金属粉末注射成型

简要：

金属粉末注射成型（MetalPowderInjectionMolding，简称MIM）技术是将现代塑料注射成型技术引入粉末冶金领域而形成的一门新型粉末冶金近净成形技术。金属注射成型是传统的粉末冶金工艺与塑料成型工艺相结合的新工艺，是集塑料成型工艺学、高分子化学、粉末冶金工艺学和金属材料学等多学科交叉的产物,是粉末冶金和精密陶瓷成型加工领域中的新技术，利用模具可注射成型,快速制造高密度、高精度、复杂形状的结构零件,能够快速准确地将设计思想转变为为具有一定结构、功能特性的制品,并可直接批量生产出零件,是制造技术行业一次新的变革[1]。

关键词：金属粉末注射成型的发展现状及现状 工艺流程 工艺特点 粘接剂 流动分析 研究展望

正文：

一、金属粉末注射成型的发展现状及现状

1．国外概况[2][3][5]

金属粉末注射成型工艺技术的开拓者是美国的Parmatech公司。该公司的航天燃料专家Wiech博士于1973年发明了MIM技术。以Riverst和Wiech于70年代发明的专利为起点，开始了金属粉末注射成形技术。Parmatech于70年代末注射成型铌火箭喷嘴获得MPIF奖。但由于该技术的独特优点和先进性，被美国列为不对外扩散技术加以保密，直到1985年才向全世界公布这一技术，而在这期间美国国内的MIM技术得以成熟并迅速发展形成产业化。该项技术向世界披露后得到世界各国、学术界、企业界的广泛重视，并投入了大量人力物力和财力予以开发研究。其中日本在研究上十分积极而且表现突出，许多大型株式会社参与了MIM技术的工业化推展。目前日本有四十余家企业从事MIM制品的生产，每家公司的利润都十分可观。2000年世界粉末冶金会议在日本召开，并专门设立了MIM技术论坛。继日本快速发展之后，、韩国、新加坡、欧洲和南

美的MIM产业也雨后春笋般的发展起来，其中德国的BASF公司以其独特的黏结剂配方成立了专门的MIM产品喂料生产线，在全世界范围内进行技术辅导和喂料的销售，获得了较大的商业利润。

德国BASF公司的Bloemacher于90年代初开发的MIM工艺成为MIM实现产业化的一个重大突破。它采用聚醛树脂作为粘结剂,并在酸性气氛中快速催化脱脂,不仅大大缩短了脱脂时间,而且这种催化脱脂能在低于粘结剂的软化温度下进行,避免了液相的生成,有利于控制生坯的变形,保证了烧结后的尺寸精度。同时,由于利用了聚醛树脂极性连接金属粉末,故适合于多种粉末的注射。这种工艺不仅大大降低了生产成本,提高了生产率,并且可生产尺寸较大的零件和制品,扩大了MIM的应用范围,从而使MIM真正成为一种具有竞争力的PM近净成型技术。

作为该项技术的发明国美国。MIM技术已经广泛的应用于航天、摩托车、汽车、医疗器械、食品机械、计算机、通信设备、五金工具、仪器仪表、钟表等各个制造行业，MIM企业也因此赚了个盆满钵满。据粉末冶金协会粗略统计和预测，全球MIM产品的销售量正在以每年30％-40％的速度递增。预计到2010年平均年销售量将超过24亿美元。

2．国内状况

中国MIM技术的产业化发展只有不到十年的时间，技术的研究始于八十年代末，从事研究开发的单位不足l0家，虽然黏结剂各有不同，但都取得了可喜的成果，有的已经达到国际先进水平．而在MIM技术的应用及产业化方面与国外相比存在一定的差距。原因有以下几个方面：

(1)中国1956年才开始粉末冶金的发展，基础实力薄弱。

(2)机械制造业与发达国家相比落后，工程技术人员的开发能力不足。

(3)国内技术人员对MIM技术的认识程度不够，制约了MIM技术的推广。

目前MIM技术在我国已得到迅速发展。

二、金属粉末注射成型的工艺流程[3]

MIM的工艺流程为：金属粉末＋粘结剂→混料→注射成型→脱脂→烧结→后处理→成品。

1．金属粉末的选择

首先根据产品的技术要求和使用条件选择粉末的种类，然后决定粉末颗粒尺寸。金属粉末注射成型所用的粉末颗粒尺寸一般在0.5～20μｍ；从理论上讲，粉末颗粒越细，比表面积也越大，颗粒之间的内聚力也越大，易于成型和烧结。而传统的粉末冶金工艺则采用大于40μｍ的较粗的粉末。

2．有机粘接剂的选择

由于有机粘接剂的作用是粘接金属粉末颗粒，使混合料具有流变性和润滑性，因此粘接剂的选择是整个粉末注射成型的关键。

对于粘接剂的要求：

（1）用量少，即用较少的粘接剂能使混合料产生较好的流变性

（2）不反应，在去处粘接剂的过程中与粉末不起任何化学反应

（3）易去除，在制品内不残留过多的碳。通常有机粘接剂由热塑性树脂、增塑剂及润滑剂等组成。

3．混料

就是把有机粘接剂均匀掺混在一起，使各种原料成为注射成型用混合料。混料是关键的工序，混合料的均匀程度直接影响其流动性，因而影响注射成型工艺参数乃至最终材料的密度及其他性能。粘接剂的体积占有量高达40％－70％，粉末颗粒必须被有机粘接剂均匀包覆，并均匀分散开，混料才具有良好的流变性，注射成型坯的密度在微观上均匀一致，从而使制品在烧结过程中均匀收缩。

4．注射成型

在注射成型过程中，注射机料筒内的混合料被加热成具有流变性的增塑熔胶，在螺杆形成的压力下，产生高的剪切速率，其粘度随温度的升高而急剧下降，因此首先选择适当的模具温度及料筒温度以调节流动性。还要选择最佳的注射压力、保压时间、冷却时间等工艺参数。粉末注射成型所用模具的主浇道、分浇道、浇口比塑料模具的大，设计顶出系统应考虑到顶出面积。

5．脱脂

成型坯在烧结前必须去除体内所含有的粘接剂，该过程称为脱脂。脱脂工艺必须保证粘接剂从坯块的不同部位沿着颗粒之间的微小通道逐渐地排出，而不损害成型坯的高强度。粘接剂的排除速率一般遵循一个扩散方程。如果粘接剂的排除速率过快，就会导致成型坯起泡、裂纹等缺陷。所以颗粒系统的粘接能必须大于粘接剂去除过程的破裂能。

6．烧结

烧结能使多孔的脱脂坯成为具有一定组织和性能的制品。尽管制品的性能与烧结前的许多工艺因素有关，但在许多情况下，烧结工艺还是对最终制品的金相组织和性能有着很大、甚至决定性的影响。

三、工艺特点[4]

1．自身特点

（1）零部件几何形状的自由度高、制件各部分密度均匀、尺寸精度高，适用于制造几何形状复杂、精密及具有特殊要求的小型零件（0.2g-200g）

（2）合金化灵活性好，对于过硬、过脆、难以切削的材料或原料铸造时有偏析或污染的零件，可降低制造成本。

（3）产品质量稳定、性能可靠，制作的相对密度可达95%-98%，可进行渗碳、淬火、回火等处理。

（4）加工零件的典型公差为±0.06mm/mm；批内公差可达±0.04mm/mm；二次加工可达±0.02mm/mm

（5）制造工艺简单、生产效率高，易于实现大批量、规模化生产。

2．与其他加工工艺的对比

（1）MIM使用的原料粉末粒度直径为0.5～20μｍ，而传统粉末冶金的原料粉末粒度为50—100μｍ。MIM工艺的成品密度高，原因是使用微细粉末。MIM工艺具有传统粉末冶金工艺的优点，但是形状自由度是传统粉末冶金所不能达到。

（2）传统的精密铸造工艺作为一种制作复杂形状产品极有效的技术，近年使用陶心辅助可以完成狭缝、深孔穴的产品，但碍于陶心的强度以及铸液的流动性，该工艺仍有某些技术上的难题。一般而言，此工艺制造大、中型零件较为合适，而小型复杂零件则MIM工艺较为合适，而且精铸工艺材质受到一定。

（3）压铸工艺适用于铝和锌合金等低熔点、铸流性好的材料，而MIM工艺适合各种材质。

（4）精密锻造可以成型复杂零件，但不能成型三维复杂的小型零件，其产品的精度低，产品有局限。

（5）传统机械加工法材料的有效利用率低，且形状的完成受限于设备与刀具，相反，MIM可以有效利用材料，形状自由度不受。

四、粘接剂[6][7][8]

在注射成型工艺中，与粘结剂有关的是前三步工序，即混料、注射及脱粘。对注射成型坯的质量、脱脂及尺寸精度、合金成分等亦有很大的影响。是MIM中的核心技术。当粘结剂与金属粉末混合时，两者的相容性一定要好，才能混合均匀，以利于注射成型。在注射温度下，粘结剂应具有较小的粘度，流动性好，注射时物料能充分填充模腔的各部位，以减少坯件缺陷的产生。一旦注射成型，工件应能迅速固化，以便开模取件。所以要求粘结剂在常温与注射温度下的粘度变化要大。脱粘就是将注射成型坯中的粘结剂组元用物理、化学等方法去除。常用的方法有溶剂萃取、热解脱除和催化脱除。脱粘是注射成型工艺过程中费时最多，也是最难控制的一道工序。

目前MIM所用的粘结剂多为热塑性体系。根据其主要组元的性质，又分为蜡基系、塑基系、水基系和油基系等。其中应用较多的蜡基系的典型配方为:石蜡69%，巴西蜡10%a，聚丙烯20%，硬脂酸1%。国外已有水基系粘结剂问世，水基系粘结剂的主要组分可溶于水，脱粘时用水作溶剂，再辅以热解方法，不但安全方便，而且可使MIM的成本大大降低。水溶性粘接剂配制时不仅要考虑粘接剂各成分粘度对粘接剂的影响，还要考虑各成分含量对粘接剂性能的影响。石蜡基（BJ）体系是应用最广泛的粘结剂。例如：PW-EVA(聚乙烯－醋酸乙烯酯)、PW-PP(聚丙稀)、PW-PE(聚乙烯)、PW-PS(聚苯乙烯)。这种体系采用石蜡作为低熔点组元，利用PP、PS、PE、EVA等作为主体聚合物，具有一些优点，但它们易产生相分离、保形性差。主体聚合物的研究中，单体的选择也很重要，既要考虑单体粘度不能太高，保证流变稳定性好，注射充填模腔好。熔点又不能太低，否则会引起脱脂时保形性差。主体聚合物应该与金属粉末有很强的表面浸润性和界面粘接性能。溶液聚合和悬浮聚合两种聚合方法也有区别。

五、流动分析[9]

注射充模流动是金属注射成型的关键工序，它直接影响到预制件的成型质量。由于缺乏对金属粉末与粘结剂混合的的注射流动规律的认识．所以目前还不能通过合理地设计注射工艺模具来保证预制件的成型质量.

金属注射成型工艺中，按体积比粘接剂约占50％左右，在粘接温度下，粘接剂处于粘流态，并作为金属粉末的载体，决定了注射物料的流变学性质，在注射条件下，石蜡、聚乙烯为非牛顿流体．其流动规律服从指数规律：

---------------------------------------(1)

式中，τ为剪切应力，为流动截面速度梯度，γ为切变速率，k为稠度系数，n为非牛顿指数。

根据表观粘度为剪切应力与切变速率比值的定义．则服从指数流动规律的注射物料表观粘度可由式(1)得出

---------------------------------------------------(2)

根据非牛顿指数n的取值大小．注射物料表现出不同的流变学性质。n=l时．为牛顿流体nl时．为膨胀性液体。由式(2)可知，若注射物料为nl的膨胀性液体．则切变速率增大会导致表观牯度上升．亦即高切变速率作用下．物料充模流动困难。

金属注射成型充模流动时的流速和流量都与物料的流变学性质参数n和k，注射压力，模腔几何尺寸有关。合理地设计和控制这些参数可以获得合理的注射充模流动状态。在n<1时，随着物料的非牛顿指数n的减小，即假塑性液体性质增强，最大流速是逐步趋近于平均流速的。在n>1时，随着物料的非牛顿指数n的增大，即膨胀性液体性质增强，最大流速与平均流速的比值是逐步增大的.

六、研究展望

1．MIM技术走产业化道路

MIM技术实际上是塑料工艺与传统粉末冶金相结合的全新技术，此工艺可以称为高新技术与传统产业的合理嫁接，由于此工艺对小型，精密复杂零件来讲极大地提高了生产效率，降低了成本。有效地利用原材料．无环境污染，已经引起了的高度重视，属国家扶持的高新技术范畴。国际著名公司来我国采购越来越多．无疑中国将成为国际金属零部件加工的集散地，这为MIM产品的出口创汇创造了条件和市场空间。同时随着高新技术的不断发展和未来产品的小型化智能化的发展，必将迎来小型零部件加工快速发展的时期。中国汽车行业的发展和粉末冶金件在汽车零部件上的使用，MIM产品又具有其优良的机械性能，相信MIM产品将在汽车零部市场大显身手。综上所述，MIM技术作为新型制造业中最为活跃的前沿技术，被誉为世界粉末冶金行业开拓性技术，代表着粉末冶金的发展方向，在中国必将迅速发展。

2．发展方向

MIM是一种难成形小型材料制品的成型技术，为新产品开发，新材料研制提供了又一途径，不断开发新的原料粉末的制造方法，新的粘接剂种类、配方及相关的流变学等基础研究，改进工艺流程、降低成本，专用设备的国产化等，是MIM技术发展的方向。

参考文献：

[1] 范国良 金属粉末热流道注射成型技术 模具工业，2005(7)293:37～38

[2] 熊运昌,杨萍,丁文伟 金属粉末注射成型技术及应用 新技术新工艺·热加工技术，2003（3）：34～36

[3]曾凡同，夏风轩，林祥师 金属粉末注射成型工艺 工程塑料应用，1995(23)3:29～32

[4] 陈勇军，左孝青，史庆南，王茗，吴新光  金属粉末增塑挤压与注射成型  云南冶金2003（32）1：42～46

[5] 夏玉海，谭志强，叶健，王晓文，郭忠臣 金属注射成型技术（MIM）及产业化探讨 专论与综述 2003

[6]马洪芳,刘志宝 金属注射成型用水溶性粘结剂的研究 试验与研究228.248

[7] 邓剑如,赵志刚,王建华,李舜蛟 金属注射成形石蜡基粘结剂主体聚合物的研究 粉末冶金技术 2002（20）3：154～157

[8] 邓剑如,李舜蛟,吴永忠,刘斌，王建华  金属注射成型专用粘结剂主体聚合物合成研究 化学工业与工程技术 2002（23）5：1～3

[9]华林，毛华杰，赵仲治 金属注射成型充模流动分析 热加工工艺1999（2）：19～21