粉末冶金零件的車削加工

1 前言
   粉末冶金(PM)是將金屬粉末與金屬粉末或金屬粉末與非金屬粉末按需要的比例混合后在模腔內(nèi)壓制成型，然后經(jīng)過燒結(jié)和精整成為粉末冶金機(jī)械零件的工藝。它是一種節(jié)材、節(jié)能、投資少、見效快、無污染、適合大批生產(chǎn)的少、無切削、高效金屬成型工藝，已經(jīng)在汽車、摩托車、農(nóng)機(jī)生產(chǎn)等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在汽車工業(yè)中受到了特別的重視。近年來，使用粉末冶金(PM)工藝制造的應(yīng)用于汽車動力系統(tǒng)的零件在持續(xù)增長，這是由于PM工藝制造的零件有許多重要獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，它能降低成本、改進(jìn)使用性能、減輕零件的重量及保護(hù)環(huán)境。粉末冶金技術(shù)可以生產(chǎn)用普通熔煉法無法生產(chǎn)的具有某些特殊性能的材料和零件，粉末冶金零件的殘余多孔結(jié)構(gòu)使其具有自潤滑性和隔音性。雖然PM工業(yè)的初衷之一是消除所有的機(jī)加工，但是這個目標(biāo)還沒有達(dá)到，大多數(shù)零件是“ 接近最終形狀”，仍然需要精加工獲得要求的精度及表面粗糙度。然而由于粉末冶金材料的結(jié)構(gòu)不同于鑄件和鍛件，因此它們的加工性能也有其特殊性。
2 PM零件的性能及加工難點(diǎn)
  機(jī)械性能
    多孔結(jié)構(gòu)是PM零件得到廣泛應(yīng)用的特性之一。包括可加工性在內(nèi)的PM零件的大部分性能不僅與其合金化學(xué)成分相關(guān)，而且和多孔結(jié)構(gòu)的孔隙度相關(guān)。許多結(jié)構(gòu)零件的孔隙度多達(dá)15%～20%，用作過濾裝置的零件的孔隙度可能高達(dá)50%。而鍛造或HIP(熱離子壓鑄)零件孔隙度為1%或更少。HIP材料適宜在汽車和飛機(jī)里應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兡塬@得更高的強(qiáng)度水平。
   PM材料的抗拉強(qiáng)度、韌性和延伸率隨著密度的增加都會增加，但因降低了PM材料的多孔性對刀尖的危害作用，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，在標(biāo)準(zhǔn)零件里普遍存在的阻尼振蕩在PM零件里減少，這對機(jī)床、空調(diào)吹風(fēng)管和氣動工具很重要。另外，孔隙度高對自潤滑齒輪也是必要的。
 加工難點(diǎn)
    雖然PM零件只需少量的加工，但是加工PM零件是極其困難的，這主要是由于PM材料的多孔性結(jié)構(gòu)引起的，多孔結(jié)構(gòu)降低了刀具的使用壽命。
    多孔性導(dǎo)致刃口的微觀疲勞。當(dāng)?shù)毒邚目椎焦腆w顆粒往復(fù)移動時，刀尖持續(xù)受沖擊。持續(xù)的小沖擊會導(dǎo)致切削刃上產(chǎn)生小的裂縫，這些疲勞裂紋逐漸增大直至切削刃微崩。這種微崩一般很細(xì)小，通常表現(xiàn)為正常的磨料磨損。
   多孔性還會降低PM零件的導(dǎo)熱性。刀具在切削時切削刃上的溫度很高，并會引起月牙洼磨損和變形。內(nèi)部相連的多孔結(jié)構(gòu)提供切削液從切削區(qū)域排出的通路，會引起熱裂紋或變形，這在鉆削里尤其嚴(yán)重。
   內(nèi)在的多孔結(jié)構(gòu)引起的表面面積增加還會使熱處理時發(fā)生氧化和(或)碳化，而這些氧化物和碳化物很硬很耐磨。
   由于孔隙的存在，在較小的面積內(nèi)其硬度值也有一定的波動。即使測得的宏觀硬度為HRC20~35 ，但組成零件的顆粒硬度會高達(dá)HRC60 ，這些硬顆粒會導(dǎo)致嚴(yán)重而急劇的刃口磨損。
   很多PM零件熱處理后更硬，強(qiáng)度更高。燒結(jié)和熱處理技術(shù)以及所使用的氣體，會使PM零件表面含有硬且耐磨的氧化物和(或)碳化物。
   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(dāng)它們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。另外，碳含量不均導(dǎo)致了可加工性的不一致。例如，F(xiàn)C0208合金含碳量為0.6%～0.9%，含碳量為0.9%的材料相對較硬，刀具壽命低;而切削含碳量為0.6%的材料，刀具能得到較高的使用壽命。
  PM材料的獨(dú)特處理技術(shù)
   為了提高粉末冶金零件的切削性能，粉末冶金行業(yè)已對材料采取了獨(dú)特的處理技術(shù)。表面多孔結(jié)構(gòu)經(jīng)常通過浸滲被封閉，故通常需要運(yùn)用自由切削。近來已經(jīng)開始使用的粉末冶金新技術(shù)可以增加粉末潔凈度并能降低熱處理時氧化物和碳化物的產(chǎn)生。
    封閉表面多孔結(jié)構(gòu)由金屬(通常是銅)或聚合物浸滲完成。曾經(jīng)有人認(rèn)為浸滲的作用象潤滑劑，但大部分的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，浸滲真正的優(yōu)點(diǎn)在于關(guān)閉表面多孔結(jié)構(gòu)，從而阻止切削刃的微觀疲勞，降低刀具的振顫，提高刀具壽命和降低表面粗糙度。使用浸滲處理后，刀具壽命提高2 倍。
    實(shí)踐表明，在粉末冶金材料中添加諸如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，并能阻止積屑瘤的產(chǎn)生和潤滑切削刃來提高材料的可加工性。增加添加物的量能提高可加工性，但會降低材料的強(qiáng)度和韌性。
    控制燒結(jié)和熱處理爐氣的粉末霧化技術(shù)可以增加粉末的潔凈度，使得夾雜物、表面氧化物和碳化物的發(fā)生最小化。
  3 刀具材料
    目前廣泛地應(yīng)用于PM行業(yè)的刀具材料主要是立方氮化硼(CBN)刀具、不涂層和涂層金屬陶瓷以及改進(jìn)的涂層燒結(jié)硬質(zhì)合金。這些刀具材料在切削粉末冶金材料時都具有耐磨、耐刃口破裂和不產(chǎn)生積屑瘤的特性，并能獲得低的表面粗糙度。
CBN刀具
   CBN刀具因其高硬度和耐磨性而適合于PM零件的加工。CBN刀具已經(jīng)在HRC≥45 的鋼件和鑄鐵加工中使用多年。但是，由于PM合金的獨(dú)特性能以及顯微硬度和宏觀硬度的重大差別，使CBN刀具能用于加工軟到HRC25的PM零件。關(guān)鍵的參數(shù)是顆粒的硬度，當(dāng)顆粒的硬度超過HRC50時，不管宏觀硬度值是多少，CBN刀具是可用的。CBN刀具明顯的缺點(diǎn)是它們的韌性不足。如果是斷續(xù)切削或孔隙度較大，需要加強(qiáng)CBN刀具負(fù)倒棱和較重的珩磨在內(nèi)的刃口。如果是輕載切削，使用經(jīng)過珩磨處理的切削刃就能完成加工。
  韌性最好的材質(zhì)主要由整體CBN構(gòu)成，由于韌性好，因此可用作粗加工。而它們的局限性通常和表面粗糙度相關(guān)，這在很大程度上由構(gòu)成刀具的CBN個體顆粒決定。當(dāng)顆粒從切削刃上脫落時會在工件材料表面產(chǎn)生影響，而細(xì)顆粒刀具脫落則情況不那么嚴(yán)重。
   通常使用的CBN材質(zhì)的CBN含量高，顆粒大小中等。CBN精加工刀片顆粒細(xì)而且CBN含量低，它們對輕載切削和對表面粗糙度有要求或被加工合金特別硬的場合最有效。在很多切削加工中，刀具壽命和材質(zhì)種類是獨(dú)立無關(guān)的，即任何一種CBN材質(zhì)都可取得類似的刀具壽命。在這些情況下，材質(zhì)的選擇主要以每個切削刃的成本最低為依據(jù)。一片圓刀片有一整個CBN頂面并能提供4 個或更多的切削刃，因此它與4 片鑲齒CBN刀片相比更便宜。
金屬陶瓷和硬質(zhì)合金
    當(dāng)PM零件的硬度低于HRC35，并且顆粒本身硬度不超出范圍時，金屬陶瓷刀具通常是可選擇的刀具之一。金屬陶瓷很硬，能有效阻止積屑瘤且能承受高速。另外，因?yàn)榻饘偬沾蓺v來用于鋼件和不銹鋼的高速精加工，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(fù)雜的，有多達(dá)11種合金元素。它們通常是由碳氮化鈦(TiCN)顆粒和Ni-Mo粘接劑燒結(jié)而成。TiCN提供了對成功使用金屬陶瓷很重要的硬度、抗積屑瘤和化學(xué)穩(wěn)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�？偠�言之，它們具備有效加工PM合金的所有特性。幾種材質(zhì)的金屬陶瓷是有效的，就象碳化鎢燒結(jié)硬質(zhì)合金那樣，粘接劑含量越高，韌性越好。
 中溫化學(xué)氣相沉積(MTCVD)涂層在PM行業(yè)中已顯示其較大的優(yōu)勢。MTCVD涂層除保留了傳統(tǒng)的化學(xué)氣相沉積(CVD)涂層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(nèi)冷卻，由于熱膨脹不一致，當(dāng)?shù)毒叩竭_(dá)室溫時涂層里包含裂紋，這些裂紋降低了刀具刃口強(qiáng)度。MTCVD工藝較低的沉積溫度能降低裂紋出現(xiàn)的頻率，獲得韌性較好的切削刃。
    當(dāng)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(qū)別已得到驗(yàn)證。在刃口韌性有較高要求的應(yīng)用場合，MTCVD涂層性能優(yōu)于CVD涂層。通過以上的分析，當(dāng)加工含多孔結(jié)構(gòu)的PM零件時，刃口韌性是十分重要的，因此MTCVD涂層比CVD涂層更適合加工PM零件。
    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涂層的特點(diǎn)是能承受顯著的沖擊。當(dāng)切削是磨料磨損場合，使用CBN和金屬陶瓷又太脆，并且需要較低的表面粗糙度時，PVD涂層是非常有效的。例如，使用C-2 硬質(zhì)合金刀具加工FC0205，在V=180m/min，f=0.15mm/r時，加工20個零件后，積屑瘤能引起微崩。在使用PVD氮化鈦(TiN)涂層刀具時，積屑瘤被抑制，刀具壽命大大延長。TiCN與TiN幾乎有相同的抗積屑瘤能力，但它比TiN更硬更耐磨。PM零件的磨料磨損特性預(yù)計使用TiCN比TiN涂層會更有效。
    孔隙度大小是影響FC0208合金的可加工性的重要因素。當(dāng)孔隙結(jié)構(gòu)和特性改變時，各種不同的刀具材料提供相應(yīng)的優(yōu)勢。當(dāng)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(zhì)合金能提供較高的使用壽命。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具有較高的使用壽命。當(dāng)加工密度為6.8g/cm3 的同樣的合金，磨料磨損變得比刃口裂紋更重要。在這種情況下，MTCVD涂層刀具具有較高的使用壽命。PVD涂層硬質(zhì)合金對極硬的兩種類型的零件進(jìn)行測試，都會產(chǎn)生刃口破裂。
    當(dāng)速度升高(V>300m/min)，金屬陶瓷甚至涂層金屬陶瓷也會產(chǎn)生月牙洼磨損。涂層硬質(zhì)合金更適合，尤其是當(dāng)涂層硬質(zhì)合金的切削刃韌性好時。金屬陶瓷最常用于車削和鏜削加工，因?yàn)榭赡芷谕�較低的速度和更多關(guān)注積屑瘤，而PVD涂層硬質(zhì)合金對于螺紋加工很理想。