金屬注射成型綜述

1、河南工程學(xué)院機(jī)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(xué)生姓名： 學(xué) 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(shù),眾所周知,塑料注射成形技術(shù)低廉的價(jià)格生產(chǎn)各種復(fù)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(jié)過程中完全除去粘結(jié)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(jié)劑，然后在一定溫度下采用適

2、當(dāng)?shù)姆椒▽⒎勰┖驼辰Y(jié)劑混合成均勻的喂料，經(jīng)制粒后在注射成形，獲得的成形坯經(jīng)過脫脂處理后燒結(jié)致密化成為最終成品。關(guān)鍵詞： 金屬注射成形 粘結(jié)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(shù)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(shù)。以Riverst和Wiech于70年代發(fā)明的專利為起點(diǎn)，開始了金屬粉末注射成形技術(shù)。Parmatech于70年代末注射成型鈮火箭噴嘴獲得MPIF獎(jiǎng)。但由于該技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)和先進(jìn)性，被美國列為不對外擴(kuò)散技術(shù)加以保密，直到1985年才向全世界公布這一技術(shù)，而在這

3、期間美國國內(nèi)的MIM技術(shù)得以成熟并迅速發(fā)展形成產(chǎn)業(yè)化。該項(xiàng)技術(shù)向世界披露后得到世界各國政府、學(xué)術(shù)界、企業(yè)界的廣泛重視，并投入了大量人力物力和財(cái)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(huì)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制品的生產(chǎn)，每家公司的利潤都十分可觀。2000年世界粉末冶金會(huì)議在日本召開，并專門設(shè)立了MIM技術(shù)論壇。繼日本快速發(fā)展之后，臺(tái)灣、韓國、新加坡、歐洲和南 美的MIM產(chǎn)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(dú)特的黏結(jié)劑配方成立了專門的MIM產(chǎn)品喂料生產(chǎn)線，在全世界范圍內(nèi)進(jìn)行技術(shù)輔導(dǎo)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的一個(gè)重大突破。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,不僅大大縮短了脫脂時(shí)間,而且這種催化脫脂能在低于粘結(jié)劑的軟化溫度下進(jìn)行,避免了液相的生成,有利于控制生坯的變形,保證了燒結(jié)后的尺寸精度。同時(shí),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(kuò)大了MIM的應(yīng)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(xiàng)技術(shù)的發(fā)明國美國。MIM技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)

5、用于航天、摩托車、汽車、醫(yī)療器械、食品機(jī)械、計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、五金工具、儀器儀表、鐘表等各個(gè)制造行業(yè)，MIM企業(yè)也因此賺了個(gè)盆滿缽滿。據(jù)粉末冶金協(xié)會(huì)粗略統(tǒng)計(jì)和預(yù)測，全球MIM產(chǎn)品的銷售量正在以每年30-40的速度遞增。預(yù)計(jì)到2010年平均年銷售量將超過24億美元。 2國內(nèi)狀況 中國MIM技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展只有不到十年的時(shí)間，技術(shù)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(jié)劑各有不同，但都取得了可喜的成果，有的已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平而在MIM技術(shù)的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化方面與國外相比存在一定的差距。原因有以下幾個(gè)方面： (1)中國1956年才開始粉末冶金的發(fā)展，基

6、礎(chǔ)實(shí)力薄弱。 (2)機(jī)械制造業(yè)與發(fā)達(dá)國家相比落后，工程技術(shù)人員的開發(fā)能力不足。(3)國內(nèi)技術(shù)人員對MIM技術(shù)的認(rèn)識程度不夠，制約了MIM技術(shù)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(jī)產(chǎn)業(yè)的帶動(dòng)從2009年開始整個(gè)行業(yè)便扶搖直上；尤其到了2011年中后更因?yàn)槭艿矫郎烫O果計(jì)算機(jī)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(dāng)然其他方面的應(yīng)用MIM技術(shù)和產(chǎn)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(jī)零件、光纖接頭、噴霧嘴、硬式磁盤驅(qū)動(dòng)器零件、藥用容器與裝置、電動(dòng)手工具零件、泵浦磨耗件、外科醫(yī)療器械及運(yùn)動(dòng)器材。這些零件都是MIM逐步拓展的市場。我們可以從臺(tái)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(jī)臺(tái)數(shù)量至少為達(dá)到12 : 4 = 射出成形機(jī)臺(tái)數(shù) : 燒結(jié)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(nèi)MIM工藝流程演進(jìn) 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(jié)的方式一直難有突破主要在于專用材料的調(diào)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(dǎo)致中國MIM產(chǎn)業(yè)無法創(chuàng)新。 所幸BASF的催化脫黏專利已經(jīng)到期且BASF愿意在特定合約下提供更低價(jià)的原料加上國內(nèi)中南大學(xué)與華南理工的研究突破在網(wǎng)絡(luò)上公布了幾篇研究報(bào)告以塑基配方(相仿于BASF配方)也漸漸被應(yīng)用我們可以說目前中國境內(nèi)的MIM技術(shù)應(yīng)該是世界的前鋒。 同時(shí)因?yàn)槭澜绻S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(jìn)。這是很有趣的技術(shù)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(rèn)為中國引領(lǐng)世界MIM技術(shù)的潮流成MIM混合式整合技術(shù)(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(nèi)MIM產(chǎn)業(yè)的挑戰(zhàn) 金屬粉末原材料 國產(chǎn)的金屬粉末因?yàn)橘|(zhì)與量的關(guān)系一直沒有辦法突破這必須要結(jié)合國內(nèi)MIM產(chǎn)業(yè)與學(xué)校一起合作如何做出質(zhì)量穩(wěn)定而且是大批量的金屬粉末我想關(guān)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(diǎn)必須強(qiáng)調(diào)對于粉體科學(xué)得研究和開發(fā)還要加油！ 三、3MIM粉末及制粉技術(shù)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(jié)，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(xì)，MIM原料粉末價(jià)格一般較高，有的甚至達(dá)到傳統(tǒng)PM粉末價(jià)格的10倍，這是目前限制MIM技術(shù)廣泛應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵因素，目前生產(chǎn)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(jié)劑粘結(jié)劑是MIM技術(shù)的核心，在MIM中粘結(jié)劑具有增強(qiáng)流動(dòng)性以適合注射成形和維持坯塊形狀這兩個(gè)

11、最基本的職能，此外它還應(yīng)具有易于脫除、無污染、無毒性、成本合理等特點(diǎn)，為此出現(xiàn)了各種各樣的粘結(jié)劑，近年來正逐漸從單憑經(jīng)驗(yàn)選擇向根據(jù)對脫脂方法及對粘結(jié)劑功能的要求，有針對性地設(shè)計(jì)粘結(jié)劑體系的方向發(fā)展。粘結(jié)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(dòng)性好，易脫去；高分子組元粘度高，強(qiáng)度高，保持成形坯強(qiáng)度。二者適當(dāng)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。通常采用的粘結(jié)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(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

12、形產(chǎn)品的性能，所以混煉這一工藝步驟非常重要。這牽涉到粘結(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。這一工藝步驟目前一直停留在依靠經(jīng)驗(yàn)摸索的水平上，最終評價(jià)混煉工藝好壞的一個(gè)重要指標(biāo)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(yīng)和剪切力的聯(lián)合作用下完成的?；炝蠝囟炔荒芴撸駝t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(jī)、Z形葉輪混料機(jī)、單螺旋擠出機(jī)、柱塞式擠出機(jī)、雙行星混煉機(jī)、雙凸輪混料機(jī)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

13、?；鞜挼姆椒ㄒ话闶窍燃尤敫呷埸c(diǎn)組元熔化，然后降溫，加入低熔點(diǎn)組元，然后分批加入金屬粉末。這樣能防止低熔點(diǎn)組元的氣化或分解，分批加入金屬粉可防止降溫太快而導(dǎo)致的扭矩急增，減少設(shè)備損失。對于不同粒度粉末搭配時(shí)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(jié)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(chǎn)品的收縮變化很少。為了在粉末周圍均勻涂覆一層粘結(jié)劑，還可將金屬粉末直接加入到高熔點(diǎn)組元中，再加入低熔點(diǎn)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(jìn)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(dòng)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(gè)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(dāng)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、粉末與粘結(jié)劑分

15、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(shí)產(chǎn)生的應(yīng)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(chǎn)品成品率和材料利用率非常關(guān)鍵。注射成形時(shí)缺陷控制問題基本可以分為二個(gè)方面，一是成形溫度、壓力、時(shí)間三者函數(shù)關(guān)系設(shè)定，另一方面則是填充時(shí)喂料在模腔中的流動(dòng)就牽涉到模具設(shè)計(jì)的問題，包括在進(jìn)料口的位置、流道的長短、排氣孔的設(shè)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(yīng)力分布清楚的了解。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在金屬粉末注射成形模具設(shè)計(jì)方面將可發(fā)揮重要的作用。5. 脫脂從MIM技術(shù)產(chǎn)生以來，隨著粘結(jié)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(shí)間由最初的幾天縮短以了現(xiàn)在的幾小

16、時(shí)。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(jìn)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(jié)燒結(jié)是 MIM工藝中的最后一步工序，燒結(jié)消除了粉末顆粒之間的孔隙使得 MIM產(chǎn)品達(dá)到全致密或接近全致密化。金屬注射成形技術(shù)中由于采用大量的粘結(jié)劑，所以燒結(jié)時(shí)收縮非常大，其線收縮率一般達(dá)到1325，這樣就存在一個(gè)變形控制和尺寸精度控制的問題。尤其是因?yàn)镸IM產(chǎn)品大多數(shù)是復(fù)雜形狀的異形件，這個(gè)問題顯得越發(fā)突出，均勻的喂料對于最終燒結(jié)產(chǎn)品的尺寸精度和變形控制是一

17、個(gè)關(guān)鍵因素。高的粉末搖實(shí)密度可以減小燒結(jié)收縮，也有利于燒結(jié)過程的進(jìn)行和尺寸精度控制。對于鐵基和不銹鋼等制品，燒結(jié)中還有一個(gè)碳勢控制問題。由于目前細(xì)粉末價(jià)格較高，研究粗粉末坯塊的強(qiáng)化燒結(jié)技術(shù)是降低粉末注射成形生產(chǎn)成本的重要途徑，該技術(shù)是目前金屬粉末注射成形研究的一個(gè)重要研究方面。MIM產(chǎn)品由于形狀復(fù)雜，燒結(jié)收縮大，大部分產(chǎn)品燒結(jié)完成后仍需進(jìn)行燒結(jié)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(shù)在制備具有復(fù)雜幾何形狀、均勻組織結(jié)構(gòu)和高性能的高精度近凈形產(chǎn)品方面具有獨(dú)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(shù)可以完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù) 作業(yè),生產(chǎn)效率高。 MIM工藝發(fā)展的主要影響因素是MIM粉末的生產(chǎn)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(shù),近年來得到了飛速的發(fā)展,其特點(diǎn)是:一方面,新的制粉方法、新的粘結(jié)劑體系、新的工藝不斷涌現(xiàn),另一方面,該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化過程極其迅速,全球MIM產(chǎn)品的銷售量年增長率一直保持在20%40%。今后,MIM技術(shù)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(chǎn)技術(shù);(2)建立粘結(jié)劑設(shè)計(jì)基本原理和數(shù)據(jù)庫,研究開發(fā)環(huán)境適應(yīng)性更好、工藝性更好的新型粘結(jié)劑體系;(3)建立注射成形過程流動(dòng)和充模過程計(jì)算機(jī)模擬與仿真技

19、術(shù),為模具和模架設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ);四、金屬注射成形技術(shù)的發(fā)展方向 近年來金屬注射成形技術(shù)主要朝兩個(gè)方向發(fā)展：適用材料體系的擴(kuò)展，滿足獨(dú)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(gè)特點(diǎn)： 、 材料體系的多方向拓展。注射成形技術(shù)是比較理想的、能夠經(jīng)濟(jì)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(yīng)用中變得愈來愈重要。在精密陶瓷的生產(chǎn)方面主要應(yīng)用到碳化物、金屬陶瓷、無機(jī)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(shí)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(chǎn)效率提高，生產(chǎn)成本大幅度降低。 、粘結(jié)劑多樣化及脫脂技術(shù)的多途徑化。以醋酸纖維脂、聚乙二醇聚合物、丙烯酸聚合物、瓊脂為基體的諸多粘結(jié)劑體系得到進(jìn)一步的發(fā)展應(yīng)用。計(jì)算機(jī)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(yīng)用，一方面極大地縮短了脫脂時(shí)間（從數(shù)天到幾小時(shí)），另一方面也實(shí)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(yīng)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(jìn)、控制更精確的裝備。以計(jì)算機(jī)精密控制注射成形機(jī)及相關(guān)在線質(zhì)量監(jiān)測控制系統(tǒng)的研究和計(jì)算機(jī)輔助脫脂關(guān)鍵裝備技術(shù)的開發(fā)是目前及今后關(guān)注的重點(diǎn)方向。成形設(shè)備如粉末同步注射成形機(jī)，利用控制協(xié)調(diào)的雙筒注射機(jī)生產(chǎn)復(fù)合材料零部件。 可以預(yù)見，隨著人們對金屬注射成形的進(jìn)一步研究、開發(fā)和應(yīng)用，技術(shù)將在不遠(yuǎn)的將來真正成為一種可以與機(jī)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形技術(shù)，會(huì)被越來越多的零件設(shè)計(jì)人員所了解和接受，滿足國家通迅、機(jī)械、醫(yī)療、航空航天等行業(yè)等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅墚愋侮P(guān)鍵零部件的需求，將我