粉末冶金零件的切削加工

Cutting of powder metal parts

粉末冶金零件的切削加工

Cutting of powder metal parts

粉末冶金是一种以金属粉末 （包括有非金属粉末混入状况）为原料，用于烧结成形，制造金属摩擦材料和制品的工艺技术。粉末冶金生产的材料、零件具有质优、价廉、节能和省材等特点，被广泛应用于汽车、电子、仪器仪表、机械制造、原子反应堆、特种高性能合金制造等工业领域，用途愈来愈广泛。粉末冶金材料的产品结构大体分为粉末冶金机械零件；铁氧体磁性材料，包括永磁铁磁性材料和软磁铁磁性材料；硬质合金材料和制品；高熔点金属材料和难熔性金属材料；精细陶瓷材料和制品。

目前，粉末冶金工业中主导性产品为粉末冶金机械零件和铁氧磁性材料。粉末冶金的机械零件生产主要集中在结构零件、滑动轴承、摩擦零件以及过滤元件、多孔性材料等几方面。磁性材料则主要分为硬磁材料、软磁材料及磁介质材料3大类。软磁磁性材料生产主要为纯铁、铁铜磷相合金、铁镍合金、铁铝合金材料和制品。硬磁材料生产的主体则为铝镍铁合金、铝镍钻铁合金、钐钻合金、钕铁硼合金材料和制品的生产。而磁介质的生产主要集中在软磁材料和电介质组合物制成的制品生产方面。随着需求的增加和产品范围的扩大，在该领域新技术的开发和利用愈来愈受到人们的关注。

粉末冶金工艺制造有许多重要独特的有点，如实现净成形，消除切削加工，还有采用粉末冶金工艺制造的零件，可以在零件中有意识留下残余的多孔结构，提高零件自润滑和隔音效果，另外，使用粉末冶金制造工艺能够生产用传统铸造工艺很难或者不可能制造的复杂合金零件。正由于这些优点，使用粉末冶金工艺制造用于汽车动力系应用的零件在持续增长。

虽然粉末冶金工艺制造的初衷之一是消除所有的加工，但是这个目标还没有达到。大多数的零件只是 ‘接近最终形状’，还需要某种精加工。然而和铸件和锻件相比，粉末冶金零件很耐磨，难以加工，这也制约了冶金粉末工艺制造的的推广应用。

性能

粉末冶金零件的的性能，包括可加工性能，不仅不仅和合金化学成分相关，而且和多孔结构的水平相关。许多粉末冶金制造的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%。而采用锻造或热离子压铸的粉末冶金的零件含孔率较低，只有1%或更少。后者在汽车和飞机制造应用中正变得特别重要，因为这种材料的零件具有更高的强度。

粉末冶金合金的抗拉强度、韧性和延展性随着密度的增加而增加，同时可加工性也提高了。这是因为随着粉末冶金合金的密度增加，材料中含孔率减少，对刀尖的损伤减小。

材料中含孔率的增加可以提高零件的隔音性能。标准零件普遍存在的阻尼振荡在粉末冶金零件里减少。这对机床、空调吹风管和气动工具很重要。含孔率高对自润滑齿轮也是必要的。

含孔率高降低了粉末冶金零件的可加工行，因为刀具会遭到多孔结构的损害，而多孔结构是使粉末冶金零件广泛应用的特性之一。多孔结构能储油且隔音，但也产生微观上的断续切削。当往从孔到固体颗粒往复移动时刀尖持续地受冲击。这能导致很小的疲劳破裂变形和沿切削刃的细小切屑。更糟糕的是，颗粒通常极硬。即使测到的宏观硬度在洛氏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。很多粉末冶金零件是可热处理的。热处理后它们更硬更强。最后，由于烧结和热处理技术和使用的气体，表面会含硬且耐磨的氧化物和／或碳化物。

加工难点

虽然粉末冶金工业不断发展中的目标之一是消除机加工，而且粉末冶金工艺的一个主要的吸引力是只需少量的加工，但是很多零件仍然需要后处理获得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。切削刃在切入切出，它从颗粒和孔之间通过。重复的小冲击导致产生切削刃上的小裂缝。这些疲劳裂纹增长直至切削刃微崩。这种微崩通常很细小，通常表现为正常的磨料磨损。

多孔性还降低粉末冶金零件的热导性。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发生氧化和／或碳化。象先前提到的那样，这些氧化物和碳化物很硬很耐磨。

多孔结构也给出零件硬度读数的失效这一点极其重要。当有意去测一个粉末冶金零件的宏观硬度，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，有一种FC0208合金，碳含量允许在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。可两种合金都在允许范围之内。

最终的加工问题和发生在粉末冶金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，可是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，需要采用几种独特的技术。表面多孔结构经常可以通过浸渗来封闭。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。实验数据表明浸渗的真正优点在于关闭表面多孔结构，从而减少切削刃的微观疲劳。振颤的降低有利于提高刀具寿命和表面粗糙度质量。通过浸渗封闭多孔结构时，刀具寿命可提高200%。

诸如的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、阻止积屑瘤和润滑切削刃来提高可加工性。增加添加物的量能提高可加工性，但也会降低强度和韧性。

控制烧结和热处理炉气的粉末雾化技术，实现更洁净的粉末和零件的生产。可使夹杂物和表面氧化物碳化物的发生最小化。

刀具材料

最广泛地使用于粉末冶金零件加工的刀具是那些在良好表面粗糙度条件下耐磨、耐刃口破裂和不产生积屑瘤的材料。这些特性对任何加工操作都是有用的，它们在加工粉末冶金零件时尤其重要。这些刀具材料包括有立方氮化硼 （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，由于粉末冶金合金具有和显微硬度和宏观硬度有重大差别的独特性，使CBN刀具能用于软到洛氏硬度25的粉末冶金零件。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。这种刀具明显的局限是它们的韧性不足。如果是断续切削或含孔率高的话，进行负倒棱和较重的珩磨加工，则需要对刃口进行加固。但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。这些材质应用的局限通常和表面粗糙度相关。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材质，而且CBN含量低。它们对轻切削和表面粗糙度有要求或被加工合金特别硬的场合最有效。

在很多切削应用中，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顶面并能提供四个或更多的切削刃，要比四片镶齿CBN刀片更便宜。

当粉末冶金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加工和精加工，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，它们具备有效加工粉末冶金合金的所有特性。有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）也能提供粉末冶金加工所需要的性能。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。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粉末冶金零件时，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，另外要求极好的表面粗糙度时，CBN和金属陶瓷太脆，PVD涂层则是有效的。

例如，C－2硬质合金的切削刃在线速度180m／min和进给0．15mm／r的情况下加工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，粉末冶金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。

多孔结构具有重要作用，但它影响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。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，磨料磨损特性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＞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。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。