粉末冶金 (P/M) 零件的切削加工
使用粉末冶金 (P/M) 工艺制造汽车动力系统零件的情况持续增长。 P/M 工艺制造的零件具有许多重要而独特的优点。 故意留在这些部位的残留多孔结构有利于自润滑和隔音。 传统铸造工艺难以或不可能制造的复杂合金，可以采用 P/M 技术生产。 通过这种技术制造的零件通常只有很少或没有加工能力，这使得它们更便宜，材料浪费更少。 不幸的是，在这些功能的吸引力背后，P/M 零件很难加工。
虽然 P/M 行业的初衷之一是消除所有加工，但这一目标尚未实现。 大多数零件只能“接近最终形状”，仍然需要一些精加工。
但是，与铸锻件相比，P/M零件需要去除的少量材料是典型的耐磨材料。
多孔结构是使p/M零件具有广泛用途的特征之一，但多孔结构也会损害刀具寿命。 多孔结构可以储存油和声音，但也会导致微断续切削。 当从孔到固体颗粒来回移动时，刀尖不断受到冲击，这会导致非常小的疲劳断裂变形和沿切削刃的精细边缘塌陷。 更糟糕的是，这些颗粒通常非常坚硬。 即使测得的材料宏观硬度在20-35度之间，成分的粒度也高达60度。 这些硬颗粒会导致严重且快速的边缘磨损。 许多p/M零件是可热处理的，热处理后材料的硬度和强度更高。 最后，由于烧结和热处理技术以及所使用的气体，材料表面会含有坚硬耐磨的氧化物和/或碳化物。
粉末冶金零件的性能
P/M 零件的大部分性能，包括可加工性，不仅与合金的化学成分有关，还与多孔结构的孔隙率水平有关。 许多结构件的孔隙率高达15%～20%。 用作过滤装置的部件的孔隙率可能高达 50%。 在该系列的另一端，锻件或臀部零件的孔隙率仅为 1% 或更低。 这些材料在汽车和飞机应用中变得尤为重要，因为它们可以实现更高的强度。
P/M合金的抗拉强度、韧性和延展性会随着密度的增加而增加，切削加工性也可能会提高，因为气孔对刀尖有害。
孔隙率水平的提高可以提高零件的隔声性能。 标准件的阻尼振荡在 P/M 件中显着降低，这对于机床、空调吹管和气动工具非常重要。 自润滑齿轮也需要高孔隙率。
加工难点
虽然 P/M 行业不断发展的目标之一是消除机械加工，而 P/M 工艺的主要吸引力之一是只需要少量的加工，许多零件仍然需要后处理以获得更高的精度或更好的表面光洁度。 不幸的是，加工这些零件极其困难。 遇到的大部分问题都是由孔隙引起的。 气孔会导致切削刃的微疲劳。 刀刃不断地切入切出。 它在粒子和孔洞之间通过。 反复的小冲击会导致切削刃上出现小裂纹。
这些疲劳裂纹不断扩大，直到切削刃坍塌。 这种微崩刃通常很小，通常表现为正常的磨粒磨损。
气孔还会降低 P/M 零件的热导率，从而导致切削刃温度升高并导致月牙洼磨损和变形。 内部连通的多孔结构为切削液从切削区排出提供了通路。 这会导致热裂纹或变形，尤其是在钻孔中。
内部多孔结构引起的表面积增加也会导致热处理过程中的氧化和/或碳化。 如前所述，这些氧化物和碳化物坚硬且耐磨。
多孔结构也会导致零件硬度读数失败，这一点极为重要。 有意测量 P/M 零件的宏观硬度时，它包括孔硬度的因素。 多孔结构导致结构坍塌，并给人以相对柔软的部件的错误印象。 颗粒要硬得多。 如上所述，差异是巨大的。
PM零件中夹杂物的存在也是不利的。 在加工过程中，这些颗粒会从表面被拉起，在刀具前摩擦时，零件表面会形成划痕或划痕。 这些夹杂物通常很大，会在零件表面留下可见的孔洞。
碳含量的差异导致可加工性的不一致。 例如，fc0208 合金的碳含量在 0.6% 到 0.9% 之间。 一批含碳量为0.9%的材料比较硬，导致刀具寿命较差。 另一批含碳量为 0.6% 的材料具有出色的刀具寿命。 两种合金都在允许范围内。
最终加工问题与 P/M 零件上发生的切削类型有关。 由于零件接近最终形状，因此切割深度通常非常浅。 这需要一个自由的切削刃。 切削刃上的切屑堆积通常会导致微碎屑。
加工技术
为了克服这些问题，应用了多种技术（行业独有）。 表面多孔结构常通过渗透密封。 通常需要额外的自由切割。 最近，已使用改进的粉末生产技术，旨在提高粉末清洁度并减少热处理过程中的氧化物和碳化物。
封闭表面多孔结构是通过金属（通常是铜）或聚合物渗透来实现的。 据推测，渗透起到润滑剂的作用。 大多数实验数据表明，真正的优势在于封闭了表面多孔结构，从而防止了切削刃的微疲劳。 颤振的减少提高了刀具寿命和表面光洁度。 当多孔结构关闭时，渗透的最显着使用表明工具寿命增加了 200%。
众所周知，MNS、s、MoS2、MgSiO3 和 BN 等添加剂可延长刀具寿命。 这些添加剂通过使切屑更容易与工件分离、破坏切屑、防止切屑堆积和润滑切削刃来提高可加工性。 增加添加剂的用量可以提高切削加工性，但会降低强度和韧性。
控制烧结和热处理炉气的粉末雾化技术可以生产干净的粉末和零件，最大限度地减少夹杂物和表面氧化碳化物的出现。
工具材质
粉末冶金行业使用最广泛的工具是那些在表面光洁度好的条件下耐磨、抗裂、无切屑的材料。 这些特性对任何加工操作都很有用，尤其是 P/M 零件。 此类别中包括的刀具材料是立方氮化硼 (CBN) 刀具、未涂层和涂层金属陶瓷以及改进的涂层烧结硬质合金。
CBN 工具因其高硬度和耐磨性而具有吸引力。 这种刀具在洛氏硬度45及以上的钢和铸铁的加工中已使用多年。 但是，由于P/M合金的独特性能以及显微硬度和宏观硬度的显着差异，CBN刀具可用于洛氏硬度为25的P/M零件。关键参数是颗粒的硬度。 当颗粒硬度超过洛氏50度时，无论宏观硬度值如何，CBN刀具都可用。 这些工具的明显限制是缺乏韧性。 在断续切削或高孔隙率的情况下，需要进行边缘加固，包括负倒角和重珩磨。 可以使用磨光的切削刃进行简单的轻切削。
有几种有效的 CBN 材料。 韧性最好的材料主要由整个CBN组成。 它们具有优异的韧性，因此可用于粗加工。 它们的局限性通常与表面光洁度有关。 它主要由构成工具的单个 CBN 颗粒决定。 当颗粒从切削刃上脱落时，它们会影响工件材料的表面。 不过，细颗粒工具掉一颗颗粒也没有那么严重。
通常使用的CBN材料CBN含量高，粒径中等。 CBN精加工刀片晶粒细小，CBN含量低。 当需要轻切削和表面光洁度时，或者当被加工的合金特别硬时，它们最有效。
在许多切削应用中，刀具寿命与材料类型无关。 换句话说，任何 CBN 材料都可以达到类似的刀具寿命。 在这些情况下，材料的选择主要基于每个切削刃的最低成本。 一个圆形刀片有一个完整的CBN顶面，可以提供四个或更多的切削刃，比四个镶嵌CBN刀片便宜。
当P/M零件的硬度低于洛氏35度，且颗粒硬度在该范围内时，金属陶瓷通常是选择之一。 金属陶瓷非常坚硬，可以有效防止切屑堆积，并且可以承受高速。 此外，由于金属陶瓷一直用于钢和不锈钢的高速和精加工，因此它们通常具有适用于靠近成形零件的理想几何凹槽。
今天的金属陶瓷在冶金方面非常复杂，含有多达 11 种合金元素。 它们通常由 TiCN 颗粒和 Ni Mo 粘合剂烧结而成。 TiCN 提供硬度、抗切屑堆积性和化学稳定性，这对于成功使用金属陶瓷很重要。 此外，这些工具通常具有较高的粘合剂含量，这意味着它们具有良好的韧性。 总之，它们具有有效加工P/M合金的所有特性。 有几种金属陶瓷是有效的，就像碳化钨烧结硬质合金一样，结合剂的含量越高，韧性越好。
一个已知的相对较新的发展是中温化学气相沉积 (mtcvd) 也为 P/M 行业提供了优势。 Mtcvd保留了传统化学气相沉积（CVD）的所有耐磨性和抗凹坑耐磨性，同时也客观地提高了韧性。 韧性的增加主要来自裂纹的减少。 涂层在高温下沉积，然后在炉中冷却。 当工具达到室温时，由于热膨胀不一致，涂层会出现裂纹。 类似于平板玻璃上的划痕，这些裂纹会降低切割边缘的强度。 mtcvd 较低的沉积温度导致较低的裂纹频率和更好的切削刃韧性。
当CVD涂层和mtcvd涂层的基材具有相同的特性和修边时，它们的韧性差异就可以体现出来。 当用于需要边缘韧性的应用时，mtcvd涂层的性能优于CVD涂层。 通过分析，在加工具有多孔结构的粉末冶金零件时，刃口韧性很重要。 Mtcvd涂层优于CVD涂层。
物理气相沉积 (PVD) 涂层比 mtcvd 或 CVD 涂层更薄且耐磨性较差。 但是，PVD 涂层在应用中可以承受很大的冲击。 PVD 涂层在切削磨损时非常有效，CBN 和金属陶瓷太脆并且需要出色的表面光洁度。
例如，C-2硬质合金的切削刃可以以0205米/分钟的线速度和180毫米/转的进给速度加工fc0.15。 加工 20 个零件后，切屑堆积会导致微塌陷。 使用 PVD 氮化钛 (TIN) 涂层时，可抑制切屑堆积并延长刀具寿命。 当锡涂层用于该测试时，P/M 零件的磨料磨损特性有望更有效地使用 TiCN 涂层。 TiCN 具有与锡几乎相同的抗切屑堆积能力，但比锡更硬、更耐磨。
多孔结构很重要，它影响 fc0208 合金的可加工性。 当多孔结构和特性发生变化时，不同的刀具材料提供相应的优势。 密度低（6.4g/cm3）时，宏观硬度低。 在这种情况下，mtcvd 涂层硬质合金可提供最佳刀具寿命。 切削刃的微疲劳很重要，刃口的韧性很重要。 在这种情况下，韧性好的金属陶瓷刀片可提供最长的刀具寿命。
在生产密度为 6.8g/cm3 的相同合金时，磨料磨损变得比边缘裂纹更重要。 在这种情况下，mtcvd 涂层可提供最佳刀具寿命。 PVD涂层硬质合金用于测试两种极硬零件，接触切削刃时会断裂。
当速度增加时（线速度超过每分钟300米），金属陶瓷甚至涂层金属陶瓷都会产生月牙洼磨损。 涂层硬质合金更适合，尤其是涂层硬质合金的切削刃韧性较好时。 Mtcvd 涂层对于具有富钴区域的硬质合金特别有效。
金属陶瓷最常用于车削和镗削。 PVD 涂层硬质合金是螺纹加工的理想选择，因为可能需要较低的速度和更多的注意力。
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