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1、粉末冶金新技术,-金属粉末注射成型 （Metal Injection Molding）,制作人：何志江,主要内容,MIM概述及其发展史,MIM工艺特点,MIM工艺过程,MIM的应用,1,2,3,4,MIM未来的发展方向,5,2,1-1、MIM技术概述,什么是粉末注射成型 金属（陶瓷）粉末注射成型技术（Metal Injection Molding，简称MIM技术）是集塑料成型工艺学、高分子化学、粉末冶金工艺学和金属材料学等多学科相互渗透与交叉的产物，利用模具可注射成型坯件并通过烧结快速制造高密度、高精度、三维复杂形状的结构零件，能够快速准确的将设计思想物化为具有一定结构、功能特性的制品并可直接
2、批量生产出零件，是制造技术行业一次新的变革。,3,1-1、MIM技术概述,该工艺技术不仅具有常规粉末冶金工艺工序少、无切削或少切削、经济效益高等优点，而且克服了传统粉末冶金工艺制品密度低、材质不均匀、机械性能低、不易成型薄壁、复杂结构的缺点，特别适合于大批量生产小型、复杂以及具有特殊要求的金属零件。,4,1-2、MIM的发展史,发展,开始,完善,MIM发展史,70年代末,90年代,80年代中期,5,1-2、MIM发展史,开始,金属注射成形最早可溯源于20世纪20年代开始的陶瓷火花塞的粉末注射成形制备，随后的几十年间粉末注射成 形主要集中于陶瓷注射成形。直到 1979年，由Wiech等人组建 P
3、armatech公司的金属注射成 形产品获得两项大奖，以及当时Wiech 和Rivers先后获得专利，粉末注射成形才开始转向以金属注射成形为主导。,6,1-2、MIM发展史,过去由于缺少合适的粉末及原料价格太高、知识平台不完善、技术不成熟、人们了解和市场接受时间不长、生产（包括模具制造）周期太长、投资不够等原因，其发展和应用较为缓慢。,7,1-2、MIM发展史,。,发展,为解决MIM技术的难点，促进MIM技术实用化， 80年 代中期美国制定了一个高 级粉末工计划，研究内 容涵括了与注射成形有关 的18个课题。随后日本、德国等也积极开展MIM的开发研究。,8,1-2、MIM发展史,1980年Wi
4、ech组建了Witec公司，1982年Brunswick(布伦瑞克)公司进入MIM行业，并收购了Witec公司，其后又逐步注册了Omark工业、Remington军品、Rocky牙科等子公司。1986年，日本Nippon Seison公司引进了Wiech工艺。1990年以色列Metalor2000（美泰乐）公司从Parmatech公司引进了Wiech工艺技术，建立了MIM生产线。,9,1-2、MIM发展史,完善,随着MIM研究的 不断深入以及新型粘结剂的开发、制粉技术和脱脂工艺的不断进步， 到90年代初已实现产业化。 经过20多年的努力，目 前MIM 已成为国际粉末冶金 领域发展迅速、 最有前
5、途的一种新型近净成形技术，被誉 为“国际最热门的金属零部件成形技术”之一。,10,1-2、MIM发展史,经过近二十年的发展，2003年全球MIM产品市场总值达到约10亿美元。 以地域划分，美国占了55%，接下来为欧洲和日本。目前全世界共有超过500家公司从事金属注射成形产品的生产和销售工作，另外还有约40家MIM粉末供应商，20家MIM喂料供应商。 据统计，全球MIM产业的成形能力已超过700台注射成形机、500台炉子、300台混炼机。,11,1-2、MIM发展史,Marko Maetzig详细分析了欧洲的情况，欧洲共有120家公司和30家研究机构从事MIM方面的工作，拥有250台注射成形机，
6、年消耗1100吨喂料。 欧洲的MIM公司38%来自于传统的陶瓷行业，27%来自于塑料行业，8%来自于传统粉末冶金和金属切削加工行业，5%来自于铸造行业，另有14%为新成立的公司。,12,1-2、MIM发展史,日本现在共有2030家MIM公司，日本近几年MIM市场呈现稳定上升趋势。虽然2001年较2000年有所下降，但总体而言，其销售总额呈稳定增长趋势。 据粉末冶金协会粗略统计和预测，全球MIM产品的销售量正在以每年30%40%的速度递增，截止2000年，全球的年平均销售额为10亿美元，预计到2012年平均年销售量将超过24亿美元。,13,1-2、MIM发展史,国内状况 中国MIM技术的发展只有
7、二十年左右的时间，技术的研究始于八十年代末，从事研究开发的单位不足10家，虽然粘结剂各有不同，但都取得了可喜的成果，有的已经达到国际先进水平，但在MIM技术的应用及产业化方面与国外相比存在一定的差距。原因有以下几个方面： （1）中国1956年才开始粉末冶金的发展，基础实力薄弱。 （2）机械制造业与发达国家相比落后，工程技术人员的开发能力不足。 （3）国内技术人员对MIM技术的认识程度不够，制约了MIM技术的推广,14,1-2、MIM发展史,.但随着中国工业水平的不断提高和WTO的加入，国外商品大量涌入中国，政府对MIM技术的重视 ，以及国内工程技术人员对MIM技术认知程度的进一步加深，MIM技
8、术必将在中国得以迅速发展。 据中国粉末冶金协会预测：12年内我国MIM产品的市场需求量将达810亿元人民币，2015年可望突破20亿元人民币。,15,2、MIM工艺特点,粉末注射成型的优点： 能像生产塑料制品一样，一次成形生产形状复杂的金属、陶瓷等零件部件产品成本低、光洁度好、精度高（0.30.1），一般无需后续加工. 产品强度，硬度，延伸率等力学性能高，耐磨性好，耐疲劳，组织均匀原材料利用率高，生产自动化程度高，工序简单，可连续大批量生产无污染，生产过程为清洁工艺生产,16,2、MIM工艺特点,2.1MIM工艺与其它加工工艺的对比 2.1.1 MIM与传统的粉末冶金（PM）的比较 MIM使用
9、的原料粉末粒径在215m,而传统粉末冶金的原粉粉末粒径大多在50_100m。MIM工艺的成品密度高，原因是使用微细粉末。MIM工艺具有传统粉末冶金工艺的优点，但是形状上自由度高是传统粉末冶金所不能达到的，传统粉末冶金限于模具的强度和填充密度，形状大多为二维圆柱型。,17,2、MIM工艺特点,表一、MIM制程和传统粉末,18,2、MIM工艺特点,注射成型与其他粉末冶金成型技术的比较 粉末冶金零件成型大致有两种：压制成型和注射成型。 压制成型种类很多，在实际中有较广泛应用。冷封闭钢模压制、冷等静压、热等静压、温压都属于压制成型。压制成型，用干粉依靠重力填充于模中，通过外界压力挤压成型。 注射成型，
10、使用很细的粉末加大量的热塑性粘结剂注射到成型模中。 喷射成型则是金属液滴在基体上雾化沉积的一种工艺。 另外还有两种特殊粉末冶金零件加工方式：粉末锻造和粉末轧制。,19,2、MIM工艺特点,2.1.2 MIM与精密铸造的比较 在金属成形工艺中，压铸和精密铸造是可以成形三维复杂形状的零件，但压铸仅限于低熔点金属，而精密铸造（IC）限于合金钢、不锈钢、高温合金等高熔点金属及有色金属，对于难熔合金如硬质合金、高密度合金、金属陶瓷等却无能为力，这是IC的本质局限性，而且IC对于很小、很薄、大批量的零件生产是十分困难或不可行的。IC产业化已成熟，发展的潜力有限。MIM是新兴的工艺，将挤入IC大批量小零件的
11、市场。,20,2、MIM工艺特点,2.1.3 MIM与传统机械加工的比较 传统机械加工法，近来靠自动化而提升其加工能力，在效率和精度上有极大的进步，但是基本的程序上仍脱不开逐步加工（车削、刨、铣、磨、钻孔、抛光等）完成零件形状的方式。机械加工方法的加工精度远优于其他加工方法，但是因为材料的有效利用率低，且其形状的完成受限于设备与刀具，有些零件无法用机械加工完成。相反的，MIM可以有效利用材料，形状自由度不受限制。对于小型、高难度形状的精密零件的制造，MIM工艺比较机械加工而言，其成本较低且效率高，具有很强的竞争力。,21,2、MIM工艺特点,22,3、MIM工艺过程,3.1工艺流程,金属粉末,
12、粘结剂,制粒,脱粘,混料,注射成型,烧结,必要的后处理,制件,23,3 、MIM工艺过程,24,3 、MIM工艺过程,3.2 过程简介 3.2.1金属粉末,25,3、MIM工艺过程,由于MIM原料粉末要求很细，MIM原料粉 末价格一般较高，有的甚至达到传统PM粉 末价格的10倍，这是目前限制MIM技术广泛 应用的一个关键因素，目前生产MIM用原料 粉末的方法主要有羰基法、超高压水雾化法、 高压气体雾化法等。,26,3 、MIM工艺过程,3.1羰基法 MIM最早使用的粉末是羰基法生产的，美国GAF化学公司采用较粗的海绵铁粉作原料，制粒后在350度氢气中退火活化，然后置于反应器中，铁粒暴露在循环的
13、CO中，气体压力为6OPMa,温度160度，铁与CO发生反应，得到气态的Fe(CO)5,并加以冷凝收集，接下来，使Fe(CO)5蒸发通过一个垂直的反应塔，反应塔加热到300度，在催化剂NH3作用下，Fe(CO)5在塔顶部分解为Fe和CO气体，将沉积的铁粉聚集体球磨，得到符合要求的成品铁粉，粉中一般含0.8%C,0.7%N和0.3%O(质量分数)。,27,3 、MIM工艺过程,羰基法是一种较为成熟的制备MIM用粉末的方法，所制得的粉末呈秋形，粒度小，但是羰基法只能生产有限的几种粉末(如铁粉、镍粉),不易生产包含2种以上元素的合金粉，而且羰基法生产过程毒性大，在MIM生产过程中还存在碳含量控制的问
14、题。,28,3、MIM工艺过程,3.2超高压水雾化法 日本的PAMCO,Kawasaki Steel,Kawasaki Steel几家公司发展了一种超高压水雾化，该法能够较为经济地大量生产MIM用金属和合金粉末。其中以PAMCO公司产量最大，工艺也最有代表性。,29,3 、MIM工艺过程,该公司年产MIM用粉末300t采用150MPa高压水雾化，其主要产品为各种不锈钢粉和低合金钢粉 PAMCO从20世纪80年代中期开始商业生产MIM粉，针对水雾化粉摇实密度低，导致注射成形时填充密度低而需要较多的粘结剂的缺点，在增加粉末的球化率，提高其摇实密度方面作了许多改进，改进后的PAMCO新型MIM粉的摇
15、实密度比常规MIM水雾化粉的摇实密度提高了10%,采用具有较高摇实密度的粉,PAMCO已经成功地将所需粘结剂减少了20%左右。,30,3 、MIM工艺过程,3.3采用改进型喷嘴的高压气体雾化法 气体雾化法生产的粉末摇实密度高，流动性好，所需添加剂量少，且用惰性气体，所得粉末的残留气体含量比水雾化粉至少低一个数量级，但是一般气体雾化粉颗粒较粗，约为40-50um,能适应MIM要求的细粉量很少，英国Osprey公司和PSI公司为此对喷嘴进行改进，采用高压气体雾化，使得适合MIM用的细粉产出率大大提高。,31,3 、MIM工艺过程,Osprey公司用高压氩气和氮气(压力为5PMa)生产的不锈钢粉末中
16、有75%的粉末粒度小于20um,大大高于常规气雾化法的20%,其平均粒度为14um,该公司还用该法生产了高速钢粉、工具钢粉以及磁性合金粉等。据Osprey公司称，这种高压气雾化MIM粉价格主要取决于生产规模大小，在大规模生产的情况下，该法生产的粉末价格甚至可以与高压水雾化法抗衡。,32,3 、MIM工艺过程,3.4微雾化法 美国Micro Materials Technology和GTE Products公司报道了他们采用微雾化法制备MIM用细粉的情况。据称，该法是一种有效制备小于20um粉末的生产方法，其原理是基于金属液滴撞击不浸润的基片而发生破碎。原料为普通雾化法生产的较粗粉末(50-150um),利用等离子喷枪熔化原料粉末并加速熔融金属液滴，被加速的金属液滴撞击不浸润的旋转基盘而产生破碎，破碎的细小液滴球化，并迅速冷却成细小粉末。,33,3、MIM工艺过程,微雾化法是一种将较粗粉
