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粉末冶金工藝制造在汽車動力系統的應用

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粉末冶金工藝制造在汽車動力系統的應用

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【摘要】:
使用粉末冶金(PM)工藝制造應用于汽車動力系統的零件在持續增長。用PM工藝制造的零件有許多重要、獨特的優點,故意留在這些零件里的殘余多孔結構對于自潤滑和隔音有好處。使用PM技術可以生產用傳統鑄造工藝很難或不可能制造的復雜合金,用這樣的技術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更少。但不幸的是,在這些特性的吸引力背后,PM零件難以加工。

雖然PM工業的
    使用粉末冶金(PM)工藝制造應用于汽車動力系統的零件在持續增長。用PM工藝制造的零件有許多重要、獨特的優點,故意留在這些零件里的殘余多孔結構對于自潤滑和隔音有好處。使用PM技術可以生產用傳統鑄造工藝很難或不可能制造的復雜合金,用這樣的技術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更少。但不幸的是,在這些特性的吸引力背后,PM零件難以加工。
 
    雖然PM工業的初衷之一是消除所有的加工,但這個目標目前還沒有達到。大多數的零件只能是“接近最終形狀”,仍然需要某種精加工。然而和鑄件和鍛件相比,需要從PM零件上去除的少量材料是典型的耐磨材料。
 
    多孔結構是使PM零件具有各種廣泛用途的特性之一,但刀具的壽命也會遭到多孔結構的損害。多孔結構能儲油且能隔音,但也導致微觀上的斷續切削。當從孔到固體顆粒往復移動時,刀尖持續地受到沖擊,這能導致很小的疲勞破裂變形和沿切削刃的細小崩刃。更糟糕的是,這些顆粒通常極硬。即使測到的材料宏觀硬度在洛氏 20~35度之間,但組成零件的顆粒個體會高達洛氏60度。這些硬顆粒導致嚴重而快速的刃口磨損。很多PM零件是可熱處理的,熱處理后材料硬度和強度更高。最后,由于燒結和熱處理技術和所使用的氣體,材料表面會含硬且耐磨的氧化物和(或)碳化物。
PM零件的性能。
 
    包括可加工性在內的PM零件的大部分性能不僅與合金化學成分相關,而且和多孔結構的含孔率水平相關。許多結構零件含孔率多達15%~20%。用作過濾裝置的零件的含孔率可能高達50%。在系列的另一端,鍛造或HIP(熱離子壓鑄)零件含孔率僅為1%或更少。這種材料在汽車和飛機應用里正變得特別重要,因為它們能獲得更高的強度水平。
 
    PM合金的抗拉強度、韌性和延展性會隨著密度的增加而增加,可加工性也可能提高,這是因為多孔性對刀尖具有危害作用。
 
    含孔率水平的增加可以提高零件的隔音性能。在標準零件里普遍存在的阻尼振蕩在PM零件里顯著減少,這對于機床、空調吹風管和氣動工具很重要。高含孔率對自潤滑齒輪也是必要的。
 
切削加工難點。
    雖然PM工業不斷發展的目標之一是消除機加工,而且PM工藝的一個主要吸引力是只需少量加工,但是很多零件仍然需要后處理以獲得更高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。碰到的多數麻煩是由多孔性引起的。多孔性導致刃口的微觀疲勞。切削刃在不斷地切入切出,它從顆粒和孔之間通過,重復的小沖擊導致切削刃上產生小裂紋,這些疲勞裂紋增長直至切削刃微崩。這種微崩刃通常很細小,一般表現為正常的磨料磨損。
 
    多孔性還會降低PM零件的熱導性,其結果是切削刃上的溫度很高并會引起月牙洼磨損和變形。內部相連的多孔結構提供切削液從切削區域排出的通路。這會引起熱裂紋或變形,在鉆削里尤其重要。
 
    內在的多孔結構引起的表面面積增加還導致在熱處理時易發生氧化和(或)碳化。如先前提到的那樣,這些氧化物和碳化物很硬,而且很耐磨。
 
    多孔結構也給出零件硬度讀數的失效這一點極其重要。當有意去測一個PM零件的宏觀硬度,它包含孔的硬度的因素。多孔結構導致結構的倒塌,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。
 
    碳含量的參差導致可加工性的不一致。例如,FC0208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。
 
    最終的加工問題和發生在PM零件上的切削類型相關。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常導致微崩。
 
加工技術
    為了克服這些問題,應用幾個技術(對該行業是獨特的)。表面多孔結構經常通過浸滲被封閉。通常需要附加自由切削。近來,已經使用設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的粉末生產技術。
 
    封閉表面多孔結構由金屬(通常是銅)或聚合物浸滲完成。曾經猜想浸滲的作用象潤滑劑,大部分的實驗數據表明真正的優點在于關閉表面多孔結構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多孔結構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度和韌性。
 
    控制燒結和熱處理爐氣的粉末霧化技術使潔凈的粉末和零件的生產成為可能,這使得夾雜物和表面氧化物碳化物的發生最小化。
 
刀具材料
    最廣泛地使用于PM行業的刀具是那些在生產良好表面光潔度條件下耐磨、耐刃口破裂和不產生積屑瘤的材料。而這些特性對任何加工操作都是有用的,它們在加工 PM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的涂層燒結硬質合金。
 
    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PM合金的獨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PM零件。關鍵的參數是顆粒的硬度。當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。如果是斷續切削或含孔率高的話包括負倒棱和較重的珩磨在內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。
 
    有幾種材質的CBN是有效的。韌性最好的材質主要由整體CBN構成。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。很大程度上由構成刀具的CBN個體顆粒決定。當顆粒從切削刃上脫落時會在工件材料表面產生影響。而細顆粒刀具脫落一個顆粒則情況不那么嚴重。
通常使用的CBN材質的CBN含量高,顆粒大小中等。CBN精加工刀片是細顆粒的而且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。
 
    在很多切削應用里刀具壽命和材質種類是獨立無關的。換句話說,任何一種CBN材質可取得類似的刀具壽命。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。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PM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雜的,有多達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、抗積屑瘤和化學穩定性。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??偠灾?,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,就象碳化鎢燒結硬質合金那樣,粘接劑含量越高,韌性越好。
 
    已知的相對較新的進展是中溫化學氣相沉積(MTCVD)也提供PM行業的優勢。MTCVD保留傳統的化學氣相沉積(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冷卻。由于熱膨脹不一致,當刀具到達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度。MTCVD工藝較低的沉積溫度導致更低的裂紋頻率和韌性較好的切削刃。
 
    當CVD涂層和MTCVD涂層的基體有相同的特性和刃口修磨時,它們的韌性的區別能得到論證。當使用在刃口韌性有要求的應用,MTCVD涂層性能表現超過CVD涂層。通過分析,當加工含多孔結構的PM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涂層應用場合是能承受顯著沖擊。當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硬質合金的切削刃在線速度每分鐘180米和進給每轉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。當使用TiN涂層做這個測試時,PM零件的磨料磨損特性預計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。
    
    多孔結構是重要的而且它影響FC0208合金的可加工性。當多孔結構和特性改變時,各種不同的刀具材料提供相應的優勢。當密度低的時候(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。
 
    當生產密度為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涂層硬質合金對極硬的兩種類型的零件都進行測試,碰到刃口破裂無油軸承。
 
    當速度升高(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生月牙洼磨損。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。MTCVD涂層到有富鈷區的基體的硬質合金尤其有效。
 
    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注積屑瘤,PVD涂層硬質合金對于螺紋加工很理想。
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