粉末冶金（P/M）零件的切削加工

332426419 · 发表于 2011-7-12 21:40:41

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使用粉末冶金（P/M）工艺制造应用于汽车动力系统的零件在持续增长。用P/M工艺制造的零件有许多重要、独特的优点，故意留在这些零件里的残余多孔结构对于自润滑和隔音有好处。使用P/M技术可以生产用传统铸造工艺很难或不可能制造的复杂合金，用这样的技术制造的零件的加工量通常很少甚至没有，这使它们更便宜而且在材料方面浪费更少。但不幸的是，在这些特性的吸引力背后，P/M零件难以加工。
虽然P/M工业的初衷之一是消除所有的加工，但这个目标目前还没有达到。大多数的零件只能是“接近最终形状”，仍然需要某种精加工。然而和铸件和锻件相比，需要从P/M零件上去除的少量材料是典型的耐磨材料。
多孔结构是使P/M零件具有各种广泛用途的特性之一，但刀具的寿命也会遭到多孔结构的损害。多孔结构能储油且能隔音，但也导致微观上的断续切削。当从孔到固体颗粒往复移动时，刀尖持续地受到冲击，这能导致很小的疲劳破裂变形和沿切削刃的细小崩刃。更糟糕的是，这些颗粒通常极硬。即使测到的材料宏观硬度在洛氏20～35度之间，但组成零件的颗粒个体会高达洛氏60度。这些硬颗粒导致严重而快速的刃口磨损。很多P/M零件是可热处理的，热处理后材料硬度和强度更高。最后，由于烧结和热处理技术和所使用的气体，材料表面会含硬且耐磨的氧化物和（或）碳化物。
P/M零件的性能
包括可加工性在内的P/M零件的大部分性能不仅与合金化学成分相关，而且和多孔结构的含孔率水平相关。许多结构零件含孔率多达15％～20%。用作过滤装置的零件的含孔率可能高达50%。在系列的另一端，锻造或HIP（热离子压铸）零件含孔率仅为1%或更少。这种材料在汽车和飞机应用里正变得特别重要，因为它们能获得更高的强度水平。
P/M合金的抗拉强度、韧性和延展性会随着密度的增加而增加，可加工性也可能提高，这是因为多孔性对刀尖具有危害作用。
含孔率水平的增加可以提高零件的隔音性能。在标准零件里普遍存在的阻尼振荡在P/M零件里显著减少，这对于机床、空调吹风管和气动工具很重要。高含孔率对自润滑齿轮也是必要的。
切削加工难点
虽然P/M工业不断发展的目标之一是消除机加工，而且P/M工艺的一个主要吸引力是只需少量加工，但是很多零件仍然需要后处理以获得更高精度或更好的表面光洁度。不幸的是，加工这些零件是极其困难的。碰到的多数麻烦是由多孔性引起的。多孔性导致刃口的微观疲劳。切削刃在不断地切入切出，它从颗粒和孔之间通过，重复的小冲击导致切削刃上产生小裂纹，这些疲劳裂纹增长直至切削刃微崩。这种微崩刃通常很细小，一般表现为正常的磨料磨损。
多孔性还会降低P/M零件的热导性，其结果是切削刃上的温度很高并会引起月牙洼磨损和变形。内部相连的多孔结构提供切削液从切削区域排出的通路。这会引起热裂纹或变形，在钻削里尤其重要。
内在的多孔结构引起的表面面积增加还导致在热处理时易发生氧化和（或）碳化。如先前提到的那样，这些氧化物和碳化物很硬，而且很耐磨。
多孔结构也给出零件硬度读数的失效这一点极其重要。当有意去测一个P/M零件的宏观硬度，它包含孔的硬度的因素。多孔结构导致结构的倒塌，得出相对较软零件的错误印象。颗粒个体要硬很多。象上面描述的，区别是戏剧性的。
粉末冶金零件里夹杂物的存在也是不利的。加工中，这些颗粒会从表面拉起，当它从刀具前面擦过时会在零件表面上形成擦伤或划痕。这些夹杂物通常很大，在零件表面留下可见的孔。
碳含量的参差导致可加工性的不一致。例如，FC0208合金碳含量在0.6%到0.9%之间。一批含碳量0.9%的材料相对较硬，导致刀具寿命差。而另一批含碳量0.6%的材料得到极好的刀具寿命。两种合金都在允许范围之内。
最终的加工问题和发生在P/M零件上的切削类型相关。由于零件接近最终形状，通常切深很浅。这需要自由切削刃。在切削刃上的积屑瘤经常导致微崩。
加工技术
为了克服这些问题，应用几个技术（对该行业是独特的）。表面多孔结构经常通过浸渗被封闭。通常需要附加自由切削。近来，已经使用设计用来增加粉末洁净度并降低热处理时氧化物和碳化物的改进的粉末生产技术。
封闭表面多孔结构由金属（通常是铜）或聚合物浸渗完成。曾经猜想浸渗的作用象润滑剂，大部分的实验数据表明真正的优点在于关闭表面多孔结构和由此而来的阻止切削刃的微观疲劳。振颤的降低提高刀具寿命和表面光洁度。最戏剧性的使用浸渗显示当多孔结构封闭时刀具寿命提高200%。
诸如MnS、S、MoS2、MgSiO3和BN等添加物已知能提高刀具寿命。这些添加物通过使切屑更容易从工件上分离、断屑、阻止积屑瘤和润滑切削刃来提高可加工性。增加添加物的量提高可加工性但降低强度和韧性。
控制烧结和热处理炉气的粉末雾化技术使洁净的粉末和零件的生产成为可能，这使得夹杂物和表面氧化物碳化物的发生最小化。
刀具材料
最广泛地使用于P/M行业的刀具是那些在生产良好表面光洁度条件下耐磨、耐刃口破裂和不产生积屑瘤的材料。而这些特性对任何加工操作都是有用的，它们在加工P/M零件时尤其重要。包含在这个种类里的刀具材料有立方氮化硼（CBN）刀具、不涂层和涂层金属陶瓷以及改进的涂层烧结硬质合金。
CBN刀具因其高硬度和耐磨性而有吸引力。这种刀具已经在洛氏硬度45及以上的钢件和铸铁加工中使用多年。但是，由于P/M合金的独特性能和显微硬度和宏观硬度的重大差别，使CBN刀具能用于软到洛氏硬度25的P/M零件。关键的参数是颗粒的硬度。当颗粒的硬度超过洛氏50度时，不管宏观硬度值是多少，CBN刀具是可用的。这种刀具明显的限制是它们的韧性不足。如果是断续切削或含孔率高的话包括负倒棱和较重的珩磨在内的刃口加固是需要的。简单的轻切削用珩磨的切削刃就能完成。
有几种材质的CBN是有效的。韧性最好的材质主要由整体CBN构成。它们韧性极好因此可用作粗加工。它们的限制通常和表面光洁度相关。很大程度上由构成刀具的CBN个体颗粒决定。当颗粒从切削刃上脱落时会在工件材料表面产生影响。而细颗粒刀具脱落一个颗粒则情况不那么严重。
通常使用的CBN材质的CBN含量高，颗粒大小中等。CBN精加工刀片是细颗粒的而且CBN含量低。它们对轻切削和表面光洁度有要求或被加工合金特别硬的场合最有效。
在很多切削应用里刀具寿命和材质种类是独立无关的。换句话说，任何一种CBN材质可取得类似的刀具寿命。在这些情况下，材质的选择主要以每个切削刃的成本最低为依据。一片圆刀片有一整个CBN顶面并能提供四个或更多的切削刃，要比四片镶齿CBN刀片更便宜。
当P/M零件的硬度低于洛氏35度，并且颗粒本身硬度不超出范围，金属陶瓷通常是选择之一。金属陶瓷很硬，能有效阻止积屑瘤且能承受高速。另外，因为金属陶瓷历来用于钢件和不锈钢的高速、精加工，它们通常有适合接近成型零件的理想几何槽形。
今天的金属陶瓷在冶金上是错综复杂的，有多达11种合金元素。通常它们是碳氮化钛（TiCN）颗粒和Ni-Mo粘接剂烧结而成。TiCN提供对成功使用金属陶瓷很重要的硬度、抗积屑瘤和化学稳定性。另外，这些刀具通常有很高的粘接剂含量，这意味着它们有良好的韧性。总而言之，它们具备有效加工P/M合金的所有特性。几种材质的金属陶瓷是有效的，就象碳化钨烧结硬质合金那样，粘接剂含量越高，韧性越好。
已知的相对较新的进展是中温化学气相沉积（MTCVD）也提供P/M行业的优势。MTCVD保留传统的化学气相沉积（CVD）所有的耐磨性和抗月牙洼磨损性能外还很客观地提高韧性。这种韧性的增加主要来自裂纹的减少。涂层在高温下沉积然后在炉内冷却。由于热膨胀不一致，当刀具到达室温时涂层里包含裂纹。和平板玻璃上的划痕类似，这些裂纹降低刀具刃口强度。MTCVD工艺较低的沉积温度导致更低的裂纹频率和韧性较好的切削刃。
当CVD涂层和MTCVD涂层的基体有相同的特性和刃口修磨时，它们的韧性的区别能得到论证。当使用在刃口韧性有要求的应用，MTCVD涂层性能表现超过CVD涂层。通过分析，当加工含多孔结构的P/M零件时，刃口韧性是重要的。MTCVD涂层胜过CVD涂层。
物理气相沉积（PVD）涂层较薄且不如MTCVD或CVD涂层耐磨或耐月牙洼磨损。但是，PVD涂层应用场合是能承受显著冲击。当切削是磨料磨损场合、CBN和金属陶瓷又太脆和需要极好的表面光洁度，PVD涂层会是有效的。
例如，C-2硬质合金的切削刃在线速度每分钟180米和进给每转0.15毫米情况下加工FC0205。在加工20个零件后积屑瘤能引起微崩。当使用PVD氮化钛（TiN）涂层时，积屑瘤被抑制而且刀具寿命延长。当使用TiN涂层做这个测试时，P/M零件的磨料磨损特性预计TiCN涂层会更有效。TiCN有和TiN几乎相同的抗积屑瘤能力但比TiN更硬更耐磨。
多孔结构是重要的而且它影响FC0208合金的可加工性。当多孔结构和特性改变时，各种不同的刀具材料提供相应的优势。当密度低的时候（6.4g/cm3），宏观硬度是低的。在这种情况下，MTCVD涂层硬质合金提供最佳刀具寿命。切削刃的微观疲劳很重要，刃口韧性很受重视。在这个情况下韧性好的金属陶瓷刀片提供最大的刀具寿命。
当生产密度为6.8g/cm3的同样的合金，磨料磨损变得比刃口裂纹更重要。在这种情况下，MTCVD涂层提供最好的刀具寿命。PVD涂层硬质合金对极硬的两种类型的零件都进行测试，碰到刃口破裂。
当速度升高（线速度每分钟300米以上），金属陶瓷甚至涂层金属陶瓷也会产生月牙洼磨损。涂层硬质合金更适合，尤其是当涂层硬质合金的切削刃韧性好时。MTCVD涂层到有富钴区的基体的硬质合金尤其有效。
金属陶瓷最常见用于车削和镗削加工。因为可能期望较低的速度和更多关注积屑瘤，PVD涂层硬质合金对于螺纹加工很理想。
文章关键词：粉末冶金（P/M）零件

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