可用于MEMS加工的金屬粉末注射成型工藝

石庚辰

(機電工程與控制國家級重點實驗室北京分部,北京 100081)

0 引言

微小型化技術(shù)是引信技術(shù)重要發(fā)展方向,它為新原理、新體制引信的研究,以及提高引信安全性和作用可靠性,提供了技術(shù)保證。而微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)則是實現(xiàn)引信微小型化的重要技術(shù)途徑[1-3]。

MEMS在我國引信界幾乎盡人皆知,但是對其加工工藝了解的人不多,只有與集成電路工藝相仿的印象。即使有所了解的同志,除了LIGA技術(shù)和UV-LIGA技術(shù)以外,也未必知道還有其他加工方法,從來未見有關(guān)其他加工方法的文獻。實際上,除這兩種工藝外,金屬粉末注射成型(Metal Powder Injection Molding,簡稱MIM)等許多工藝均可用于MEMS加工,并且MIM 工藝在其中特別優(yōu)異[4]。

為了促進MEMS在引信中的推廣應(yīng)用,在對國內(nèi)相關(guān)文獻資料進行初步調(diào)研的基礎(chǔ)上,本文綜述金屬粉末注射成型工藝,以期引起引信界的重視。

1 引信MEMS零件和加工工藝概況

MEMS技術(shù)是在微電子加工技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。MEMS器件和系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低、機械電子合一等優(yōu)點,因此在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域,尤其是在軍事領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

目前,MEMS技術(shù)在引信中應(yīng)用主要分為兩大部分:一是利用各種MEMS傳感器探測引信發(fā)射環(huán)境、飛行環(huán)境,以及碰目標(biāo)信息,用于引信安全系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換和發(fā)火系統(tǒng)的起爆控制;二是用于引信的安全系統(tǒng),減小安全系統(tǒng)的尺寸。

引信微機電射頻器件(RF MEMS)也是一個重要的發(fā)展方向。

圖1是一個采用 LIGA技術(shù)加工的引信典型MEMS保險機構(gòu)。

圖1 引信典型MEMS保險機構(gòu)Fig.1 Typical MEMS arming mechanism of fuze

從圖中可以看到:由于MEMS加工技術(shù)的特點,采用MEMS加工技術(shù)加工的引信安全系統(tǒng)為一種片狀結(jié)構(gòu),整個機構(gòu)的平面尺寸約為12 mm×8 mm,其厚度方向(單層)不超過1 mm,機構(gòu)中基板框的尺寸較大,約為10 mm量級,其他零件如彈簧、滑塊等的特征尺寸為幾十微米到幾毫米。

為保證可靠隔爆和機構(gòu)有足夠的強度,要求安全系統(tǒng)采用金屬材料制成,而集成電路常用的硅和鍺不能勝任,并且厚度達(dá)不到要求。因此其加工采用LIGA或準(zhǔn)LIGA工藝,材料為鎳。

LIGA一詞來源于德語Lithographie,Galvanoformung和Abformung三個詞語的縮寫,表示深層光刻、電鍍、模鑄三種技術(shù)的有機結(jié)合,是20世紀(jì)70年代末由德國Karlsruhe原子能研究所的Ehrfeld教授開發(fā)的。

LIGA技術(shù)經(jīng)多年發(fā)展,已顯示出它的優(yōu)點[5]:

1)深寬比大,準(zhǔn)確度高。所加工的圖形準(zhǔn)確度小于0.5μm,表面粗糙度僅10 nm,側(cè)壁垂直度大于89.9°,縱向高度可達(dá)500μm以上。

2)用材廣泛。從塑料(PMMA、聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯等)到金屬(Au,Ag,Ni,Cu)到陶瓷(ZnO2)等,都可以用LIGA技術(shù)實現(xiàn)三維微結(jié)構(gòu)。

3)采用微復(fù)制技術(shù),可降低成本,批量生產(chǎn)。

LIGA技術(shù)雖然具有突出的優(yōu)點,但是,其強X光源由復(fù)雜而又昂貴的同步加速器獲得,其掩膜板的制備費時又復(fù)雜。為解昂貴的X光源和特制掩膜板的問題,人們開展了一系列準(zhǔn)LIGA技術(shù)的研究,其中目前應(yīng)用較多的是以紫外光(UV)代替X光的UV-LIGA技術(shù),UV-LIGA技術(shù)光源為汞燈,所用的掩膜板是簡單的鉻掩膜板。盡管準(zhǔn)LIGA技術(shù)的特點與LIGA技術(shù)還有較大的差別(如其深寬比一般只有20左右),但由于其加工費用較低,對于深寬比等要求不高的場合(如引信安全系統(tǒng)),還是能夠滿足要求的。

實際上,MEMS零件加工方法并非只此兩種,注射成型、塑料熱壓印、粉末金屬燒結(jié)、鋁和鋅微米壓鑄,直至精密切削加工(如銑削、線切割等)均可用于MEMS零件加工,尤其是引信零件尺寸遠(yuǎn)大于微米量級,采用諸如上述的工藝應(yīng)該能夠滿足要求。

2 金屬粉末注射成型工藝

2.1 金屬粉末注射成型工藝概況

金屬粉末注射成型工藝(MIM)是傳統(tǒng)粉末冶金工藝與現(xiàn)代塑料注射成型技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新型近凈成形技術(shù),被認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展前途的零部件生產(chǎn)方法[6-7]。

MIM工藝主要由粉末及粘結(jié)劑的準(zhǔn)備、混煉、注射、脫脂、燒結(jié)等五個基本工序所組成,每一工序都將影響MIM 產(chǎn)品最終性能。其中,以粉末的準(zhǔn)備尤為重要,粉末選用不當(dāng)不僅影響最終產(chǎn)品的性能,而且還影響整個工藝的順利進行。

傳統(tǒng)金屬粉成型是在外加壓力作用下,金屬粉未通過顆粒重排、塑性流動而得到致密化的工藝過程。由于金屬粉末的流動性較液體差,一些具有外部切槽、橫孔、盲孔、外螺紋、凹臺、表面滾花等形狀的零部件,難以一次成形,MIM采用一定比例的高分子聚合物粘結(jié)劑與金屬粉末制成具有良好流動性的均勻混料,以實現(xiàn)像塑料制品注射成型一樣成形復(fù)雜形狀的零部件后,再經(jīng)脫脂、燒結(jié)而得到最終產(chǎn)品。其基本工藝流程如圖2所示。

圖2 MIM成型工藝流程Fig.2 Process of MIM molding

作為傳統(tǒng)粉末冶金成型技術(shù)的發(fā)展,金屬粉末注射成型技術(shù)可以制造前者無法制造的零部件,從而拓寬了粉末冶金技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。與傳統(tǒng)粉末冶金成型技術(shù)相比,金屬粉末注射成型技術(shù)不僅能制造形狀更復(fù)雜的零件,而且能在一定程度上克服傳統(tǒng)粉末冶金產(chǎn)品存在的密度、組織、性能不均的現(xiàn)象;與精密鑄造技術(shù)相比,金屬粉末注射成型技術(shù)在提高零件精度、避免鑄造的成分偏析等問題的同時,大大地提高了生產(chǎn)效率。

2.2 MIM加工材料

只要能制得細(xì)粉的各種金屬材料,都可作為MIM的加工材料,其應(yīng)用材料已覆蓋普通鋼、不銹鋼、工具鋼、硬質(zhì)合金、高密度合金、超合金、金屬間化合物、磁性材料、陶瓷材料、復(fù)合材料等領(lǐng)域。

MIM加工材料的種類遠(yuǎn)多于 UV-LIGA工藝的材料,這為引信零部件的設(shè)計提供了更多的選擇。

2.3 MIM加工精度

一般認(rèn)為,MIM加工零件的精度為±0.3%。而實際上,在生產(chǎn)條件下,MIM保證達(dá)到±0.3%還比較困難,這成為MIM產(chǎn)品擴大市場的關(guān)鍵不利因素。尺寸超差成為廢品率提高和產(chǎn)品成本增加的重要原因。所謂生產(chǎn)條件,是指在生產(chǎn)廠條件下所生產(chǎn)的某MIM 零件超過5萬件/批,而不是在實驗室中得到的個別例子的某個尺寸的精度。

20世紀(jì)80年代末,日本Niepon Seisen公司報道:尺寸精度可以控制在±0.5%～±0.7%;20世紀(jì)90年代,美國Parmatech、以色列Metalor 2000公司報道為±0.3%,德國Thale公司為±0.2%～±0.4%;1993年,德國BASF公司報道尺寸精度已經(jīng)控制在±0.1%;1997年該公司報道尺寸精度最好可以控制在±0.05%[8-9]。

表1列出了一些生產(chǎn)中測定的數(shù)據(jù)[7]。

表1 有關(guān)MIM生產(chǎn)零件尺寸公差Tab.1 Tolerance for parts fabricated by MIM

以上數(shù)據(jù)表明,MIM工藝的精度是可以滿足引信零件要求的。

3 金屬粉末注射成型工藝的應(yīng)用

采用MIM工藝加工的產(chǎn)品廣泛地用于航空航天、汽車、電子、軍工、醫(yī)療、日用品及機械領(lǐng)域。MIM制品已批量用于鐘表、醫(yī)療器械、生物工程、計算機工程、槍械武器、辦公機械、儀器儀表、電子通訊、紡織機械、食品飲料機械、體育娛樂器件等領(lǐng)域,正在竭力進軍汽車制造工業(yè)。MIM零件的應(yīng)用市場不斷擴大,潛力巨大,有著發(fā)展的良好機遇。

MIM技術(shù)目前主要應(yīng)用領(lǐng)域及其典型產(chǎn)品見表2所示[9]。

應(yīng)用舉例:

1)鐘表工業(yè)

在石英表中,高頻石英振蕩的低頻計時脈沖啟動步進馬達(dá),馬達(dá)驅(qū)動齒輪機構(gòu),帶動鐘表指針。步進馬達(dá)的轉(zhuǎn)子包括小齒輪軸、小齒輪和永磁體。采用微注射成型制造鐘表轉(zhuǎn)子,其典型尺寸為外徑1.50 mm、內(nèi)徑0.35 mm、厚 0.50 mm 。

2)“空中公共汽車”A380型飛機

在A380型飛機的制造中首次使用了金屬注射

成型零件,A380型飛機使用的金屬注射成型零件是采用316L不銹鋼制造而成,這些金屬注射成型零件被應(yīng)用于組裝A380型飛機中使用的微動開關(guān)。一個金屬注射成型零件可替代原微動開關(guān)中的

11個部件,一套金屬注射成型零件可替代A320飛機中使用的22個零件,使用金屬注射成型零件減少了購買、儲存和組裝的費用。

表2 MIM技術(shù)目前主要應(yīng)用領(lǐng)域及其典型產(chǎn)品Tab.2 Present application of MIM and its main products

表2中,地雷轉(zhuǎn)子本身就是引信零件,微型齒輪亦可用于引信MEMS機構(gòu),縫合針、表帶等與引信MEMS零件相仿,可見金屬注射成型工藝是可以用于引信MEMS加工的。

4 金屬粉末注射成型工藝的優(yōu)缺點

4.1 MIM的優(yōu)點

從MIM的工藝本質(zhì)分析,它是目前最適合于大批量生產(chǎn)高熔點材料、高強度、復(fù)雜形狀零件的工藝,其優(yōu)點可歸納如下[8,10]。

1)MIM可以成型三維形狀復(fù)雜的各種金屬材料零件(只要這種材料能被制得細(xì)粉),如各種外部切槽、螺紋、錐形外表面、交叉孔和盲孔、凹臺與鍵銷、加強筋板、表面滾花等。零件各部位的密度和性能一致,即各向同性,這為零件設(shè)計提供了較大的自由度。

2)MIM能最大限度制得接近最終形狀的零件,尺寸精度較高。

3)即使是固相燒結(jié),MIM制品的相對密度可達(dá)95%以上,MIM產(chǎn)品的力學(xué)性能一般優(yōu)于模壓和精密鑄造產(chǎn)品。

4)MIM可以制取微觀復(fù)合材料或宏觀復(fù)合材料的零件,以充分發(fā)揮不同材料的優(yōu)異性能。還可以制造微米級粉末尺寸的零件。

5)MIM可方便地采用一模多腔模具,成型效率高,模具使用壽命長(磨損小),更換調(diào)整模具方便快捷。

6)MIM 材料適應(yīng)性廣,自動化程度高,生產(chǎn)成本低,材料的利用率幾乎可以達(dá)到100%。

7)產(chǎn)品轉(zhuǎn)向快。生產(chǎn)靈活性大,新產(chǎn)品從設(shè)計到投產(chǎn)時間短。

8)MIM特別適合于大批量生產(chǎn),產(chǎn)品性能一致性好。如果生產(chǎn)的零件選擇適當(dāng),數(shù)量大,可取得較高的經(jīng)濟效益。

很明顯,后幾項使得生產(chǎn)成本大幅度降低。

4.2 MIM工藝存在的問題

高強化、功能化、形狀復(fù)雜化、微型化、精密化、復(fù)合化是21世紀(jì)零件的發(fā)展趨勢,這使MIM 面臨巨大的機遇和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn) 。當(dāng)前MIM的發(fā)展要解決的問題是[5]:1)改進現(xiàn)有的和開發(fā)新的制粉方法,生產(chǎn)粒度和化學(xué)成分穩(wěn)定、高振實密度、價廉的MIM用細(xì)粉;2)開發(fā)新型粘結(jié)劑系列及其脫粘方法,提高粉末承載量,縮短脫粘時間,避免脫粘坯的變形和缺陷;3)MIM工藝參數(shù)的自動化精確控制;4)MIM標(biāo)準(zhǔn)的建立。

4.3 各種MEMS加工工藝對比

美國的C.H.Robinson對比了不同的MEMS制造工藝,并列出了這些工藝性能比較表,如表3所示。

在表3中有兩項加工技術(shù)的總權(quán)重因數(shù)比較突出,一個是UV-LIGA工藝,一個是金屬粉末注射成型(MIM)工藝。UV-LIGA工藝是典型的微機械非硅加工工藝;金屬粉末注射成型工藝則是一種可用于微機械加工,而又完全不同于一般非硅加工的工藝,其總權(quán)重因數(shù)甚至超過UV-LIGA工藝。MIM工藝超過UV-LIGA而得到總分第一的決定性因素是前述的批量生產(chǎn)低成本。表3中第一列深寬比中將LIGA、UV-LIGA、MIM 同分并列,未必確切。深寬比是非常重要的性能[4],表明能否加工較厚的零件,實際上,UV-LIGA只能加工厚度1 mm以下零件,LIGA可以加工1 mm左右的零件,而MIM則可以大得多,因此,僅就加工厚度而言,MIM最優(yōu),LIGA次之,UV-LIGA相對差。在表3中沒有反映的許用材料的多樣性方面,MIM更是顯著優(yōu)于UV-LIGA。

表3 MEMS工藝技術(shù)對比Tab.3 Contrast of MEMS technologies

5 結(jié)論

由于引信MEMS安全系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)大于微米量級,因此,MIM技術(shù)的特點非常適合于引信微小零件的加工。其所需的加工設(shè)備的種類少于準(zhǔn)LIGA工藝。在準(zhǔn)LIGA工藝之外,MIM技術(shù)又為引信微小型化提供了一條可行的技術(shù)途徑,盡管MIM技術(shù)還存在一些問題,但隨著研究的深入,這些問題會得到解決。建議有意在引信微小型化方面有所作為的企業(yè)與單位,應(yīng)及早對MIM技術(shù)進行深入的調(diào)研與了解,掌握其發(fā)展動態(tài),探索其在引信零部件加工中的應(yīng)用,以創(chuàng)新出新的加工技術(shù)。

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