粉末冶金零件的车削加工

裴蕾

　　1前言
　　粉末冶金(PM)是将金属粉末与金属粉末或金属粉末与非金属粉末按需要的比例混合后在模腔内压制成型，然后经过烧结和精整成为粉末冶金机械零件的工艺。它是一种节材、节能、投资少、见效快、无污染、适合大批生产的少、无切削、高效金属成型工艺，已经在汽车、摩托车、农机生产等行业中得到了广泛的应用，尤其在汽车工业中受到了特别的重视。近年来，使用粉末冶金(PM)工艺制造的应用于汽车动力系统的零件在持续增长，这是由于PM工艺制造的零件有许多重要独特的优点，它能降低成本、改进使用性能、减轻零件的重量及保护环境。粉末冶金技术可以生产用普通熔炼法无法生产的具有某些特殊性能的材料和零件，粉末冶金零件的残余多孔结构使其具有自润滑性和隔音性。虽然PM工业的初衷之一是消除所有的机加工，但是这个目标还没有达到，大多数零件是“接近最终形状”，仍然需要精加工获得要求的精度及表面粗糙度。然而由于粉末冶金材料的结构不同于铸件和锻件，因此它们的加工性能也有其特殊性。
　　2 PM零件的性能及加工难点
/ R1 b' v& P* M3 [! O  y　　·机械性能
6 \( D5 n) }) D2 M6 y　　多孔结构是PM零件得到广泛应用的特性之一。包括可加工性在内的PM零件的大部分性能不仅与其合金化学成分相关，而且和多孔结构的孔隙度相关。许多结构零件的孔隙度多达15%～20%，用作过滤装置的零件的孔隙度可能高达50%。而锻造或HIP(热离子压铸)零件孔隙度为1%或更少。HIP材料适宜在汽车和飞机里应用，因为它们能获得更高的强度水平。
　　PM材料的抗拉强度、韧性和延伸率随着密度的增加都会增加，但因降低了PM材料的多孔性对刀尖的危害作用，使其可加工性反而提高了。增加材料的孔隙度能提高零件的隔音性能，在标准零件里普遍存在的阻尼振荡在PM零件里减少，这对机床、空调吹风管和气动工具很重要。另外，孔隙度高对自润滑齿轮也是必要的。
　　·加工难点
1 _" D* I" I8 d% F5 _　　虽然PM零件只需少量的加工，但是加工PM零件是极其困难的，这主要是由于PM材料的多孔性结构引起的，多孔结构降低了刀具的使用寿命。
　　多孔性导致刃口的微观疲劳。当刀具从孔到固体颗粒往复移动时，刀尖持续受冲击。持续的小冲击会导致切削刃上产生小的裂缝，这些疲劳裂纹逐渐增大直至切削刃微崩。这种微崩一般很细小，通常表现为正常的磨料磨损。
　　多孔性还会降低PM零件的导热性。刀具在切削时切削刃上的温度很高，并会引起月牙洼磨损和变形。内部相连的多孔结构提供切削液从切削区域排出的通路，会引起热裂纹或变形，这在钻削里尤其严重。
. s- r/ y0 Z$ T( D3 j* U* r8 K　　内在的多孔结构引起的表面面积增加还会使热处理时发生氧化和(或)碳化，而这些氧化物和碳化物很硬很耐磨。
　　由于孔隙的存在，在较小的面积内其硬度值也有一定的波动。即使测得的宏观硬度为HRC20~35，但组成零件的颗粒硬度会高达HRC60，这些硬颗粒会导致严重而急剧的刃口磨损。
$ l! D& h- d. d) y" C$ ?　　很多PM零件热处理后更硬，强度更高。烧结和热处理技术以及所使用的气体，会使PM零件表面含有硬且耐磨的氧化物和(或)碳化物。
/ x. V# L2 e: ]0 W+ B　　零件里夹杂物的存在也是不利的。加工中，这些颗粒会从表面拉起，当它们从刀具前面擦过时在零件表面上形成擦伤或划痕。这些夹杂物通常很大，在零件表面留下可见的孔。另外，碳含量不均导致了可加工性的不一致。例如，FC0208合金含碳量为0.6%～0.9%，含碳量为0.9%的材料相对较硬，刀具寿命低;而切削含碳量为0.6%的材料，刀具能得到较高的使用寿命。
( x- P  Z! \) w5 B! F5 ]7 E' D　　·PM材料的独特处理技术
" X: B$ n9 k8 G　　为了提高粉末冶金零件的切削性能，粉末冶金行业已对材料采取了独特的处理技术。表面多孔结构经常通过浸渗被封闭，故通常需要运用自由切削。近来已经开始使用的粉末冶金新技术可以增加粉末洁净度并能降低热处理时氧化物和碳化物的产生。
' y# H4 I  w$ r; k8 H　　封闭表面多孔结构由金属(通常是铜)或聚合物浸渗完成。曾经有人认为浸渗的作用象润滑剂，但大部分的实验数据表明，浸渗真正的优点在于关闭表面多孔结构，从而阻止切削刃的微观疲劳，降低刀具的振颤，提高刀具寿命和降低表面粗糙度。使用浸渗处理后，刀具寿命提高2倍。
! n0 ]( P) E. d, G; |# ]　　实践表明，在粉末冶金材料中添加诸如MnS、S、MoS2、MgSiO3和BN等添加物能提高刀具寿命。这些添加物通过使切屑更容易从工件上分离、断屑，并能阻止积屑瘤的产生和润滑切削刃来提高材料的可加工性。增加添加物的量能提高可加工性，但会降低材料的强度和韧性。
　　控制烧结和热处理炉气的粉末雾化技术可以增加粉末的洁净度，使得夹杂物、表面氧化物和碳化物的发生最小化。
: t1 v3 r3 W: T# s1 @% ~/ Q1 q　　3刀具材料
1 b, y+ l/ [/ k! ^　　目前广泛地应用于PM行业的刀具材料主要是立方氮化硼(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。这些刀具材料在切削粉末冶金材料时都具有耐磨、耐刃口破裂和不产生积屑瘤的特性，并能获得低的表面粗糙度。
　　·CBN刀具
　　CBN刀具因其高硬度和耐磨性而适合于PM零件的加工。CBN刀具已经在HRC≥45的钢件和铸铁加工中使用多年。但是，由于PM合金的独特性能以及显微硬度和宏观硬度的重大差别，使CBN刀具能用于加工软到HRC25的PM零件。关键的参数是颗粒的硬度，当颗粒的硬度超过HRC50时，不管宏观硬度值是多少，CBN刀具是可用的。CBN刀具明显的缺点是它们的韧性不足。如果是断续切削或孔隙度较大，需要加强CBN刀具负倒棱和较重的珩磨在内的刃口。如果是轻载切削，使用经过珩磨处理的切削刃就能完成加工。
' j( p2 K7 C& O　　韧性最好的材质主要由整体CBN构成，由于韧性好，因此可用作粗加工。而它们的局限性通常和表面粗糙度相关，这在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精加工刀片颗粒细而且CBN含量低，它们对轻载切削和对表面粗糙度有要求或被加工合金特别硬的场合最有效。在很多切削加工中，刀具寿命和材质种类是独立无关的，即任何一种CBN材质都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4个或更多的切削刃，因此它与4片镶齿CBN刀片相比更便宜。
, o( F( F/ _) \( |! n6 S　　·金属陶瓷和硬质合金
5 w6 _1 H" q* K9 l# m　　当PM零件的硬度低于HRC35，并且颗粒本身硬度不超出范围时，金属陶瓷刀具通常是可选择的刀具之一。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。它们通常是由碳氮化钛(TiCN)颗粒和Ni-Mo粘接剂烧结而成。TiCN提供了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PM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。
　　中温化学气相沉积(MTCVD)涂层在PM行业中已显示其较大的优势。MTCVD涂层除保留了传统的化学气相沉积(CVD)涂层所有的耐磨性和抗月牙洼磨损性能外，还能提高韧性。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，这些裂纹降低了刀具刃口强度。MTCVD工艺较低的沉积温度能降低裂纹出现的频率，获得韧性较好的切削刃。
  Z1 |' t1 F2 h% d　　当CVD涂层和MTCVD涂层的基体有相同的特性和刃口修磨时，它们的韧性的区别已得到验证。在刃口韧性有较高要求的应用场合，MTCVD涂层性能优于CVD涂层。通过以上的分析，当加工含多孔结构的PM零件时，刃口韧性是十分重要的，因此MTCVD涂层比CVD涂层更适合加工PM零件。
8 H3 f, n% A) P. z　　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涂层的特点是能承受显著的冲击。当切削是磨料磨损场合，使用CBN和金属陶瓷又太脆，并且需要较低的表面粗糙度时，PVD涂层是非常有效的。例如，使用C-2硬质合金刀具加工FC0205，在V=180m/min，f=0.15mm/r时，加工20个零件后，积屑瘤能引起微崩。在使用PVD氮化钛(TiN)涂层刀具时，积屑瘤被抑制，刀具寿命大大延长。TiCN与TiN几乎有相同的抗积屑瘤能力，但它比TiN更硬更耐磨。PM零件的磨料磨损特性预计使用TiCN比TiN涂层会更有效。
　　孔隙度大小是影响FC0208合金的可加工性的重要因素。当孔隙结构和特性改变时，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涂层硬质合金能提供较高的使用寿命。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具有较高的使用寿命。当加工密度为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涂层刀具具有较高的使用寿命。PVD涂层硬质合金对极硬的两种类型的零件进行测试，都会产生刃口破裂。
& O7 P; R3 b) k7 G　　当速度升高(V>300m/min)，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。金属陶瓷最常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，而PVD涂层硬质合金对于螺纹加工很理想。【MechNet】
9 j. [2 s) k/ b3 H& e# d) j文章关键词： 粉末冶金