使用粉末冶金（P/M）工藝制造應(yīng)用于汽車動力系的零件在持續(xù)增長。用P/M工藝制造的元件有許多重要獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。故意留在這些零件里的殘余多孔結(jié)構(gòu)對于自潤滑和隔音有好處。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，這使它們更便宜而且在材料方面浪費(fèi)更少。但不幸的是在這些零件特性的吸引力背后它們難以加工。


雖然P/M工業(yè)的初衷之一是消除所有的加工，但是這個目標(biāo)還沒有達(dá)到。大多數(shù)的零件是“接近最終形狀”，一定需要某種精加工。然而和鑄件和鍛件相比，從P/M零件上去除的少量材料是典型地很耐磨。




多孔結(jié)構(gòu)是使P/M零件有各種廣泛應(yīng)用的特性之一，但刀具壽命遭到多孔結(jié)構(gòu)的損害。多孔結(jié)構(gòu)能儲油且隔音，但也產(chǎn)生微觀上的斷續(xù)切削。當(dāng)從孔到固體顆粒往復(fù)移動時刀尖持續(xù)地受沖擊，這能導(dǎo)致很小的疲勞破裂變形和沿切削刃的細(xì)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(dá)洛氏60度。這些硬顆粒導(dǎo)致嚴(yán)重而快速的刃口磨損。很多P/M零件是可熱處理的，熱處理后它們更硬更強(qiáng)。最后，由于燒結(jié)和熱處理技術(shù)和使用的氣體，表面會含硬且耐磨的氧化物和/或碳化物。




性能




包括可加工性在內(nèi)的P/M零件的大部分性能不僅和合金化學(xué)成分相關(guān)而且和多孔結(jié)構(gòu)的水平相關(guān)。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%。在系列的另一端，鍛造或HIP（熱離子壓鑄）零件含孔率1%或更少。這個較后的材料在汽車和飛機(jī)應(yīng)用里正變得特別重要，因為它們能獲得更高的強(qiáng)度水平。




P/M合金的抗拉強(qiáng)度、韌性和延展性隨著密度的增加都會增加，可能可加工性也提高了。這是因為多孔性對刀尖有危害作用。




含孔率水平的增加提高零件的隔音性能。標(biāo)準(zhǔn)零件普遍的阻尼振蕩在P/M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。含孔率高對自潤滑齒輪也是必要的。




加工難點(diǎn)




雖然P/M工業(yè)不斷發(fā)展中的目標(biāo)之一是消除機(jī)加工，而且P/M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(shù)麻煩是由多孔性引起的。




多孔性導(dǎo)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(fù)的小沖擊導(dǎo)致產(chǎn)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(xì)小，通常表現(xiàn)為正常的磨料磨損。




多孔性還降低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。這會引起熱裂紋或變形，在鉆削里尤其重要。




內(nèi)在的多孔結(jié)構(gòu)引起的表面面積增加還允許在熱處理時發(fā)生氧化和/或碳化。如先前提到的那樣，這些氧化物和碳化物很硬很耐磨。




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。當(dāng)有意去測一個P/M零件的宏觀硬度，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，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(qū)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(dāng)它從刀具前面擦過時會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(dǎo)致可加工性的不一致。例如，F(xiàn)C0208合金碳含量在0.6%到0.9%之間。一批含碳量0.9%的材料相對較硬,導(dǎo)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.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)。由于零件接近最終形狀，通常切深很淺。這需要自由切削刃。在切削刃上的積屑瘤經(jīng)常導(dǎo)致微崩。




加工技術(shù)




為了克服這些問題，應(yīng)用幾個技術(shù)（對該行業(yè)是獨(dú)特的）。表面多孔結(jié)構(gòu)經(jīng)常通過浸滲被封閉。通常需要附加自由切削。近來，已經(jīng)使用設(shè)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(jìn)的粉末生產(chǎn)技術(shù)。




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)猜想浸滲的作用象潤滑劑，大部分的實驗數(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。振顫的降低提高刀具壽命和表面光潔度。最戲劇性的使用浸滲顯示當(dāng)多孔結(jié)構(gòu)封閉時刀具壽命提高200%。




諸如MnS、S、MoS2、MgSiO3和BN等添加物已知能提高刀具壽命。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。增加添加物的量提高可加工性但降低強(qiáng)度和韌性。




控制燒結(jié)和熱處理爐氣的粉末霧化技術(shù)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。




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。而這些特性對任何加工操作都是有用的，它們在加工P/M零件時尤其重要。包含在這個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。




CBN刀具因其高硬度和耐磨性而有吸引力。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，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，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。當(dāng)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。這種刀具明顯的限制是它們的韌性不足。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。簡單的輕切削用珩磨的切削刃就能完成。




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。它們的限制通常和表面光潔度相關(guān)。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)顆粒刀具脫落一個顆粒則情況不那么嚴(yán)重。




通常使用的CBN材質(zhì)的CBN含量高，顆粒大小中等。CBN精加工刀片是細(xì)顆粒的而且CBN含量低。它們對輕切削和表面光潔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(yīng)用里刀具壽命和材質(zhì)種類是獨(dú)立無關(guān)的。換句話說，任何一種CBN材質(zhì)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頂面并能提供四個或更多的切削刃，要比四片鑲齒CBN刀片更便宜。




當(dāng)P/M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、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。通常它們是碳氮化鈦（TiCN）顆粒和Ni-Mo粘接劑燒結(jié)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(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。總而言之，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，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。




已知的相對較新的進(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。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。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。和平板玻璃上的劃痕類似，這些裂紋降低刀具刃口強(qiáng)度。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，它們的韌性的區(qū)別能得到論證。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。通過分析，當(dāng)加工含多孔結(jié)構(gòu)的P/M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(yīng)用場合是能承受顯著沖擊。當(dāng)切削是磨料磨損場合、CBN和金屬陶瓷又太脆和需要極好的表面光潔度，PVD涂層會是有效的。




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。在加工20個零件后積屑瘤能引起微崩。當(dāng)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(dāng)使用TiN涂層做這個測試時，P/M零件的磨料磨損特性預(yù)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(jié)構(gòu)是重要的而且它影響FC0208合金的可加工性。當(dāng)多孔結(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(dāng)生產(chǎn)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涂層提供最好的刀具壽命。PVD涂層硬質(zhì)合金對極硬的兩種類型的零件都進(jìn)行測試，碰到刃口破裂。




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。MTCVD涂層到有富鈷區(qū)的基體的硬質(zhì)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(guān)注積屑瘤，PVD涂層硬質(zhì)合金對于螺紋加工很理想。