使用粉末冶金（PM）工藝制造應用于汽車(chē)動(dòng)力系統的零件在持續增長(cháng)。用PM工藝制造的零件有許多重要、獨特的優(yōu)點(diǎn)，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(shù)可以生產(chǎn)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(shù)制造的零件的加工量通常很少甚至沒(méi)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(yè)的初衷之一是消除所有的加工，但這個(gè)目標目前還沒(méi)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(huì )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(guān)上的斷續切削。當從孔到固體顆粒往復移動(dòng)時(shí)，刀尖持續地受到?jīng)_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(guān)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(shù)和所使用的氣體，材料表面會(huì )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(xué)成分相關(guān)，而且和多孔結構的含孔率水平相關(guān)。許多結構零件含孔率多達15％～20%。用作過(guò)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(chē)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(huì )隨著(zhù)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(zhù)減少，這對于機床、空調吹風(fēng)管和氣動(dòng)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(diǎn)

    雖然PM工業(yè)不斷發(fā)展的目標之一是消除機加工，而且PM工藝的一個(gè)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(guān)疲勞。切削刃在不斷地切入切出，它從顆粒和孔之間通過(guò)，重復的小沖擊導致切削刃上產(chǎn)生小裂紋，這些疲勞裂紋增長(cháng)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(huì )降低PM零件的熱導性，其結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(huì )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(shí)易發(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，而且很耐磨。

    多孔結構也給出零件硬度讀數的失效這一點(diǎn)極其重要。當有意去測一個(gè)PM零件的宏觀(guān)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(gè)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(huì )從表面拉起，當它從刀具前面擦過(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(jiàn)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(wèn)題和發(fā)生在PM零件上的切削類(lèi)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)常導致微崩。

加工技術(shù)

    為了克服這些問(wèn)題，應用幾個(gè)技術(shù)（對該行業(yè)是獨特的）。表面多孔結構經(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)使用設計用來(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)。

    封閉表面多孔結構由金屬（通常是銅）或聚合物浸滲完成。曾經(jīng)猜想浸滲的作用象潤滑劑，大部分的實(shí)驗數據表明真正的優(yōu)點(diǎn)在于關(guān)閉表面多孔結構和由此而來(lái)的阻止切削刃的微觀(guān)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(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度和韌性。

    控制燒結和熱處理爐氣的粉末霧化技術(shù)使潔凈的粉末和零件的生產(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PM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。而這些特性對任何加工操作都是有用的，它們在加工 PM零件時(shí)尤其重要。包含在這個(gè)種類(lèi)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PM合金的獨特性能和顯微硬度和宏觀(guān)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(guān)鍵的參數是顆粒的硬度。當顆粒的硬度超過(guò)洛氏50度時(shí)，不管宏觀(guān)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(huà)包括負倒棱和較重的珩磨在內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)。很大程度上由構成刀具的CBN個(gè)體顆粒決定。當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。而細顆粒刀具脫落一個(gè)顆粒則情況不那么嚴重。

    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(chǎng)合最有效。

    在很多切削應用里刀具壽命和材質(zhì)種類(lèi)是獨立無(wú)關(guān)的。換句話(huà)說(shuō)，任何一種CBN材質(zhì)可取得類(lèi)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。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(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(xué)穩定性。另外，這些刀具通常有很高的粘接劑含量，這意味著(zhù)它們有良好的韌性�？偠�言之，它們具備有效加工PM合金的所有特性。幾種材質(zhì)的金屬陶瓷是有效的，就象碳化鎢燒結硬質(zhì)合金那樣，粘接劑含量越高，韌性越好。

    已知的相對較新的進(jìn)展是中溫化學(xué)氣相沉積（MTCVD）也提供PM行業(yè)的優(yōu)勢。MTCVD保留傳統的化學(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(guān)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冷卻。由于熱膨脹不一致，當刀具到達室溫時(shí)涂層里包含裂紋。和平板玻璃上的劃痕類(lèi)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(shí)，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(guò)CVD涂層。通過(guò)分析，當加工含多孔結構的PM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涂層應用場(chǎng)合是能承受顯著(zhù)沖擊。當切削是磨料磨損場(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(xiàn)速度每分鐘180米和進(jìn)給每轉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(cháng)。當使用TiN涂層做這個(gè)測試時(shí)，PM零件的磨料磨損特性預計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(shí)，各種不同的刀具材料提供相應的優(yōu)勢。當密度低的時(shí)候（6.4g/cm3），宏觀(guān)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(guān)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)合金對極硬的兩種類(lèi)型的零件都進(jìn)行測試，碰到刃口破裂無(wú)油軸承。

    當速度升高（線(xiàn)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，尤其是當涂層硬質(zhì)合金的切削刃韌性好時(shí)。MTCVD涂層到有富鈷區的基體的硬質(zhì)合金尤其有效。

    金屬陶瓷最常見(jiàn)用于車(chē)削和鏜削加工。因為可能期望較低的速度和更多關(guān)注積屑瘤，PVD涂層硬質(zhì)合金對于螺紋加工很理想。