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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)壓制成型蝉速,然后經(jīng)過燒結和精整成為粉末冶金機械零件的工藝涨颜。它是一種節(jié)材沐兵、節(jié)能曙旭、投資少盗舰、見效快、無污染桂躏、適合大批生產(chǎn)的少钻趋、無切削、高效金屬成型工藝剂习,已經(jīng)在汽車蛮位、摩托車、農(nóng)機生產(chǎn)等行業(yè)中得到了廣泛的應用鳞绕,尤其在汽車工業(yè)中受到了特別的重視失仁。近年來,使用粉末冶金(PM)工藝制造的應用于汽車動力系統(tǒng)的零件在持續(xù)增長们何,這是由于PM工藝制造的零件有許多重要獨特的優(yōu)點萄焦,它能降低成本、改進使用性能帅珍、減輕零件的重量及保護環(huán)境忠牛。粉末冶金技術可以生產(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構使其具有自潤滑性和隔音性司报。雖然PM工業(yè)的初衷之一是消除所有的機加工克鼠,但是這個目標還沒有達到,大多數(shù)零件是“ 接近最終形狀”偎洋,仍然需要精加工獲得要求的精度及表面粗糙度滚尼。然而由于粉末冶金材料的結構不同于鑄件和鍛件,因此它們的加工性能也有其特殊性睁奶。

2 PM零件的性能及加工難點

  1. 機械性能
    多孔結構是PM零件得到廣泛應用的特性之一鉴吕。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成分相關,而且和多孔結構的孔隙度相關爵蝠。許多結構零件的孔隙度多達15%~20%捌唾,用作過濾裝置的零件的孔隙度可能高達50%。而鍛造或HIP(熱離子壓鑄)零件孔隙度為1%或更少揩墓。HIP材料適宜在汽車和飛機里應用吆视,因為它們能獲得更高的強度水平。
    PM材料的抗拉強度酥宴、韌性和延伸率隨著密度的增加都會增加啦吧,但因降低了PM材料的多孔性對刀尖的危害作用您觉,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授滓,在標準零件里普遍存在的阻尼振蕩在PM零件里減少琳水,這對機床、空調吹風管和氣動工具很重要般堆。另外在孝,孔隙度高對自潤滑齒輪也是必要的。
  2. 加工難點
    雖然PM零件只需少量的加工淮摔,但是加工PM零件是極其困難的浑玛,這主要是由于PM材料的多孔性結構引起的,多孔結構降低了刀具的使用壽命噩咪。
    1. 多孔性導致刃口的微觀疲勞。當?shù)毒邚目椎焦腆w顆粒往復移動時极阅,刀尖持續(xù)受沖擊胃碾。持續(xù)的小沖擊會導致切削刃上產(chǎn)生小的裂縫,這些疲勞裂紋逐漸增大直至切削刃微崩蛹鼎。這種微崩一般很細小样京,通常表現(xiàn)為正常的磨料磨損。
    2. 多孔性還會降低PM零件的導熱性列充。刀具在切削時切削刃上的溫度很高品痕,并會引起月牙洼磨損和變形。內(nèi)部相連的多孔結構提供切削液從切削區(qū)域排出的通路频咨,會引起熱裂紋或變形府贰,這在鉆削里尤其嚴重。
    3. 內(nèi)在的多孔結構引起的表面面積增加還會使熱處理時發(fā)生氧化和(或)碳化埃账,而這些氧化物和碳化物很硬很耐磨窑岖。
    4. 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唱棍。即使測得的宏觀硬度為HRC20~35 匹惊,但組成零件的顆粒硬度會高達HRC60 ,這些硬顆粒會導致嚴重而急劇的刃口磨損估喷。
    5. 很多PM零件熱處理后更硬凛忿,強度更高。燒結和熱處理技術以及所使用的氣體竞川,會使PM零件表面含有硬且耐磨的氧化物和(或)碳化物店溢。
    零件里夾雜物的存在也是不利的。加工中流译,這些顆粒會從表面拉起逞怨,當它們從刀具前面擦過時在零件表面上形成擦傷或劃痕者疤。這些夾雜物通常很大,在零件表面留下可見的孔叠赦。另外驹马,碳含量不均導致了可加工性的不一致。例如除秀,F(xiàn)C0208合金含碳量為0.6%~0.9%糯累,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%的材料册踩,刀具能得到較高的使用壽命泳姐。
  3. PM材料的獨特處理技術
    為了提高粉末冶金零件的切削性能,粉末冶金行業(yè)已對材料采取了獨特的處理技術囤檐。表面多孔結構經(jīng)常通過浸滲被封閉门烧,故通常需要運用自由切削。近來已經(jīng)開始使用的粉末冶金新技術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)生膊护。
    1. 封閉表面多孔結構由金屬(通常是銅)或聚合物浸滲完成鹅棺。曾經(jīng)有人認為浸滲的作用象潤滑劑,但大部分的實驗數(shù)據(jù)表明淋渤,浸滲真正的優(yōu)點在于關閉表面多孔結構脂性,從而阻止切削刃的微觀疲勞,降低刀具的振顫荷十,提高刀具壽命和降低表面粗糙度汹振。使用浸滲處理后,刀具壽命提高2 倍从秃。
    2. 實踐表明沼津,在粉末冶金材料中添加諸如MnS 、S泽衬、MoS2沾尔、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弟头、斷屑吩抓,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赴恨,但會降低材料的強度和韌性疹娶。
    3. 控制燒結和熱處理爐氣的粉末霧化技術可以增加粉末的潔凈度,使得夾雜物伦连、表面氧化物和碳化物的發(fā)生最小化雨饺。

3 刀具材料

目前廣泛地應用于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的涂層燒結硬質合金惑淳。這些刀具材料在切削粉末冶金材料時都具有耐磨额港、耐刃口破裂和不產(chǎn)生積屑瘤的特性饺窿,并能獲得低的表面粗糙度。
  1. CBN刀具
    CBN 刀具因其高硬度和耐磨性而適合于PM零件的加工移斩。CBN刀具已經(jīng)在HRC≥45 的鋼件和鑄鐵加工中使用多年肚医。但是,由于PM合金的獨特性能以及顯微硬度和宏觀硬度的重大差別向瓷,使CBN刀具能用于加工軟到HRC25的PM零件肠套。關鍵的參數(shù)是顆粒的硬度,當顆粒的硬度超過HRC50時夜川,不管宏觀硬度值是多少日俱,CBN刀具是可用的。CBN刀具明顯的缺點是它們的韌性不足麻百。如果是斷續(xù)切削或孔隙度較大款拣,需要加強CBN刀具負倒棱和較重的珩磨在內(nèi)的刃口。如果是輕載切削拴猖,使用經(jīng)過珩磨處理的切削刃就能完成加工爷瓜。
    韌性最好的材質主要由整體CBN構成,由于韌性好遭屑,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运荸,這在很大程度上由構成刀具的CBN個體顆粒決定贴袖。當顆粒從切削刃上脫落時會在工件材料表面產(chǎn)生影響,而細顆粒刀具脫落則情況不那么嚴重吩擒。
    通常使用的CBN材質的CBN含量高质窒,顆粒大小中等。CBN精加工刀片顆粒細而且CBN含量低贷腕,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背镇。在很多切削加工中,刀具壽命和材質種類是獨立無關的泽裳,即任何一種CBN材質都可取得類似的刀具壽命瞒斩。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(jù)涮总。一片圓刀片有一整個CBN頂面并能提供4 個或更多的切削刃胸囱,因此它與4 片鑲齒CBN刀片相比更便宜。
  2. 金屬陶瓷和硬質合金
    當PM 零件的硬度低于HRC35瀑梗,并且顆粒本身硬度不超出范圍時烹笔,金屬陶瓷刀具通常是可選擇的刀具之一。金屬陶瓷很硬抛丽,能有效阻止積屑瘤且能承受高速谤职。另外饰豺,因為金屬陶瓷歷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允蜈。今天的金屬陶瓷在冶金上是錯綜復雜的冤吨,有多達11種合金元素。它們通常是由碳氮化鈦(TiCN)顆粒和Ni-Mo粘接劑燒結而成秃囚。TiCN提供了對成功使用金屬陶瓷很重要的硬度融确、抗積屑瘤和化學穩(wěn)定性。另外测佣,這些刀具通常有很高的粘接劑含量醒横,這意味著它們有良好的韌性『黾總而言之禁舌,它們具備有效加工PM合金的所有特性。幾種材質的金屬陶瓷是有效的涌俘,就象碳化鎢燒結硬質合金那樣权煎,粘接劑含量越高,韌性越好昔永。
    中溫化學氣相沉積(MTCVD)涂層在PM行業(yè)中已顯示其較大的優(yōu)勢狱揩。MTCVD涂層除保留了傳統(tǒng)的化學氣相沉積(CVD)涂層所有的耐磨性和抗月牙洼磨損性能外,還能提高韌性缺钓。這種韌性的增加主要來自裂紋的減少彻犁。涂層在高溫下沉積,然后在爐內(nèi)冷卻凰慈,由于熱膨脹不一致汞幢,當?shù)毒叩竭_室溫時涂層里包含裂紋,這些裂紋降低了刀具刃口強度微谓。MTCVD工藝較低的沉積溫度能降低裂紋出現(xiàn)的頻率森篷,獲得韌性較好的切削刃。
    當CVD涂層和MTCVD涂層的基體有相同的特性和刃口修磨時豺型,它們的韌性的區(qū)別已得到驗證仲智。在刃口韌性有較高要求的應用場合,MTCVD涂層性能優(yōu)于CVD涂層姻氨。通過以上的分析坎藐,當加工含多孔結構的PM零件時,刃口韌性是十分重要的哼绑,因此MTCVD涂層比CVD涂層更適合加工PM零件岩馍。
    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抖韩。但是浇沧,PVD涂層的特點是能承受顯著的沖擊盆篡。當切削是磨料磨損場合,使用CBN和金屬陶瓷又太脆坏扣,并且需要較低的表面粗糙度時春异,PVD涂層是非常有效的。例如则徒,使用C-2 硬質合金刀具加工FC0205氛坪,在V=180m/min,f=0.15mm/r時冠幕,加工20個零件后骡侮,積屑瘤能引起微崩。在使用PVD氮化鈦(TiN)涂層刀具時雇蚁,積屑瘤被抑制束沼,刀具壽命大大延長。TiCN與TiN幾乎有相同的抗積屑瘤能力讥高,但它比TiN更硬更耐磨揣誓。PM零件的磨料磨損特性預計使用 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巾陕。當孔隙結構和特性改變時讨跟,各種不同的刀具材料提供相應的優(yōu)勢。當密度低的時候(6.4g/cm3)鄙煤,宏觀硬度是低的晾匠。在這種情況下,MTCVD涂層硬質合金能提供較高的使用壽命馆类。切削刃的微觀疲勞很重要,刃口韌性很受重視弹谁。在這個情況下乾巧,韌性好的金屬陶瓷刀片具有較高的使用壽命。當加工密度為6.8g/cm3 的同樣的合金预愤,磨料磨損變得比刃口裂紋更重要沟于。在這種情況下,MTCVD涂層刀具具有較高的使用壽命植康。PVD涂層硬質合金對極硬的兩種類型的零件進行測試旷太,都會產(chǎn)生刃口破裂。
    當速度升高(V>300m/min)销睁,金屬陶瓷甚至涂層金屬陶瓷也會產(chǎn)生月牙洼磨損祟勿。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累筋。金屬陶瓷最常用于車削和鏜削加工耀旅,因為可能期望較低的速度和更多關注積屑瘤盯糠,而PVD涂層硬質合金對于螺紋加工很理想。


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