金屬粉末注射成型工藝講解

1、新疆農(nóng)業(yè)大學機械交通學院2015-2016 學年一學期 金屬工藝學課程論文2015 年 12 月班級 機制 136學號 220150038 姓名 侯文娜開課學院機械交通學院任課教師高澤斌成績 1. 論文題目：金屬粉末注射成型工藝概論論文要求：1 、根據(jù)所選擇題目，選擇一個點展開分析和討論，包括基本原理、可能存在的缺點和改善措施、可能的應用前景等。2、可以使用文字敘述，也可以列出表格或者圖像表達。3、要求有基本的結(jié)論。4、論文結(jié)構(gòu)包括：題目，摘要，關鍵詞，前言（引言），主題，結(jié)論，參考文獻等。5、自己組織語言表述自己的觀點，切不可人云亦云、抄襲現(xiàn)有文獻資料； 課程論文內(nèi)容要體現(xiàn)出學生的獨立思考能

2、力和一定的創(chuàng)新性。6、 字數(shù) 3000-5000字，主要文獻10-20 篇。教師評語：教師簽字：年月日金屬粉末注射成型工藝概論作者：侯文娜指導老師: 高澤斌摘要 ： 金屬注射成形時一種從塑料注射成形行業(yè)中引申出來的新型粉末冶金近凈成型技術(shù)，這種新的粉末冶金成型方法稱作金屬注射成型。關鍵詞：金屬粉末注射成型一： 金屬粉末注射成型的概念和原理、粉末冶金不僅是一種材料制造技術(shù)，而且其本身包含著材料的加工和處理， 它以少無切削的特點越來越受到重視，并逐步形成了自身的材料制備工藝理論和材料性能理論的完整體系?，F(xiàn)代粉末冶金技術(shù)不僅保持和大大發(fā)展了其原有的傳統(tǒng)特點（如少無切削、少無偏析、均勻細晶、低耗、節(jié)能

3、、節(jié)材、金屬非金屬及金屬高分子復合等）， 而且已發(fā)展成為支取各種高性能結(jié)構(gòu)材料、特種功能材料和極限條件工作材料、各種形狀復異型件的有效途徑。近年來， 粉末冶金技術(shù)最引人注目的發(fā)展，莫過于粉末注射成型（MIN）迅速實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，并取得突破性進展。金屬注射成型（Metal injection Molding ），簡稱MIM，是傳統(tǒng)的粉末冶金工藝與塑料成型工藝相結(jié)合的新工藝，是集塑料成型工藝學、高分子化學、粉末冶金工藝學和金屬材料學等多學科交叉的產(chǎn)物，是粉末冶金和精密陶瓷成型加工領域中的新技術(shù)，利用磨具可注射成型，快速制造高密度、高精度、復雜形狀的結(jié)構(gòu)零件，能夠快速準確的將設計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ńY(jié)構(gòu)、

4、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。其注射機理為：通過注射將金屬粉末與粘結(jié)劑的混合物以一定的溫度，速度和壓力注入充滿模腔，經(jīng)冷卻定型出模得到一定形狀、尺寸的預制件，再脫出預制件中的粘結(jié)劑并進行燒結(jié)，可得到具有一定機械性能的制件。其成型工藝工藝流程如下：金屬粉末，有機粘接劑混料成型脫脂燒結(jié)后處理成品。二：金屬粉末注射成型工藝流程金屬粉末的選擇：首先根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)要求和使用條件選擇粉末的種類，然后決定粉末顆粒尺寸。金屬粉末注射成型所用的粉末顆粒尺寸一般在0.5-20 m；從理論上講，粉末顆粒越細，比表面積也越大，顆粒之間的內(nèi)聚力也越大， 易于成型和燒結(jié)。而傳統(tǒng)的粉末

5、冶金工藝則采用大于40 m的較粗粉末。粉末的選擇要有利于混煉、注射形成、脫脂和燒結(jié)，而這往往是互相矛盾的，對于MIM的原料粉末要求很細，MIM原料粉末價格一般較高，有的升值達到傳統(tǒng)PM粉末價格的10 倍，這是目前限制MIM技術(shù)廣泛應用的一個關鍵因素，目前生產(chǎn)MIM用原料粉末的方法主要有超高壓水霧化法、高壓氣體霧化法等。粘接劑；粘接劑是MIM技術(shù)的核心，在MIM中粘接劑具有增強流動性以合適注射成形和位置坯塊形狀這兩個最基本的職能，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)了各種各樣的粘接劑，近年來整逐漸從單憑經(jīng)驗選擇向根據(jù)對脫脂方法及對粘接劑功能的要求，有針對性地設計粘接劑

6、體系的發(fā)展方向。粘接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(gòu)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， 保持成型坯強度。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(chǎn)品。通常采用的粘接劑組要有：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?；鞜?；混煉是將金屬粉末與粘結(jié)劑混合得到均勻喂料的過程。由于喂料的性質(zhì)決定了最終注射成形產(chǎn)品的性能，所以混煉這一工藝步驟非常重要。這牽涉 粘結(jié)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。這一工藝步驟目前已知停留在依靠經(jīng)驗摸索的水平上，最終評價混煉工藝

7、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。混料溫度不能太高，否則粘結(jié)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(jié)劑兩相分離現(xiàn)象，至于剪切力的大小則依據(jù)混料方式的不用而變化。MIM常用的混料裝置有雙螺旋擠出機、Z形葉輪混料機、單螺旋槳擠出機、柱塞式擠出機、雙行星婚戀及、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(nèi)的混合料?；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。這樣能防止低溶點組元的氣化或者分解，分批加入金屬粉可防止降溫太快而導致的扭矩激增，減少設備損失。對于

8、不同粒度粉末搭配時的加料方式，日本專利介紹：現(xiàn)將較粗的15-40 m水霧化粉加入粘結(jié)劑中，然后加入5-15 m粉，最后加入粉度 5 m粉。這樣得到的最終產(chǎn)品的收縮變化很少為了在粉末周圍均勻涂覆一層粘接劑， 還可以將金屬粉末直接加入高熔點組元中，再加入低熔點組元，最后去除空氣即可。如 Anwar將 PMIMA懸浮液直接加入到不銹鋼粉末中混合，然后 PEG水溶液加進去，干燥，然后邊攪邊去除空氣。Oconnor采用溶劑混合先將SA與粉干混合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。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 MI

9、M成形坯體。如圖所示，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，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)上及其他一些方面存在很大差別，控制不得當則易產(chǎn)生各種缺陷。MIM產(chǎn)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、 粉末與粘接劑分離現(xiàn)象等。但這些缺陷經(jīng)常是直至脫脂和燒結(jié)后由于注射時產(chǎn)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產(chǎn)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，一個是成形溫度、 壓力、 時間三者

10、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扯到模具設計的問題，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(zhì)、模腔內(nèi)溫度和殘余應力分布清楚的了解。計算機模擬技術(shù)在金屬粉末注射成形磨具設計方面將可發(fā)揮重要的作用。脫脂：成型坯在燒結(jié)前必須去除體內(nèi)所含有的粘結(jié)劑，該過程稱為脫脂。 脫脂工藝必須保證粘結(jié)劑從坯塊的不同部位沿著顆粒之間的微小通道逐漸地排除， 而不損壞成型坯的高強度。粘結(jié)劑的排除速率一般遵循一個擴散方程。如果粘結(jié)劑的排除速率過快，就會導致成型坯起泡、裂紋等缺陷。所以顆粒系統(tǒng)的粘結(jié)能必須大于粘結(jié)劑去除過程的破裂能。燒結(jié)：燒結(jié)是MIM工藝中的最后一步工序

11、，燒結(jié)消除了粉末顆粒之間的空隙， 使得MIM產(chǎn)品達到全致密或接近全致密化。金屬注射成型技術(shù)中由于采用大量的粘接劑，所以燒結(jié)時收縮非常大，其線收縮率一般達到13%-25%，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(chǎn)品大多數(shù)是復雜形狀的異型件，這個問題顯得越發(fā)突出，均勻的喂料對于最終燒結(jié)產(chǎn)品的尺寸進度和變形控制是一個關鍵因素。高的粉末搖實密度可以減小燒結(jié)收縮，也有利于燒結(jié)過程的進行和尺寸精度控制。對于鐵基和不銹鋼制品，燒結(jié)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(jié)技術(shù)是降低粉末注射成型生產(chǎn)成本的重要途徑，該技術(shù)是目前金屬粉末注射成型研究的一個重要研

12、究方面。MIM產(chǎn)品由于形狀復雜，燒結(jié)收縮大，部分產(chǎn)品燒結(jié)完成后仍需燒結(jié)后處理，包括整形、熱處理（滲碳、滲氮、碳- 氮共滲等）便面處理（精磨、列子氮化、電鍍、噴丸硬化等）。三：工藝特點自身特點：（ 1）；零部件幾何形狀的自由度高、制件各部分密度均勻、尺寸精度高，適用于制造集合父愛、精度及具有特殊要求的小型零件。（0.2g-200g ）（ 2）：合金化靈活性好，對于過硬、過脆、難以切削的材料或原料鑄造時有偏析或污染的零件，可降低制造成本。（ 3）：產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、性能可靠，制作的相對密度可達95%-98%，可進行滲碳、淬火、回火等處理。（ 4）：加工零件的典型公差為0.06mm/mm；批內(nèi)公差可達0

13、.04mm/mm：二次加工可達0.02mm/mm。（ 5）：制造工藝簡單、身纏效率高，易于實現(xiàn)大批量、規(guī)?；a(chǎn)。與其他加工工藝比：； MIM使用的原料粉末粒度直徑為0.5-20 m，傳統(tǒng)粉末冶金的原材料粉末粒度為50-100 m。 MIM工藝的成品密度高，原因是使用微細粉末。MIM工藝具有傳統(tǒng)粉末冶金工藝的優(yōu)點，但形狀自由度是傳統(tǒng)粉末冶金所不能達到的。2）；出啊弄的精密鑄造工藝作為一種制作復雜形狀產(chǎn)品及有效的技術(shù)，近年使用陶心輔助可以完成狹縫、深孔穴的產(chǎn)品，但礙于陶心的強度以及鑄液的流動性限制，該工藝仍有某些技術(shù)上的難題。一般而言，此工藝制造大、中型零件較為合適，而且精鑄工藝材質(zhì)受到一定限制

14、。3）；壓鑄工藝適用于鋁和鋅合金等低溶點、鑄流性好的材料，而MIM工藝合適各種材質(zhì)。4）；精密鍛造可以成型復雜零件，但不能成型三維復雜的小型零件，其產(chǎn)品的精度低，產(chǎn)品有局限。5）；傳統(tǒng)機械加工法材料的有效利用率低，且形狀的完成受限于設備與刀具，相反，MIM可以有效利用材料，形狀自由度不受限制。；國外概況：金屬粉末注射成型工藝技術(shù)的開拓是美國的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(shù)。以Riverst和 Wiech與 70年代發(fā)明的專利為起點，開始了金屬粉末注射成型技術(shù)。Parmatech于 70年代末注射成型鈮火箭噴嘴獲得MPIF獎。但由于該技

15、術(shù)的獨特優(yōu)點和先進，被美國結(jié)尾不對外擴散技術(shù)加以保密，知道1985年才向權(quán)直接公布這一技術(shù)，而這期間美國國內(nèi)的MIM技術(shù)得以成熟并迅速發(fā)展成產(chǎn)業(yè)化。該項技術(shù)向世界紕漏后得到世界各國政府、學術(shù)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(shù)的工業(yè)化推展。目前日本有四十余家企業(yè)從事MIM制品生產(chǎn)，每家公司的利潤都十分可觀。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(chǎn)業(yè)化的一個重大的突破。它采用聚醛樹脂作為粘結(jié)劑，并在酸性氣氛中快速催化脫脂，不行大大縮短了脫脂時間，而且這

16、種催化脫脂能在低于粘結(jié)劑的軟化溫度下進行，避免液相的生成，有利于控制生坯的變形，保證了燒結(jié)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(chǎn)成本。提高了生產(chǎn)率，并且可生產(chǎn)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(shù)。作為該項目技術(shù)的發(fā)明國美國。MIM技術(shù)已經(jīng)廣泛的應用于航天、摩托車、汽車、醫(yī)療器械、食品器械、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)也因此轉(zhuǎn)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(chǎn)品的銷量正在以每年30%-40%的速度遞增。；

17、國內(nèi)狀況；中國MIM技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展始于八十年代末，從事研究開發(fā)的單位不足10 家，雖然粘結(jié)劑各有不同，但都取得了可喜的成果，有的已經(jīng)達到了國際先進水平。而在MIM技術(shù)的應用及產(chǎn)業(yè)化方面與國外相比存在一定的差距。 金屬粉末射出成形在中國的發(fā)展，可以說受惠于手機產(chǎn)業(yè)的帶動，從 2009年開始整個行業(yè)便扶搖直上，尤其帶了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(shù)和產(chǎn)品更是不遑多讓，包含；汽車燃料噴射系統(tǒng)、航空器的偵測系統(tǒng)（高空惡略環(huán)境偵測如；溫度、高度與空氣氧氣濃度）、樂器零組件、電

18、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(qū)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)療器械與運動器材、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 逐步拓展的市場。我們可以從臺灣與大陸的MIM制造商增加速度來看，從2009年不到50家，到 2013年，在突破100家的速度， 平均機臺數(shù)量至少達到12:4=射出成形機臺數(shù)：燒結(jié)爐線數(shù)，甚至更高的，這些驚人的發(fā)展以為著MIM行業(yè)的正在中國快速崛起。4.3； 現(xiàn)行國際與國內(nèi)MIM工藝流程演進；現(xiàn)行中國的MIM行業(yè)受到早起B(yǎng)ASF的射料影響，酸脫催化燒結(jié)的方式一致難有突破。主要在于

19、專用材料的調(diào)整性幾乎其微， 這是國際上的主流雖然一致，但缺乏了彈性將導致中國MIM產(chǎn)業(yè)無法創(chuàng)興。索性BASF的催化拖粘專利已經(jīng)到期，BASF愿意在特定合約下提供更低價格的原料，加上國內(nèi)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(nèi)的MIM技術(shù)應該是世界的前鋒。同時，因為世界工廠的地位，MIM產(chǎn)品結(jié)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(shù)整合，以MIM制作近凈型的精坯，隨后加以沖壓、切邊、整形、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(shù)的潮流，成為MIM混合

20、式整合技術(shù)，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。五；金屬注射成形作為一種新型的金屬部件近凈形成技術(shù)，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(jié)劑體系、新的工業(yè)不斷涌現(xiàn)， 另一方面，該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化過程及其迅速，全球 MIM產(chǎn)品的銷售量年增長率一致保持在20%-40%。今后，MIM技術(shù)研究和發(fā)展的主要方向（ 1）；開發(fā)高效、低成本的適合MIM工藝的金屬粉末生產(chǎn)技術(shù)；（ 2）；簡歷粘結(jié)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(jié)劑體系；（ 3）；簡歷注射成型過程流動和充模過程計算機模擬與仿真技術(shù)，為模具和模架設計奠定理論基礎六、金屬注射成形

21、技術(shù)的發(fā)展方向近年來金屬注射成形技術(shù)主要朝兩個方向發(fā)展； 使用材料體系的發(fā)展，滿足獨特的粘結(jié)劑及脫脂技術(shù)而開發(fā)的高可靠性生產(chǎn)裝備。表現(xiàn)為如下幾個特點：（ 1）材料體系的多方向拓展。注射成型技術(shù)是比較理想的、能夠經(jīng)濟地成形、 接近最終需要形狀，燒結(jié)后需少量或不需要后續(xù)加工的近凈成形技術(shù)，這在精密陶瓷化的工業(yè)化生產(chǎn)應用中間的愈來愈重要。在精密陶瓷的生產(chǎn)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(shù)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經(jīng)帶有一定精度的通孔，后續(xù)的研磨工藝減少到擠壓成形的三分之一到四分之

22、一，從而使生產(chǎn)效率提高，生產(chǎn)成本大幅度降低。（ 2）粘結(jié)劑多樣化及脫脂技術(shù)的多途徑化。以醋酸纖維脂、聚乙二醇聚合計算物、 丙烯酸聚合物、瓊脂為基體的諸多粘結(jié)劑體系得到進一步的發(fā)展應用。 機輔助控制熱脫脂技術(shù)、溶劑脫脂技術(shù)、催化脫脂技術(shù)，以及冷凍干燥技術(shù)、微波輔助干燥技術(shù)都被用于粘結(jié)劑的脫脂研究。而這些技術(shù)的成功應用，一方面極大的縮短了脫脂時間（從數(shù)天到幾個小時）, 另一方面也實現(xiàn)了對脫脂過程中容易產(chǎn)生易揮發(fā)產(chǎn)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。（ 3）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(zhì)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(shù)的開發(fā)是目前及今后關注的重點方向。成型設備如粉末同步注射成形機，利用控制協(xié)調(diào)的雙筒注射劑生產(chǎn)復合材料零部件?？梢灶A見，隨著人們對金屬注射成形的進一步研究、開發(fā)和應用，MIM技術(shù)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(jié)工藝平行發(fā)展的一種具有吸引力的近凈成型技術(shù)，會被越來越多的零件設計人員所了解和接受，滿足國家通訊、器械、醫(yī)療、航空航天等行業(yè)等領域?qū)Ω咝阅墚愋完P鍵部件的需求將我國的零部件加工制造業(yè)提高到一個嶄