金屬粉末注射——21世紀(jì)的成形技術(shù)

金屬粉末注射成型技術(shù)(MetalPowderInjectionMolding，簡稱MIM)是將現(xiàn)代塑料注射成形技術(shù)引入粉末冶金領(lǐng)域而形成的一門新型粉末冶金近凈形成形技術(shù)。其基本工藝過程是：首先將固體粉末與有機(jī)粘結(jié)劑均勻混練，經(jīng)制粒后在加熱塑化狀態(tài)下(~150℃)用注射成形機(jī)注入模腔內(nèi)固化成形，然后用化學(xué)或熱分解的方法將成形坯中的粘結(jié)劑脫除，最后經(jīng)燒結(jié)致密化得到最終產(chǎn)品。與傳統(tǒng)工藝相比，具有精度高、組織均勻、性能優(yōu)異，生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于電子信息工程、生物醫(yī)療器械、辦公設(shè)備、汽車、機(jī)械、五金、體育器械、鐘表業(yè)、兵器及航空航天等工業(yè)領(lǐng)域。因此，國際上普遍認(rèn)為該技術(shù)的發(fā)展將會(huì)導(dǎo)致零部件成形與加工技術(shù)的一場革命，被譽(yù)為“當(dāng)今最熱門的零部件成形技術(shù)”和“21世紀(jì)的成形技術(shù)”。

美國加州Parmatech公司于1973年發(fā)明，八十年代初歐洲許多國家以及日本也都投入極大精力開始研究該技術(shù)，并得到迅速推廣。特別是八十年代中期，這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化以來更獲得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，每年都以驚人的速度遞增。到目前為止，美國、西歐、日本等十多個(gè)國家和地區(qū)有一百多家公司從事該工藝技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)、研制與銷售工作。日本在競爭上十分積極，并且表現(xiàn)突出，許多大型株式會(huì)社均參與MIM工業(yè)的推廣，這些公司包括有太平洋金屬、三菱制鋼、川崎制鐵、神戶制鋼、住友礦山、精工--愛普生、大同特殊鋼等。目前日本有四十多家專業(yè)從事MIM產(chǎn)業(yè)的公司，其MIM工業(yè)產(chǎn)品的銷售總值早已超過歐洲并直追美國。到目前為止，全球已有百余家公司從事該項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)、研制與銷售工作，MIM技術(shù)也因此成為新型制造業(yè)中最為活躍的前沿技術(shù)領(lǐng)域，被世界冶金行業(yè)的開拓性技術(shù)，代表著粉末冶金技術(shù)發(fā)展的主方向MIM技術(shù)。

金屬粉末注射成型技術(shù)是集塑料成型工藝學(xué)、高分子化學(xué)、粉末冶金工藝學(xué)和金屬材料學(xué)等多學(xué)科透與交叉的產(chǎn)物，利用模具可注射成型坯件并通過燒結(jié)快速制造高密度、高精度、三維復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)零件，能夠快速準(zhǔn)確地將設(shè)計(jì)思想物化為具有一定結(jié)構(gòu)、功能特性的制品，并可直接批量生產(chǎn)出零件，是制造技術(shù)行業(yè)一次新的變革。該工藝技術(shù)不僅具有常規(guī)粉末冶金工藝工序少、無切削或少切削、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，而且克服了傳統(tǒng)粉末冶金工藝制品、材質(zhì)不均勻、機(jī)械性能低、不易成型薄壁、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，特別適合于大批量生產(chǎn)小型、復(fù)雜以及具有特殊要求的金屬零件。工藝流程粘結(jié)劑→混煉→注射成形→脫脂→燒結(jié)→后處理。

粉末金屬粉末

MIM工藝所用金屬粉末顆粒尺寸一般在0.5~20μm；從理論上講，顆粒越細(xì)，比表面積也越大，易于成型和燒結(jié)。而傳統(tǒng)的粉末冶金工藝則采用大于40μm的較粗的粉末。

有機(jī)膠粘劑

有機(jī)膠粘劑作用是粘接金屬粉末顆粒，使混合料在注射機(jī)料筒中加熱具有流變性和潤滑性，也就是說帶動(dòng)粉末流動(dòng)的載體。因此，粘接劑的選擇是整個(gè)粉末的載體。因此，粘拉選擇是整個(gè)粉末注射成型的關(guān)鍵。對(duì)有機(jī)粘接劑要求：

1.用量少，用較少的粘接劑能使混合料產(chǎn)生較好的流變性；

2.不反應(yīng)，在去除粘接劑的過程中與金屬粉末不起任何化學(xué)反應(yīng)；

3.易去除，在制品內(nèi)不殘留碳。

混料

把金屬粉末與有機(jī)粘接劑均勻摻混在一起，使各種原料成為注射成型用混合料?；旌狭系木鶆虺潭戎苯佑绊懫淞鲃?dòng)性，因而影響注射成型工藝參數(shù)，以至最終材料的密度及其它性能。注射成形本步工藝過程與塑料注射成型工藝過程在原理上是一致的，其設(shè)備條件也基本相同。在注射成型過程中，混合料在注射機(jī)料筒內(nèi)被加熱成具有流變性的塑性物料，并在適當(dāng)?shù)淖⑸鋲毫ο伦⑷肽＞咧?，成型出毛坯。注射成型的毛坯的微觀上應(yīng)均勻一致，從而使制品在燒結(jié)過程中均勻收縮。

萃取

成型毛坯在燒結(jié)前必須去除毛坯內(nèi)所含有的有機(jī)粘接劑，該過程稱為萃取。萃取工藝必須保證粘接劑從毛坯的不同部位沿著顆料之間的微小通道逐漸地排出，而不降低毛坯的強(qiáng)度。粘結(jié)劑的排除速率一般遵循擴(kuò)散方程。燒結(jié)燒結(jié)能使多孔的脫脂毛坯收縮至密化成為具有一定組織和性能的制品。盡管制品的性能與燒結(jié)前的許多工藝因素有關(guān)，但在許多情況下，燒結(jié)工藝對(duì)最終制品的金相組織和性能有著很大、甚至決定性的影響。后處理對(duì)于尺寸要求較為精密的零件，需要進(jìn)行必要的后處理。這工序與常規(guī)金屬制品的熱處理工序相同。

MIM工藝的特點(diǎn)MIM工藝與其它加工工藝的對(duì)比

MIM使用的原料粉末粒徑在2-15μm，而傳統(tǒng)粉末冶金的原粉粉末粒徑大多在50-100μm。MIM工藝的成品密度高，原因是使用微細(xì)粉末。MIM工藝具有傳統(tǒng)粉末冶金工藝的優(yōu)點(diǎn)，而形狀上自由度高是傳統(tǒng)粉末冶金所不能達(dá)到的。傳統(tǒng)粉末冶金限于模具的強(qiáng)度和填充密度，形狀大多為二維圓柱型。


傳統(tǒng)的精密鑄造脫燥工藝為一種制作復(fù)雜形狀產(chǎn)品極有效的技術(shù)，近年使用陶心輔助可以完成狹縫、深孔穴的成品，但是礙于陶心的強(qiáng)度，以及鑄液的流動(dòng)性的限制，該工藝仍有某些技術(shù)上的困難。一般而言，此工藝制造大、中型零件較為合適，小型而復(fù)雜形狀的零件則以MIM工藝較為合適。比較項(xiàng)目制造工藝MIM工藝傳統(tǒng)粉末冶金工藝粉末粒徑(μm)2-1550-100相對(duì)密度(%)95-9880-85產(chǎn)品重量(g)小于或等于400克10-數(shù)百產(chǎn)品形狀三維復(fù)雜形狀二維簡單形狀機(jī)械性能優(yōu)劣,MIM制程和傳統(tǒng)粉末冶金法的比較壓鑄工藝用在鋁和鋅合金等熔點(diǎn)低、鑄液流動(dòng)性良好的材料。此工藝的產(chǎn)品因材料的限制，其強(qiáng)度、耐磨性、耐蝕性均有限度。