刀具材料

    最廣泛地使用于P/M行業(yè)的刀具是那些在生產(chǎn)良好表面光潔度條件下耐磨、耐刃口破裂和不產(chǎn)生積屑瘤的材料。而這些特性對(duì)任何加工操作都是有用的，它們?cè)诩庸/M零件時(shí)尤其重要弓洒。包含在這個(gè)種類里的刀具材料有立方氮化硼（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)合金律罢。

    CBN刀具因其高硬度和耐磨性而有吸引力膀值。這種刀具已經(jīng)在洛氏硬度45及以上的鋼件和鑄鐵加工中使用多年。但是误辑，由于P/M合金的獨(dú)特性能和顯微硬度和宏觀硬度的重大差別沧踏，使CBN刀具能用于軟到洛氏硬度25的P/M零件。關(guān)鍵的參數(shù)是顆粒的硬度巾钉。當(dāng)顆粒的硬度超過洛氏50度時(shí)翘狱，不管宏觀硬度值是多少，CBN刀具是可用的睛琳。這種刀具明顯的限制是它們的韌性不足盒蟆。如果是斷續(xù)切削或含孔率高的話包括負(fù)倒棱和較重的珩磨在內(nèi)的刃口加固是需要的踏烙。簡(jiǎn)單的輕切削用珩磨的切削刃就能完成师骗。

    有幾種材質(zhì)的CBN是有效的。韌性最好的材質(zhì)主要由整體CBN構(gòu)成。它們韌性極好因此可用作粗加工辟癌。它們的限制通常和表面光潔度相關(guān)寒屯。很大程度上由構(gòu)成刀具的CBN個(gè)體顆粒決定。當(dāng)顆粒從切削刃上脫落時(shí)會(huì)在工件材料表面產(chǎn)生影響滩哥。而細(xì)顆粒刀具脫落一個(gè)顆粒則情況不那么嚴(yán)重下桃。

    通常使用的CBN材質(zhì)的CBN含量高，顆粒大小中等溃恼。CBN精加工刀片是細(xì)顆粒的而且CBN含量低磅愤。它們對(duì)輕切削和表面光潔度有要求或被加工合金特別硬的場(chǎng)合最有效。在很多切削應(yīng)用里刀具壽命和材質(zhì)種類是獨(dú)立無關(guān)的追粉。換句話說举库，任何一種CBN材質(zhì)可取得類似的刀具壽命。在這些情況下短硼，材質(zhì)的選擇主要以每個(gè)切削刃的成本最低為依據(jù)翩性。一片圓刀片有一整個(gè)CBN頂面并能提供四個(gè)或更多的切削刃，要比四片鑲齒CBN刀片更便宜自幕。

    當(dāng)P/M零件的硬度低于洛氏35度稽徙，并且顆粒本身硬度不超出范圍，金屬陶瓷通常是選擇之一振袋。金屬陶瓷很硬很鸥，能有效阻止積屑瘤且能承受高速。另外珍语，因?yàn)榻饘偬沾蓺v來用于鋼件和不銹鋼的高速找都、精加工，它們通常有適合接近成型零件的理想幾何槽形廊酣。

    今天的金屬陶瓷在冶金上是錯(cuò)綜復(fù)雜的能耻，有多達(dá)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(jié)而成亡驰。TiCN提供對(duì)成功使用金屬陶瓷很重要的硬度晓猛、抗積屑瘤和化學(xué)穩(wěn)定性。另外凡辱，這些刀具通常有很高的粘接劑含量戒职，這意味著它們有良好的韌性⊥盖總而言之洪燥，它們具備有效加工P/M合金的所有特性。幾種材質(zhì)的金屬陶瓷是有效的乳乌，就象碳化鎢燒結(jié)硬質(zhì)合金那樣捧韵，粘接劑含量越高景姓，韌性越好。

    已知的相對(duì)較新的進(jìn)展是中溫化學(xué)氣相沉積（MTCVD）也提供P/M行業(yè)的優(yōu)勢(shì)社衰。MTCVD保留傳統(tǒng)的化學(xué)氣相沉積（CVD）所有的耐磨性和抗月牙洼磨損性能外還很客觀地提高韌性瘫盹。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)冷卻桃旷。由于熱膨脹不一致也较，當(dāng)?shù)毒叩竭_(dá)室溫時(shí)涂層里包含裂紋。和平板玻璃上的劃痕類似薯舆，這些裂紋降低刀具刃口強(qiáng)度晚乙。MTCVD工藝較低的沉積溫度導(dǎo)致更低的裂紋頻率和韌性較好的切削刃。

    當(dāng)CVD涂層和MTCVD涂層的基體有相同的特性和刃口修磨時(shí)累冠，它們的韌性的區(qū)別能得到論證筐成。當(dāng)使用在刃口韌性有要求的應(yīng)用，MTCVD涂層性能表現(xiàn)超過CVD涂層示谐。通過分析谣皇，當(dāng)加工含多孔結(jié)構(gòu)的P/M零件時(shí)，刃口韌性是重要的拔调。MTCVD涂層勝過CVD涂層朴沿。

    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。但是败砂，PVD涂層應(yīng)用場(chǎng)合是能承受顯著沖擊赌渣。當(dāng)切削是磨料磨損場(chǎng)合、CBN和金屬陶瓷又太脆和需要極好的表面光潔度昌犹，PVD涂層會(huì)是有效的坚芜。

    例如，C-2硬質(zhì)合金的切削刃在線速度每分鐘180米和進(jìn)給每轉(zhuǎn)0.15毫米情況下加工FC0205斜姥。在加工20個(gè)零件后積屑瘤能引起微崩鸿竖。當(dāng)使用PVD氮化鈦（TiN）涂層時(shí)，積屑瘤被抑制而且刀具壽命延長(zhǎng)铸敏。當(dāng)使用TiN涂層做這個(gè)測(cè)試時(shí)缚忧，P/M零件的磨料磨損特性預(yù)計(jì)TiCN涂層會(huì)更有效。TiCN有和TiN幾乎相同的抗積屑瘤能力但比TiN更硬更耐磨杈笔。

    多孔結(jié)構(gòu)是重要的而且它影響FC0208合金的可加工性闪水。當(dāng)多孔結(jié)構(gòu)和特性改變時(shí)，各種不同的刀具材料提供相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)蒙具。當(dāng)密度低的時(shí)候（6.4g/cm3）嬉哥，宏觀硬度是低的。在這種情況下勒蜀，MTCVD涂層硬質(zhì)合金提供最佳刀具壽命津咒。切削刃的微觀疲勞很重要另碍，刃口韌性很受重視。在這個(gè)情況下韌性好的金屬陶瓷刀片提供最大的刀具壽命伞买。

    當(dāng)生產(chǎn)密度為6.8g/cm3的同樣的合金垮软，磨料磨損變得比刃口裂紋更重要驴涡。在這種情況下肯坊，MTCVD涂層提供最好的刀具壽命。PVD涂層硬質(zhì)合金對(duì)極硬的兩種類型的零件都進(jìn)行測(cè)試觅符，碰到刃口破裂無油軸承诉拔。

    當(dāng)速度升高（線速度每分鐘300米以上），金屬陶瓷甚至涂層金屬陶瓷也會(huì)產(chǎn)生月牙洼磨損深吠。涂層硬質(zhì)合金更適合增厢，尤其是當(dāng)涂層硬質(zhì)合金的切削刃韌性好時(shí)。MTCVD涂層到有富鈷區(qū)的基體的硬質(zhì)合金尤其有效桑孩。

    金屬陶瓷最常見用于車削和鏜削加工拜鹤。因?yàn)榭赡芷谕^低的速度和更多關(guān)注積屑瘤，PVD涂層硬質(zhì)合金對(duì)于螺紋加工很理想流椒。

    使用粉末冶金（P/M）工藝制造應(yīng)用于汽車動(dòng)力系統(tǒng)的零件在持續(xù)增長(zhǎng)敏簿。用P/M工藝制造的零件有許多重要、獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)宣虾，故意留在這些零件里的殘余多孔結(jié)構(gòu)對(duì)于自潤(rùn)滑和隔音有好處惯裕。使用P/M技術(shù)可以生產(chǎn)用傳統(tǒng)鑄造工藝很難或不可能制造的復(fù)雜合金，用這樣的技術(shù)制造的零件的加工量通常很少甚至沒有绣硝，這使它們更便宜而且在材料方面浪費(fèi)更少蜻势。但不幸的是，在這些特性的吸引力背后鹉胖，P/M零件難以加工握玛。

    雖然P/M工業(yè)的初衷之一是消除所有的加工，但這個(gè)目標(biāo)目前還沒有達(dá)到甫菠。大多數(shù)的零件只能是“接近最終形狀”败许，仍然需要某種精加工。然而和鑄件和鍛件相比淑蔚，需要從P/M零件上去除的少量材料是典型的耐磨材料檐射。

    多孔結(jié)構(gòu)是使P/M零件具有各種廣泛用途的特性之一，但刀具的壽命也會(huì)遭到多孔結(jié)構(gòu)的損害崔捌。多孔結(jié)構(gòu)能儲(chǔ)油且能隔音洪防，但也導(dǎo)致微觀上的斷續(xù)切削。當(dāng)從孔到固體顆粒往復(fù)移動(dòng)時(shí)榄陆，刀尖持續(xù)地受到?jīng)_擊沛摩，這能導(dǎo)致很小的疲勞破裂變形和沿切削刃的細(xì)小崩刃在搀。更糟糕的是，這些顆粒通常極硬帽遏。即使測(cè)到的材料宏觀硬度在洛氏20～35度之間搓纠，但組成零件的顆粒個(gè)體會(huì)高達(dá)洛氏60度。這些硬顆粒導(dǎo)致嚴(yán)重而快速的刃口磨損祷鼎。很多P/M零件是可熱處理的世雄，熱處理后材料硬度和強(qiáng)度更高。最后映僚，由于燒結(jié)和熱處理技術(shù)和所使用的氣體寞竭，材料表面會(huì)含硬且耐磨的氧化物和（或）碳化物。

P/M零件的性能

    包括可加工性在內(nèi)的P/M零件的大部分性能不僅與合金化學(xué)成分相關(guān)酣难，而且和多孔結(jié)構(gòu)的含孔率水平相關(guān)谍夭。許多結(jié)構(gòu)零件含孔率多達(dá)15％～20%。用作過濾裝置的零件的含孔率可能高達(dá)50%憨募。在系列的另一端紧索，鍛造或HIP（熱離子壓鑄）零件含孔率僅為1%或更少。這種材料在汽車和飛機(jī)應(yīng)用里正變得特別重要菜谣，因?yàn)樗鼈兡塬@得更高的強(qiáng)度水平珠漂。P/M合金的抗拉強(qiáng)度、韌性和延展性會(huì)隨著密度的增加而增加葛菇，可加工性也可能提高甘磨，這是因?yàn)槎嗫仔詫?duì)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眯停。在標(biāo)準(zhǔn)零件里普遍存在的阻尼振蕩在P/M零件里顯著減少济舆，這對(duì)于機(jī)床、空調(diào)吹風(fēng)管和氣動(dòng)工具很重要莺债。高含孔率對(duì)自潤(rùn)滑齒輪也是必要的滋觉。

切削加工難點(diǎn)

    雖然P/M工業(yè)不斷發(fā)展的目標(biāo)之一是消除機(jī)加工，而且P/M工藝的一個(gè)主要吸引力是只需少量加工讼石，但是很多零件仍然需要后處理以獲得更高精度或更好的表面光潔度苇赊。不幸的是，加工這些零件是極其困難的回乞。碰到的多數(shù)麻煩是由多孔性引起的忠辛。多孔性導(dǎo)致刃口的微觀疲勞。切削刃在不斷地切入切出夹恨，它從顆粒和孔之間通過哎闻，重復(fù)的小沖擊導(dǎo)致切削刃上產(chǎn)生小裂紋，這些疲勞裂紋增長(zhǎng)直至切削刃微崩闰芒。這種微崩刃通常很細(xì)小枚林，一般表現(xiàn)為正常的磨料磨損米鹏。

    多孔性還會(huì)降低P/M零件的熱導(dǎo)性，其結(jié)果是切削刃上的溫度很高并會(huì)引起月牙洼磨損和變形郭菜。內(nèi)部相連的多孔結(jié)構(gòu)提供切削液從切削區(qū)域排出的通路栗哥。這會(huì)引起熱裂紋或變形，在鉆削里尤其重要勘伺。內(nèi)在的多孔結(jié)構(gòu)引起的表面面積增加還導(dǎo)致在熱處理時(shí)易發(fā)生氧化和（或）碳化跪腹。如先前提到的那樣，這些氧化物和碳化物很硬娇昙，而且很耐磨尺迂。

    多孔結(jié)構(gòu)也給出零件硬度讀數(shù)的失效這一點(diǎn)極其重要笤妙。當(dāng)有意去測(cè)一個(gè)P/M零件的宏觀硬度冒掌，它包含孔的硬度的因素。多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的倒塌蹲盘，得出相對(duì)較軟零件的錯(cuò)誤印象股毫。顆粒個(gè)體要硬很多。象上面描述的召衔，區(qū)別是戲劇性的铃诬。

    粉末冶金零件里夾雜物的存在也是不利的。加工中苍凛，這些顆粒會(huì)從表面拉起趣席，當(dāng)它從刀具前面擦過時(shí)會(huì)在零件表面上形成擦傷或劃痕。這些夾雜物通常很大醇蝴，在零件表面留下可見的孔宣肚。

    碳含量的參差導(dǎo)致可加工性的不一致。例如推吼，F(xiàn)C0208合金碳含量在0.6%到0.9%之間好阎。一批含碳量0.9%的材料相對(duì)較硬，導(dǎo)致刀具壽命差贮殊。而另一批含碳量0.6%的材料得到極好的刀具壽命环胸。兩種合金都在允許范圍之內(nèi)。

    最終的加工問題和發(fā)生在P/M零件上的切削類型相關(guān)夫咏。由于零件接近最終形狀进裹，通常切深很淺。這需要自由切削刃勿见。在切削刃上的積屑瘤經(jīng)常導(dǎo)致微崩锥萧。

加工技術(shù)

    為了克服這些問題，應(yīng)用幾個(gè)技術(shù)（對(duì)該行業(yè)是獨(dú)特的）爬搓。表面多孔結(jié)構(gòu)經(jīng)常通過浸滲被封閉添镜。通常需要附加自由切削唐唉。近來，已經(jīng)使用設(shè)計(jì)用來增加粉末潔凈度并降低熱處理時(shí)氧化物和碳化物的改進(jìn)的粉末生產(chǎn)技術(shù)窿锉。

    封閉表面多孔結(jié)構(gòu)由金屬（通常是銅）或聚合物浸滲完成酌摇。曾經(jīng)猜想浸滲的作用象潤(rùn)滑劑，大部分的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明真正的優(yōu)點(diǎn)在于關(guān)閉表面多孔結(jié)構(gòu)和由此而來的阻止切削刃的微觀疲勞嗡载。振顫的降低提高刀具壽命和表面光潔度窑多。最戲劇性的使用浸滲顯示當(dāng)多孔結(jié)構(gòu)封閉時(shí)刀具壽命提高200%。

    諸如MnS洼滚、S埂息、MoS2、MgSiO3和BN等添加物已知能提高刀具壽命遥巴。這些添加物通過使切屑更容易從工件上分離千康、斷屑、阻止積屑瘤和潤(rùn)滑切削刃來提高可加工性铲掐。增加添加物的量提高可加工性但降低強(qiáng)度和韌性拾弃。

    控制燒結(jié)和熱處理爐氣的粉末霧化技術(shù)使?jié)崈舻姆勰┖土慵纳a(chǎn)成為可能，這使得夾雜物和表面氧化物碳化物的發(fā)生最小化摆霉。

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