粉末冶金(Powder Metallurgy，PM)是制取金属粉末或用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金的基本工序包括制粉、压制成形、烧结和后处理。粉末冶金技术相比传统的熔铸技术具有近净成形、显微组织均匀、易于制备难熔金属和多孔材料等特点[1] 。
采用传统金属加工工艺(如铸造、锻造和机加工)制备的部件，通常都需要从铸造或锻造后的坯体上去除一定量的材料，以获得最终产品要求精度。而粉末冶金工艺是一种近净成形工艺，具有 95% 以上的材料利用率，单位能耗低于铸造和锻造工艺，并且仅为机加工工艺的 1/3 左右[2] 。正是如此，美国金属粉末工业联合会已将粉末冶金技术认定为一项“绿色技术”[3] 。另外，由于粉末冶金产品各向异性显著减弱，产品经过热处理后变形小，比传统加工工艺产品尺寸精度更高。在制造齿轮这类对尺寸公差要求较高的零件时，粉末冶金工艺的应用可以减少加工程序，降低传输误差，并进一步提高传动效率[4] 。
1 粉末冶金新材料
1.1 PM铁基材料 PM(铁基粉末冶金)铁基材料具有良好的物理和力学性能，且价格相对低廉，它是粉末冶金材料在汽车工业使用中占比最大的一类材料。目前，发展高密度高强度粉末冶金零件已经成为粉末冶金领域的发展方向和研究重点[6] 。提高铁基烧结材料性能的基本方法有两种：(1)加入合金元素进行合金化来提高零件的综合性能;(2)改进压制、热处理、表面处理等工艺方法提升材料性能。
1.1.1 加入合金元素 Ni 和 Mo 是铁基合金粉末中最常用的合金元素，然而近年来，Ni和Mo两种元素的原材料价格常年处于较高水平，且价格波动较为剧烈[7] 。铁基粉末冶金产品需要通过使用价格相对稳定且较低的合金元素达到提高性能降低成本的目标。Cr和Mn 等元素不但价格便宜，并能使钢的性能得到较大提高[8] 。表 1 中列出了近年来开发出可用于汽车零部件生产的几种含低价格合金元素的铁基粉末[9，10] 。其 中 ，完 全 预 合 金 粉 Astaloy CrM 是 由 瑞 典 HöganäsAB 公司开发出的以 Cr 替代 Ni 的合金粉末，其成分为 3.0%Cr～0.5%Mo[11(] 质量分数)。这种材料的一个明显优势是它在烧结后具有极高的屈服强度，其屈服强度与抗拉强度均优于或接近Ni 含量 4.0%(质量分数)的扩散粘结合金 Distaloy AE (图1)。该公司推出的另一种经济型含Cr预合金材料被命名为 Astaloy CrA。这种材料适用于形状较为复杂的中等强度零件的生产，烧结后的产品具有更高的尺寸稳定性，其产品尺寸的标准方差等于或优于其它几种常用材料(图 2)[12] 。这一材料已替代高 Ni 含量的 Distaloy AE 与 Distaloy HP，用来制备高性能同步器齿毂。
1.1.2 改进工艺提高密度的方式可以从压制和烧结两方面进行。其中较易控制的方式是采用新型的压制方法获得高密度的压坯。近十几年来，各国学者研究并发展了很多种压制工艺，如模壁润滑，温压，高速压制等，能明显提高铁基粉末冶金材料的密度及力学性能[13-15] 。奥地利的 MIBA公司采用Astaloy CrM铁基合金粉，通过温压工艺制造的同步器齿毂，产品的最终密度从常温压制的7.10 g/cm3 增加到了7.20 g/cm3 ，其抗拉强度由850 MPa提高到1 100 MPa。
1.2 PM铝合金 Al 是地球上储量最丰富的轻金属，价格便宜，且不需特殊的防氧化和防腐蚀处理工艺，汽车工业中多使用铝合金材料以实现汽车轻量化和节能减排的目标[16] 。
1.2.1 材料与制备 Metal Powder Products(MPP)公司是全球最大的 PM 铝合金结构件的制造厂，该公司已投入使用的PM铝合金材料详细参数记录于表2中[17] 。其中， AC-2014合金可通过T6热处理工艺进行强化，即在约 500 ℃下进行固溶处理，然后进行水淬，之后在 160 ℃或更高温度下人工时效20 h。热处理之后材料抗拉强度能达到 300 MPa 左右，表观硬度约为 30HRB，不过材料韧性会显著下降。MPP AC-2334 通过T6热处理后，抗拉强度和屈服强度能够接近甚至超过热处理(T6)6000系铝合金。MPP认为，基于新开发的材料所具有的优异性能，未来 PM 铝合金材料将运用于各类汽车零部件，包括电子配件、汽车法兰、传动架、连杆、主轴承盖、可变气门正时系统(VVT)链轮和齿轮转子等。
1.2.2 应用产品从 1993年起，粉末冶金铝合金便被 Metal Powder Products(MPP)公司和GKN Sinter Metal公司用于凸轮轴轴承盖的生产，产品如图 3 所示[22] 。这个采用粉末冶金近净成形生产的多台阶零件的致密度达到90%以上，抗拉强度超过200 MPa，硬度大于 80HB。采用粉末冶金工艺生产的铝基VVT的链轮和转子[23] 见图4。该链轮烧结后密度达到2.65 g/cm3 ，其组织均匀 ，抗拉强度达到 350 MPa，硬度超过 100HB，伸长率为 0.5%～0.6%。与铁基链轮和转子相比，烧结铝合金转子质量由900 g减少到450 g。由于质量减轻，这些产品有利于提高发动机的性能和效率，从而减少燃油消耗。日立粉末金属公司已经开发出了用于烧结-锻造连杆的铝合金混合粉 Al-12Si3Cu-0.5Mg-0.15Ni。相比于传统模铸连杆，用这种粉末制造的连杆厚度减少30%，质量降低50%，并且其接触应力极限和疲劳强度都增加了一倍，如图5所示[24] 。
2 粉末冶金新技术
2.1 金属粉末注射成型(Metal injection molding， MIM) MIM 结合了粉末冶金和塑料注射成形两种技术的优点，突破了传统金属粉末模压成形工艺在产品形状上的限制，并可直接进行大批量生产。目前，更多的汽车零件开始使用 MIM 工艺进行生产，如发动机、齿轮箱、涡轮增压器、锁止机构、转向系统与电子系统中使用的形状复杂的零件[25] 。近年来，采用MIM制备无需二次连接的双材料复合部件的工艺获得了进一步发展。图 6(a)中展示了利用 MIM 工艺制成的用于汽车燃料喷射器的磁/非磁电磁阀套[26] 。该阀套是一个两端为不同磁性材料而中间被非磁性材料隔离开的空心薄壁圆管。为了获得优异的耐腐蚀性和力学性能，两端的材料选用了有磁性的铁素体不锈钢和无磁性的奥氏体不锈钢。由于这两种不锈钢的化学成分具有明显的差异，合金元素在材料部件的界面处之间发生了明显的扩散。这一扩散过程不但增强了界面的结合力，还使得界面处的硬度提高(图6(b))。弗劳恩霍夫协会的生产技术和应用材料研究所采用 MIM 工艺制备出了不锈钢和硬质合金双组份烧结件。该材料的拉伸试样如图7(a)所示，试样经过烧结后获得了无裂缝且连接良好的界面。界面处晶粒的晶界贯穿两种金属(图 7(b))。该材料的拉伸强度约为 630 MPa，与 316L不锈钢的强度相当。这种材料组合能够用来生产兼具良好延展性和可焊接性的零件，并且可在零件边缘、棱角或是表面使用耐磨材料，以承受局部摩擦应力，从而延长组件的使用寿命。
2.2 增材制造(Additive Manufacturing，AM) AM 技术是通过 CAD 数据采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除-切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法[27] 。自 20 世纪 80 年代诞生以来，增材制造得到了长足的发展，众多制造方法和材料不断被开发出来。根据 ASTM 分类，增材制造技术可大致分为两类：定向能量沉积，图 10 是其工作原理示意图，包括定向金属沉积(DMD)、激光工程近净成形(LENS)和直接制造(DM);粉末床熔融 ，图 11 是其工作原理示意图，包括选区激光烧结(SLS)、定向金属激光烧结(DMLS)、激光熔融(LM)、选区激光熔融(SLM)和电子束熔融(EBM)[28] 。由于 PBF 技术使用了更小光束尺寸(激光和电子束)和更薄的粉末厚度，与 DED 技术相比，其制备的零件有着更好的表面光洁度，但其沉积速率也更低。因此，PBF 更适合于更精确，复杂的小尺寸物体，而 DED 更适合高速度打印尺寸相对较大的零件。
3 展 望
汽车工业的小型化、电气化和节能化的发展趋势推动着汽车零部件向高强度和高性价比方向不断发展。铁基零部件仍将在汽车用粉末冶金部件中占主导。但考虑到产品价格和环境等因素的影响，铁基粉末冶金产品中的合金元素含量将会减少，并且将更多的选用 Cr、Mo 等低价格合金元素。铝合金的使用能有效促进汽车轻量化，在汽车工业中将会获得更多的应用。注射成形在生产小尺寸复杂形状零件上具有很大优势，将会抢夺一部分汽车工业中采用传统粉末冶金压制-烧结工艺生产的市场份额。在生产大型复杂外形汽车零件方面，增材制造技术将得到更广泛的应用。
参考文献：
[ 1 ] 黄培云.粉末冶金原理[M].北京：冶金工业出版社，1982.
[ 2 ] EPMA. Economic Advantage[EB/OL].(2019-05-13)[2019-05- 13]. https：//www. epma. com / powder-metallurgy-economic-advantages.
[ 3 ] MPIF. Powder Metallurgy：A Green Technology[EB / OL]. (2019-05-13)[2019-05-13]. https：//www.mpif.org/ IntrotoPM/ AGreenTechnology.aspx.
《汽车工业中的粉末冶金新材料与新技术》来源：《粉末冶金工业》，作者：熊 翔，杨宝震，刘 咏，刘如铁