粉末冶金新技术

粉末冶金新技术-----金属粉末注射成型（MetalInjectionMolding）制作人：何志江Page2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MIM未来的发展方向Page31-1、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（MetalInjectionMolding，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批量生产出零件，是制造技术行业一次新的变革。Page41-1、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。Page51-2、MIM的发展史70年代末90年代80年代中期Page61-2、MIM发展史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Parmatech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。Page71-2、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。Page81-2、MIM发展史。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。Page91-2、MIM发展史1980年Wiech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NipponSeison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。Page101-2、MIM发展史随着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。Page111-2、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。Page121-2、MIM发展史MarkoMaetzig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，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。Page131-2、MIM发展史日本现在共有20～30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。Page141-2、MIM发展史国内状况中国MIM技术的发展只有二十年左右的时间，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Page151-2、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技术必将在中国得以迅速发展。据中国粉末冶金协会预测：1－2年内我国MIM产品的市场需求量将达8－10亿元人民币，2015年可望突破20亿元人民币。Page162、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（±0.3％～±0.1％），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Page172、MIM工艺特点2.1MIM工艺与其它加工工艺的对比2.1.1MIM与传统的粉末冶金（PM）的比较MIM使用的原料粉末粒径在2－15µm,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，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。Page182、MIM工艺特点比较项目MIM工艺传统粉末工艺粉末粒径（µ）2－1550－100相对密度（%）95－9880－85产品重量（g）小于或等于5010－数百产品形状三维复杂形状二维简单形状机械性能优劣表一、MIM制程和传统粉末Page192、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，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。Page202、MIM工艺特点2.1.2MIM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大批量小零件的市场。Page212、MIM工艺特点2.1.3MIM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。Page222、MIM工艺特点Page233、MIM工艺过程3.1工艺流程金属粉末粘结剂制粒脱粘混料注射成型烧结必要的后处理制件Page243、MIM工艺过程Page253、MIM工艺过程3.2过程简介3.2.1金属粉末Page263、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。Page273、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)。Page283、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题。Page293、MIM工艺过程3.2超高压水雾化法日本的PAMCO,KawasakiSteel,KawasakiSteel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。Page303、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。Page313、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。Page323、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。Page333、MIM工艺过程3.4微雾化法美国MicroMaterialsTechnology和GTEProducts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。Page343、MIM工艺过程微雾化法是一种将较粗粉末有效地处理成细粉的新工艺，有以下优点:a.无容器熔化而大大减少了粉末