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粉末冶金材料基础知识及车削加工刀具的选择

日期: 2019-11-15
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粉末冶金(PM)是制取金属粉末,及采用成形和烧结工艺将金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)制成材料和制品的工艺技术。它是冶金和材料科学的一个分支学科。 粉末冶金制品的应用范围十分广泛,从普通机械制造到精密仪器;从五金工具到大型机械;从电子工业到电机制造;从民用工业到军事工业;从一般技术到尖端高技术,均能见到粉末冶金工艺的身影。



 粉末冶金发展历史:


粉末冶金方法起源于公元前三千多年。制造铁的第一个方法实质上采用的就是粉末冶金方法。而现代粉末冶金技术的发展中共有三个重要标志:

 1、克服了难熔金属熔铸过程中产生的困难。1909年制造电灯钨丝,推动了粉末冶金的发展;1923年粉末冶金硬质合金的出现被誉为机械加工中的革命。

 2、三十年代成功制取多孔含油轴承;继而粉末冶金铁基机械零件的发展,充分发挥了粉末冶金少切削甚至无切削的优点。 

3、向更高级的新材料、新工艺发展。四十年代,出现金属陶瓷、弥散强化等材料,六十年代末至七十年代初,粉末高速钢、粉末高温合金相继出现;利用粉末冶金锻造及热等静压已能制造高强度的零件。



 粉末冶金工艺的优点:


1、绝大多数难熔金属及其化合物、假合金、多孔材料只能用粉末冶金方法来制造。 

2、由于粉末冶金方法能压制成最终尺寸的压坯,而不需要或很少需要随后的机械加工,故能大大节约金属,降低产品成本。用粉末冶金方法制造产品时,金属的损耗只有1-5%,而用一般熔铸方法生产时,金属的损耗可能会达到80%。 

3、由于粉末冶金工艺在材料生产过程中并不熔化材料,也就不怕混入由坩埚和脱氧剂等带来的杂质,而烧结一般在真空和还原气氛中进行,不怕氧化,也不会给材料任何污染,故有可能制取高纯度的材料。

 4、粉末冶金法能保证材料成分配比的正确性和均匀性。

 5、粉末冶金适宜于生产同一形状而数量多的产品,特别是齿轮等加工费用高的产品,用粉末冶金法制造能大大降低生产成本。 



 粉末冶金工艺的基本工序是:


1、原料粉末的制备。现有的制粉方法大体可分为两类:

机械法和物理化学法。而机械法可分为:机械粉碎及雾化法;物理化学法又分为:电化腐蚀法、还原法、化合法、还原-化合法、气相沉积法、液相沉积法以及电解法。其中应用最为广泛的是还原法、雾化法和电解法。 

2、粉末成型为所需形状的坯块。成型的目的是制得一定形状和尺寸的压坯,并使其具有一定的密度和强度。成型的方法基本上分为加压成型和无压成型。加压成型中应用最多的是模压成型。 

3、坯块的烧结。烧结是粉末冶金工艺中的关键性工序。成型后 的压坯通过烧结使其得到所要求的最终物理机械性能。烧结又分为单元系烧结和多元系烧结。对于单元系和多元系的固相烧结,烧结温度比所用的金属及合金的熔点低;对于多元系的液相烧结,烧结温度一般比其中难熔成分的熔点低,而高于易熔成分的熔点。除普通烧结外,还有松装烧结、熔浸法、热压法等特殊的烧结工艺。

 4、产品的后序处理。烧结后的处理,可以根据产品要求的不同,采取多种方式。如精整、浸油、机加工、热处理及电镀。此外, 近年来一些新工艺如轧制、锻造也应用于粉末冶金材料烧结后的加工,取得较理想的效果。



 粉末冶金材料和制品的今后发展方向:


1、有代表性的铁基合金,将向大体积的精密制品,高质量的结构零部件发展。 

2、制造具有均匀显微组织结构的、加工困难而完全致密的高性能合金。 

3、 用增强致密化过程来制造一般含有混合相组成的特殊合金。 

4、制造非均匀材料、非晶态、微晶或者亚稳合金。 

5、加工独特的和非一般形态或成分的复合零部件。

对于要求强度较高的齿轮,可采用渗铜烧结钢,其密度为90~95%理论值,连通孔隙度低,运转平稳。对于需强化自润滑与增高耐磨性,从而需要含油率较高的齿轮,一般材料密度去80~90%理论密度。 



 PM零件的性能及加工难点 


机械性能 


多孔结构是PM零件得到广泛应用的特性之一。包括可加工性在内的PM零件的大部分性能不仅与其合金化学成分相关,而且和多孔结构的孔隙度相关。许多结构零件的孔隙度多达15%~20%,用作过滤装置的零件的孔隙度可能高达50%。而锻造或HIP(热离子压铸)零件孔隙度为1%或更少。HIP材料适宜在汽车和飞机里应用,因为它们能获得更高的强度水平。 PM材料的抗拉强度、韧性和延伸率随着密度的增加都会增加,但因降低了PM材料的多孔性对刀尖的危害作用,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,在标准零件里普遍存在的阻尼振荡在PM零件里减少,这对机床、空调吹风管和气动工具很重要。另外,孔隙度高对自润滑齿轮也是必要的。


加工难点 


虽然PM零件只需少量的加工,但是加工PM零件是极其困难的,这主要是由于PM材料的多孔性结构引起的,多孔结构降低了刀具的使用寿命。多孔性导致刃口的微观疲劳。当刀具从孔到固体颗粒往复移动时,刀尖持续受冲击。持续的小冲击会导致切削刃上产生小的裂缝,这些疲劳裂纹逐渐增大直至切削刃微崩。这种微崩一般很细小,通常表现为正常的磨料磨损。 

多孔性还会降低PM零件的导热性。刀具在切削时切削刃上的温度很高,并会引起月牙洼磨损和变形。内部相连的多孔结构提供切削液从切削区域排出的通路,会引起热裂纹或变形,这在钻削里尤其严重。 内在的多孔结构引起的表面面积增加还会使热处理时发生氧化和(或)碳化,而这些氧化物和碳化物很硬很耐磨。由于孔隙的存在,在较小的面积内其硬度值也有一定的波动。即使测得的宏观硬度为HRC20~35,但组成零件的颗粒硬度会高达HRC60,这些硬颗粒会导致严重而急剧的刃口磨损。 

很多PM零件热处理后更硬,强度更高。烧结和热处理技术以及所使用的气体,会使PM零件表面含有硬且耐磨的氧化物和(或)碳化物。 零件里夹杂物的存在也是不利的。加工中,这些颗粒会从表面拉起,当它们从刀具前面擦过时在零件表面上形成擦伤或划痕。这些夹杂物通常很大,在零件表面留下可见的孔。另外,碳含量不均导致了可加工性的不一致。例如,FC0208合金含碳量为0.6%~0.9%,含碳量为0.9%的材料相对较硬,刀具寿命低;而切削含碳量为0.6%的材料,刀具能得到较高的使用寿命。 



 PM材料的独特处理技术 


为了提高粉末冶金零件的切削性能,粉末冶金行业已对材料采取了独特的处理技术。表面多孔结构经常通过浸渗被封闭,故通常需要运用自由切削。近来已经开始使用的粉末冶金新技术可以增加粉末洁净度并能降低热处理时氧化物和碳化物的产生。 封闭表面多孔结构由金属(通常是铜)或聚合物浸渗完成。曾经有人认为浸渗的作用象润滑剂,但大部分的实验数据表明,浸渗真正的优点在于关闭表面多孔结构,从而阻止切削刃的微观疲劳,降低刀具的振颤,提高刀具寿命和降低表面粗糙度。使用浸渗处理后,刀具寿命提高2倍。 

实践表明,在粉末冶金材料中添加诸如MnS、S、MoS2、MgSiO3和BN等添加物能提高刀具寿命。这些添加物通过使切屑更容易从工件上分离、断屑,并能阻止积屑瘤的产生和润滑切削刃来提高材料的可加工性。增加添加物的量能提高可加工性,但会降低材料的强度和韧性。 控制烧结和热处理炉气的粉末雾化技术可以增加粉末的洁净度,使得夹杂物、表面氧化物和碳化物的发生最小化。 



 刀具材料的选择 


目前广泛地应用于PM行业的刀具材料主要是立方氮化硼(CBN)刀具、不涂层和涂层金属陶瓷以及改进的涂层烧结硬质合金。这些刀具材料在切削粉末冶金材料时都具有耐磨、耐刃口破裂和不产生积屑瘤的特性,并能获得低的表面粗糙度。



 CBN刀具 


CBN刀具因其高硬度和耐磨性而适合于PM零件的加工。CBN刀具已经在HRC≥45的钢件和铸铁加工中使用多年。但是,由于PM合金的独特性能以及显微硬度和宏观硬度的重大差别,使CBN刀具能用于加工软到HRC25的PM零件。关键的参数是颗粒的硬度,当颗粒的硬度超过HRC50时,不管宏观硬度值是多少,CBN刀具是可用的。CBN刀具明显的缺点是它们的韧性不足。如果是断续切削或孔隙度较大,需要加强CBN刀具负倒棱和较重的珩磨在内的刃口。如果是轻载切削,使用经过珩磨处理的切削刃就能完成加工。 

韧性最好的材质主要由整体CBN构成,由于韧性好,因此可用作粗加工。而它们的局限性通常和表面粗糙度相关,这在很大程度上由构成刀具的CBN个体颗粒决定。当颗粒从切削刃上脱落时会在工件材料表面产生影响,而细颗粒刀具脱落则情况不那么严重。 通常使用的CBN材质的CBN含量高,颗粒大小中等。CBN精加工刀片颗粒细而且CBN含量低,它们对轻载切削和对表面粗糙度有要求或被加工合金特别硬的场合最有效。在很多切削加工中,刀具寿命和材质种类是独立无关的,即任何一种CBN材质都可取得类似的刀具寿命。在这些情况下,材质的选择主要以每个切削刃的成本最低为依据,最终达到最优的性价比,满足客户使用。 

 END 



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