粉末冶金零件加工研究進展


  粉末冶金具有低成本、高效率国民娱乐下载安装、少(無)污染等顯著優點,廣泛應用于家電、汽車等領域,如空調的壓縮機氣缸和汽車VVT等高精度零部件,其中在汽車行業的運用最為廣泛国民娱乐下载安装,主要用于制造發動機和傳動裝置的零件,約占粉末冶金總需求量的70%以上。隨著粉末冶金零件形狀復雜化、微型化、精密化国民娱乐下载安装,粉末冶金制品已逐漸應用于軍工、航天以及醫療衛生等領域。粉末冶金作為一種近凈成形工藝,對于低精度零件,幾乎不用機械加工,但對于精度要求較為嚴格的零件仍然必須經過機械加工才能滿足質量要求国民娱乐下载安装。此外国民娱乐下载安装,受脫模路徑的限制而無法成形的結構同樣無法避免后續機械加工。據統計,有不低于40%的粉末冶金零件需要進行機械加工以滿足精度要求。

  由于粉末冶金燒結件內部存在孔隙結構,刀具在孔隙間切入切出国民娱乐下载安装,使得刀具受到高頻載荷的沖擊作用,易產生疲勞破損国民娱乐下载安装;多孔結構降低了材料的導熱性能,無法及時導出切削熱,從而加劇刀具磨損;當材料宏觀硬度為25HRC時,存在于材料內部的硬質顆粒的硬度可能達到60HRC,對刀具造成嚴重的磨粒磨損;一些高密度合金(如鎢基合金)燒結后硬度高、脆性大,成為典型的難加工材料。因此,粉末冶金燒結件的加工尚存在諸多難題国民娱乐下载安装,有時甚至成為粉末冶金產品發展的瓶頸。據統計,在生產汽車液壓傳動件閥蓋時国民娱乐下载安装,其機加工成本約占產品整體成本的70%。本文詳細論述粉末冶金零件加工的研究現狀以及改善粉末冶金零件可加工性的措施国民娱乐下载安装,并分析粉末冶金零件加工的未來發展趨勢。

  1、粉末冶金零件加工研究現狀

  (1)加工工藝參數的影響

  M.Saoubi等利用PCBN刀具切削粉末冶金高速鋼研究了加工參數和刀刃幾何形狀對刀具壽命、表面粗糙度和表面完整性的影響,得出了加工粉末冶金高速鋼的優化工藝參數国民娱乐下载安装,并指出采用較大的刀尖圓弧半徑可提高加工零件的表面粗糙度。Du等在切削粉末高溫合金FGH95時發現,切削速度對粉末高溫合金FGH95的已加工表面質量具有重要影響:加工過程中會產生加工硬化国民娱乐下载安装,當切削速度低于400m/min時,硬化層厚度約為80-100μm;當切削速度超過400m/min時,硬化層厚度將隨著切削速度的增加而增加;在切削過程中還會出現白層(見圖1)国民娱乐下载安装,其厚度會隨著切削速度的增加而減小。為了避免殘留切削液對工件造成腐蝕,Czampa等在鉆削燒結鋼時采用將-10℃的冷空氣引入切削區域的方法來達到降低切削溫度的目的,其結果顯示,使用冷空氣冷卻切削區域可以顯著提高加工孔的外觀質量。

  (2)刀具的磨損與失效

  在粉末冶金零件的切削過程中国民娱乐下载安装,由于孔隙的存在,使切削刃因為疲勞而產生微裂紋,這些微裂紋會使切削刃產生微崩(見圖2a和2b)。在實際切削過程中,除切削刃正常磨損外,刀具的失效還存在更為嚴重的形式:存在于材料內部的硬質顆粒給刀具造成嚴重的磨粒磨損(見圖2b);硬質顆粒還會對刀具造成強烈的刮擦和沖擊,極易引起前刀面產生脆性開裂,進而引發前刀面剝落(見圖2c);由于材料的熱導率較低,在切削過程中極易產生高溫,進而造成嚴重的月牙洼磨損(見圖2d)。此外,切削過程中還包含氧化磨損和擴散磨損国民娱乐下载安装。

  在實際切削過程中国民娱乐下载安装,刀具磨損普遍存在且快速發生,M.Saoubi等用PCBN刀具切削粉末冶金燒結高速鋼的試驗中發現国民娱乐下载安装,在切削速度為150m/min時,切削長度僅25m就出現了刀具磨損(見圖3)。刀具的快速磨損在實際生產過程中嚴重影響產品的生產效率,如某大中型粉末冶金企業在切削汽車VVT殼燒結件時發現其磨刀、換刀及對刀的時間占加工周期的三分之二以上,為此,如何克服刀具磨損是當前粉末冶金零件加工的重點和難點。

  (3)刀具的材料與參數選擇

  頡龍等選擇涂層硬質合金刀片和焊接復合式立方氮化硼刀片對粉末冶金工具鋼AHP10V進行了切削試驗。結果表明国民娱乐下载安装,涂層硬質合金刀片更適用于粉末冶金工具鋼AHP10V的加工,當主偏角為40°-50°、副偏角為0.5°-3°、刃傾角為-10°~-20°時可以避免出現積屑瘤,能夠獲得較好的已加工表面質量。辛民等在切削鐵基和鎳基粉末冶金材料時發現,相比硬質合金刀具国民娱乐下载安装,陶瓷刀具擁有更長的使用壽命。此外,由于陶瓷刀具的化學穩定性較好且與工件的摩擦系數較小,因此其加工后零件的表面粗糙度優于硬質合金刀具。郭麗波等選用YT15硬質合金国民娱乐下载安装、YW2硬質合金、YL100陶瓷和PCBN四種刀具切削粉末冶金燒結鋼,以VB=0.2mm作為后刀面磨鈍標準,結果顯示,在高速切削時,PCBN刀具、YL100陶瓷刀具和硬質合金刀具的使用壽命依次降低国民娱乐下载安装,其中PCBN刀具的使用壽命約為硬質合金使用壽命的2-3倍;與高速切削相反,在低速切削過程中硬質合金刀具的使用壽命最長,PCBN刀具的壽命最短;在表面加工質量方面,PCBN刀具和YL100陶瓷刀具切削后的表面粗糙度明顯優于硬質合金刀具。

  2、可加工性的改善與生坯加工

  對于粉末冶金燒結材料可加工性的改善措施主要有表面浸滲和添加易切削劑国民娱乐下载安装,這兩種方法都能顯著降低刀具磨損。生坯加工是在燒結前對材料進行機械加工,可以從根本上消除粉末冶金材料加工的刀具磨損,是一種新穎的粉末冶金制造工藝国民娱乐下载安装。

  (1)表面浸滲與易切削劑的添加

  為了改善粉末冶金材料的多孔性導致切削力的波動国民娱乐下载安装,可用金屬(通常是銅)或者聚合物對其表面進行浸滲,使其表面孔隙在加工前被封閉,降低切削力的波動,提高刀具壽命和已加工表面質量。與對材料進行浸滲相比,在實際生產過程中使用較多的是在材料中添加易切削劑,包括BN-h、MgSiO3以及CaF2、MnS等,其中MnS的使用范圍最廣。Liersch等研究了幾種不同的添加劑,包括Pb、BN以及碳、石墨和幾種不同的硫化物,結果顯示,在燒結過程中,大部分硫化物會發生化學反應變成Fe1-xS,碳會完全溶解,而BN在超過1177℃后也會分解,只有MnS、Pb以及石墨會在燒結過程保持穩定,進而起到改善材料加工性能的作用;在加工后的表面粗糙度方面,添加了MnS的材料其表面質量最好,MoS2雖然會在燒結過程中變為Fe1-xS,但是同樣可以獲得僅次于添加MnS的良好加工質量国民娱乐下载安装,添加BN和石墨的材料其表面加工質量最差。需要指出的是,添加易切削劑會降低材料的強度和韌性等力學性能。

  (2)粉末冶金零件的生坯加工

  粉末冶金生坯加工在20世紀90年代末由AŠalak提出,該方法是在燒結前對壓制成型的零件進行加工,此時粉末顆粒間靠冷焊和機械嚙合連接,燒結后出現的高硬度的馬氏體和貝氏體此時并不存在,在該情況下對其加工所造成的刀具磨損幾乎可以忽略不計,同時可將加工效率提高到燒結件的3倍以上国民娱乐下载安装。

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  如圖4所示,Robert-Perron等利用生坯加工的方法制造汽車正時鏈輪溝槽。切削過程中發現国民娱乐下载安装,加工邊緣的平均破損寬度隨著生坯孔隙率的增大而增大。在對于切削質量影響程度的因素中,密度占40%,而進給率和切削速度只分別占37%和23%,證明了高密度對于生坯加工結果的重要影響。此外,試驗表明,切削速度對已加工表面質量的影響較小,將切削速度從305m/min增至457m/min(高出50%)時,零件邊緣的平均破損尺寸僅增加4%,因此在實際生產中可以使用較高的切削速度国民娱乐下载安装。在此基礎上,Robert-Perron等利用正交試驗方法国民娱乐下载安装,研究了鉆頭型號、轉速和進給率對通孔加工質量影響。結果表明,當鉆頭直徑為6.35mm、螺旋角為35°、頂角為118°時国民娱乐下载安装,在轉速為7000rpm国民娱乐下载安装、進給率為0.0254mm/r時所加工的通孔質量最優国民娱乐下载安装,如圖5所示国民娱乐下载安装,零件的平均破損為115μm国民娱乐下载安装,孔內粗糙度為3.7μm。

  何榮將硬質合金生坯在800℃的溫度下預燒40min,預燒后強度約25.6MPa。對切削參數進行研究,結果顯示為保持加工穩定性国民娱乐下载安装,加工過程需要較低的主軸轉速,但為了獲得較高加工質量必須使用較高的主軸轉速和較低的進給率,為此必須綜合考慮各方面因素對于加工質量的影響国民娱乐下载安装。為了獲得較高加工質量,主軸轉速應取2000r/min,進給率應為0.02-0.05mm/r。

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  生坯加工要求壓制的生坯強度必須大于20MPa,否則国民娱乐下载安装,生坯在裝夾時極易發生破損;此外国民娱乐下载安装,在進行機械加工時,零件邊緣容易發生崩損。為了提高生坯強度,加拿大魁北克金屬粉末公司開發了新型聚合物潤滑劑,該潤滑劑能夠在粉末壓制過程中形成連續的堅固網絡国民娱乐下载安装,并在較低溫度下經過固化后提高生坯強度。研究表明,該新型聚合物潤滑劑可使生坯強度達到45MPa以上国民娱乐下载安装,幾乎超過傳統潤滑劑所能達到的強度的兩倍。

  溫壓工藝是提高生坯強度的另一種方法,由赫格拉斯(Höganäs)公司在1994年的國際粉末冶金和顆粒材料會議上正式公布。其工藝特點是在成形時將粉末和模具加熱到90℃-150℃。通常認為,在該溫度范圍內粉末顆粒的屈服強度国民娱乐下载安装、加工硬化速率和硬化程度都會有一定下降,其塑性變形阻力和致密化阻力也同時下降国民娱乐下载安装,這些都有利于壓制過程中粉末顆粒的塑性變形。研究表明,溫壓的生坯密度比常壓的高出,生坯強度最多能達到常壓的4倍,對于生坯加工來說,其強度已經能夠滿足要求。關于溫壓工藝的致密化機理目前尚未形成統一的認識,以果世駒教授為代表的觀點認為国民娱乐下载安装,相對傳統的壓制過程,溫壓工藝并沒有形成新的致密化機理,而其他一些學者認為溫壓工藝能夠促進粉末顆粒的塑性變形和降低脫模力国民娱乐下载安装,使得粉末顆粒在壓制過程中進行重排,促使小的粉末顆粒填充大的顆粒間隙,進而提高生坯密度。

  高速壓制技術是提高生坯強度的又一種方法国民娱乐下载安装,是赫格拉斯公司于2001年推出的一項新技術国民娱乐下载安装,該技術要求上模沖以10-30m/s(常規壓制速度約3m/s)的速度對中模內的粉末進行壓制,較高的壓制速度所帶來的沖擊能量以應力波的形式在粉末間傳遞,當應力波到達下模沖時,部分應力波會反射回來繼續作用于粉末,如此反復直至應力波衰減為零。利用高速壓制技術得到的生坯密度最高可達到,接近完全致密,高密度能顯著提高生坯的強度,能夠承受生坯加工的切削力和夾持力。

 ?、凵骷庸ず鬅Y件的力學性能

  Desbiens等研究了生坯加工后燒結零件的拉伸性能和疲勞強度,將經過固化處理的方形生坯拉伸試樣加工成圓形拉伸試樣,燒結后對其進行拉伸試驗測試。結果表明,當以1.5℃/s的速度將燒結溫度從650℃冷卻到350℃時,經過生坯加工的試樣組織由90%的馬氏體和10%的貝氏體構成,而未經過生坯加工的試樣組織由70%的馬氏體、20%的貝氏體以及10%的珠光體構成;相應地,經過生坯加工的試樣其屈服強度和拉伸強度分別高出未經生坯加工試樣的18%和9%国民娱乐下载安装。原因是經過生坯加工的試樣從材料外部到內部的冷卻速率要高于未經過生坯加工的試樣国民娱乐下载安装。當冷卻速度由較慢的1.0℃/s將溫度從650℃冷卻到350℃時,二者的拉伸性能并沒有出現這一差異。在疲勞強度方面,經過生坯加工的試樣與未經過生坯加工的試樣基本一致。

  3国民娱乐下载安装、粉末冶金零件加工發展趨勢

  粉末冶金生坯加工可以解決粉末冶金燒結件加工時刀具磨損問題,并且可以獲得較好的已加工表面質量以及燒結后良好的力學性能,是粉末冶金零件加工未來的發展方向。

  粉末冶金生坯加工面臨的主要問題是如何提高生坯強度和獲得高的已加工表面質量。相比添加潤滑劑來提高生坯強度,溫壓工藝的使用范圍更廣。但由于溫壓工藝會改變壓坯在脫模后的彈性后效,經過生坯加工的零件在燒結后同樣會有相應的尺寸變化,此時對于尺寸精度要求很高的零件在燒結后需要經過整形來滿足要求国民娱乐下载安装,這一點在生坯加工過程中必須加以考慮。因此,將生坯壓制成形国民娱乐下载安装、加工、燒結視為一個整體從而進行全工序的協同制造国民娱乐下载安装,從全工序的角度來研究粉末冶金零件的加工性能是一種新的發展趨勢。實踐證明,當生產小批量的產品時,高速壓制完全可以達到生坯強度要求,但隨著壓制的進行国民娱乐下载安装,模具很快會出現疲勞損壞,這對實際生產是致命的国民娱乐下载安装。為此,如何提高模具的耐沖擊性能和抗疲勞性能是進一步推廣高速壓制技術所面臨的重要難題。此外,揭示生坯加工材料去除和已加工表面形成機理国民娱乐下载安装,是獲得高的已加工表面質量的基礎和前提。

  小結

  粉末冶金工藝可用低廉的成本生產傳統制造方法難以生產的零件,在國民經濟中的地位愈來愈重要。隨著粉末冶金零件向復雜化国民娱乐下载安装、微型化、精密化方向發展,對粉末冶金零件的制造提出了更多的、新的挑戰。生坯加工是解決粉末冶金燒結件加工難題的重要發展方向。將生坯壓制成形、加工、燒結視為整體從而進行全工序的協同制造;提高生坯高速壓制時模具的耐沖擊性能和抗疲勞性能以及揭示生坯加工切削機理的研究是粉末冶金生坯加工發展的需要。