺點及成本比較[15]。溫壓能以低于復壓復燒的成本生產出性能相當的產品。值得注意的是,其產品在某些方面可以和鍛造產品相競爭。溫壓工藝成本低廉、產品密度高而均勻、力學性能優越,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],可在燒結工序前作機加工處理,以節約機加工工時和減少刀具磨損。 3　溫壓技術工業化現狀 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種溫壓產品在批量生產或準備批量生產,其中包括重達1 2ｋｇ,用在福特卡車變速箱上的轉矩渦輪轂[16,17]。國外多家公司也利用溫壓技術開發出高密度、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粉末冶金小節錐半角斜傘齒輪,成功取代過去以機加工鍛鋼坯的昂貴生產工藝[19]。法國ＦｅｄｅｒａｌＭｏｇｕｌ公司以溫壓技術為汽車工業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勢是完全可以和鍛造工藝競爭的。 在國內,引進溫壓工藝的粉末冶金零件生產廠有寧波東睦粉末冶金公司和揚州保來得工業有限公司。兩家工廠都是從國外引進技術、生產線與購買專用溫壓粉末進行生產。 4　溫壓技術的發展及在我國的應用前景 由于長期缺乏數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發揮它特有的優勢,因此我國粉末冶金工業基礎較為薄弱,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量的60%(質量分數),其中大部分是低附加值的普通軸承。90年代中期,汽車工業發展較快,為高性能鐵基粉末冶金件的生產發展提供了良好的機遇,用于汽車和摩托車工業的粉末冶金零件按質量計算在10年間幾乎翻了一番[23,24]。與此同時,用于附加值較低的農機工業粉末冶金零件則幾乎減少一半。由此可見,發展高性能粉末冶金零件是大勢所趨。目前,國產轎車只維持在年產幾十萬輛的水平,預期到2010年將會達到年產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。這無疑是發展我國粉末冶金工業的一次難得的機遇。根據對我國粉末冶金零件市場的預測[25],在2000年生產規模的基礎上,粉末冶金零件在各行各業的應用都將有所增長。到2005年,摩托車行業和小型制冷壓縮機行業將有40%的增幅,而汽車行業的預期增幅更達70%。目前,國產汽車平均每輛使用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相對比較落后。但是,隨著中國汽車工業邁向大規模生產,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、以美國技術生產的別克轎車則每輛用粉末冶金件35種,重12 5ｋｇ[27]。從生產普通粉末冶金件向生產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,但在國內推廣溫壓技術的工業化還有不少困難。除少數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,溫壓技術的國產化非常重要。 性能優良、質量穩定的粉末是高性能粉末冶金工業的基礎,我國的鐵基粉末生產無論在產量、性能或質量的穩定性等方面都與世界發達地區有著明顯的差距。適用于生產高密度、高性能零件的霧化鐵粉其產量長期偏低,90年代以前年產量一直徘徊在幾百噸,1995年起開始快速增長,目前霧化鐵粉的產量已占鐵基粉末總產量的1/4左右。霧化鐵粉的年產量節節攀升,充分說明我國鐵基粉末冶金件的產品結構正向高性能方向發展。目前,溫壓專用粉末尚未有批量生產。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品的自主開發。因此,大批量生產壓縮性能優良和質量穩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品。可喜的是華南理工大學已成功開發出有自主知識產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化打下了基礎。 目前,對粉末冶金結構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點開發較大型的零件。我們亦可以利用溫壓成形的零件具有較高力學性能的優勢,在免除諸如熱處理等后續工序的基礎上生產強度達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,以溫壓成形并經一次燒結的含Ｃｒ鐵基粉末冶金材料,其燒結態的強度可達1299ＭＰａ[28]。也可以通過合金成分的調整,利用溫壓工藝生產高強韌零件。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]。結果顯示,他們的溫壓粉末冶金材料其燒結態的沖擊韌度與熱處理態的可鍛鑄鐵差不多,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,通過加入適量硬質顆粒增強零件的耐磨性,成功地開發出一系列耐磨鐵基復合材料,適合于制造發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、加大及調節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展前景。目前,溫壓技術還遠遠沒有發揮出其潛在的和應有的作用,其發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品開發效率的有效工具,可充分利用溫壓的優點開發新零件或重新設計零件,擴大粉末冶金件的應用,并突破只憑經驗摸索的瓶頸,大量減少試驗次數,縮短產品開發周期,使企業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無需油脂潤滑的耐磨件,以適應某些特殊行業的要求,如紡織機械等行業。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,其密度達7 5ｇ/ｃｍ3,抗拉強度達500ＭＰａ[33]。這些產品的性能正好是溫壓工藝所能達到的范圍,問題是產量的大小,因為粉末冶金的低成本是建立于大批量生產的基礎上,所以開發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年的產量就達970萬臺[34]。只要不發生惡性競爭,開發非汽車用零件是大有可為的。 大力發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技術,能為我國粉末冶金工業在新世紀里擠身國際市場打下堅實的基礎。我國的汽車工業目前還處于初級發展階段,在未來的十多年里隨著汽車工業的發展,一定能提供一個龐大的市場消化我國粉末冶金工業為國產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,又以新技術開發新產品、開拓新市場的良性循環。