金屬粉末注射成型技術

金屬粉末注射成型技術(Metal Powder Injection Molding Technology，簡稱MIM)是將現代塑膠注射成型技術引入粉末冶金領域而形成的一門新型粉末冶金近淨形成型技術。

基本介紹

• 中文名：金屬粉末注射成型技術
• 外文名：Metal powder injection molding technology
• 簡稱：MIM技術

技術簡介

其基本工藝過程是：首先將固體粉末與有機粘結劑均勻混練，經制粒後在加熱塑化狀態下(～150℃)用注射成形機注入模腔內固化成形，然後用化學或熱分解的方法將成形坯中的粘結劑脫除，最後經燒結緻密化得到最終產品。與傳統工藝相比，具有精度高、組織均勻、性能優異，生產成本低等特點，其產品廣泛套用於電子信息工程、生物醫療器械、辦公設備、汽車、機械、五金、體育器械、鐘錶業、兵器及航空航天等工業領域。因此，國際上普遍認為該技術的發展將會導致零部件成形與加工技術的一場革命，被譽為“當今最熱門的零部件成形技術”和“21世紀的成形技術”。

歷史與現狀

美國加州Parmatech公司於1973年發明，八十年代初歐洲許多國家以及日本也都投入極大精力開始研究該技術，並得到迅速推廣。特別是八十年代中期，這項技術實現產業化以來更獲得突飛猛進的發展，每年都以驚人的速度遞增。到目前為止，美國、西歐、日本等十多個國家和地區有一百多家公司從事該工藝技術的產品開發、研製與銷售工作。日本在競爭上十分積極，並且表現突出，許多大型株式會社均參與MIM工業的推廣，這些公司包括有太平洋金屬、三菱制鋼、川崎制鐵、神戶制鋼、住友礦山、精工--愛普生、大同特殊鋼等。目前日本有四十多家專業從事MIM產業的公司，其MIM工業產品的銷售總值早已超過歐洲並直追美國。到目前為止，全球已有百餘家公司從事該項技術的產品開發、研製與銷售工作，MIM技術也因此成為新型製造業中最為活躍的前沿技術領域，被世界冶金行業的開拓性技術，代表著粉末冶金技術發展的主方向MIM技術。

工藝特點

金屬粉末注射成型技術是集塑膠成型工藝學、高分子化學、粉末冶金工藝學和金屬材料學等多學科透與交叉的產物，利用模具可注射成型坯件並通過燒結快速製造高密度、高精度、三維複雜形狀的結構零件，能夠快速準確地將設計思想物化為具有一定結構、功能特性的製品，並可直接批量生產出零件，是製造技術行業一次新的變革。該工藝技術不僅具有常規粉末冶金工藝工序少、無切削或少切削、經濟效益高等優點，而且克服了傳統粉末冶金工藝製品、材質不均勻、機械性能低、不易成型薄壁、複雜結構的缺點，特別適合於大批量生產小型、複雜以及具有特殊要求的金屬零件。工藝流程粘結劑→混煉→注射成形→脫脂→燒結→後處理。

粉末金屬粉末

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，易於成型和燒結。而傳統的粉末冶金工藝則採用大於40μm的較粗的粉末。

有機膠粘劑

有機膠粘劑作用是粘接金屬粉末顆粒，使混合料在注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。因此，粘拉選擇是整個粉末注射成型的關鍵。對有機粘接劑要求：

1.用量少，用較少的粘接劑能使混合料產生較好的流變性；

2.不反應，在去除粘接劑的過程中與金屬粉末不起任何化學反應；

3.易去除，在制品內不殘留碳。

混料

把金屬粉末與有機粘接劑均勻摻混在一起，使各種原料成為注射成型用混合料。混合料的均勻程度直接影響其流動性，因而影響注射成型工藝參數，以至最終材料的密度及其它性能。注射成形本步工藝過程與塑膠注射成型工藝過程在原理上是一致的，其設備條件也基本相同。在注射成型過程中，混合料在注射機料筒內被加熱成具有流變性的塑性物料，並在適當的注射壓力下注入模具中，成型出毛坯。注射成型的毛坯的微觀上應均勻一致，從而使製品在燒結過程中均勻收縮。

萃取

成型毛坯在燒結前必須去除毛坯內所含有的有機粘接劑，該過程稱為萃取。萃取工藝必須保證粘接劑從毛坯的不同部位沿著顆料之間的微小通道逐漸地排出，而不降低毛坯的強度。粘結劑的排除速率一般遵循擴散方程。燒結能使多孔的脫脂毛坯收縮至密化成為具有一定組織和性能的製品。儘管製品的性能與燒結前的許多工藝因素有關，但在許多情況下，燒結工藝對最終製品的金相組織和性能有著很大、甚至決定性的影響。

後處理

對於尺寸要求較為精密的零件，需要進行必要的後處理。這工序與常規金屬製品的熱處理工序相同。

MIM工藝的特點

MIM工藝與其它加工工藝的對比

MIM使用的原料粉末粒徑在2-15μm，而傳統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工藝具有傳統粉末冶金工藝的優點，而形狀上自由度高是傳統粉末冶金所不能達到的。傳統粉末冶金限於模具的強度和填充密度，形狀大多為二維圓柱型。

傳統的精密鑄造脫燥工藝為一種製作複雜形狀產品極有效的技術，近年使用陶心輔助可以完成狹縫、深孔穴的成品，但是礙於陶心的強度，以及鑄液的流動性的限制，該工藝仍有某些技術上的困難。一般而言，此工藝製造大、中型零件較為合適，小型而複雜形狀的零件則以MIM工藝較為合適。比較項目製造工藝MIM工藝傳統粉末冶金工藝粉末粒徑(μm)2-1550-100相對密度(%)95-9880-85產品重量(g)小於或等於400克10-數百產品形狀三維複雜形狀二維簡單形狀機械性能優劣。

MIM製程和傳統粉末冶金法的比較壓鑄工藝用在鋁和鋅合金等熔點低、鑄液流動性良好的材料。此工藝的產品因材料的限制，其強度、耐磨性、耐蝕性均有限度。MIM工藝可以加工的原材料較多。

精密鑄造工藝，雖然在近年來其產品的精度和複雜度均提高，但仍比不上脫蠟工藝和MIM工藝，粉末鍛造是一項重要的發展，已適用於連桿的量產製造。但是一般而言，鍛造的工程中熱處理的成本和模具的壽命還是有問題，仍待進一步解決。

傳統機械加工法、近來靠自動化而提升其加工能力，在效果和精度上有極大的進步，但是基本的程式上仍脫不開逐步加工(車削、刨、銑、磨、鑽孔、拋光等)來完成零件形狀的方式。機械加工方法的加工精度遠優於其他加工方法，但是因為材料的有效利用率低，且其形狀的完成受限於設備與刀具、有些零件無法用機械加工完成。相反，MIM可以有效利用材料，不受限制，對於小型、高難度形狀的精密零件的製造，MIM工藝比較機械加工而言，其成本較低且效率高，具有很強的競爭力。

MIM技術並非與傳統加工方法競爭，而是彌補傳統加工方法在技術上的不足或無法製作的缺陷。MIM技術可以在傳統加工方法製作的零件領域上發揮其特長。MIM工藝在零部件製造方面所具有的技術優勢可成型高度複雜結構的結構零件。

注射成型工藝技術利用注射機注射成型產品毛坯，保證物料充分充滿模具型腔，也就保證了零件高複雜結構的實現。以往在傳統加工技術中先作成個別元件再組合成組件的方式，在使用MIM技術時可以考慮整合成完整的單一零件，大大減少步驟、簡化加工程式。MIM和其他金屬加工法的比較製品尺寸精度高，不必進行二次加工或只需少量精加工。

注射成型工藝可直接成型薄壁、複雜結構件，製品形狀已接近最終產品要求，零件尺寸公差一般保持在±0.1-±0.3左右。特別對於降低難於進行機械加工的硬質合金的加工成本，減少貴重金屬所加工損失尤其具有重要意義。製品微觀組織均勻、密度高、性能好。

在壓制過程中由於模壁與粉末以及粉末與粉末之間的摩擦力，使得壓制壓力分布非常不均勻，也就導致了壓制毛坯在微觀組織上的不均勻，這樣就會造成壓制粉末冶金件在燒結過程中收縮不均勻，因此不得不降低燒結溫度以減少這種效應，從而使製品孔隙度大、材料緻密性差、密度低，嚴重影響製品的機械性能。反之注射成型工藝是一種流體成型工藝，粘接劑的存在保障了粉末的均勻排布從而可消除毛坯微觀組織上的不均勻，進而使燒結製品密度可達到其材料的理論密度。一般情況下壓制產品的密度最高只能達到理論密度的85%。製品高的緻密性可使強度增加、韌性加強，延展性、導電導熱性得到改善、磁性能提高。效率高，易於實現大批量和規模化生產。

MIM技術使用的金屬模具，其壽命和工程塑膠注射成型具模具相當。由於使用金屬模具，MIM適合於零件的大量生產。由於利用注射機成型產品毛坯，極大地提高了生產效率，降低了生產成本，而且注射成型產品的一致性、重複性好，從而為大批量和規模化工業生產提供了保證。適用材料範圍寬，套用領域廣闊(鐵基，低合金，高速鋼，不鏽鋼，克閥合金，硬質合金)。

可用於注射成型的材料非常廣泛，原則上任何可高溫澆結的粉末材料均可由MIM工藝造成零件，包括了傳統製造工藝中的難加工材料和高熔點材料。此外，MIM也可以根據用戶的要求進行材料配方研究，製造任意組合的合金材料，將複合材料成型為零件。注射成型製品的套用領域已遍及國民經濟各領域，具有廣闊的市場前景。

性能與成本

MIM工藝採用微米級細粉末，既能加速燒結收縮，有助於提高材料的力學性能，延長材料的疲勞壽命，又能改善耐、抗應力腐蝕及磁性能。表1中列出一些MIM材料的基本性能。材料密度g/cm3硬度拉伸強度MPa彎曲強度MPa延伸率%矯頑力(A/cm)鐵基合金98Fe2Ni7.4187HRB552----5.5----92Fe8Ni7.5088HRB560----8----95.5Fe2NiCu0.5Mo7.4099HRB682----3.3----不鏽鋼3047.4242HRB520----20----3167.6042HRB520----20----硬質合金YG614.60--------1460----173YG814.50--------1680----124YT1510.45--------1140----117鎢合金90%W17.90320HV30920----6----93%W18.30310HV30900----10----97%W18.50350HV30880----6----。

註：*該數據為相對密度MIM工藝成本分析對於過硬，過脆難以切削的材料或幾何形狀複雜、鑄造時原料有偏析或污染的零件，採用MIM工藝可大幅度節約成本。以加工打字機印刷元件導桿為例，通常需14道能上能下上工序；而採用MIM工藝只需6道工序，可節約一半左右的成本。當材料成本/製造成本的比率增加時，潛在的成本更能降低。因此零件越小越複雜，經濟效益將越好。通過以上分析，可以看出MIM成型的潛力是很大的。

技術套用領域

1.計算機及其輔助設施：如印表機零件、磁芯、撞針軸銷、驅動零件；

2.工具：如鑽頭、刀頭、噴嘴、槍鑽、螺旋銑刀、沖頭、套筒、扳手、電工工具，手工具等；

3.家用器具：如表殼、表鏈、電動牙刷、剪刀、風扇、高爾夫球頭、珠寶鏈環、原子筆卡箍、刃具刀頭等零部件；

4.醫療機械用零件：如牙矯形架、剪刀、鑷子；

5.軍用零件：飛彈尾翼、槍枝零件、彈頭、藥型罩、引信用零件；

6.電器用零件：電子封裝，微型馬達、電子零件、感測器件；

7.機械用零件：如松棉機、紡織機、卷邊機、辦公機械等；

8.汽車船舶用零件：如離合器內環、拔叉套、分配器套、汽門導管、同步轂、安全氣囊件等。

未來發展方向

未來粉末注射成形的發展主要是在材料和設計方面努力，利用該工藝的優點，來幫助客戶改進產品設計和降低成本，從而擴大粉末注射成形的套用領域。