粉末微注射成形技術(shù)現(xiàn)狀

1、第25卷第5期粉末冶金技術(shù)Vol󰀁25,No󰀁5󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2007年10月PowderMetallurgyTe

2、chnologyOct󰀁2007粉末微注射成形技術(shù)現(xiàn)狀尹海清*󰀁賈成廠󰀁曲選輝(北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院粉末冶金研究所,北京󰀁100083)摘󰀁要:󰀁概括介紹了粉末微注射成形技術(shù)(micropowderinjectionmolding,簡稱󰀁PIM)的工藝及特點;綜述了粉末微注射成形技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀并介紹了一些研究機構(gòu)的成果及研究進展;介紹了粉末微注射成形零件性能表征的測試設(shè)備及測試方法;舉例介紹了粉末微注射成形技術(shù)的應(yīng)用情況及其所面臨的問題,并對粉末微注射成形技術(shù)的前景進

3、行了展望。關(guān)鍵詞:微系統(tǒng)技術(shù);粉末微注射成形;共注射;批量生產(chǎn)StatusofmicropowderinjectionmoldingYinHaiqing,JiaChengchang,QuXuanhui(InstituteofParticulateandPowderMetallurgy,SchoolofMaterialScienceandTechnology,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)Abstract:TherapiddevelopmentofMicrosystemsTechnology(MST)cre

4、atesagrowingdemandforintricate,three-dimensionalmicrocomponentsormicrostructuredcomponents.Micropowderinjectionmolding(󰀁PIM),aminiaturizedvariantofpowderinjectionmolding,hasadvantagesofshapecomplexity,applicabilitytomanymaterialsandgoodmechanicalproperties.Metals,alloys,ceramicsandcomposites

5、havebeenusedfor󰀁PIM.Co-injectionmoldinghasbeenrealizedbetweenmetalsandceramicsonmicrocomponents,whichbecomethefirstbreakthroughwithinthePIMfield.Combinedwiththeprominentcharacteristicsofhighfeatures/costratio,micropowderinjectionmoldingbecomesapotentialtechniqueforlargescaleproductionofmicro

6、components.Keywords:microsystemstechnology;microinjectionmolding;co-injectionmolding;batchproduction󰀁󰀁近年來微系統(tǒng)技術(shù)(MicrosystemsTechnology,簡稱MST)顯示出越來越重要的地位,這對應(yīng)用于微型工程中的三維微型復(fù)雜元器件提出了日益緊迫的要求,這些元器件包括微型模具、用于傳感器和加速器上的微型機械結(jié)構(gòu)、生物傳感器、微型流體元件、微型反應(yīng)器等。隨著微型結(jié)構(gòu)這一領(lǐng)域的不斷拓展,將有更多微型結(jié)構(gòu)件的需求,同時要求滿足性能和規(guī)模化生產(chǎn)的要求。然而,微

7、系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展受到加工技術(shù)的嚴重制約,傳統(tǒng)加工方式已遠遠不能勝任。而現(xiàn)有的微型加工技術(shù),如微型切削(microcutting)、激光切削(laserablation)、硅刻蝕技術(shù)(siliconetching)以及LIGA技術(shù)等往往受加工材料少的局限,無法同時滿足技術(shù)可行性與高性價比的雙重要求,生產(chǎn)效率低,無法應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)。粉末微注射成形技術(shù)(micropowderinjectionmolding,簡稱󰀁PIM),將近年迅速發(fā)展起來的粉末注射成形技術(shù),有機地運用到外形尺寸是微米級器件的制備上,完全滿足高性價比的要求,成為大規(guī)模生產(chǎn)微型元器件最具潛力的制備技術(shù),而且將可加工的

8、材料范圍擴大到各種純金屬、合金以及陶瓷。1󰀁粉末微注射成形技術(shù)概況圖1是粉末微注射成形的工藝流程圖1-3。從基本工序可以看出,粉末微注射成形與傳統(tǒng)粉末注射成形是相同的。作為粉末成形的載體,粉末與粘*尹海清(1971-),女,碩士,副教授。E-mail:hqyin第25卷第5期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁尹海清等:粉末微注射成形技術(shù)現(xiàn)狀383結(jié)劑在固態(tài)下初步混合,然后在一定溫度下,粉末與粘結(jié)劑的

9、混合體在粘結(jié)劑的熔融狀態(tài)下進一步混合均勻,經(jīng)雙螺桿擠出機擠出,冷卻破碎,得到均勻的注射料;注射料經(jīng)注射,得到注射生坯,生坯形狀為尺寸按一定比例放大的工件;經(jīng)脫粘,去除作為載體的粘結(jié)劑,最后燒結(jié)、后續(xù)處理,得到具有一定性能的微型器件。性必須非常好,同時還要有足夠的強度,在沒有頂桿頂出機構(gòu)脫模的情況下注射坯能夠從微小的模腔中拔出。在注射時要增加一些特殊的工序,如粉末與粘結(jié)劑在混煉時應(yīng)在真空下完成,在注射時模具需要加熱,注射后模具溫度應(yīng)能迅速降低。2󰀁粉末微注射成形技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前,粉末微注射成形技術(shù)的研究主要集中在微型注射產(chǎn)品和帶有微結(jié)構(gòu)的注射產(chǎn)品。德國率先開始了研究工作,

10、新加坡的南洋理工大學(xué)、日本5、美國也陸續(xù)發(fā)表了這方面的工作結(jié)果,北京科技大學(xué)也開始了這一領(lǐng)域的研究工作并取得了一定的成果。2󰀁1󰀁德國在粉末微注射成形技術(shù)的研究進展德國在粉末微注射成形方面的研究得到了國家教育與研究部的資金支持,由多個研究所和實力雄厚的大公司共同參加,完成了兩個大的項目,進行了相關(guān)的基礎(chǔ)性和應(yīng)用性研究。目前,從事粉末微注射成形的研究主要分布在Karlsruhe的IMR(InstituteforMaterialsResearchIII)和Fraunhofer的IFAM(FraunhoferInstituteforManufacturingandAd

11、vancedMaterials)兩大研究所,研究的材料涉及多種金屬材料,如316L和17-4PH不銹鋼,陶瓷材料,如ZrO2、Al2O3、Si3N4、TiO2、AlN和PZT等,以及復(fù)合材料,如WC-Co、W-Cu20等。圖2所示為IMR研究所制備的雙聯(lián)齒輪和IFAM制備的圓柱和數(shù)字結(jié)構(gòu)。粉末微注射成形樣品的最大長徑比達到10以上,對于以粉末平均粒度為2󰀁m的羰基鐵粉為原料,能夠得到的最小結(jié)構(gòu)達到10󰀁m,也就是5個粉末顆粒沿直線排開的長度,而且表面粗糙度已經(jīng)小到幾百個納米。4,6-8圖1󰀁粉末微注射成形的工藝過程Fig.1󰀁Fl

12、owchartoftheprocessofmicropowderinjectionmolding粉末微注射成形技術(shù),由于加工的零部件外觀尺寸僅為微米數(shù)量級,導(dǎo)致了該技術(shù)與傳統(tǒng)的注射成形方法相比,存在以下幾個特點4:1)使用的原料粉末細,通常粉末的平均粒度小于5󰀁m。這對于粉末生產(chǎn)行業(yè)提出了更高的要求。尤其是金屬粉,要滿足這樣的粒度要求是存在一定難度的。2)采用微加工技術(shù)制造模腔。由于模腔的尺寸很小,往往比傳統(tǒng)的加工工具小幾倍,因此適用于粉末微注射成形的模具無法沿用傳統(tǒng)的模具加工方法來制備,必須采用微型生產(chǎn)工藝。目前,國外的研究者大多選用在硅片上用深刻蝕的方法加工,也可以采用LI

13、GA、微型切削、激光切削以及微細放電加工等技術(shù)來加工模腔。3)在小型普通注射機或微型注射機上實現(xiàn)注射,難于在普通注射機上完成。微型注射機與普通注射機的最大區(qū)別在于前者采用螺桿-柱塞組合來完成注射,由螺桿部分完成對注射料充分混合,保證均勻的溫度,而柱塞將熔融的注射料壓入到模腔。4)注射時充型困難。由于粉末微注射成形的型腔都是微米級的,這就對粘結(jié)劑的選擇和注射圖2󰀁粉末微注射成形結(jié)構(gòu)件Fig󰀁2󰀁Microcomponentsfabricatedby󰀁PIMtechnique試驗中使用的粘結(jié)劑有兩種,聚烯烴/石蠟混合物體系與BASF聚

14、縮醛基粘結(jié)劑。脫粘工藝嘗試了384粉末冶金技術(shù)󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2007年10月熱脫粘、催化脫粘以及超臨界脫粘,溫度通常高于430K,壓力約為30MPa。最終結(jié)果認為,對于石蠟基粘結(jié)劑,采用熱脫粘工藝是比較可行的。而Dr.Rath提出了一種多組份粘結(jié)劑,成分(質(zhì)量分數(shù))為48%石蠟、48%聚乙

15、烯以及4%的表面改性劑。該粘結(jié)劑與商用粘結(jié)劑有相似甚至在高剪切速率下更低的黏度,同時保證順利脫模,并降低熱脫粘的溫度和加熱速度,燒結(jié)后的體積收縮率為15%22%,尺寸公差為0󰀁005mm2。另外,IFAM的研究者發(fā)現(xiàn),粉末微注射成形零9-11件可以利用燒結(jié)過程實現(xiàn)連接,將欲連接的注射坯疊放在一起,在無壓下進行共同脫粘和燒結(jié),就可以完全連接在一起了。而目前在微系統(tǒng)技術(shù)中,零件的組合連接是極其困難的。2󰀁2󰀁其他研究機構(gòu)的成果新加坡南洋理工大學(xué)的L󰀁Liu等主要針對316L不銹鋼開展了系統(tǒng)的工作,制備的零件形狀基本上為圓柱狀和正方體,

16、圖3為1300󰀁燒結(jié)的316L不銹鋼微結(jié)構(gòu)件。12-151圖3󰀁1300󰀁燒結(jié)316L不銹鋼微結(jié)構(gòu)件Fig󰀁3󰀁Sinteredpartsmadeof316Lstainlesssteel󰀁󰀁日本AIST公司的機械工程實驗室對304L不銹鋼進行了研究,其中粉末粒度為6󰀁2󰀁m,粘結(jié)劑為40%PW+60%EVA(質(zhì)量分數(shù)),粉末裝載量為50%(體積分數(shù))163󰀁粉末微注射成形零件的性能表征微加工技術(shù)在近年來的迅速發(fā)展對微型零件通用測試方法的

17、需求顯得越發(fā)強烈,而傳統(tǒng)的力學(xué)及其他測試手段都顯得蒼白無力。德國聯(lián)合研究中心在2003年承擔(dān)了項目群SFB499中的子項目󰀁Be-haviourofmaterialsandcomponents󰀁,專門研究由粉末微注射成形、粉漿澆注以及微型鑄造技術(shù)制備的微型零件的微觀組織、力學(xué)性能和摩擦性能的測試技術(shù)。目前德國IWKI研究所已成功設(shè)計并制造了微型萬能試驗機,其電力驅(qū)動器可以提供準靜態(tài)載荷和循環(huán)載荷,試驗機上配有微型拉伸夾具和三點彎曲實驗裝置,能夠完成拉伸和三點彎曲實驗。試驗機施加的最大載荷為50N。拉伸樣品的標距尺寸為0󰀁78mm󰀁

18、0󰀁26mm󰀁0󰀁13mm,三點彎曲樣品的尺寸為1󰀁2mm󰀁0󰀁2mm󰀁0󰀁2mm,三點彎曲實驗的兩支點間距離為800󰀁m17-19。美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的N.Koseski等研究了粉末粒度對粉末微注射成形產(chǎn)品的性能,尤其是表面粗糙度和結(jié)構(gòu)分辨度的影響?，F(xiàn)已得到Ti注射成形產(chǎn)品的微結(jié)構(gòu)為10󰀁m的圓形邊緣和5󰀁m的鋸齒形邊緣,齒間夾角為120󰀁。2󰀁3󰀁北京科技大學(xué)的研究

19、進展北京科技大學(xué)在近幾年也開展了粉末微注射成形技術(shù)的研究,自行研制開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的適用于傳統(tǒng)注射成形機的粉末微注射成形用模具,同時以羰基鐵粉和鐵鎳合金粉為原料,在傳統(tǒng)注射成形機上成功實現(xiàn)了粉末微注射成形齒頂圓直徑小于1mm的微型齒輪的制備,如圖4所示。各齒輪的齒頂圓直徑為200800󰀁m,齒輪高度均為200󰀁m,其中齒輪中心孔的最大直徑為140󰀁m,最小直徑為20󰀁m。4󰀁粉末微注射成形技術(shù)的應(yīng)用4󰀁1󰀁微型零件的制備第25卷第5期󰀁󰀁b

20、3041;󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁尹海清等:粉末微注射成形技術(shù)現(xiàn)狀385現(xiàn)其功能,如目前微型減速箱的外觀尺寸僅為2mm,通常由一個內(nèi)齒輪和四個外齒輪組成,采用粉末微注射成形技術(shù),完全能夠?qū)崿F(xiàn)各齒輪的批量化生產(chǎn),目前已實現(xiàn)了實驗室制備微型齒輪,零件的表面質(zhì)量已達到較好水平,粗糙度達到1󰀁m以下。今后,將有更多金屬和陶瓷的微型零件通過粉末微注射成形技術(shù)大量問世。圖4󰀁帶有中心孔的不同尺寸的微型齒輪Fig.4󰀁Mic

21、ro-sizedgearwheelswithcentralholes4󰀁2󰀁微化學(xué)工程微反應(yīng)系統(tǒng)可以保證危險的化學(xué)反應(yīng)在更加可控的環(huán)境下進行,而微型反應(yīng)器、微型混合器、微型熱交換器以及微型流體裝置是微型分析醫(yī)學(xué)系統(tǒng)和化學(xué)系統(tǒng)的必備器件。采用粉末微注射成形,可以得到最小的通道為20󰀁m,圖5所示為粉末微注射成形方法制備的不銹鋼316L微型混合器及純Cu的微型流體裝置的局部1。圖5󰀁粉末微注射成形制備的裝置Fig󰀁5󰀁Micro-sizeddevicesfabricatedbymicropowderin

22、jectionmolding4󰀁3󰀁耐磨模具型腔目前,用于重復(fù)生產(chǎn)的模腔大多采用LIGA技術(shù)制造,但LIGA技術(shù)成本很高,通常所用的金屬材料僅限于電沉積Ni或FeNi材料。然而,對于公差要求高的零件,可以采用硬質(zhì)合金作為型腔材料,而粉末微注射成形方法是低成本制造微型零件模腔的有效手段1,20。4󰀁國外采用󰀁MIM方法已成功制得以W-Cu合金為原料的電極,應(yīng)用于微型電火花加工上,加工得到微結(jié)構(gòu)清晰完整的鋼齒輪,外徑約為600󰀁m4󰀁5󰀁共注射成形共注塑成形是近幾年在塑料行業(yè)發(fā)展起來的一

23、項新技術(shù),能夠完成兩種不同顏色的塑料一次成形在同一產(chǎn)品上。而對于兩種不同的金屬、陶瓷或金1。386粉末冶金技術(shù)󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2007年10月7PiotterV,BauerW,BenzlerT.Injectionmoldingofcomponentsformicrosystems.Micro

24、systemTechnologies,2001,7:99-1028GietzeltT,PiotterV,JacobiO.Fabricationofmicromoldsforgearwheelsbymicropowderinjectionmolding.AdvancedEngineeringMaterials,2003,5(3):139-1459MerzL,RathS,PiotterV.Feedstockdevelopmentformicropowderinjectionmolding.MicrosystemTechnologies,2002,8:129-13210PiotterV,Holste

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29、,etal.Quas-istaticandcyclictestingofspecimenswithhighaspectratiosproducedbymicro-castingandmicro-powder-injection-moulding.MicrosystemTechnologies,2002,8:109-11220GietzeltT,PiotterV,JacobiO.Fabricationofmicromoldsforgearwheelsbymicropowderinjectionmolding.AdvancedEngineeringMaterials,2003,5(3):139-145開始涉足。德國的研究者在對粉末微注射成形燒結(jié)過程的研究中發(fā)現(xiàn),共注射兩種成分的微型零件是完全可能的。材料方面存在的主要問題是兩成分的微型連接以及兩者的不同自由收縮率。4󰀁6󰀁兩種不同材料