金屬注射成型綜述

1、河南工程學院機械工程材料與成形工藝考查課專業(yè)論文金屬注射成型學生姓名： 學 院： 專業(yè)班級： 專業(yè)課程： 任課教師： 201 年 月 日摘要金屬注射成形(Metal Injection Molding,簡稱MIM)是一種從塑料注射成形行業(yè)中引伸出來的新型粉末冶金近凈成形技術,眾所周知,塑料注射成形技術低廉的價格生產各種復雜形狀的制高、耐磨性好的制品，近年來，這一想法已發(fā)展演變?yōu)樽畲笙薅鹊靥岣吖腆w粒子的含量并且在隨后的燒結過程中完全除去粘結劑并使成形坯致密化。這種新的粉末冶金成形方法稱為金屬注射成形。金屬注射成形的基本工藝步驟是：首先是選取符合MIM要求的金屬粉末和粘結劑，然后在一定溫度下采用適

2、當?shù)姆椒▽⒎勰┖驼辰Y劑混合成均勻的喂料，經制粒后在注射成形，獲得的成形坯經過脫脂處理后燒結致密化成為最終成品。關鍵詞： 金屬注射成形 粘結劑 脫脂 燒制一、金屬粉末注射成型的發(fā)展現(xiàn)狀及現(xiàn)狀 1. 國外概況金屬粉末注射成型工藝技術的開拓者是美國的Parmatech公司。該公司的航天燃料專家Wiech博士于1973年發(fā)明了MIM技術。以Riverst和Wiech于70年代發(fā)明的專利為起點，開始了金屬粉末注射成形技術。Parmatech于70年代末注射成型鈮火箭噴嘴獲得MPIF獎。但由于該技術的獨特優(yōu)點和先進性，被美國列為不對外擴散技術加以保密，直到1985年才向全世界公布這一技術，而在這

3、期間美國國內的MIM技術得以成熟并迅速發(fā)展形成產業(yè)化。該項技術向世界披露后得到世界各國政府、學術界、企業(yè)界的廣泛重視，并投入了大量人力物力和財力予以開發(fā)研究。其中日本在研究上十分積極而且表現(xiàn)突出，許多大型株式會社參與了MIM技術的工業(yè)化推展。目前日本有四十余家企業(yè)從事MIM制品的生產，每家公司的利潤都十分可觀。2000年世界粉末冶金會議在日本召開，并專門設立了MIM技術論壇。繼日本快速發(fā)展之后，臺灣、韓國、新加坡、歐洲和南 美的MIM產業(yè)也雨后春筍般的發(fā)展起來，其中德國的BASF公司以其獨特的黏結劑配方成立了專門的MIM產品喂料生產線，在全世界范圍內進行技術輔導和喂料的銷售，獲得了較

4、大的商業(yè)利潤。 德國BASF公司的Bloemacher于90年代初開發(fā)的MIM工藝成為MIM實現(xiàn)產業(yè)化的一個重大突破。它采用聚醛樹脂作為粘結劑,并在酸性氣氛中快速催化脫脂,不僅大大縮短了脫脂時間,而且這種催化脫脂能在低于粘結劑的軟化溫度下進行,避免了液相的生成,有利于控制生坯的變形,保證了燒結后的尺寸精度。同時,由于利用了聚醛樹脂極性連接金屬粉末,故適合于多種粉末的注射。這種工藝不僅大大降低了生產成本,提高了生產率,并且可生產尺寸較大的零件和制品,擴大了MIM的應用范圍,從而使MIM真正成為一種具有競爭力的PM近凈成型技術。 作為該項技術的發(fā)明國美國。MIM技術已經廣泛的應

5、用于航天、摩托車、汽車、醫(yī)療器械、食品機械、計算機、通信設備、五金工具、儀器儀表、鐘表等各個制造行業(yè)，MIM企業(yè)也因此賺了個盆滿缽滿。據(jù)粉末冶金協(xié)會粗略統(tǒng)計和預測，全球MIM產品的銷售量正在以每年30-40的速度遞增。預計到2010年平均年銷售量將超過24億美元。 2國內狀況 中國MIM技術的產業(yè)化發(fā)展只有不到十年的時間，技術的研究始于八十年代末，從事研究開發(fā)的單位不足l0家，雖然黏結劑各有不同，但都取得了可喜的成果，有的已經達到國際先進水平而在MIM技術的應用及產業(yè)化方面與國外相比存在一定的差距。原因有以下幾個方面： (1)中國1956年才開始粉末冶金的發(fā)展，基

6、礎實力薄弱。 (2)機械制造業(yè)與發(fā)達國家相比落后，工程技術人員的開發(fā)能力不足。(3)國內技術人員對MIM技術的認識程度不夠，制約了MIM技術的推廣。金屬粉末射出成形(Metal powder Injection Molding)在中國的發(fā)展可以說受惠于手機產業(yè)的帶動從2009年開始整個行業(yè)便扶搖直上；尤其到了2011年中后更因為受到美商蘋果計算機與韓商三星電子兩家的商品競爭在手持裝置中大量采用MIM零件是過去從未見到的熱潮。 當然其他方面的應用MIM技術和產品更是不惶多讓包含：汽車燃料噴射系統(tǒng)、航空器的偵測系統(tǒng)(高空惡劣環(huán)境偵測如：溫度、高度與

7、空氣氧氣濃度)、樂器零組件、電子用散熱模塊與熱管密封模塊、電子連接器工具機零件、光纖接頭、噴霧嘴、硬式磁盤驅動器零件、藥用容器與裝置、電動手工具零件、泵浦磨耗件、外科醫(yī)療器械及運動器材。這些零件都是MIM逐步拓展的市場。我們可以從臺灣與大陸MIM制造商增加速度來看從2009年不到50家到2013年現(xiàn)在突破100家的速度平均機臺數(shù)量至少為達到12 : 4 = 射出成形機臺數(shù) : 燒結爐線數(shù)甚至要更高的這些驚人的發(fā)展意味著MIM行業(yè)的正在中國快崛起。二、現(xiàn)行國際與國內MIM工藝流程演進 現(xiàn)行中國的MIM行業(yè)受到早期BASF的射料

8、的影響酸脫催化燒結的方式一直難有突破主要在于專用材料的調整性極乎其微這是國際上的主流雖然一致但是缺乏了彈性將導致中國MIM產業(yè)無法創(chuàng)新。 所幸BASF的催化脫黏專利已經到期且BASF愿意在特定合約下提供更低價的原料加上國內中南大學與華南理工的研究突破在網(wǎng)絡上公布了幾篇研究報告以塑基配方(相仿于BASF配方)也漸漸被應用我們可以說目前中國境內的MIM技術應該是世界的前鋒。 同時因為世界工廠的地位MIM產品結合其他手段的二次處理和加工更是大大的向前邁進。這是很有趣的技術整合以MIM制作近凈型(Near net shape)的“精坯“ (Advanc

9、ed sinter part)隨后加以沖壓、切邊、整型、拋光甚至激光蝕刻等等有許多令人驚艷的成績！ 因此我認為中國引領世界MIM技術的潮流成MIM混合式整合技術(Hybrid and integration process with MIM)大大提升金屬零件加工的效率以及節(jié)省大量能源而努力。國內MIM產業(yè)的挑戰(zhàn) 金屬粉末原材料 國產的金屬粉末因為質與量的關系一直沒有辦法突破這必須要結合國內MIM產業(yè)與學校一起合作如何做出質量穩(wěn)定而且是大批量的金屬粉末我想關鍵在于理解MIM用金屬粉末和傳統(tǒng)PM用金

10、屬粉末兩者是截然不同這點必須強調對于粉體科學得研究和開發(fā)還要加油！ 三、3MIM粉末及制粉技術1. 3MIM粉末MIM對原料粉末要求較高,粉末的選擇要有利于混煉、注射成形、脫脂和燒結，而這往往是相互矛盾的，對MIM原料粉末的研究包括：粉末形狀、粒度和粒度組成、比表面等。由于MIM原料粉末要求很細，MIM原料粉末價格一般較高，有的甚至達到傳統(tǒng)PM粉末價格的10倍，這是目前限制MIM技術廣泛應用的一個關鍵因素，目前生產MIM用原料粉末的方法主要有羰基法、超高壓水霧化法、高壓氣體霧化法等。2. 粘結劑粘結劑是MIM技術的核心，在MIM中粘結劑具有增強流動性以適合注射成形和維持坯塊形狀這兩個

11、最基本的職能，此外它還應具有易于脫除、無污染、無毒性、成本合理等特點，為此出現(xiàn)了各種各樣的粘結劑，近年來正逐漸從單憑經驗選擇向根據(jù)對脫脂方法及對粘結劑功能的要求，有針對性地設計粘結劑體系的方向發(fā)展。粘結劑一般是由低分子組元與高分子組元再加上一些必要的添加劑構成。低分子組元粘度低，流動性好，易脫去；高分子組元粘度高，強度高，保持成形坯強度。二者適當比例搭配以獲得高的粉末裝載量，最終得到高精度和高均勻性的產品。通常采用的粘結劑主要有：熱塑性體系（石蠟基、油基和熱塑性聚合物基）、凝膠體系、熱固性體系和水溶性體系。3. 混煉混煉是將金屬粉末與粘結劑混合得到均勻喂料的過程。由于喂料的性質決定了最終注射成

12、形產品的性能，所以混煉這一工藝步驟非常重要。這牽涉到粘結劑和粉末加入的方式和順序、混煉溫度、混煉裝置的特性等多種因素。這一工藝步驟目前一直停留在依靠經驗摸索的水平上，最終評價混煉工藝好壞的一個重要指標就是所得到喂料的均勻和一致性。MIM喂料的混合是在熱效應和剪切力的聯(lián)合作用下完成的?；炝蠝囟炔荒芴?，否則粘結劑可能發(fā)生分解或者由于粘度太低而發(fā)生粉末和粘結劑兩相分離現(xiàn)象，至于剪切力的大小則依混料方式的不同而變化。MIM常用的混料裝置有雙螺旋擠出機、Z形葉輪混料機、單螺旋擠出機、柱塞式擠出機、雙行星混煉機、雙凸輪混料機等，這些混料裝置都適合于制備粘度在1-1000Pa·s 范圍內的混合料

13、?；鞜挼姆椒ㄒ话闶窍燃尤敫呷埸c組元熔化，然后降溫，加入低熔點組元，然后分批加入金屬粉末。這樣能防止低熔點組元的氣化或分解，分批加入金屬粉可防止降溫太快而導致的扭矩急增，減少設備損失。對于不同粒度粉末搭配時的加料方式，日本專利介紹：先將較粗的15-40um水霧化粉加入粘結劑中，然后加入5-15um粉，最后加入粉度5um粉，這樣得到的最終產品的收縮變化很少。為了在粉末周圍均勻涂覆一層粘結劑，還可將金屬粉末直接加入到高熔點組元中，再加入低熔點組分，最后去除空氣即可。如Anwar將PMIMA懸浮液直接加入到不銹鋼粉中混合，然后將PEG水溶液加進去，干燥，然后邊攪邊除去空氣。O'connor采用

14、溶劑混合，先將SA與粉干混再加入四氫呋喃溶劑，然后加入聚合物，四氫呋喃在受熱中逸去后，再加入粉末混合，可得到均勻的喂料。4. 注射成形注射成形的目的是獲得所需形狀的無缺陷、顆粒均勻排由的MIM成形坯體。如圖1所示，首先將粒狀喂料加熱至一定高的溫度使之具有流動性，然后將其注入模腔中冷卻下來得到所需形狀的具有一定剛性的坯體，然后將其從模具中取出得到MIM成形坯。這個過程同傳統(tǒng)塑料注射成形過程一致，但由于MIM喂料高的粉末含量，使得其注射成形過程在工藝參數(shù)上及其它一些方面存在很大差別，控制不當則易產生各種缺陷。MIM產品可能的缺陷大部分是在注射成形步驟中形成，如裂紋、孔隙、焊縫、分層、粉末與粘結劑分

15、離現(xiàn)象等。但這些缺陷經常是直至脫脂和燒結后由于注射時產生的應力被釋放后才能發(fā)現(xiàn)，因此，注射成形工藝的控制對提高產品成品率和材料利用率非常關鍵。注射成形時缺陷控制問題基本可以分為二個方面，一是成形溫度、壓力、時間三者函數(shù)關系設定，另一方面則是填充時喂料在模腔中的流動就牽涉到模具設計的問題，包括在進料口的位置、流道的長短、排氣孔的設置等，這些都需要對喂料流變性質、模腔內溫度和殘余應力分布清楚的了解。計算機模擬技術在金屬粉末注射成形模具設計方面將可發(fā)揮重要的作用。5. 脫脂從MIM技術產生以來，隨著粘結劑體系的不同，形成了多種MIM工藝路徑，脫脂方法也多種多樣。脫脂時間由最初的幾天縮短以了現(xiàn)在的幾小

16、時。從脫脂步驟上可以粗略地將所有的脫脂方法分為兩大類：一類是二步脫脂法。二步脫脂法包括溶劑脫脂+熱脫脂，虹吸脫脂熱脫脂等。一步脫脂法主要是一步熱脫脂法，目前最先進的是amaetamold法。下面分別介紹幾種有代表性的MIM脫脂方法。6. 燒結燒結是 MIM工藝中的最后一步工序，燒結消除了粉末顆粒之間的孔隙使得 MIM產品達到全致密或接近全致密化。金屬注射成形技術中由于采用大量的粘結劑，所以燒結時收縮非常大，其線收縮率一般達到1325，這樣就存在一個變形控制和尺寸精度控制的問題。尤其是因為MIM產品大多數(shù)是復雜形狀的異形件，這個問題顯得越發(fā)突出，均勻的喂料對于最終燒結產品的尺寸精度和變形控制是一

17、個關鍵因素。高的粉末搖實密度可以減小燒結收縮，也有利于燒結過程的進行和尺寸精度控制。對于鐵基和不銹鋼等制品，燒結中還有一個碳勢控制問題。由于目前細粉末價格較高，研究粗粉末坯塊的強化燒結技術是降低粉末注射成形生產成本的重要途徑，該技術是目前金屬粉末注射成形研究的一個重要研究方面。MIM產品由于形狀復雜，燒結收縮大，大部分產品燒結完成后仍需進行燒結后處理，包括整形、熱處理（滲碳、滲氮、碳一氮共滲等），表面處理（精磨、離子氮化、電鍍、噴丸硬化等）等。 金屬注射成形技術在制備具有復雜幾何形狀、均勻組織結構和高性能的高精度近凈形產品方面具有獨特的優(yōu)勢。凡可以制成粉末的任何金屬或合金均可用此方法制造零件。

18、此外,該技術可以完全實現(xiàn)自動化連續(xù) 作業(yè),生產效率高。 MIM工藝發(fā)展的主要影響因素是MIM粉末的生產方法和MIM工藝的發(fā)展。金屬注射成形作為一種新型的金屬零部件近凈形成形技術,近年來得到了飛速的發(fā)展,其特點是:一方面,新的制粉方法、新的粘結劑體系、新的工藝不斷涌現(xiàn),另一方面,該技術產業(yè)化過程極其迅速,全球MIM產品的銷售量年增長率一直保持在20%40%。今后,MIM技術研究和發(fā)展的主要方向是:(1)開發(fā)高效、低成本的適合MIM工藝的金屬粉末生產技術;(2)建立粘結劑設計基本原理和數(shù)據(jù)庫,研究開發(fā)環(huán)境適應性更好、工藝性更好的新型粘結劑體系;(3)建立注射成形過程流動和充模過程計算機模擬與仿真技

19、術,為模具和模架設計奠定理論基礎;四、金屬注射成形技術的發(fā)展方向 近年來金屬注射成形技術主要朝兩個方向發(fā)展：適用材料體系的擴展，滿足獨特的粘結劑及脫脂技術而開發(fā)的高可靠性生產裝備。表現(xiàn)為如下幾個特點： 、 材料體系的多方向拓展。注射成形技術是比較理想的、能夠經濟地成形、接近最終需要形狀，燒結后需少量或不需要后續(xù)加工的近凈成形技術，這在精密陶瓷化的工業(yè)化生產應用中變得愈來愈重要。在精密陶瓷的生產方面主要應用到碳化物、金屬陶瓷、無機非金屬陶瓷、氧化物陶瓷、金屬間化合物等方面。以氧化鋯陶瓷光纖插針為例，采用注射成形技術制備生坯可以大大縮短后續(xù)加工時間。由于在模腔中成形的毛坯已帶有一定精度的通孔，后續(xù)

20、的研磨工藝減少到擠壓成形的三分之一到四分之一，從而使生產效率提高，生產成本大幅度降低。 、粘結劑多樣化及脫脂技術的多途徑化。以醋酸纖維脂、聚乙二醇聚合物、丙烯酸聚合物、瓊脂為基體的諸多粘結劑體系得到進一步的發(fā)展應用。計算機輔助控制熱脫脂技術、溶劑脫脂技術、催化脫脂技術，以及冷凍干燥技術、微波輔助干燥技術都被用于粘結劑的脫脂研究。而這些技術的成功應用，一方面極大地縮短了脫脂時間（從數(shù)天到幾小時），另一方面也實現(xiàn)了對脫脂過程中容易產生易揮發(fā)產物的聚合物分解副反應的控制，從而更有效地消除了脫脂過程中缺陷的形成。、更先進、控制更精確的裝備。以計算機精密控制注射成形機及相關在線質量監(jiān)測控制系統(tǒng)的研究和計算機輔助脫脂關鍵裝備技術的開發(fā)是目前及今后關注的重點方向。成形設備如粉末同步注射成形機，利用控制協(xié)調的雙筒注射機生產復合材料零部件。 可以預見，隨著人們對金屬注射成形的進一步研究、開發(fā)和應用，技術將在不遠的將來真正成為一種可以與機加工、精密鑄造、壓制燒結工藝平行發(fā)展的一種具有吸引力的近凈成形技術，會被越來越多的零件設計人員所了解和接受，滿足國家通迅、機械、醫(yī)療、航空航天等行業(yè)等領域對高性能異形關鍵零部件的需求，將我