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1、第8章 金属粉末注射成形8.1 金属粉末注射成形概论8.1.1 金属粉末注射成形技术的发展历程(MIM，Metal Powder Injection Molding)近年来，粉末冶金注射成形（PIM，Powder Injection Molding）的发展非常引人注目。注射成形用于陶瓷和塑料工业已有多年的历史，只是最近来才开始用于粉末冶金工业。虽然目前金属粉末注射成形产品的市场还十分有限，却具有巨大的潜在市场。注射成形是一种兼有模塑的成形方法，因此又称为注塑成形。通常注射成形的工艺过程是：将混合的粒料或粉料放入注塑机的料筒内，经过加热、压缩、剪切、混合和输送作用，使物料达到均匀化和塑化的效果，
2、然后借助于柱塞或螺杆向塑化好的混合物施加压力，高温流体便通过料筒前面的喷嘴和模具的浇道系统注入预先闭合好的低温模腔中，经过冷却定型后，开启模具、顶出制品，得到一定几何形状和精度的制品。注射成形最早应用于塑料成形，早在1862年，英国的亚历山大柏士（Alexander Parkes）提出了注塑成形法制造塑料梳子、伞柄和一些其它制品。柏士塑料的主要成分是硝酸纤维素（CN）加上少量的其它物质，使其具有塑性和其它一些物理性能。1869年，英国的一位印刷商海特（Hytt）改良了柏士塑料，制成了赛璐璐，但仍以硝酸纤维素为主。1878年，他将赛璐璐注入一个多腔模具中，这个模具已具有主浇道、分流道和浇口。18
3、79年，Gray在英国发明了世界上第一台螺旋挤出机，差不多在同一时期，其他很多人也设计了各种机型。由于赛璐璐可燃性强，不是很适合注塑成形。直到1919年Eichengrum 推出了醋酸纤维素（CA）后，注塑技术得到了进一步发展。1920年，注塑成形已成为工业化的加工方法，这种方法可以把热塑性聚合物加工成形状复杂的制品。料筒是注塑机的心脏，德国的Hans Gastrovl在1932年发明了具有分流梭的料筒，增大了聚合物的加热面积，克服了塑料导热性差、受热不均匀等缺点，但分流梭占去了料筒的一部分容积，并增加了阻力，使熔体注入模腔难度增加。1930年，美国赛璐璐公司发明了螺杆熔料式注塑法。1940年
4、，德国BASF公司又发明了螺杆直射注塑法。20世纪70年代，是整个塑料工业发展的重要变革时期，使得注塑成形得到巨大发展。有关陶瓷注射成形技术的最早报道出现在1949年申请的专利中。实际上，早在1937年就有人开始用注塑机生产陶瓷制品。二战以后，随着塑料工业的迅速发展，注射成形技术发展步伐大大加快，无论是生产设备、材料，还是制造工艺都发生了质的变化。但是在上世纪70年代以前，金属注射成形技术还鲜为人知。美国学者韦奇（Wiech ）在NASA任职期间，主要从事火箭固体燃料用的微细粉末方面的研究，他结合自己10多年积累的研究成果和经验进行改进、应用和开发，形成了一种对金属粉末进行注射成形、生产烧结制
5、品的粉末冶金工艺。韦奇为了使他的研究成果产业化，1973年组建了Parmatech公司，并为洛克威勒公司研制了火箭喷嘴部件，为波音公司研制了飞机主翼的辅助挡板的冲击吸收环，并于1979年获得了国际粉末冶金大会产品设计大奖，引起了国际粉末冶金界的重视。Parmatech公司转让了几项专利后，形成了多家MIM公司。1979年Butluconhas研究所是在世界范围内募集“利用注射成形制造的复杂形状的金属零件”课题共同研究的发起人，欧美和日本等国家纷纷应募，使得金属粉末的注射成形研究日益兴旺。但韦奇为了使其制造技术的产业化而没有参加共同研究，而在1979年组建了Witec（维泰克）公司。1981年神
6、钢商事株式会社为了引进韦奇开发的技术，在日本联合设立了日本维泰克株式会社，该社从美国引进了小型试验设备，并以此为基础开发了大规模生产设备和一些其它技术，该公司现在已经有能力开发对注射成形制品进行批量生产的技术和设备。到1987年，该公司在日本国内已经有了7家子公司，海外有一家子公司。采用维泰克工艺生产的烧结零件以Maltialloy Injecalloy，Sumatal Finmalut命名的商品出现在市场上。1982年Brunswick进入了MIM行业后收购了Witec公司，并逐步注册了Omark工业、Remington军品、Rocky牙科等子公司。20世纪80年代初期，美国伦塞尔理工学院开
7、始开展PIM技术基础理论和应用基础的研究工作。20世纪80年代中期，美国又在宾州大学建立了PIM专业实验基地，同时一些与国防军工新材料相关的实验室也相继开展了该技术的研究和评价工作。由于政府研究机构和大学的介入，使研究工作向深层次发展，PIM的理论框架日益完善，PIM技术也得到了迅速发展。这一方面归因于在流体力学和气体动力学研究成果基础上开发出的超高压水雾化和高压惰性气体雾化技术的发展，使细粉产率大大提高，原材料成本下降。另一方面，在粘结剂设计理论和脱脂机理等研究成果的指导下，以美国Injectamax公司和德国BASF（巴斯夫）公司为代表的新一代PIM工艺的开发成功，不仅使原来的脱脂时间从数
8、十小时缩短到几个小时，而且其保形性得到明显的改善，大规模生产的产品的尺寸精度从0.5%提高到0.3%1。进入上世纪90年代，一方面是PIM工艺进一步改进，新材料、新工艺不断涌现；另一方面，产业化发展非常迅速。1990年，以色列Metalor公司从Parmatch公司引进了MIM工艺技术，并建立了MIM生产线。在美国，采用Witch工艺的公司有Witec Cayman Services L.T.D、Maltimaterial Molding INC、R&W Products L.T.D等等。维泰克工艺在美国拥有“生坯除去粘结剂方法”，“合金和化合物粉末制备合金零件方法”等10多项专利，并在日本、
9、加拿大申请了专利。进入21世纪，由于信息和生物产业的迅猛发展，工业和研究领域对微型部件的需求量日益增大，并且对部件的结构和功能要求越来越复杂。金属粉末微注射成形技术以其生产成本低、成形周期短、工艺过程简单等优点，成为微型部件工业化批量生产研究的热点之一。成品质量以毫克为计算单位，成品几何尺寸以微米为度量单位的微注射成形技术是一门新兴先进制造技术，同传统的、常规的注射成形技术相比，其对成形材料、成形工艺及成形设备等方面提出了不同的要求。许多现有的、成熟的注射成形技术和理论并不适用于微注射成形技术。相比于传统的金属注射成形技术，微注射成形制造的零部件尺寸更小、表面光洁度要求更高。因此，对粉末粒度要
10、求更细(约1m)。由于细小的粉末具有更高的比表面积，微注射成形的粉末在混料的时侯需添加更多的粘结剂。只有粘结剂完全包覆粉末表面才能保证喂料完全充模，并使成形坯具有一定的强度。8.1.2 金属粉末注射成形的特点金属粉末注射成形是一种从塑料注射成形行业中发展而来的新型粉末冶金成形技术，它是传统粉末冶金技术和现代注塑成形技术相结合的产物。金属注射成形的基本工艺步骤是：首先选取符合MIM要求的金属粉末和粘结剂，然后在一定温度下采用适当的方法将粉末和粘结剂混合成均匀的喂料，经制粒后再注射成形，将获得的成形坯经过脱脂处理后烧结致密化成为最终成品。金属注射成形基本工艺流程如图8-1所示。图8-1金属注射成形
11、基本工艺流程1作为一种金属粉末致密化的特殊工艺，金属注射成形技术与传统的粉末冶金技术存在很大的差别。金属粉末注射成形技术是一种新型的粉末冶金技术，它可以批量生产高精度三维立体复杂形状的金属制品。与使用传统压力机成形的传统粉末冶金技术相比，其特点如下2：MIM技术比传统粉末冶金技术使用的粉末更细，它采用粒度约10m以下的微细粉末，而不是一般粉末冶金采用的约100m粒度的粉末；使用的粉体材料范围更广，包括：Fe、Ni、Co、W、WC、Ti及各种牌号的不锈钢粉末等。粉末注射成形坯烧结以后有15%以上的线收缩率，能达到95%以上的理论密度，并具有足够的使用强度。因此，在产品和模具的设计中要充分考虑其烧
12、结收缩量。生产的制品尺寸精度能达到0.3%，对于小型的形状简单的制品来说，则能达到35m/mm；表面光洁度能够达到(粗糙度15m) 。制品可以通过热等静压进一步致密化，还可以进行渗碳、电镀等工艺进行表面处理。注射废料可以回收重复使用；此技术既可以进行大批量工业化生产，也可以多品种小批量生产。8.1.3 金属粉末注射成形产品的应用70年代末，IBM（国际商用机器公司）从Parmatech公司购买了金属粉末注射成形专利，并和Parmatech公司一起研制了电动打字机上的镍钢升降环，至今已生产了一百万件以上这种结构十分复杂难于生产的零件3。使用注射成形技术后，只需要三道辅助工序，即攻丝、抛光和渗碳硬
13、化，代替了原来需要18道工艺的精密铸造，IBM开发了约30种注射成形零件，其中五种正在生产，最大零件长76mm，最大截面厚度12.5mm，零件公差0.34%0.5%，小孔直径公差0.0025mm。Engineered Sinterings and Plastics 公司于1985年开始出售注射成形零件。第一批为三种枪械零件，第二批为办公机械零件，其截面积尺寸19.05mm4。From Pysics 公司至少生产了20种注射成形零件，其用途包括牙齿矫形和照相机领域，零件公差可在0.1%，表面光洁度为8，零件包括不锈钢牙齿矫形器、碳化钨旋转磨面、各种模子和型板、符号字模计算印刷锤、挤压氧化铝陶瓷喷
14、射管、碳化钨齿轮、各种支架、壳和磁带导向等4,5。Cabot公司研究生产了铁基高温合金、镍基高温合金、工具钢、316和17-4PH不锈钢、碳化钨-钴等材料，产品有薄壁镍基高温合金筒、锥体、螺母、螺栓等，其内外螺纹都是直接注射成形而成6。注射成形也用于电磁领域中若干零件的制造，如使用硅钢的变压器铁芯、电枢、磁极片、继电器等。高磁导率合金（Hy-Mu 80）以前不能用粉末冶金方法制备，但是由于注射成形改善了最终密度，就能使用此技术制取如变压器磁芯等产品，并得到较好的磁性能，在使用中还能提高工作效率和降低能耗7。金属成形工艺由于采用注射成形，可生产各种合金材料形状十分复杂的零件，其复杂程度远远超过了
15、其他粉末冶金工艺在内的任何一种金属成形工艺，包括：各种外部切槽、外螺纹、锥形外表面、交叉孔和盲孔、凹台与键销、加强筋板、表面滚花等等。因此采用该技术可以免除繁琐的多道加工工序，减少材料消耗，这正是注射成形的独特优势和发展潜力8。而且在流动状态下，液相均匀填充模腔成形，模腔内各点压力一致，消除了传统粉末冶金压制成形不可避免的沿压制方向的密度梯度，可以获得组织结构均匀、力学性能优异的近净成形零部件。此外金属粉末注射成形技术还有材料适应性广、自动化程度高、生产成本低、材料利用率几乎达到100%等优点9。目前全球范围内已有数百个为金属注射成形技术服务或直接从事金属注射成形的公司，其产品从传统工业用的硬
16、质工具、机械产品到高温发动机部件，从计算机用的磁盘驱动器到手表业用产品、医用产品、甚至军工产品等近百种。因此，MIM技术被誉为“当今最热门的零部件成形技术”。表8-1列出金属注射成形和传统的精密铸造成形能力的比较。据初步调查，单在轻武器行业中，金属注射成形技术就有着巨大的潜在市场，有近25%的零部件适合于用粉末冶金注射成形技术来生产。表8-1 MIM和精密铸造成形能力的比较8特点精密铸造MIM最小孔直径2mm0.4mm2mm直径的盲孔最大深度2mm20mm最小壁厚2mm1mm最大壁厚无限制10mm4mm直径的公差0.2mm0.06mm表面粗糙度（Ra）5m1m当然，任何一种制造工艺都有其不利的方面，金属注射成形目前主要存在以下两方面的问题：粉末冶金注射成形采用粒度为10m以下的极细粉末，这种粉末难于生产，成
