世界粉末冶金零件工业动态.docx
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世界粉末冶金零件工业动态
世界粉末冶金零件工业动态
1 前言
众所周知,汽车工业是世界经济的支柱产业,现在全世界每年汽车的生产能力已达到8000万辆。
美国今年小轿车与轻型卡车的销售可望达到1750万辆。
表1示世界主要地区历年的汽车产量。
90年代后期,世界汽车工业通过建立联盟、少数持股、股权交换、整体收购等方式进行整合兼并,现在仅存在六个超级汽车工业集团。
它们总共占了全球汽车销售量的三分之二。
粉末冶金机械零件从1916年粉末冶金青铜含油轴承诞生开始,就受到了汽车工业界的关注。
青铜含油轴承和1940年研制成功的铁基粉末冶金油泵齿轮都是最先在汽车工业中实现产业化的。
鉴于粉末冶金技术是一种节材、省能、投资少、见效快、无污染、适合大批量生产的少、无切削、高效金属成形工艺;同时粉末冶金也是一种制造特殊材料的技术,因此受到了汽车工业界的特别重视。
过去,像美国的福特、通用及克莱斯勒三大汽车公司,现在,像日本的丰田、马自达、本田、铃木等汽车公司都有自己的粉末冶金事业部。
最近,日产汽车公司才将其粉末冶金事业部卖给了日立粉末冶金公司。
图1是日本粉末冶金零件生产与日本、美国汽车产量的关系。
图2是亚洲与大洋洲地区粉末冶金零件用于汽车与摩托车工业的比率。
图3是北美与欧洲粉末冶金零件的市场分布。
由图1图3可清楚看出,粉末冶金零件工业的主要市场是汽车工业。
粉末冶金零件用于汽车(包括摩托车)工业的比率,日本83%(1999),欧洲80%(1998),北美70%(1999)、中国42.97%(2000)。
因此,首先说明粉末冶金零件在汽车工业中的一些动向。
2 汽车工业中粉末冶金零件的一些动向
汽车工业,当然也包括其它行业,对粉末冶金零件工业提出的主要要求是,降低成本、改进使用性能、减轻零件重量及保护环境。
2.1 降低成本
粉末冶金零件之所以在汽车工业中能得到大量应用,就是因为其质量均一、价格低廉。
为降低生产成本,现在主要采用最终形状成形,减少生产工序以改进生产率及通过集成化减少零件数量。
事例1:
照片(图4)示汽车发动机链轮,其凹槽是用CNC压机直接成形的。
这比用切削加工制造者生产成本降低10%。
事例2:
照片(图5)示汽车速度表中的细弹簧夹紧装置,改用粉末冶金工艺生产时,生产成本可降低50%。
此外,用粉末冶金工艺生产的双层阀座圈,用烧结硬化工艺制造的重1.3kg的分动器链轮,都是降低零件生产成本的事例。
2.2 改进零件使用性能
粉末冶金技术之所以受到汽车工业的重视,还因为它是一门制造特殊材料的技术。
就改进粉末冶金零件的使用性能而言,关键在于开发高强度、高精度材料,耐热、耐磨材料及高性能轴承材料。
事例1:
汽车发动机改用无铅汽油、LPG、CNG后,进、排气门座的严重磨损,导致环境污染、发动机功率减小,油耗增大,一时成为汽车工业生产的难题。
现在,用粉末冶金技术,由耐热-耐磨材料制造的阀座圈成功的解决了这一难题,其使用率在汽车工业中已达90%以上。
当前烧结阀座圈开发的方向是,不用昂贵的稀缺金属钴,减少或不添加铅作为润滑剂。
事例2:
汽车排气系统法兰是一种既要求耐蚀性又必须具有较高力学性能的零件。
现在美国用粉末冶金制造的排气系统法兰,不但高温力学性能相当高,耐高温氧化,而且在室温与高温下耐氯化物腐蚀。
这种零件每辆汽车的用量为0.901.81kg。
另外据报道,粉末冶金410LABS传感器环在美国与加拿大的各种车中经过10多年和/或超过160000km的运行,已证明耐蚀性非常好。
事例3:
日本神户制钢(株)通过温压、模壁润滑及原料粉末研制,在开发一种制造高密度零件的新工艺。
目标是零件的材料密度达到7.5g/cm3。
其它科研项目还包括新润滑剂、烧结硬化粉末及高疲劳强度材料。
若开发出疲劳强度高于500MPa的烧结材料,将能减轻粉末冶金零件的重量,扩大其应用领域。
预计温压工艺的进一步开发将会使粉末冶金工艺产生革命性变化。
事例4:
日本的丰田与本田汽车公司开发了一种VVT(VariableValveTiming)装置。
这种发动机控制装置中有4个粉末冶金零件,其中二个为螺旋齿轮,总重量约600g。
这种装置已用于日本1999年度车型,2001年将用于美国生产的汽车中。
2.3 减轻零件重量
减轻零件重量是汽车制造业的永恒课题,这不但可降低生产成本,减小油耗,还可以减轻对环境的污染。
表2示北美普通家用轿车构成材料1977年以来的变化。
由表2可看出,从1977年到1999年,普通钢板、带钢及条钢的用量减少了30%,其它钢材减少了55%,铁减少了约34%,锌压铸件减少了近70%;同时,铝、镁铸件、塑料等轻质材料增长迅速,粉末冶金零件增长了1.24倍,2000年达到了16.33kg/辆车。
从1977年到1999年,汽车构成材料的总重量减轻了约11%,轻量化趋向十分明显。
实际上,几十年来,铁基粉末冶金零件能够成功的替代一般铸锻钢材-切削加工零件,除掉价格低廉外,可减轻零件重量也是一个不容忽视的因素。
一般说来,铁基粉末冶金零件的材料密度约为7.0g/cm3,比由一般钢铁制造的同样零件重量约轻10%。
就粉末冶金零件而言,减轻零件重量的途径,一为开发轻金属材料制品,一为在零件形状上下工夫,比如减小零件的厚度,除掉不必要的材料,减小零件尺寸。
例如,图6示烧结锻造铝合金连杆。
这种连杆是为实际用于大批量生产的发动机而设计的。
和压铸的铝合金连杆相比,材料厚度减小30%,重量减小50%。
粉末冶金铝合金结构零件的一项重大进展是,MetalPowderProducts公司的PMPDivision成功地开发了用于通用汽车公司的Northstar顶置发动机的粉末冶金铝基凸轮轴轴承盖,一般简称为“cam—822—cap”。
这是第一个大量用于美国汽车工业的粉末冶金铝基结构零件。
从1993年开始台架试验或现场应用,迄今已使用2500多万只这种凸轮轴轴承盖,从未发生过发动机失效。
美国通用汽车公司的新式Vortec4200型4.2L6缸直列发动机中就装有14个粉末冶金铝基凸轮轴轴承盖。
此外,Saturn与Chrysler公司也已大量采用这种凸轮轴轴承盖。
2.4 环境保护
在保护环境方面,正在研究不含锌的润滑剂。
关于材料回收方面,对于不含铅或其它有害物质的材料的回收和可回收合金的设计技术正在取得进展。
由于粉末冶金零件生产企业依据汽车工业发展的需要,持续地研制开发原料粉末、压制技术、烧结工艺及相关设备,开发新产品、研究新材料、新工艺,才使得粉末冶金零件在汽车工业中的应用一直处于增长的态势。
图7示平均每辆家用轿车与轻型车中粉末冶金零件发展态势。
由图7可看出,进入1990年代以后,北美和欧洲平均每辆标准家用轿车与轻型车中粉末冶金零件的重量增长迅速,而日本增长停滞。
这主要和美国在汽车发动机中大量采用粉末冶金锻造连杆与烧结钢主轴承盖等新产品密切相关。
3 高、新粉末冶金技术产品的市场动向
用粉末冶金技术可制造各种各样的材料与制品,但每一项新技术、每一种新产品从实验室研究到产业化都需要长时间的,坚持不懈的努力。
现仅就粉末冶金零件方面的一些高、新技术产品动向予以简要说明。
3.1 金属粉末注射成形(MIM)零件
金属粉末注射成形(MIM)是一种由塑料注射成形工艺与粉末冶金复合组成的新工艺。
在欧洲称之为粉末注射成形(PIM)。
用这种工艺可制作三维形状很复杂的金属零件、陶瓷零件及硬质合金制品。
现在,全世界MIM的生产厂商约375家(其中欧洲120家),从业人员不少于6200人。
按金属产品销售额,北美占55%,其余的欧洲与亚洲约各占1/2。
在MIM行业中,在亚洲居领先地位的是日本,在欧洲是德国。
美国金属粉末注射成形协会(MIMA)的1999年市场估计见表3。
图8示日本MIM制品的市场分布。
日本1998年MIM用粉末销售量183t,1999年为211t,增长15.3%。
在日本一些精密铸造或切削加工的金属零件正在改用MIM工艺制作,图9示用MIM工艺生产的汽车发动机摇臂。
在MIM行业中,1/3业务属于企业自产自用的企业内部生产。
现在,主要MIM产品有,汽车、摩托车、柴油机、涡轮增压器、割草机、照相机、商业机械等的零件,以及牙齿矫正托架、轻武器零件、切削工具、微电子组件、手表壳、外科手术工具、计算机盘驱动装置、泵、锁、理发推子、电气接件等。
预计20012005年,MIM制品的销售额年平均增长率为20%30%。
3.2 温压连杆
自1981年日本丰田汽车公司宣布研制成功粉末锻造连杆以来,在日本只有丰田汽车公司在V型发动机上采用了粉末锻造连杆。
在美国从1987年以来则普遍用于了V6发动机,因为V6发动机的连杆很重视重量的平衡性,而粉末锻造连杆的重量分散度小是其得到应用的一个重要因素。
现在通用汽车公司、福特汽车公司及戴姆勒-克莱斯勒汽车公司都是粉末锻造连杆的主要用户。
法国FederalMogul烧结制品公司的温压-烧结连杆获得了EPMA(欧洲粉末冶金协会)的粉末冶金创新头等奖。
这种连杆的使用性能和锻轧钢或粉末锻造(P/F)连杆相同,但价格较低。
显然,温压-烧结连杆在工业中具有较强的竞争力。
预计这种连杆2002年将投入批量生产,FederalMogul烧结制品公司计划2002年的产量为1500万根连杆,连杆重量为350600g,以适应欧洲汽车制造厂商生产的各种发动机的需要。
这种温压-烧结连杆是以QMP的4401牌号粉末为基本原料粉,于1000MPa下温压到生坯密度7.4g/cm3,经各种切削加工后,再于1130℃下烧结,之后仅只进行组装和一些精切削与磨削加工。
温压-烧结连杆的问世,不但将逐渐取代粉末锻造连杆,还将大大扩大粉末冶金零件的应用领域。
此外,HIP粉末高速钢与工具钢市场年增长率约为5%6%。
估计2000年北美的市场为3631t,世界市场为9986t。
市场需求量在增长的产品有冷作工具钢、塑料挤压模用耐磨、耐蚀、高铬、高钒钢及高合金包覆制品。
4 金属粉末市场动向
金属粉末既是粉末冶金零件生产的基本原料,也是一类具有特殊物理-化学性能的金属材料,在工业中具有广泛用途。
4.1 西欧市场
在金属粉末中产量最大的是铁粉。
世界上最大的铁粉生产厂家是瑞典的H gan s公司,这家公司2000年钢铁粉末产量为303120t,比1999年增长23%。
销售額3.19亿美元,增长28%。
税后纯收入约5400万美元。
2000年粉末冶金级钢铁粉末销售为228100t,比1999年增长23%。
欧洲市场增长12%,日本市场增长14%,中国市场增长约20%。
预计2001年的增长速率将减慢。
西欧钢铁粉末与铜粉的销售量(19931999)见表4。
从表4可看出,和1998年相比,1999年钢铁粉末的销售量略有增加,但铜粉则减少约2%。
4.2 日本市场
日本金属粉末1999年的销售量见表5。
铁粉1999年的总销售量为175914t,比上一年度增长12.2%。
其中,粉末冶金用铁粉93633t,增长6.5%,其它用铁粉54005t,增长3.9%,出口28276t,增长67.2%增长。
1999年铜粉总销售量6828t,比上一年度增长12.7%,其中粉末冶金用铜粉增长10.8%,其它用铜粉增长15.3%,出口增长27.8%。
4.3 北美市场
金属粉末的主要市场在北美。
表6示1999年北美金属粉末的销售量。
1999年铁粉销售402385t,比上一年度增长8%。
其中粉末冶金用铁粉为374167t,占铁粉总销售量的93%,比1998年增长9.4%。
估计北美的铁粉年生产能力1999年为639545t,2000年与2001年将分别新增生产能力98042t和90780t。
因此2001年北美的铁粉年生产能力为828367t。
1999年铜粉的销售量和1998年大体上持平,仅增长0.8%,为22913t。
其中粉末冶金用铜粉的销售量比1998年下降了4.8%。
这是由于轴承与摩擦材料市场疲软所致。
传统的粉末冶金自润滑青铜轴承继续面临来自高强度塑料与粉末冶金铁基轴承的激烈竞争,可是,电子设备中用的微型粉末冶金青铜轴承的用量却在增长。
不锈钢粉1999年北美的销售量约增长22%,达到了6497t。
1998年比1997年增长了20%左右。
这种急剧增长可归因于汽车排气系统用粉末冶金零件的增长,随着较多的汽车公司与新车型采用粉末冶金法兰与热排气传感器毂(hotexhaustgassensorbosses),这种趋势可能会继续下去。
雾化铝粉1999年的销售量达到了48821t,比1998年增长约12%,其中粉末冶金用铝粉为1228t,比上一年度增长6%,估计该市场年增长率为15%。
北美的粉末冶金工业增长相当快,现已确认生产传统粉末冶金零件、MIM及先进颗粒材料制品的公营与私营公司有260多家,估计这些公司的雇员有40000多人。
日本约有100多家粉末冶金零件生产公司,但是日本粉末冶金零件生产企业中最大的是住友电工、日立粉末冶金及三菱材料公司。
5 我国粉末冶金零件工业状况
我国粉末冶金零件工业自1990年以来,生产发展迅速。
图10示19912000年我国粉末冶金零件生产发展状况。
图11示我国三家粉末冶金零件生产企业19912000年生产发展态势。
表7示我国2000年粉末冶金零件生产状况。
表8示19912000年我国粉末冶金零件市场分布的动态。
从图10、图11、表7及表8可看出:
2000年我国粉末冶金零件的销售量为30210t(其中375t是由其它材料制造的),比1999年增长17.5%。
其中铁基零件增长15.44%,铜基零件增长21.67%。
只有铜基摩擦材料销售量下降了20%。
我国粉末冶金零件的销售量2000年与1991年相比,增长了3倍。
在这十年,年均递增率为16.5%。
在这十年中,我国粉末冶金零件生产企业发展最快的是宁波金鸡粉末冶金集团公司、扬州保来得工业公司及重庆华孚工业公司,见图11。
从市场需求看,在19912001年期间,摩托车零件需求量增长最快,十年间增长了14倍,其次是家用电器零件,增长了4.6倍。
6 结束语
综观世界粉末冶金零件工业10年来的发展动态,不难看出:
日本、西欧及北美的粉末冶金零件的主要市场依然是汽车工业,而像台湾、新加波以及我国大陆地区,由于汽车工业生产规模小,汽车工业就不一定是粉末冶金零件的主要市场。
粉末冶金零件的市场开发需要原料粉末生产企业、粉末冶金压制成形与烧结设备制造企业、粉末冶金零件生产企业和粉末冶金零件最终用户的真诚合作、共同努力。
粉末冶金零件生产企业的生命力在于产品质量可靠、不断开发用户急需的新产品。
北美粉末冶金零件工业近十年来的快速发展,完全说明了这一点。
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