金属粉末注射成型

金属粉末注射成形金属粉末注射成型技术(MetalPowderInjectionMolding，简称MIM)是将现代塑料注射成形技术引入粉末冶金领域而形成的一门新型粉末冶金近净形成形技术。其基本工艺过程是：首先将固体粉末与有机粘结剂均匀混炼，经制粒后在加热塑化状态下(～150℃)用注射成形机注入模腔内固化成形，然后用化学或热分解的方法将成形坯中的粘结剂脱除，最后经烧结致密化得到最终产品。与传统工艺相比，具有精度高、组织均匀、性能优异，生产成本低等特点，其产品广泛应用于电子信息工程、生物医疗器械、办公设备、汽车、机械、五金、体育器械、钟表业、兵器及航空航天等工业领域。因此，国际上普遍认为该技术的发展将会导致零部件成形与加工技术的一场革命，被誉为“当今最热门的零部件成形技术”和“21世纪的成形技术”。MIM始于20世纪70年代末，其工艺包括产品设计、模具设计、质量检测、混炼、注射、脱脂、烧结、二次加工等8个重要环节。随着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。当前，MIM已经被被誉为国际最热门的金属零部件成形技术之一。历史与现状美国加州Parmatech公司于1973年发明，八十年代初欧洲许多国家以及日本也都投入极大精力开始研究该技术，并得到迅速推广。特别是八十年代中期，这项技术实现产业化以来更获得突飞猛进的发展，每年都以惊人的速度递增。到目前为止，美国、西欧、日本等十多个国家和地区有一百多家公司从事该工艺技术的产品开发、研制与销售工作。日本在竞争上十分积极，并且表现突出，许多大型株式会社均参与MIM工业的推广，这些公司包括有太平洋金属、三菱制钢、川崎制铁、神户制钢、住友矿山、精工--爱普生、大同特殊钢等。目前日本有四十多家专业从事MIM产业的公司，其MIM工业产品的销售总值早已超过欧洲并直追美国。到目前为止，全球已有百余家公司从事该项技术的产品开发、研制与销售工作，MIM技术也因此成为新型制造业中最为活跃的前沿技术领域，被誉为世界冶金行业的开拓性技术，代表着粉末冶金技术发展的主方向。•机械配件工艺品不锈钢胡椒磨磨芯链轮.皮带轮.含油轴承.铰肉机刀盘汽车发动机油泵齿轮气动电动工具零件汽车玻璃升降器齿轮玩具五金配件汽车减振器部件粉末冶金结构件冰箱和空调压缩机的粉末冶金件(上轴承）冰箱和空调压缩机的粉末冶金件冰箱和空调压缩机的粉末冶金件机械结构类轴承座连杆凸轮冰箱和空调压缩机的粉末冶金件（活塞）笔记本电脑铰链转角金属粉末注射成形MIM制品MIM工艺手机类产品锁配件(锁头.锁舌.按键.复杂异形部件MIM金属注射成型产品工艺特点金属粉末注射成型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，能够快速准确地将设计思想物化为具有一定结构、功能特性的制品，并可直接批量生产出零件，是制造技术行业一次新的变革。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、材质不均匀、机械性能低、不易成型薄壁、复杂结构件的缺点，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。工艺流程金属粉末+粘结剂→混炼→注射成形→脱脂→烧结→后处理MIM工艺所用金属粉末颗粒尺寸一般在0.5~20μm；从理论上讲，颗粒越细，比表面积也越大，易于成型和烧结。而传统的粉末冶金工艺则采用大于40μm的较粗的粉末。有机胶粘剂作用是粘接金属粉末颗粒，使混合料在注射机料筒中加热具有流变性和润滑性，也就是说带动粉末流动的载体。因此，粘接剂的选择是整个粉末注射成型的关键。对有机粘接剂要求：1.用量少，用较少的粘接剂能使混合料产生较好的流变性；2.不反应，在去除粘结剂的过程中与金属粉末不起任何化学反应；3.易去除，在制品内不残留。成型原理注射成型工艺原理示意图1-模具；2-喷嘴；3-料筒；4-分流梭；5-料斗；6-注射柱塞注射成型工艺条件包括闭模、加料、塑化、注射、保压、固化(冷却定型)、开模出料等工序。而成型温度、注射压力（包括注射速度）、成型周期（包括注射、保压、固化时间）被称为注射成型工艺的“三大工艺条件”。当然要顺利完成整个注射过程需一步一步地加以控制。(1）加料及剩余量加料：一般要求定时、定量、均匀供料。剩余量：保证每次注射后料筒底部有一定剩余的物料剩料的作用：a、传压；b、补料（收缩后的补料）剩料一般控制在10～20mm，不能太多，太少。太多：注射压力损失大，剩料受热时间太长，易发生分解或固化等。太少：起不到很好的传压作用，模腔内物料受压不足。(2)成型温度成型温度包括：料筒、喷嘴、模具温度。成型温度是三大工艺条件之一，关系到物料的塑化、流动性、充模等工艺条件。应考虑以下因素：1、注射成型机的种类螺杆式注射成型机所需的料筒温度比柱塞式低。原因：a、螺杆式成型机料筒内的料层较薄；b、物料在螺杆推进的过程中不断翻转，有利于传热；c、物料翻转运动，受剪切力作用，自身摩擦生热。2、产品厚度对薄壁制品要求物料有较高的流动性才能充满模腔，因此需较高的成型温度；相反厚壁制品成型温度可低一些。判断料筒喷嘴温度的两种方法：a、熔体对空注射法。脱开模具，用低压注射，观察料流，是否毛糙、变色、起泡,料流表面光滑者表明温度合适。b、产品直观分析法。对试生产制品观察有无毛糙、波纹、气泡等弊病。对于热塑性粘结剂，料筒温度略高于喷嘴温度，高于模具温度。对于热固性粘结剂，模具温度略高于喷嘴温度，高于料筒温度。3、注射料的品种和性能(3)螺杆转速及背压必须根据所选用的粘结剂热敏程度及熔体粘度进行调整。转速慢：塑化好，物料易降解、早期固化。转速快：有利于塑化，但物料停留时间短可能塑化不够。还可使纤维变短。背压：指螺杆转动推进物料塑化时，传给螺杆的反向压力。背压的作用：能使物料在运动过程中不断排出空气和挥发物，并使物料逐渐密实。背压过小起不到以上作用，背压大，功率消耗大，并在物料温度较低时能使纤维粉化，影响制品性能。图12-21背压与玻璃纤维长度的关系。(4)注射速度及注射压力注射压力大小与注射机种类、物料流动性、模具浇口尺寸、产品厚度、模具温度及流程等因素有关。一般注射压力略高于热塑性塑料的注射压力。保压的作用：使制品冷却收缩时得以补料，尺寸准确，表面光洁，有利于消除气泡。保压时间一般0.3～2分钟，特厚制品可达5～10分钟。注射速度与注射压力、温度、模口尺寸等因素有关。注射速度慢不利于充模，生产效率低，注射速度过快易混入气泡。需通过实际实验确定。(5)成型周期成型周期即完成一次注射成型制品所需的时间。包括：1）注射加压时间（保压时间、注射时间）；2）冷却时间（模内冷却或固化时间）；3）其他时间（开模、取出制品、涂脱模剂、安放嵌件、闭模等时间）。成型周期是提高生产率的关键，在保证产品质量的前提下，应尽量缩短成型周期。制品后处理作用提高制品的尺寸稳定性，消除内应力分类热处理调湿处理（1）热处理热处理的实质：迫使冻结的分子链松弛，凝固的大分子链段转向无规位置，消除部分内应力，提高结晶度，稳定结晶结构，提高弹性模量，降低断裂延伸率。（2）调湿处理将刚脱模的制品放入水中，与空气隔绝、防止氧化。调湿条件：90～110℃4h混料：把金属粉末与有机粘接剂均匀掺混在一起，使各种原料成为注射成型用混合料。混合料的均匀程度直接影响其流动性，因而影响注射成型工艺参数，以至最终材料的密度及其它性能。在注射成型过程中，混合料在注射机料筒内被加热成具有流变性的塑性物料，并在适当的注射压力下注入模具中，成型出毛坯。注射成型的毛坯在微观上应均匀一致，从而使制品在烧结过程中均匀收缩。脱脂（萃取）：成型毛坯在烧结前必须去除毛坯内所含有的有机粘结剂，该过程称为脱脂或萃取。脱脂工艺必须保证粘结剂从毛坯的不同部位沿着颗料之间的微小通道逐渐地排出，而不降低毛坯的强度。粘结剂的排除速率一般遵循扩散方程。烧结：能使多孔的脱脂毛坯收缩至密化成为具有一定组织和性能的制品。尽管制品的性能与烧结前的许多工艺因素有关，但在许多情况下，烧结工艺对最终制品的金相组织和性能有着很大、甚至决定性的影响。后处理：对于尺寸要求较为精密的零件，需要进行必要的后处理。这工序与常规金属制品的热处理工序相同。MIM工艺与其它加工工艺的对比：MIM使用的原料粉末粒径一般小于15μm，而传统粉末冶金的原粉粉末粒径大多在50-100μm。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，而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。MIM和传统方法的比较：压铸工艺用在铝和锌合金等熔点低、铸液流动性良好的材料。此工艺的产品因材料的限制，其强度、耐磨性、耐蚀性均有限度。MIM工艺可以加工的原材料则较多。注射成型工艺技术利用注射机注射成型产品毛坯，保证物料充分充满模具型腔（金属液铸造充模较差），也就保证了零件高复杂结构的实现。粉末锻造是一项重要的发展，已适用于连杆的量产制造。但是一般而言，锻造过中热处理的成本和模具的寿命还是有问题，仍待进一步解决。传统机械加工法，近年来靠自动化而提升了其加工能力，在效果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)来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，MIM可以有效利用材料，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。以往在传统加工技术中先作成个别元件再组合成组件的方式，在使用MIM技术时可以考虑整合成完整的单一零件，大大减少步骤、简化加工程序。MIM技术并非与传统加工方法竞争，而是弥补传统加工方法在技术上的不足或无法制作的缺陷。MIM技术可以在传统加工方法制作的零件领域上发挥其特长。MIM工艺在零部件制造方面所具有的技术优势可成型高度复杂的结构零件。MIM和其他金属加工法相比，制品尺寸精度高，不必进行二次加工或只需少量精加工。注射成型工艺可直接成型薄壁、复杂结构件，制品形状已接近最终产品要求，零件尺寸公差一般保持在±0.1~±0.3mm左右。特别对于降低难于进行机械加工的硬质合金的加工成本，减少贵重金属加工时的损失尤其具有重要意义。制品微观组织均匀、密度高、性能好。模具及适用范围：MIM技术使用的金属模具，其寿命和工程塑料注射成型具模具相当。由于使用金属模具，MIM适合于零件的大量生产。由于利用注射机成型产品毛坯，极大地提高了生产效率，降低了生产成本，而且注射成型产品的一致性、重复性好，从而为大批量和规模化工业生产提供了保证。注射成型的材料非常广泛(铁基，低合金，高速钢，不锈钢，工具钢，硬质合金)。原则上任何可高温浇结的粉末材料均可由MIM工艺造成零件，包括了传统制造工艺中的难加工材料和高熔点材料。此外，MIM也可以根据用户的要求进行材料配方研究，制造任意组合的合金材料，将复合材料成型为零件。MIM工艺采用微米级细粉末，既能加速烧结收缩，有助于提高材料的力学性能，延长材料的疲劳寿命，又能改善耐、抗应力腐蚀及磁性能。对于过硬，过脆难以切削的材料或几何形状复杂、铸造时原料有偏析或污染的零件，采用MIM工艺可大幅度节约成本。以加工打字机印刷元件导杆为例，通常需14道工序；而采用MIM工艺只需6道工序，可节约一半左右的成本。零件越小越复杂，经济效益将越好。通过以上分析，可以看出MIM成型的潜力是很大的。MIM技术的应用领域：1.计算机及辅助设施：如打印机零件、磁芯、撞针轴销、驱动零件；2.工具：如钻头、刀头、喷嘴、枪钻、螺旋铣刀、冲头、套筒、扳手、电工工具、手工具等；3.家用器具：如表壳、表链、电动牙刷、剪刀、风扇、高尔夫球头、珠宝链环、圆珠笔卡箍、刃具刀头等零部件4.医疗机械用零件：如牙齿矫形架、剪刀、镊子；5.