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

粉末冶金是一種以金屬粉末 （包括有非金屬粉末混入狀況）為原料，用于燒結成形，制造金屬摩擦材料和制品的工藝技術。粉末冶金生產的材料、零件具有質優、價廉、節能和省材等特點，被廣泛應用于汽車、電子、儀器儀表、機械制造、原子反應堆、特種高性能合金制造等工業領域，用途愈來愈廣泛。粉末冶金材料的產品結構大體分為粉末冶金機械零件；鐵氧體磁性材料，包括永磁鐵磁性材料和軟磁鐵磁性材料；硬質合金材料和制品；高熔點金屬材料和難熔性金屬材料；精細陶瓷材料和制品。

目前，粉末冶金工業中主導性產品為粉末冶金機械零件和鐵氧磁性材料。粉末冶金的機械零件生產主要集中在結構零件、滑動軸承、摩擦零件以及過濾元件、多孔性材料等幾方面。磁性材料則主要分為硬磁材料、軟磁材料及磁介質材料3大類。軟磁磁性材料生產主要為純鐵、鐵銅磷相合金、鐵鎳合金、鐵鋁合金材料和制品。硬磁材料生產的主體則為鋁鎳鐵合金、鋁鎳鉆鐵合金、釤鉆合金、釹鐵硼合金材料和制品的生產。而磁介質的生產主要集中在軟磁材料和電介質組合物制成的制品生產方面。隨著需求的增加和產品范圍的擴大，在該領域新技術的開發和利用愈來愈受到人們的關注。

粉末冶金工藝制造有許多重要獨特的有點，如實現凈成形，消除切削加工，還有采用粉末冶金工藝制造的零件，可以在零件中有意識留下殘余的多孔結構，提高零件自潤滑和隔音效果，另外，使用粉末冶金制造工藝能夠生產用傳統鑄造工藝很難或者不可能制造的復雜合金零件。正由于這些優點，使用粉末冶金工藝制造用于汽車動力系應用的零件在持續增長。

雖然粉末冶金工藝制造的初衷之一是消除所有的加工，但是這個目標還沒有達到。大多數的零件只是 ‘接近最終形狀’，還需要某種精加工。然而和鑄件和鍛件相比，粉末冶金零件很耐磨，難以加工，這也制約了冶金粉末工藝制造的的推廣應用。

性能

粉末冶金零件的的性能，包括可加工性能，不僅不僅和合金化學成分相關，而且和多孔結構的水平相關。許多粉末冶金制造的結構零件含孔率多達15～20%，用作過濾裝置的零件的含孔率可能高達50%。而采用鍛造或熱離子壓鑄的粉末冶金的零件含孔率較低，只有1%或更少。后者在汽車和飛機制造應用中正變得特別重要，因為這種材料的零件具有更高的強度。

粉末冶金合金的抗拉強度、韌性和延展性隨著密度的增加而增加，同時可加工性也提高了。這是因為隨著粉末冶金合金的密度增加，材料中含孔率減少，對刀尖的損傷減小。

材料中含孔率的增加可以提高零件的隔音性能。標準零件普遍存在的阻尼振蕩在粉末冶金零件里減少。這對機床、空調吹風管和氣動工具很重要。含孔率高對自潤滑齒輪也是必要的。

含孔率高降低了粉末冶金零件的可加工行，因為刀具會遭到多孔結構的損害，而多孔結構是使粉末冶金零件廣泛應用的特性之一。多孔結構能儲油且隔音，但也產生微觀上的斷續切削。當往從孔到固體顆粒往復移動時刀尖持續地受沖擊。這能導致很小的疲勞破裂變形和沿切削刃的細小切屑。更糟糕的是，顆粒通常極硬。即使測到的宏觀硬度在洛氏20～35度之間，但組成零件的顆粒個體會高達洛氏60度。這些硬顆粒導致嚴重而快速的刃口磨損。很多粉末冶金零件是可熱處理的。熱處理后它們更硬更強。最后，由于燒結和熱處理技術和使用的氣體，表面會含硬且耐磨的氧化物和／或碳化物。

加工難點

雖然粉末冶金工業不斷發展中的目標之一是消除機加工，而且粉末冶金工藝的一個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處理獲得精度或更好的表面光潔度。不幸的是加工這些零件是極其困難的。碰到的多數麻煩是由多孔性引起的。

多孔性導致刃口的微觀疲勞。切削刃在切入切出，它從顆粒和孔之間通過。重復的小沖擊導致產生切削刃上的小裂縫。這些疲勞裂紋增長直至切削刃微崩。這種微崩通常很細小，通常表現為正常的磨料磨損。

多孔性還降低粉末冶金零件的熱導性。其結果是切削刃上的溫度很高并會引起月牙洼磨損和變形。內部相連的多孔結構提供切削液從切削區域排出的通路。這會引起熱裂紋或變形，在鉆削里尤其重要。

內在的多孔結構引起的表面面積增加還導致在熱處理時發生氧化和／或碳化。象先前提到的那樣，這些氧化物和碳化物很硬很耐磨。

多孔結構也給出零件硬度讀數的失效這一點極其重要。當有意去測一個粉末冶金零件的宏觀硬度，它包含孔的硬度的因素。多孔結構導致結構的倒塌，得出相對較軟零件的錯誤印象。顆粒個體要硬很多。象上面描述的，區別是戲劇性的。

粉末冶金零件里夾雜物的存在也是不利的。加工中，這些顆粒會從表面拉起，當它從刀具前面擦過時在零件表面上形成擦傷或劃痕。這些夾雜物通常很大，在零件表面留下可見的孔。

碳含量的參差導致可加工性的不一致。例如，有一種FC0208合金，碳含量允許在0．6%到0．9%之間。一批含碳量0．9%的材料相對較硬，導致刀具壽命差；而另一批含碳量0．6%的材料得到極好的刀具壽命。可兩種合金都在允許范圍之內。

最終的加工問題和發生在粉末冶金零件上的切削類型相關。由于零件接近最終形狀，通常切深很淺。這需要自由切削刃，可是在切削刃上的積屑瘤經常導致微崩。

加工技術

為了克服這些問題，需要采用幾種獨特的技術。表面多孔結構經常可以通過浸滲來封閉。通常需要附加自由切削。近來，已經使用設計用來增加粉末潔凈度并降低熱處理時氧化物和碳化物的改進的粉末生產技術。

封閉表面多孔結構由金屬 （通常是銅）或聚合物浸滲完成。實驗數據表明浸滲的真正優點在于關閉表面多孔結構，從而減少切削刃的微觀疲勞。振顫的降低有利于提高刀具壽命和表面粗糙度質量。通過浸滲封閉多孔結構時，刀具壽命可提高200%。

諸如的MnS、S、MoS2、MgSiO3和BN等添加物能提高刀具壽命。這些添加物通過使切屑更容易從工件上分離、斷屑、阻止積屑瘤和潤滑切削刃來提高可加工性。增加添加物的量能提高可加工性，但也會降低強度和韌性。

控制燒結和熱處理爐氣的粉末霧化技術，實現更潔凈的粉末和零件的生產。可使夾雜物和表面氧化物碳化物的發生最小化。

刀具材料

最廣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條件下耐磨、耐刃口破裂和不產生積屑瘤的材料。這些特性對任何加工操作都是有用的，它們在加工粉末冶金零件時尤其重要。這些刀具材料包括有立方氮化硼 （CBN）刀具、不涂層和涂層金屬陶瓷以及改進的涂層燒結硬質合金。

CBN刀具因其高硬度和耐磨性而有吸引力。這種刀具已經在洛氏硬度45及以上的鋼件和鑄鐵加工中使用多年。但是，由于粉末冶金合金具有和顯微硬度和宏觀硬度有重大差別的獨特性，使CBN刀具能用于軟到洛氏硬度25的粉末冶金零件。關鍵的參數是顆粒的硬度。當顆粒的硬度超過洛氏50度時，不管宏觀硬度值是多少，CBN刀具是可用的。這種刀具明顯的局限是它們的韌性不足。如果是斷續切削或含孔率高的話，進行負倒棱和較重的珩磨加工，則需要對刃口進行加固。但簡單的輕切削用珩磨的切削刃就能完成。

有幾種材質的CBN是有效的。韌性最好的材質主要由整體CBN構成。它們韌性極好，因此可用作粗加工。這些材質應用的局限通常和表面粗糙度相關。很大程度上由構成刀具的CBN個體顆粒決定。當顆粒從切削刃上脫落時會在工件材料表面產生影響。而細顆粒刀具脫落一個顆粒則情況不那么嚴重。

通常使用的CBN材質的CBN含量高，顆粒大小中等。CBN精加工刀片是細顆粒材質，而且CBN含量低。它們對輕切削和表面粗糙度有要求或被加工合金特別硬的場合最有效。

在很多切削應用中，刀具壽命和材質種類是獨立無關的。換句話說，任何一種CBN材質都可取得類似的刀具壽命。在這些情況下，材質的選擇主要以每個切削刃的成本最低為依據。一片圓刀片有一整個CBN頂面并能提供四個或更多的切削刃，要比四片鑲齒CBN刀片更便宜。

當粉末冶金零件的硬度低于洛氏35度，并且顆粒本身硬度不超出范圍，金屬陶瓷通常是選擇之一。金屬陶瓷很硬，能有效阻止積屑瘤且能承受高速。另外，因為金屬陶瓷歷來用于鋼件和不銹鋼的高速加工和精加工，它們通常有適合接近成型零件的理想幾何槽形。

今天的金屬陶瓷在冶金上是錯綜復雜的，有多達11種合金元素。通常它們是碳氮化鈦 （TiCN）顆粒和Ni－Mo粘接劑燒結而成。TiCN提供對成功使用金屬陶瓷很重要的硬度、抗積屑瘤和化學穩定性。另外，這些刀具通常有很高的粘接劑含量，這意味著它們有良好的韌性。總而言之，它們具備有效加工粉末冶金合金的所有特性。有幾種材質的金屬陶瓷是有效的，就象碳化鎢燒結硬質合金那樣，粘接劑含量越高，韌性越好。

已知的相對較新的進展是中溫化學氣相沉積（MTCVD）也能提供粉末冶金加工所需要的性能。MTCVD保留傳統的化學氣相沉積 （CVD）所有的耐磨性和抗月牙洼磨損性能外還能提高韌性。這種韌性的增加主要來自裂紋的減少。涂層在高溫下沉積然后在爐內冷卻。由于熱膨脹不一致，當刀具到達室溫時涂層里包含裂紋。和平板玻璃上的劃痕類似，這些裂紋降低刀具刃口強度。MTCVD工藝較低的沉積溫度導致更低的裂紋頻率和韌性較好的切削刃。

當CVD涂層和MTCVD涂層的基體有相同的特性和刃口修磨時，它們的韌性的區別能得到論證。當使用在刃口韌性有要求的應用，MTCVD涂層性能表現超過CVD涂層。通過分析，當加工含多孔結構的粉末冶金零件時，刃口韌性是重要的。MTCVD涂層勝過CVD涂層。

物理氣相沉積 （PVD）涂層較薄且不如MTCVD或CVD涂層耐磨或耐月牙洼磨損。但是，PVD涂層應用場合是能承受顯著沖擊。當切削是磨料磨損場合，另外要求極好的表面粗糙度時，CBN和金屬陶瓷太脆，PVD涂層則是有效的。

例如，C－2硬質合金的切削刃在線速度180m／min和進給0．15mm／r的情況下加工FC0205。在加工20個零件后積屑瘤能引起微崩。當使用PVD氮化鈦（TiN）涂層時，積屑瘤被抑制而且刀具壽命延長。當使用TiN涂層做這個測試時，粉末冶金零件的磨料磨損特性預計TiCN涂層會更有效。TiCN有和TiN幾乎相同的抗積屑瘤能力但比TiN更硬更耐磨。

多孔結構具有重要作用，但它影響FC0208合金的可加工性。當多孔結構和特性改變時，各種不同的刀具材料提供相應的優勢。密度低的時候 （6．4g／cm3），宏觀硬度是低的。在這種情況下，MTCVD涂層硬質合金提供最佳刀具壽命。切削刃的微觀疲勞很重要，刃口韌性很受重視。在這個情況下韌性好的金屬陶瓷刀片提供最大的刀具壽命。

當生產密度為6．8g／cm3的同樣的合金，磨料磨損特性變得比刃口裂紋更重要。在這種情況下，MTCVD涂層提供最好的刀具壽命。PVD涂層硬質合金對極硬的兩種類型的零件都進行測試，碰到刃口破裂。

當速度升高 （線速度＞300m／min），金屬陶瓷甚至涂層金屬陶瓷也會產生月牙洼磨損。涂層硬質合金更適合，尤其是當涂層硬質合金的切削刃韌性好時。MTCVD涂層到有富鈷區的基體的硬質合金尤其有效。

金屬陶瓷最常見用于車削和鏜削加工。因為可能期望較低的速度和更多關注積屑瘤，PVD涂層硬質合金對于螺紋加工很理想。