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粉末冶金汽车不锈钢零件国产化研制报告

  一、前言
  
  不锈钢具有抗腐蚀等广泛特点,随着其矿冶技术与产能的提高,其应用领域日益扩大。而粉末冶金不锈钢制品更具有少无切削加工,比精密铸件精度高,也不存在电镀等涂层制品的环保问题等优点,近十多来也取得快速发展。如汽车挡风玻璃后视镜底座,国外早己采用不锈钢件取代有色铸件或其他防锈涂层件。
  
  福州福清福耀玻璃集团公司,是当今世界最大汽车挡风玻璃制造基地之一。为了出口市场的需要,每年需大量进口配套用的粉末冶金不锈钢后视镜底座。因受供货量与周期以及价格的制约,深感其国产化的必要。2001年中在有关方面参与下,协议建立了专门生产基地。经过不断的努力,于2002年底国产化研制成功,次年投入批量生产。2005年产量约百万件,并有部份出口。扩建后的生产线现己达到年产300万件的能力。
  
  二、工艺装备及原材料选择
  
  据查国内为数不多的粉末冶金不锈钢制品厂,基本上采用真空烧结工艺。考虑到真空烧结一次性投资大且未必方便于稳定、连续、大批量生产等情况,根据技术合作者的建议,决定采用氨分解气氛及连续炉烧结的设计方案。选用的主要设备有:(1)100吨全自动粉末冶金液压机;(2)高温贯通式钼丝炉,炉管尺寸:长一宽一高为4000×150×130mm;(3)5M3/h低露点(≤一60℃)的氨分解装置;(4)其他相关前后处理设备及检测仪器等。
  
  按相关文件规定选用AISI 430L或434牌号的不锈钢材料。试制曾分别使用河北与浙江产的430L水雾化粉末进行对以试验。
  
  三、研制概况及技术攻关要点
  
  第一阶段研制。依据国外工业化生产的零星报导,自力更生进行各种方案的探索性试验。包括变更烧结温度、保温时间、装料量及其方式、添加烧结活化剂以及其他多种的方案。历经数月的反复摸索,任凭方案怎么组合与优化,烧结出炉后的样品就是见不到一点点的不锈钢光泽,且样品的强度、韧性、硬度及断口金相组织等方面与进口样件比较都相差甚远。
  
  四、零件耐腐蚀性能考核试验
  
  (1)试验方法的选择:
  
  事实上所有金属或合金材料均难以保证其永不锈蚀。它们是否产生腐蚀取决其工作环境的条件。可是由于零件的工作环境条件与另件材料自身因素可有多种组合和变化,面对这种极其错综复杂的情况,要制定出通用的试验方法以判定材料耐蚀性显然是不现实的。只能根据实际需要与可能制定或选用某种试验方法。通常可供选择的试验方法有:
  
  一是实际使用试验。需要较长的时间(有的达数年)、费用大、且不易获得定量的结果。
  
  二是试验室试验。它分为摸拟试验与加速试验。前者是在小型模拟装量中尽可能精确地人工模拟自然界形成的各种介质及条件进行试验。而加速试验是将实际条件中,一个或少数几个控制性因素进行强化,使之较短时间内便于做出判定。由于它方便自由选择和严格控制各个影响因素,可精确测量,试验时问短,其结果重现性较好等优点,且己制订出相应的国家或行业标准的方法很多。如“人造气氛—盐雾腐蚀试验”及“湿热腐蚀试验”等即属于此类。本另件系选用“湿热腐蚀试验”方法进行考核。
  
  (2)试验结果与分析:
  
  试验选择环境气氛系统在60±2℃,相对湿度95±4%的密闭容器中进行,记录存放48小时后的锈蚀状况。由于相关文件(包括粉末冶金不锈钢材料标准MPIF 35)没有规定具体的判断指标,双方协议决定取试制件与进口件样本进行对比试验。即各取若干进口件与试制件,在同一状态条件下同时进行试验。结果发现两者出现锈蚀斑点的情况各有长短(即均有一些件局部发生“点蚀”现象),但相差无几。此后重复试验呈现较好的重显性。
  
  通过以上各项考核验收,表明研制的产品己全面达到进口件的要求。于是双方一致认定研制全面成功,并于次年便投入了大批量生产。
  
  五、结论:
  
  通过汽车不锈钢后视镜底座国产化的研制工作,表明要使氨分解气氛与钼丝电炉等装备达到符合生产粉末冶金不锈钢另件的要术,其关键在于须采取必要的硬软技术措施,使得炉内气氛的露点始终低于连续烧结还原所需的“安全值”。
  
  为探求失败的原因,曾复查所购置设备的质量指标,结果均正常达标(如氨分解气氛露点达到≤一60℃等)。看来它们似乎都能满足国外报导的主要工艺参数的要求。但是为何烧结不出合格的样品?可是定有它特殊的难点与“技术决窍”?经过努力寻找及再试验,许久也未找到答案。在无从着手的情况下,研制组自动解散,国产化工作被迫暂停。
  
  第二阶段试制。新组成的研制小组,总结了前阶段失败的教训并根据以往创新及产业化研制工作的经验,进行了国内外科技文献及相关“活信息”的收集,通过精心的消化吸收与归纳分析,在对不锈钢烧结的难点有了较清晰认识的基础上,终于从中分析出解决的方案。兹简述如下:
  
  (1)不锈钢烧结的难点及成功烧结的必要与充分条件。不锈钢是以Fe--Cr合金为基础,根据塔曼(Tamman)定律,只有Cr的含量超过12.5%(原子含量;重量为11.7%)时,Fe--Cr合金的铁阳极电位才能产生飞跃式的提高,使合金的抗蚀性取得突变的改善,从而确保了它在一定介质条件不产生锈蚀。对此抗蚀性机理的解释是由于Cr元素非常容易被钝化所致。所谓钝化即Cr与周围介质反应生成一层极薄(几个nm)的氧化膜并产生包覆的现象。钝化层因失去了化学活性,呈现出与惰性金属相似的特性,且在一定条件下是致密的,不容易产生溶解等反应。即使损坏,又会再钝化。
  
  如上所述,不难发现正是不锈钢粉末的表层存在这样的钝化层,极大地阻碍了其烧结还原的进行,从而使得粉末冶金不锈钢烧结变得非常困难。
  
  为了克服这一难点,人们研究了氧化铬在氢气中氧化一还原反应的规律。从查阅其相关反应图可知,单纯的Fe--Cr不锈钢,在不同的烧结温度下所要求的气氛的露点(临界值),似乎并不特别的苛刻(如在1150℃下约为-23℃)。但是这仅仅是氧化铬开始被还原所必须的气氛露点。
  
  工业实践表明,为充分保证不锈钢粉末压坯连续成功烧结,还要考虑更多的影响因素,如在烧结与冷却过程中不发生污染以及合金含有其他成份时,一般要求更低的气氛露点,此外还应有一定的安全系数等等。因此为了确保不锈钢烧结的正常进行,不仅要求引入的分解氨气露点要干燥到如-60℃,更重要的是如何将氧化还原产生的水气及时排出。以便始终保持炉内气氛露点处于相应要求的指标内。
  
  (2)主要技术措施。根据以上所述,通过边试验边摸索,采取了多项的技术措施,使得原有装备在烧结全过程,确保了“炉内气氛露”达到不锈钢烧结的要求,从而实现成功地烧结。其技术措施的要点为:
  
  ●粉末原材料要求低的含碳及含氧量;与烧结所有相关的物件都要求保持高的干燥度;
  
  ●改造现有烧结炉的结构。如增设预烧结段,变更炉管尺寸并调整还原气流量及其流向等;
  
  ●变更氨分解装置并严格选用无水液氨以及改变干燥循环工艺规程等;
  
  ●选用较高的烧结温度(如1250—1300℃)并恰当控制生产率以降低对气氛露点的要求。
  
  研制的第三阶段是进一步解决另件尺寸精度、机械物理性能指标及外观达标等问题(均以进口件为标准)。由于该另件呈薄片形,且台阶,倒锥与斜度等均有一定的精度要求,而高温烧结收缩变形很大,因而得对成型坯的尺寸与重量的设计等方面进行多次的调整。此外经过不断试验,还探索出最佳后处理设备与工艺,使得另件表面光饰度也达到进口件的标准。
  
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