淺談金屬粉末注射成形技術(shù)

朱則剛

（湖北武漢市化工材料公司，湖北 武漢 430055）

淺談金屬粉末注射成形技術(shù)

朱則剛

（湖北武漢市化工材料公司，湖北 武漢 430055）

金屬粉末注射成型技術(shù)是一門新型近終成型技術(shù)。它是利用模具可注射成型坯件并通過燒結(jié)快速制造高密度、高精度、高強度、三維復雜形狀的結(jié)構(gòu)零件。針對發(fā)展金屬粉末成形技術(shù)成為新熱點，介紹了金屬粉末成形的優(yōu)勢、工藝特點及應(yīng)用，分析了金屬粉末成形的主要原材料，提出了金屬粉末成形的混煉和燒結(jié)工藝。

金屬粉末；注射成形；燒結(jié)工藝

0 前言

金屬粉末注射成型（簡稱MIM）技術(shù)是一門新型近終成型技術(shù)。它是集塑料注塑成型工藝學、高分子化學、粉末冶金工藝學和金屬材料學等多學科相互滲透交叉的產(chǎn)物，利用模具可注射成型坯件并通過燒結(jié)快速制造高密度、高精度、高強度、三維復雜形狀的結(jié)構(gòu)零件，尤其是一些形狀復雜利用機械加工等工藝方法無法加工或難以加工的小型零件，MIM技術(shù)可以自如完成，而且具有成本低、效率高、一致性好等優(yōu)點，易形成批量生產(chǎn)，被譽為“當今最為熱門的零部件成型技術(shù)”，因此深受業(yè)內(nèi)人士的青睞。經(jīng)過20多年的努力，目前MIM已成為國際粉末冶金領(lǐng)域發(fā)展迅速、最有前途的一種新型近終成形技術(shù)。

1 金屬粉末成形的優(yōu)勢、工藝特點及應(yīng)用

MIM結(jié)合了粉末冶金和塑料注射成形兩種技術(shù)的優(yōu)點，突破了傳統(tǒng)金屬粉末模壓成形工藝在產(chǎn)品形狀上的限制。MIM利用金屬粉末技術(shù)特點能燒結(jié)出致密、具有良好機械性能及表面質(zhì)量的機械零件。同時，利用塑料注射成形技術(shù)能大批量、高效率地生產(chǎn)出許多具有復雜形狀特征的零件，如各種外部切槽、外螺紋、錐形外表面、交叉通孔、盲孔、凹臺與鍵銷、加強筋板、表面滾花等等，具有以上特征的零件都是無法用常規(guī)粉末冶金方法、精密鑄造等工藝得到的。粉末冶金制品是以金屬粉末如：鐵粉、銅粉、不銹鋼粉等包括混入有非金屬粉末為原料，通過成形-燒結(jié)法生產(chǎn)而成的，傳統(tǒng)的工藝流程為：混料—壓制—燒結(jié)—整形—后處理，即首先將配制的高純度的混合粉裝入模具中，于一定的壓力下壓制成形，然后將壓坯在可控氣氛爐中，在低于基體材料熔點的溫度下進行燒結(jié)，使粉末顆粒之間形成冶金結(jié)合。金屬粉末成形的基本工藝過程是：首先將固體粉末與有機粘結(jié)劑均勻混練，經(jīng)制粒后在加熱塑化狀態(tài)下用噴射成形機注入模腔內(nèi)固化成形，然后用化學或熱分解的方法將成形坯中的粘結(jié)劑脫除，最后經(jīng)燒結(jié)致密化得到最終產(chǎn)品。

MIM生產(chǎn)廠家越來越多，目前世界上MIM產(chǎn)值的年增長率為20%～30%，2010年全球MIM的總產(chǎn)值約24億美元。MIM產(chǎn)品的應(yīng)用正在拓展，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于電子信息工程、生物醫(yī)療器械、辦公設(shè)備、汽車、機械、五金、體育器械、鐘表業(yè)、兵器及航空航天等工業(yè)領(lǐng)域。MIM工藝的出現(xiàn)為高熔點、難加工的硬質(zhì)合金材料的推廣應(yīng)用帶來了契機，MIM硬質(zhì)合金的產(chǎn)品利潤率高于大部分Fe-Ni和不銹鋼材質(zhì)的產(chǎn)品，可望成為注射成形新的發(fā)展熱點。國際上普遍認為MIM技術(shù)的發(fā)展將會導致零部件成形與加工技術(shù)的一場革命，被譽為“21世紀的成形技術(shù)”。

2 金屬粉末成形的主要原材料

粉末的種類、特點和選用對MIM制品的性能及其應(yīng)用范圍的拓展起著十分重要的作用。MIM要求粉末粒度為微米級以下，形狀近球形。此外對粉末的松裝密度、搖實密度、粉末長徑比、自然坡度角、粒度分布也有一定的要求。MIM使用的原料粉末粒徑在2～15μm，而傳統(tǒng)粉末冶金的原粉粉末粒徑大多在50～100μm。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，而形狀上自由度高是傳統(tǒng)粉末冶金所不能達到的。

MIM工藝所用金屬粉末顆粒尺寸一般在0.5～20μm。從理論上講，顆粒越細比表面積也越大，易于成型和燒結(jié)，而傳統(tǒng)的粉末冶金工藝則采用大于40μm的較粗的粉末。有機膠粘劑作用是粘接金屬粉末顆粒，使混合料在噴射機料筒中加熱具有流變性和潤滑性，也就是說帶動粉末流動的載體。因此，粘接劑的選擇是整個粉末的載體，是整個粉末噴射成型的關(guān)鍵。對有機粘接劑要求：用量少，用較少的粘接劑能使混合料產(chǎn)生較好的流變性；不反應(yīng)，在去除粘接劑的過程中與金屬粉末不起任何化學反應(yīng)；易去除，在制品內(nèi)不殘留碳。把金屬粉末與有機粘接劑均勻摻混在一起，使各種原料成為噴射成型用混合料。混合料的均勻程度直接影響其流動性，因而影響噴射成型工藝參數(shù)，以至最終材料的密度及其它性能。

隨著科學技術(shù)的進步，各行各業(yè)對材料的要求也越來越高，每一種材料和粉末都對MIM技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。可用于注射成型的材料非常廣泛，原則上任何可高溫澆結(jié)的粉末材料均可由MIM工藝造成零件，包括傳統(tǒng)制造工藝中的難加工材料和高熔點材料。此外，MIM也可以根據(jù)用戶的要求進行材料配方研究，制造任意組合的合金材料，將復合材料成形為零件。

目前采用水霧化粉也可生產(chǎn)相對密度大于99%的燒結(jié)體，因此較大型零件宜使用水霧化粉，較小型零件使用氣霧化粉。為降低粉末價格，有些公司已轉(zhuǎn)向生產(chǎn)粗顆粒和寬粒徑分布的粉末。開發(fā)利用較粗的復合粉、合金粉是MIM加工一個發(fā)展方向。

雖然MIM方法能制出許多不同材料和形狀的產(chǎn)品，但它仍是一種小型零件的制備方法，一般產(chǎn)品的厚度在1/2英寸以下，質(zhì)量在300g以下。尤其是硬質(zhì)合金的注射成形和鈦合金等更難制造出較大的零件，通過對MIM工藝的優(yōu)化來加大MIM產(chǎn)品的尺寸仍然是當今MIM工藝的一個發(fā)展方向。

3 金屬粉末成形的混煉和燒結(jié)工藝

混煉是一個復雜的改善粉末流動性和完成分散的過程。常用的混煉裝置有雙螺桿擠出機、Z形葉輪混料機、雙行星混煉機等，目前正在發(fā)展連續(xù)混煉工藝?；鞜挄r的加料速率、混煉溫度、轉(zhuǎn)速等都會影響混煉的效果?；鞜捁に嚥襟E目前一直停留在依靠經(jīng)驗的水平上，最終評價混煉工藝好壞的一個重要指標是所得喂料的均勻性和一致性程度。

注射成形的目的是獲得所需形狀的無缺陷成形坯，注射缺陷在后續(xù)工藝中不可消除，因此這個步驟要嚴格控制。注射階段的缺陷控制目前主要還是憑經(jīng)驗操作。隨著科學技術(shù)的進步，采用計算機模擬喂料的注射充模過程，并將其和喂料性能等相聯(lián)系，優(yōu)化注射條件參數(shù)，消除注射缺陷是目前先進的實驗手段，也是未來的發(fā)展趨勢。

MIM燒結(jié)工藝是將粉末或粉末壓坯經(jīng)過加熱而得到強化和致密化制品的方法和技術(shù)。金屬粉末或粉末壓坯，在加熱到低于主要成分熔點的溫度，由于顆粒之間發(fā)生粘結(jié)等物理化學作用，得到所要求的強度和特性的材料或制品的工藝過程，它是粉末冶金工藝的基本工序之一。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)是復雜形狀的異形件，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)品的尺寸精度和變形控制是一個關(guān)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。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重要研究方面。 MIM產(chǎn)品由于形狀復雜，燒結(jié)收縮大，大部分產(chǎn)品燒結(jié)完成后仍需進行燒結(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。原理是加熱到高溫粉末粒子結(jié)合到一起。

燒結(jié)是粉末冶金過程中最重要的工序，在燒結(jié)過程中，由于溫度的變化粉末坯塊顆粒之間發(fā)生粘結(jié)等物理化學變化，從而增加了燒結(jié)制品的電阻率、強度、硬度和密度，減小了孔隙度并使晶粒結(jié)構(gòu)致密化。燒結(jié)可使粉末成形的坯塊由顆粒聚集體轉(zhuǎn)變?yōu)榫w結(jié)合體的材料或制品，因而粉末燒結(jié)理論具有自己的特點。燒結(jié)一般要在保護氣氛下，有時須加入一定量的填料，在高溫燒結(jié)爐中進行。根據(jù)致密化機理或燒結(jié)工藝條件的不同，燒結(jié)可分為液相燒結(jié)、固相燒結(jié)、活化燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)、瞬時液相燒結(jié)、超固相燒結(jié)、松裝燒結(jié)、電阻燒結(jié)、電火花燒結(jié)、微波燒結(jié)和熔浸等。常用的燒結(jié)設(shè)備有箱式爐、管式爐、馬弗爐、碳管爐、感應(yīng)爐、推舟爐、帶式爐、輥式爐、反射爐等，分間斷式、半連續(xù)、連續(xù)式等幾類。采用的加熱方式有電阻加熱，以鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鎢、鉬、碳化硅、硅化鉬等作為發(fā)熱元件。還可以用碳管來通電發(fā)熱，有時也利用坯塊本身的電阻。感應(yīng)加熱的應(yīng)用也很普遍。

為了控制周圍環(huán)境對燒結(jié)制品的影響并調(diào)整燒結(jié)制品成分，在燒結(jié)中使用以下幾類不同功能的燒結(jié)氣氛：氧化性氣氛，包括純氧、空氣、水蒸氣等，用于貴金屬的燒結(jié)、氧化物彌散強化材料和某些含氧化物質(zhì)點電接觸材料的內(nèi)氧化燒結(jié)以及預氧化活化燒結(jié)；還原性氣氛，包括氫、分解氨、煤氣、轉(zhuǎn)換天然氣等，用于燒結(jié)時還原被氧化的金屬及保護金屬不被氧化，廣泛用于銅、鐵、鎢、鉬等合金制品的燒結(jié)中；惰性或中性氣氛，包括氮、氬、氦及真空等；滲碳氣氛，即CO，CH4及其他碳氫化合物的氣體，對于鐵及低碳鋼具有滲碳作用；滲氮氣氛，即NH，以及對于某些合金系而言的N2。對于不同合金，上述分類可以有變化。

在燒結(jié)過程中，在不同階段可能采用不同的氣氛。燒結(jié)制度包括升溫、高溫燒結(jié)、冷卻等幾個部分。燒結(jié)時根據(jù)需要，可采用快速升溫，也可采用慢速升溫；可直接升溫到最高燒結(jié)溫度，也可分階段逐步升溫，如在需預燒或脫除成形劑和潤滑劑時的情況，燒結(jié)溫度和保溫時間由金屬特性和制品尺寸決定。冷卻也有慢冷、快冷和淬火等幾種情況。在燒結(jié)過程中，粉末體發(fā)生以下一系列變化：表面吸附的水分或氣體揮發(fā)或分解；應(yīng)力松弛；發(fā)生回復和再結(jié)晶；原子在顆粒表面、晶界或晶內(nèi)擴散，使顆粒間的結(jié)合由機械結(jié)合逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐苯鸾Y(jié)合，化學組分均勻化；在有液相存在時，發(fā)生顆粒重排，固相物質(zhì)的溶解和析出，液相網(wǎng)絡(luò)提供一物質(zhì)輸運的快速通道。在這些過程的綜合作用下，能獲得滿足一定物理、化學和幾何特性要求的材料或零件。燒結(jié)制品往往還要進行各式各樣的后處理，統(tǒng)稱之為燒結(jié)制品的后處理。

4 結(jié)束語

金屬注射成形將現(xiàn)代塑料注射成型技術(shù)引入粉末冶金領(lǐng)域，不但擴大注射成型技術(shù)的應(yīng)用，同時也推動粉末冶金工藝的發(fā)展。MIM科學和技術(shù)現(xiàn)狀令人鼓舞，許多新的研究領(lǐng)域已引起重視，通過對這些方面的深入研究，可擴大金屬粉末的應(yīng)用范圍，進一步提高產(chǎn)品的性能，使金屬粉末注射成形技術(shù)發(fā)展到一個新的高度。隨著原料粉末質(zhì)量的提高和價格的下降、工藝路線的成熟和多樣化、專用設(shè)備的成套、參與企業(yè)和研究機構(gòu)的增多，此產(chǎn)品的應(yīng)用范圍將越來越廣，MIM已日益成為一種新的重要的加工方法。

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銅一材料公司開發(fā)出超寬銅鋁復合板帶

2013 年11 月，洛陽銅一新材料發(fā)展有限公司經(jīng)反復研制，新產(chǎn)品——超寬單面銅鋁復合板帶材研制成功，并形成批量生產(chǎn)上市，此材料將主要應(yīng)用于幕墻板、銅門料及其它裝飾行業(yè)，是理想的裝飾銅材替代產(chǎn)品。目前該公司已取得7 項專利技術(shù)，開發(fā)生產(chǎn)銅鋁、鋼（不銹鋼）鋁、鈦鋁、鋁鋁四大產(chǎn)品系列，寬度1000mm，厚度0.05～15mm 板、帶、箔、排數(shù)千種牌號規(guī)格。

全球汽車鋁合金輪轂行業(yè)復合年均增長率8.48%

近日，市場研究機構(gòu)Research & Markets分析師預測，因為全球各地汽車需求量的不斷增長，汽車生產(chǎn)量和銷售量的增加將促進全球汽車鋁合金輪轂行業(yè)在2014年～2016年以8.48%的復合年均增長率增長。

近年來，許多大型全球性公司在亞太地區(qū)進行生產(chǎn)外包活動以期降低成本。許多汽車制造商都在發(fā)展中國家進行產(chǎn)品開發(fā)業(yè)務(wù)以充分利用當?shù)氐娜瞬藕土畠r勞動力。因此，和發(fā)達經(jīng)濟體相比，全球汽車鋁合金輪轂行業(yè)在發(fā)展中經(jīng)濟體正以更快的速度發(fā)展。

On Metal Powder Injection Molding Technology

ZHU Ze-gang
(Hubei Wuhan Chemical Materials Company, Wuhan 430055, China)

Recently, metal powder molding technology becomes a new hotspot, so the advantages, process characteristics and application of metal powder molding technology are introduced and the main raw materials of metal powder molding are analyzed in the paper. The mixed metal powder molding and sintering process are put forward as well.

metal powder; injection molding; sintering process

TF12，TF124.5

A

1005-4898(2014)01-0036-04

10.3969/j.issn.1005-4898.2014.01.08

朱則剛（1956-），男，湖北武漢人，大學本科學歷，工程師，從事化工材料工作。

2013-10-12