使用粉末冶金（P/M）工藝制造應(yīng)用于汽車動(dòng)力系的零件在持續(xù)增長(zhǎng)。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(duì)于自潤(rùn)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(gè)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(chǔ)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(dòng)時(shí)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(cè)到的宏觀硬度在洛氏20~35度之間，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。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(huì)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(guò)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(gè)較后的材料在汽車和飛機(jī)應(yīng)用里正變得特別重要，因?yàn)樗鼈兡塬@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(huì)增加，可能可加工性也提高了。這是因?yàn)槎嗫仔詫?duì)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(duì)機(jī)床、空調(diào)吹風(fēng)管和氣動(dòng)工具很重要。含孔率高對(duì)自潤(rùn)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(gè)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(guò)。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(zhǎng)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(huì)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(huì)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(shí)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(cè)一個(gè)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(duì)較軟零件的錯(cuò)誤印象。顆粒個(gè)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(huì)從表面拉起，當(dāng)它從刀具前面擦過(guò)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，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(duì)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(wèn)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(wèn)題，應(yīng)用幾個(gè)技術(shù)（對(duì)該行業(yè)是獨(dú)特的）。表面多孔結(jié)構(gòu)經(jīng)常通過(guò)浸滲被封閉。通常需要附加自由切削。近來(lái)，已經(jīng)使用設(shè)計(jì)用來(lái)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)。




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(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(lái)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(shí)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(guò)使切屑更容易從工件上分離、斷屑、阻止積屑瘤和潤(rùn)滑切削刃來(lái)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(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。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。




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(guò)洛氏50度時(shí)，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(jiǎn)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(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。而細(xì)顆粒刀具脫落一個(gè)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(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(wú)關(guān)的。換句話說(shuō)，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(gè)切削刃的成本最低為依據(jù)。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。




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?yàn)榻饘偬沾蓺v來(lái)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(cuò)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(duì)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(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)。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(lái)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(shí)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(shí)，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(guò)CVD涂層。通過(guò)分析，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。MTCVD涂層勝過(guò)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(chǎng)合是能承受顯著沖擊。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，PVD涂層會(huì)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(gè)零件后積屑瘤能引起微崩。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)。當(dāng)使用TiN涂層做這個(gè)測(cè)試時(shí)，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。




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(shí)，各種不同的刀具材料提供相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)密度低的時(shí)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(gè)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(duì)極硬的兩種類型的零件都進(jìn)行測(cè)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(huì)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(shí)。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?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。