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金屬注射成形技術(shù)（MIM）的現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)向
時(shí)間：2015-11-16來源：今塑機(jī)械瀏覽次數(shù)：
金屬注射成形(Metal Injection Molding,簡稱MIM)是一種從塑料注射成形行業(yè)中引伸出來的新型粉末冶金近凈成形技術(shù),眾所周知,塑料注射成形技術(shù)低廉的價(jià)格生產(chǎn)各種復(fù)雜形狀的制品,但塑料制品強(qiáng)度不高,為了改善其性能,可以在塑料中添加金屬或陶瓷粉末以得到強(qiáng)度較高、耐磨性好的制品，近年來，這一想法已發(fā)展演變?yōu)樽畲笙薅鹊靥岣吖腆w粒子的含量并且在隨后的燒結(jié)過程中完全除去粘結(jié)劑并使成形坯致密化。這種新的粉末冶金成形方法稱為金屬注射成形。東莞市今塑精密機(jī)械有限公司有銷售粉末治金專用立式注塑機(jī)。金屬注射成形的基本工藝步驟是：首先是選取符合MIM要求的金屬粉末和粘結(jié)劑，然后在一定溫度下采用適當(dāng)?shù)姆椒▽⒎勰┖驼辰Y(jié)劑混合成均勻的喂料，經(jīng)制粒后再注射成形，獲得的成形坯經(jīng)過脫脂處理后燒結(jié)致密化成為最終成品。
1 MIM粉末及制粉技術(shù)
MIM對(duì)原料粉末要求較高,粉末的選擇要有利于混煉、注射成形、脫脂和燒結(jié)，而這往往是相互矛盾的，對(duì)MIM原料粉末的研究包括：粉末形狀、粒度和粒度組成、比表面等。
MIM對(duì)原料粉末要求較高,粉末的選擇要有利于混煉、注射成形、脫脂和燒結(jié)，而這往往是相互矛盾的，對(duì)MIM原料粉末的研究包括：粉末形狀、粒度和粒度組成、比表面等。
由于MIM原料粉末要求很細(xì)，MIM原料粉末價(jià)格一般較高，有的甚至達(dá)到傳統(tǒng)PM粉末價(jià)格的10倍，這是目前限制MIM技術(shù)廣泛應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵因素，目前生產(chǎn)MIM用原料粉末的方法主要有羰基法、超高壓水霧化法、高壓氣體霧化法等。
1.1 羰基法
MIM最早使用的粉末是羰基法生產(chǎn)的，美國GAF化學(xué)公司采用較粗的海綿鐵粉作原料，制粒后在350度氫氣中退火活化，然后置于反應(yīng)器中，鐵粒暴露在循環(huán)的CO中，氣體壓力為6OPa，溫度160度，鐵與CO發(fā)生反應(yīng)，得到氣態(tài)的Fe(CO)5,并加以冷凝收集，接下來，使Fe(CO)5蒸發(fā)通過一個(gè)垂直的反應(yīng)塔，反應(yīng)塔加熱到300度，在催化劑NH3作用下，F(xiàn)e(CO)5在塔頂部分解為Fe和CO氣體，將沉積的鐵粉聚集體球磨，得到符合要求的成品鐵粉，粉中一般含0.8%C，0.7%N和0.3%O（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。
MIM最早使用的粉末是羰基法生產(chǎn)的，美國GAF化學(xué)公司采用較粗的海綿鐵粉作原料，制粒后在350度氫氣中退火活化，然后置于反應(yīng)器中，鐵粒暴露在循環(huán)的CO中，氣體壓力為6OPa，溫度160度，鐵與CO發(fā)生反應(yīng)，得到氣態(tài)的Fe(CO)5,并加以冷凝收集，接下來，使Fe(CO)5蒸發(fā)通過一個(gè)垂直的反應(yīng)塔，反應(yīng)塔加熱到300度，在催化劑NH3作用下，F(xiàn)e(CO)5在塔頂部分解為Fe和CO氣體，將沉積的鐵粉聚集體球磨，得到符合要求的成品鐵粉，粉中一般含0.8%C，0.7%N和0.3%O（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。
羰基法是一種較為成熟的制備MIM用粉末的方法，所制得的粉末呈球形，粒度小，但是羰基法只能生產(chǎn)有限的幾種粉末（如鐵粉、鎳粉），不易生產(chǎn)包含2種以上元素的合金粉，而且羰基法生產(chǎn)過程毒性大，在MIM生產(chǎn)過程中還存在碳含量控制的問題。
1.2 超高壓水霧化法
日本的PAMCO，Kawasaki Steel,Kawasaki Steel幾家公司發(fā)展了一種超高壓水霧化，該法能夠較為經(jīng)濟(jì)地大量生產(chǎn)MIM用金屬和合金粉末。其中以PAMCO公司產(chǎn)量最大，工藝也最有代表性。該公司年產(chǎn)MIM用粉末300t采用150MPa高壓水霧化，其主要產(chǎn)品為各種不銹鋼粉和低合金鋼粉，PAMCO從20世紀(jì)80年代中期開始商業(yè)生產(chǎn)MIM粉，針對(duì)水霧化粉搖實(shí)密度低，導(dǎo)致注射成形時(shí)填充密度低而需要較多的粘結(jié)劑的缺點(diǎn)，在增加粉末的球化率，提高其搖實(shí)密度方面作了許多改進(jìn)，改進(jìn)后的PAMCO新型MIM粉的搖實(shí)密度比常規(guī)MIM水霧化粉的搖實(shí)密度提高了10%，采用具有較高搖實(shí)密度的粉末，PAMCO已經(jīng)成功地將所需粘結(jié)劑減少了20%左右。
日本的PAMCO，Kawasaki Steel,Kawasaki Steel幾家公司發(fā)展了一種超高壓水霧化，該法能夠較為經(jīng)濟(jì)地大量生產(chǎn)MIM用金屬和合金粉末。其中以PAMCO公司產(chǎn)量最大，工藝也最有代表性。該公司年產(chǎn)MIM用粉末300t采用150MPa高壓水霧化，其主要產(chǎn)品為各種不銹鋼粉和低合金鋼粉，PAMCO從20世紀(jì)80年代中期開始商業(yè)生產(chǎn)MIM粉，針對(duì)水霧化粉搖實(shí)密度低，導(dǎo)致注射成形時(shí)填充密度低而需要較多的粘結(jié)劑的缺點(diǎn)，在增加粉末的球化率，提高其搖實(shí)密度方面作了許多改進(jìn)，改進(jìn)后的PAMCO新型MIM粉的搖實(shí)密度比常規(guī)MIM水霧化粉的搖實(shí)密度提高了10%，采用具有較高搖實(shí)密度的粉末，PAMCO已經(jīng)成功地將所需粘結(jié)劑減少了20%左右。
1.3 采用改進(jìn)型噴嘴的高壓氣體霧化法
氣體霧化法生產(chǎn)的粉末搖實(shí)密度高，流動(dòng)性好，所需添加劑量少，且用惰性氣體，所得粉末的殘留氣體含量比水霧化粉至少低一個(gè)數(shù)量級(jí)，但是一般氣體霧化粉顆粒較粗，約為40-50um，能適應(yīng)MIM要求的細(xì)粉量很少，英國Osprey公司和PSI公司為此對(duì)噴嘴進(jìn)行改進(jìn)，采用高壓氣體霧化，使得適合MIM用的細(xì)粉產(chǎn)出率大大提高。Osprey公司用高壓氬氣和氮?dú)猓▔毫?MPa）生產(chǎn)的不銹鋼粉末中有75%的粉末粒度小于20um，大大高于常規(guī)氣霧化法的20%，其平均粒度為14um，該公司還用該法生產(chǎn)了高速鋼粉、工具鋼粉以及磁性合金粉等。據(jù)Osprey公司稱，這種高壓氣霧化MIM粉價(jià)格主要取決于生產(chǎn)規(guī)模大小，在大規(guī)模生產(chǎn)的情況下，該法生產(chǎn)的粉末價(jià)格甚至可以與高壓水霧化法抗衡。
氣體霧化法生產(chǎn)的粉末搖實(shí)密度高，流動(dòng)性好，所需添加劑量少，且用惰性氣體，所得粉末的殘留氣體含量比水霧化粉至少低一個(gè)數(shù)量級(jí)，但是一般氣體霧化粉顆粒較粗，約為40-50um，能適應(yīng)MIM要求的細(xì)粉量很少，英國Osprey公司和PSI公司為此對(duì)噴嘴進(jìn)行改進(jìn)，采用高壓氣體霧化，使得適合MIM用的細(xì)粉產(chǎn)出率大大提高。Osprey公司用高壓氬氣和氮?dú)猓▔毫?MPa）生產(chǎn)的不銹鋼粉末中有75%的粉末粒度小于20um，大大高于常規(guī)氣霧化法的20%，其平均粒度為14um，該公司還用該法生產(chǎn)了高速鋼粉、工具鋼粉以及磁性合金粉等。據(jù)Osprey公司稱，這種高壓氣霧化MIM粉價(jià)格主要取決于生產(chǎn)規(guī)模大小，在大規(guī)模生產(chǎn)的情況下，該法生產(chǎn)的粉末價(jià)格甚至可以與高壓水霧化法抗衡。
1.4 微霧化法
美國Micro Materials Technology和GTE Products公司報(bào)道了他們采用微霧化法制備MIM用細(xì)粉的情況。據(jù)稱，該法是一種有效制備小于20um 粉末的生產(chǎn)方法，其原理是基于金屬液滴撞擊不浸潤的基片而發(fā)生破碎。原料為普通霧化法生產(chǎn)的較粗粉末（50-150um），利用等離子噴槍熔化原料粉末并加速熔融金屬液滴，被加速的金屬液滴撞擊不浸潤的旋轉(zhuǎn)基盤而產(chǎn)生破碎，破碎的細(xì)小液滴球化，并迅速冷卻成細(xì)小粉末。
美國Micro Materials Technology和GTE Products公司報(bào)道了他們采用微霧化法制備MIM用細(xì)粉的情況。據(jù)稱，該法是一種有效制備小于20um 粉末的生產(chǎn)方法，其原理是基于金屬液滴撞擊不浸潤的基片而發(fā)生破碎。原料為普通霧化法生產(chǎn)的較粗粉末（50-150um），利用等離子噴槍熔化原料粉末并加速熔融金屬液滴，被加速的金屬液滴撞擊不浸潤的旋轉(zhuǎn)基盤而產(chǎn)生破碎，破碎的細(xì)小液滴球化，并迅速冷卻成細(xì)小粉末。
微霧化法是一種將較粗粉末有效地處理成細(xì)粉的新工藝，有以下優(yōu)點(diǎn)：無容器熔化而大大減少了粉末污染；由于高的等離子氣體的溫度，沒有熔點(diǎn)限制，可以方便地制造各種難熔金屬和合金粉末；不需要常規(guī)的龐大的爐子裝置，節(jié)約能源。
另外，美國Ultra Fine Powder Technology公司開發(fā)了一種Tandem霧化裝置，它的基本原理是在霧化之前，將一定壓力的氣體注入金屬熔體中，這樣，霧化后每一金屬液滴內(nèi)都包含有氣體。在冷卻過程中，液滴內(nèi)部氣體壓力增大，金屬液滴產(chǎn)生破碎而得到超細(xì)球形粉末。
1.5 Nanoval層流霧化法
德國 Nanoval 公司開發(fā)出了一種獨(dú)特的氣霧化技術(shù)，基本思路是應(yīng)用自穩(wěn)定的、嚴(yán)格成層狀的氣流，使熔化的金屬平行流動(dòng)。熔化了的金屬從拉瓦爾噴嘴的入口到最窄處被氣體壓縮而迅速加速（從幾 m/s 到音速），氣體為獲得穩(wěn)定而呈層狀流動(dòng)。在最窄處以下，氣體被快速壓縮，加速至超音速，在氣液流界面由于剪切應(yīng)力，金屬熔體絲以更高的速度變形，最終不穩(wěn)定而破裂成許多更細(xì)的絲，最終凝結(jié)成細(xì)小粉末。
德國 Nanoval 公司開發(fā)出了一種獨(dú)特的氣霧化技術(shù)，基本思路是應(yīng)用自穩(wěn)定的、嚴(yán)格成層狀的氣流，使熔化的金屬平行流動(dòng)。熔化了的金屬從拉瓦爾噴嘴的入口到最窄處被氣體壓縮而迅速加速（從幾 m/s 到音速），氣體為獲得穩(wěn)定而呈層狀流動(dòng)。在最窄處以下，氣體被快速壓縮，加速至超音速，在氣液流界面由于剪切應(yīng)力，金屬熔體絲以更高的速度變形，最終不穩(wěn)定而破裂成許多更細(xì)的絲，最終凝結(jié)成細(xì)小粉末。
該技術(shù)可直接生產(chǎn)許多適合于MIM的貴金屬粉、特殊牌號(hào)的不銹鋼和高速鋼粉、銅基合金和超合金粉等，該公司產(chǎn)品粉末粒度約為10um，其中20um粒度以下的粉末約占90% 。
2 粘結(jié)劑
粘結(jié)劑是MIM技術(shù)的核心，在MIM中粘結(jié)劑具有增強(qiáng)流動(dòng)性以適合注射成性和維持坯塊形狀這兩個(gè)最基本的職能，此外它還應(yīng)具有易于脫除、無污染、無毒性、成本合理等特點(diǎn)，為此出現(xiàn)了各種各樣的粘結(jié)劑，近年來正逐漸從單憑經(jīng)驗(yàn)選擇向根據(jù)對(duì)脫脂方法及對(duì)粘結(jié)劑功能的要求，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)粘結(jié)劑體系的方向發(fā)展。
粘結(jié)劑是MIM技術(shù)的核心，在MIM中粘結(jié)劑具有增強(qiáng)流動(dòng)性以適合注射成性和維持坯塊形狀這兩個(gè)最基本的職能，此外它還應(yīng)具有易于脫除、無污染、無毒性、成本合理等特點(diǎn)，為此出現(xiàn)了各種各樣的粘結(jié)劑，近年來正逐漸從單憑經(jīng)驗(yàn)選擇向根據(jù)對(duì)脫脂方法及對(duì)粘結(jié)劑功能的要求，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)粘結(jié)劑體系的方向發(fā)展。
粘結(jié)劑一般是由低分子組元與高分子組元加上一些必要的添加劑構(gòu)成。低分子組元粘度低，流動(dòng)性好，易脫去；高分子組元粘度高，強(qiáng)度高，保持成形坯強(qiáng)度。二者適當(dāng)比例搭配以獲得高的粉末裝載量，最終得到高精度和高均勻性的產(chǎn)品。通常采用的粘結(jié)劑主要有：熱塑性體系（石蠟基、油基和熱塑性聚合物基）、凝膠體系、熱固性體系和水溶性體系。
2.1 熱塑性體系
石蠟基粘結(jié)劑是最早使用，而且至今仍有競爭力的粘結(jié)劑休系，特別是壁厚小于3mm的零件，主要由石蠟與聚烯烴組成。如HDPE，LDPE，PP，PS，EVA，PEEA，POM/PE等。石蠟中PW，PEW無極性，而CW，BW有弱極性，相互配合可改善粘結(jié)劑與粉末的粘合程度。石蠟高溫粘度低，與塑料相容性好，粉末裝載量高，但石蠟體系冷卻時(shí)收縮大，內(nèi)應(yīng)力大，脫脂慢。
石蠟基粘結(jié)劑是最早使用，而且至今仍有競爭力的粘結(jié)劑休系，特別是壁厚小于3mm的零件，主要由石蠟與聚烯烴組成。如HDPE，LDPE，PP，PS，EVA，PEEA，POM/PE等。石蠟中PW，PEW無極性，而CW，BW有弱極性，相互配合可改善粘結(jié)劑與粉末的粘合程度。石蠟高溫粘度低，與塑料相容性好，粉末裝載量高，但石蠟體系冷卻時(shí)收縮大，內(nèi)應(yīng)力大，脫脂慢。
油基粘結(jié)劑主要利用油在室溫下為液態(tài)或半固態(tài)，與石蠟基粘結(jié)劑相比，改善了內(nèi)應(yīng)力，另外采用溶劑脫脂速度快。German認(rèn)為若采用溶劑脫脂，應(yīng)采用氫化植物油或椰子油，然而許多文獻(xiàn)報(bào)道可用其它多種油，如日本用花生油、Sasamw油與PE，PP配成粘結(jié)劑，美國用Hunt Weseen油與PE構(gòu)成粘結(jié)束劑，石腦油可與PMMA配合。使用油基粘結(jié)劑的難點(diǎn)在于增加油含量的同時(shí)要保持生坯強(qiáng)度，防止兩相分離的產(chǎn)生，以及快速溶劑脫脂時(shí)解決溶脹和應(yīng)力開裂的問題。AMAX Injection Molding公司的專利技術(shù)對(duì)這些問題解決得較好。
油基粘結(jié)劑主要利用油在室溫下為液態(tài)或半固態(tài)，與石蠟基粘結(jié)劑相比，改善了內(nèi)應(yīng)力，另外采用溶劑脫脂速度快。German認(rèn)為若采用溶劑脫脂，應(yīng)采用氫化植物油或椰子油，然而許多文獻(xiàn)報(bào)道可用其它多種油，如日本用花生油、Sasamw油與PE，PP配成粘結(jié)劑，美國用Hunt Weseen油與PE構(gòu)成粘結(jié)束劑，石腦油可與PMMA配合。使用油基粘結(jié)劑的難點(diǎn)在于增加油含量的同時(shí)要保持生坯強(qiáng)度，防止兩相分離的產(chǎn)生，以及快速溶劑脫脂時(shí)解決溶脹和應(yīng)力開裂的問題。AMAX Injection Molding公司的專利技術(shù)對(duì)這些問題解決得較好。
2.2 凝膠體系
1978年美國的R.D.Rivers發(fā)明了凝膠體系，由甲基纖維素、少量水、甘油和硼酸組成。甲基纖維素與水在受熱時(shí)形成凝膠以提高生坯強(qiáng)度，特點(diǎn)是使用有機(jī)物少，脫脂快。不足之處是生坯強(qiáng)度低，脫模困難，不能連續(xù)生產(chǎn)，類似的體系還有瓊脂與水。1994年法國Impac和Metals Process System公司宣稱開發(fā)了Quickset無粘結(jié)劑工藝，只需傳統(tǒng)MIM粘結(jié)劑含量的5%，實(shí)際上也是用極少量的有機(jī)物加液體載體以形成特殊的結(jié)構(gòu)來獲得生坯強(qiáng)度。據(jù)稱該粘結(jié)劑體系已可用來生產(chǎn)厚至20mm，重達(dá)800g的零件。目前日本PAMCO公司正和MPS公司聯(lián)合研究，進(jìn)一步開發(fā)這一技術(shù)。
1978年美國的R.D.Rivers發(fā)明了凝膠體系，由甲基纖維素、少量水、甘油和硼酸組成。甲基纖維素與水在受熱時(shí)形成凝膠以提高生坯強(qiáng)度，特點(diǎn)是使用有機(jī)物少，脫脂快。不足之處是生坯強(qiáng)度低，脫模困難，不能連續(xù)生產(chǎn)，類似的體系還有瓊脂與水。1994年法國Impac和Metals Process System公司宣稱開發(fā)了Quickset無粘結(jié)劑工藝，只需傳統(tǒng)MIM粘結(jié)劑含量的5%，實(shí)際上也是用極少量的有機(jī)物加液體載體以形成特殊的結(jié)構(gòu)來獲得生坯強(qiáng)度。據(jù)稱該粘結(jié)劑體系已可用來生產(chǎn)厚至20mm，重達(dá)800g的零件。目前日本PAMCO公司正和MPS公司聯(lián)合研究，進(jìn)一步開發(fā)這一技術(shù)。
2.3 熱固性體系
Brasel通過對(duì)多種熱固性樹脂的選擇，確定了呋喃族樹脂可用于MIM，Petzoldt應(yīng)用端羰基的聚酰胺樹脂，以多能團(tuán)環(huán)氧樹脂為硬化交聯(lián)劑，在150-250℃時(shí)發(fā)生交朕，交朕溫度高于注射和混煉溫度。熱固性粘結(jié)劑有些缺陷是難以解決的，如脫脂時(shí)不產(chǎn)生小分子，有殘留，廢次品不能重復(fù)使用等，因此限制了它在實(shí)際工業(yè)中的應(yīng)用。
Brasel通過對(duì)多種熱固性樹脂的選擇，確定了呋喃族樹脂可用于MIM，Petzoldt應(yīng)用端羰基的聚酰胺樹脂，以多能團(tuán)環(huán)氧樹脂為硬化交聯(lián)劑，在150-250℃時(shí)發(fā)生交朕，交朕溫度高于注射和混煉溫度。熱固性粘結(jié)劑有些缺陷是難以解決的，如脫脂時(shí)不產(chǎn)生小分子，有殘留，廢次品不能重復(fù)使用等，因此限制了它在實(shí)際工業(yè)中的應(yīng)用。
2.4 水溶性體系
水溶性粘結(jié)劑是20世紀(jì)90年代開發(fā)出的一類很有前途的體系，是從“固態(tài)聚合物溶液”（SPS）體系中發(fā)展起來的，用水溶性聚乙二醇（PEG）作主要成分，加部分PMMA或苯氧樹脂作粘結(jié)劑，在脫氧蒸餾水中浸泡脫脂，但這種體系存在混合時(shí)間長、脫脂慢、溶脹等缺陷。后來Amwar作了改進(jìn)，采用懸浮聚合得到的超高分子量的PMMA（分子量-106），配合以特定的混合方式，解決了變形問題，使水脫脂溫度可以從室溫升至60-80℃，脫脂時(shí)間從16h降至3h，而且制備出了較高尺寸精度的產(chǎn)品。Hens等另辟蹊徑，用PEG與可交聯(lián)的聚合物PVB于脫脂前或部分脫脂后用紫外光固化，也控制了脫脂變形。Bialo發(fā)展了另一類水溶性體系，以聚氧化乙烯（PEO）為水溶性部分，成形坯只需在水中浸泡60-70min就可脫除PEO。
水溶性粘結(jié)劑是20世紀(jì)90年代開發(fā)出的一類很有前途的體系，是從“固態(tài)聚合物溶液”（SPS）體系中發(fā)展起來的，用水溶性聚乙二醇（PEG）作主要成分，加部分PMMA或苯氧樹脂作粘結(jié)劑，在脫氧蒸餾水中浸泡脫脂，但這種體系存在混合時(shí)間長、脫脂慢、溶脹等缺陷。后來Amwar作了改進(jìn)，采用懸浮聚合得到的超高分子量的PMMA（分子量-106），配合以特定的混合方式，解決了變形問題，使水脫脂溫度可以從室溫升至60-80℃，脫脂時(shí)間從16h降至3h，而且制備出了較高尺寸精度的產(chǎn)品。Hens等另辟蹊徑，用PEG與可交聯(lián)的聚合物PVB于脫脂前或部分脫脂后用紫外光固化，也控制了脫脂變形。Bialo發(fā)展了另一類水溶性體系，以聚氧化乙烯（PEO）為水溶性部分，成形坯只需在水中浸泡60-70min就可脫除PEO。
水溶性體系由于采用水脫脂，價(jià)格便宜，無毒，有利于環(huán)保，然而粘結(jié)劑存在吸水問題，混合較難，產(chǎn)品尺寸精度還不高。所以，雖然該體系已問世五年，但到目前為止，仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，但該體系無疑極具潛力，是發(fā)展方向。
此外還有些新型粘結(jié)劑體系，工藝上各有特點(diǎn)。如美國專利提出的聚酰胺基粘結(jié)劑；日本專利報(bào)道的丙烯酸系粘結(jié)劑，特點(diǎn)是易除去，無副產(chǎn)物；含烷基的硅酸鹽無機(jī)物粘結(jié)劑，其注射壓力小于有機(jī)物粘結(jié)劑體系。此外還有自行合成的非晶態(tài)聚合物粘結(jié)劑，特點(diǎn)是可用混合溶劑解等。
3 混煉
混煉是將金屬粉末與粘結(jié)劑混合得到均勻喂料的過程。由于喂料的性質(zhì)決定了最終注射成形產(chǎn)品的性能，所以混煉這一工藝步驟非常重要。這牽涉到粘結(jié)劑和粉末加入的方式和順序、混煉溫度、混煉裝置的特性等多種因素。這一工藝步驟目前一直停留在依靠經(jīng)驗(yàn)摸索的水平上，最終評(píng)價(jià)混煉工藝好壞的一個(gè)重要指標(biāo)就是所得到喂料的均勻和一致性。
混煉是將金屬粉末與粘結(jié)劑混合得到均勻喂料的過程。由于喂料的性質(zhì)決定了最終注射成形產(chǎn)品的性能，所以混煉這一工藝步驟非常重要。這牽涉到粘結(jié)劑和粉末加入的方式和順序、混煉溫度、混煉裝置的特性等多種因素。這一工藝步驟目前一直停留在依靠經(jīng)驗(yàn)摸索的水平上，最終評(píng)價(jià)混煉工藝好壞的一個(gè)重要指標(biāo)就是所得到喂料的均勻和一致性。
MIM喂料的混合是在熱效應(yīng)和剪切力的聯(lián)合作用下完成的。混料溫度不能太高，否則粘結(jié)劑可能發(fā)生分解或者由于粘度太低而發(fā)生粉末和粘結(jié)劑兩相分離現(xiàn)象，至于剪切力的大小則依混料方式的不同而變化。MIM常用的混料裝置有雙螺旋擠出機(jī)、Z形葉輪混料機(jī)、單螺旋擠出機(jī)、柱塞式擠出機(jī)、雙行星混煉機(jī)、雙凸輪混料機(jī)等，這些混料裝置都適合于制備粘度在1-1000Pa.s范圍內(nèi)的混合料。
混煉的方法一般是先加入高熔點(diǎn)組元熔化，然后降溫，加入低熔點(diǎn)組元，然后分批加入金屬粉末。這樣能防止低熔點(diǎn)組元的氣化或分解，分批加入金屬粉可防止降溫太快而導(dǎo)致的扭矩急增，減少設(shè)備損失。
對(duì)于不同粒度粉末搭配時(shí)的加料方式，日本專利介紹：先將較粗的15-40um水霧化粉加入粘結(jié)劑中，然后加入5-15um粉，最后加入粉度≤5um粉，這樣得到的最終產(chǎn)品的收縮變化很少。
為了在粉末周圍均勻涂覆一層粘結(jié)劑，還可將金屬粉末直接加入到高熔點(diǎn)組元中，再加入低熔點(diǎn)組分，最后去除空氣即可。如Anwar將PMMA懸浮液直接加入到不銹鋼粉中混合，然后將PEG水溶液加進(jìn)去，干燥，然后邊攪邊除去空氣。
4 注射成形
注射成形的目的是獲得所需形狀的無缺陷、顆粒均勻排布的MIM成形坯體。首先將粒狀喂料加熱至一定高的溫度使之具有流動(dòng)性，然后將其注入模腔中冷卻下來得到所需形狀的具有一定剛性的坯體，然后將其從模具中取出得到MIM成形坯。這個(gè)過程同傳統(tǒng)塑料注射成形過程一致，但由于MIM喂料高的粉末含量，使得其注射成形過程在工藝參數(shù)上及其它一些方面存在很大差別，控制不當(dāng)則易產(chǎn)生各種缺陷。
注射成形的目的是獲得所需形狀的無缺陷、顆粒均勻排布的MIM成形坯體。首先將粒狀喂料加熱至一定高的溫度使之具有流動(dòng)性，然后將其注入模腔中冷卻下來得到所需形狀的具有一定剛性的坯體，然后將其從模具中取出得到MIM成形坯。這個(gè)過程同傳統(tǒng)塑料注射成形過程一致，但由于MIM喂料高的粉末含量，使得其注射成形過程在工藝參數(shù)上及其它一些方面存在很大差別，控制不當(dāng)則易產(chǎn)生各種缺陷。
MIM產(chǎn)品可能的缺陷大部分是在注射成形步驟中形成，如裂紋、孔隙、焊縫、分層、粉末與粘結(jié)劑分離現(xiàn)象等。但這些缺陷經(jīng)常是直至脫脂和燒結(jié)后由于注射時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力被釋放后才能發(fā)現(xiàn)，因此，注射成形工藝的控制對(duì)提高產(chǎn)品成品率和材料利用率非常關(guān)鍵。
注射成形時(shí)缺陷控制問題基本可以分為二個(gè)方面，一是成形溫度、壓力、時(shí)間三者函數(shù)關(guān)系設(shè)定，另一方面則是填充時(shí)喂料在模腔中的流動(dòng)就牽涉到模具設(shè)計(jì)的問題，包括在進(jìn)料口的位置、流道的長短、排氣孔的設(shè)置等，這些都需要對(duì)喂料流變性質(zhì)、模腔內(nèi)溫度和殘余應(yīng)力分布清楚的了解。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在金屬粉末注射成形模具設(shè)計(jì)方面將可發(fā)揮重要的作用。
5 脫脂
從MIM技術(shù)產(chǎn)生以來，隨著粘結(jié)劑體系的不同，形成了多種MIM工藝路徑，脫脂方法也多種多樣。脫脂時(shí)間由最初的幾天縮短以了現(xiàn)在的幾小時(shí)。從脫脂步驟上可以粗略地將所有的脫脂方法分為兩大類：一類是二步脫脂法。二步脫脂法包括溶劑脫脂+熱脫脂，虹吸脫脂——熱脫脂等。一步脫脂法主要是一步熱脫脂法，目前最先進(jìn)的是metamold法。下面分別介紹幾種有代表性的MIM脫脂方法。
從MIM技術(shù)產(chǎn)生以來，隨著粘結(jié)劑體系的不同，形成了多種MIM工藝路徑，脫脂方法也多種多樣。脫脂時(shí)間由最初的幾天縮短以了現(xiàn)在的幾小時(shí)。從脫脂步驟上可以粗略地將所有的脫脂方法分為兩大類：一類是二步脫脂法。二步脫脂法包括溶劑脫脂+熱脫脂，虹吸脫脂——熱脫脂等。一步脫脂法主要是一步熱脫脂法，目前最先進(jìn)的是metamold法。下面分別介紹幾種有代表性的MIM脫脂方法。
5.1 Injectamax法
美國AMAX Metal Injection Molding公司的Johnson于1988年發(fā)明了Injectamax法，該方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于脫脂速度快且不會(huì)造成裂紋。其粘結(jié)劑由至少兩種組元構(gòu)成，脫脂時(shí)選用一種溶劑有選擇地首先溶解脫除粘結(jié)劑中的可溶性組元，而不溶性組元?jiǎng)t不溶解。這樣打開孔隙通道，然后再利用熱脫脂除去剩余的粘結(jié)劑。該法采用的粘結(jié)劑一般由植物油、石蠟和熱塑性樹脂構(gòu)成，采用三氯乙烷溶劑首先除去油和石蠟。整個(gè)脫脂工藝過程時(shí)間短，只需6h，是一種快速的脫脂方法。這種溶劑脫脂+熱脫脂兩步法由于簡單、投資少和高效率，是目前大多數(shù)MIM公司和生產(chǎn)廠家所采用的生產(chǎn)方法。
美國AMAX Metal Injection Molding公司的Johnson于1988年發(fā)明了Injectamax法，該方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于脫脂速度快且不會(huì)造成裂紋。其粘結(jié)劑由至少兩種組元構(gòu)成，脫脂時(shí)選用一種溶劑有選擇地首先溶解脫除粘結(jié)劑中的可溶性組元，而不溶性組元?jiǎng)t不溶解。這樣打開孔隙通道，然后再利用熱脫脂除去剩余的粘結(jié)劑。該法采用的粘結(jié)劑一般由植物油、石蠟和熱塑性樹脂構(gòu)成，采用三氯乙烷溶劑首先除去油和石蠟。整個(gè)脫脂工藝過程時(shí)間短，只需6h，是一種快速的脫脂方法。這種溶劑脫脂+熱脫脂兩步法由于簡單、投資少和高效率，是目前大多數(shù)MIM公司和生產(chǎn)廠家所采用的生產(chǎn)方法。
5.2 水溶解法
水溶解法是建立在90年代發(fā)展起來的水溶性粘結(jié)劑基礎(chǔ)上的，它是類似于Injectamax二步法（溶劑脫脂+熱脫脂）的直接發(fā)展。由于化學(xué)溶劑存在毒性、回收等問題，如果能用便宜、無污染的水作為溶劑則可將MIM工藝水平大大提高一步。Cao發(fā)展了一種固態(tài)聚合物溶液脫氧蒸餾水中浸泡約16h即可除去80%的聚乙二醇，然后再采用熱脫脂法除去剩余的粘結(jié)劑。Anwar和Yang也采用聚乙二醇+聚甲基丙烯酸甲酯粘結(jié)劑體系做了一些工作，通過采用提高水溫至60-80℃，可在此除脫95%以上的聚乙二醇。Bialo發(fā)展了另一種形式的水溶性粘結(jié)劑，它采用聚氧化乙烯作為水溶性部分，其粘結(jié)劑配方為76%聚氧化乙烯+23%聚乙烯蠟——1%硬脂酸，成形坯只需在水中浸泡60-70min就脫除了大部分聚氧化乙烯。
水溶解法是建立在90年代發(fā)展起來的水溶性粘結(jié)劑基礎(chǔ)上的，它是類似于Injectamax二步法（溶劑脫脂+熱脫脂）的直接發(fā)展。由于化學(xué)溶劑存在毒性、回收等問題，如果能用便宜、無污染的水作為溶劑則可將MIM工藝水平大大提高一步。Cao發(fā)展了一種固態(tài)聚合物溶液脫氧蒸餾水中浸泡約16h即可除去80%的聚乙二醇，然后再采用熱脫脂法除去剩余的粘結(jié)劑。Anwar和Yang也采用聚乙二醇+聚甲基丙烯酸甲酯粘結(jié)劑體系做了一些工作，通過采用提高水溫至60-80℃，可在此除脫95%以上的聚乙二醇。Bialo發(fā)展了另一種形式的水溶性粘結(jié)劑，它采用聚氧化乙烯作為水溶性部分，其粘結(jié)劑配方為76%聚氧化乙烯+23%聚乙烯蠟——1%硬脂酸，成形坯只需在水中浸泡60-70min就脫除了大部分聚氧化乙烯。
由于水價(jià)格便宜 、無毒、無污染問題，水溶解法是一種經(jīng)濟(jì)且對(duì)環(huán)境最為有利的脫脂主法。但是水溶性粘結(jié)劑存在吸水問題，導(dǎo)致MIM喂料的貯存和運(yùn)輸需特殊裝置，并且與水溶性粘結(jié)劑中的水溶性部分（如聚乙二醇）相容的聚合物很少且混煉時(shí)易發(fā)生溶脹，喂料混煉時(shí)間很長。所以雖然不溶解法問世五年，但到目前為止還處于實(shí)驗(yàn)室階段，沒有用于實(shí)際生產(chǎn)。
5.3 Metamold法
Metamold法是由德國BSAF公司的Bloemacher等于90年代初開發(fā)出來的MIM一步脫脂方法，是一種催化脫脂方法 。該法的主要技術(shù)特點(diǎn)是采用聚醛樹脂作為粘結(jié)劑并在酸性氣氛中快速催化脫脂。采用長鏈聚醛樹脂作為粘結(jié)劑，利用聚醛樹脂的極性連接金屬粉末，可以適合于很廣泛的粉末種類范圍。聚醛樹脂在酸性氣氛催化作用下分解為甲醛，這種分解反應(yīng)在110℃以上快速發(fā)生，是一種直接的氣-固轉(zhuǎn)變，有利于控制生坯變形，保證了燒結(jié)后的尺寸精度。催化脫脂在氣氛-粘結(jié)劑的界面進(jìn)行，在成形坯內(nèi)部沒有氣體存在，反應(yīng)界面的推進(jìn)速度可達(dá)到1-4mm/h。
Metamold法是由德國BSAF公司的Bloemacher等于90年代初開發(fā)出來的MIM一步脫脂方法，是一種催化脫脂方法 。該法的主要技術(shù)特點(diǎn)是采用聚醛樹脂作為粘結(jié)劑并在酸性氣氛中快速催化脫脂。采用長鏈聚醛樹脂作為粘結(jié)劑，利用聚醛樹脂的極性連接金屬粉末，可以適合于很廣泛的粉末種類范圍。聚醛樹脂在酸性氣氛催化作用下分解為甲醛，這種分解反應(yīng)在110℃以上快速發(fā)生，是一種直接的氣-固轉(zhuǎn)變，有利于控制生坯變形，保證了燒結(jié)后的尺寸精度。催化脫脂在氣氛-粘結(jié)劑的界面進(jìn)行，在成形坯內(nèi)部沒有氣體存在，反應(yīng)界面的推進(jìn)速度可達(dá)到1-4mm/h。
德國CREMER公司針對(duì)Metamold脫脂法設(shè)計(jì)了一種連續(xù)脫脂和燒結(jié)爐系統(tǒng)，操作過程是：將MIM成形坯放在脫脂的第一個(gè)加熱區(qū)，并在氮?dú)鈿夥障录訜嶂?6℃，以避免在隨后的催化脫脂過程中硝酸冷凝在坯料上。然后將成形坯移動(dòng)進(jìn)入催化脫脂區(qū)，將聚醛樹脂分解為甲醛。經(jīng)過初步脫脂后，坯料通過第一個(gè)清潔室進(jìn)入燒結(jié)爐，在燒結(jié)爐的第一個(gè)加熱區(qū)脫除殘余的粘結(jié)劑。隨后，在氮?dú)?、氫氣、氬氣、分解氨和其它一些混合物的作用下進(jìn)行燒結(jié)。
Metamold 法的一個(gè)重要特點(diǎn)是采用催化劑脫脂，脫脂時(shí)不出現(xiàn)液相，避免了MIM產(chǎn)品容易發(fā)生變形和尺寸精度控制困難的弱點(diǎn)，是MIM產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重大突破，并且由于是催化脫脂，大大縮短了脫脂時(shí)間，從而降低了成本。并且應(yīng)用 Metamold法能產(chǎn)生較大尺寸的MIM零部件。采用CREMER公司的連續(xù)脫脂和燒結(jié)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，使得MIM真正成為一種具有競爭力的PM近凈成形技術(shù)。Metamold法是目前應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中最先進(jìn)的MIM脫脂方法。不過這種方法存在酸性氣氛腐蝕設(shè)備、廢氣處理等問題，且設(shè)備投資成本相對(duì)其它方法更高。
6 燒結(jié)
燒結(jié)是 MIM工藝中的最后一步工序，燒結(jié)消除了粉末顆粒之間的孔隙，使得 MIM產(chǎn)品達(dá)到全致密或接近全致密化。金屬注射成形技術(shù)中由于采用大量的粘結(jié)劑，所以燒結(jié)時(shí)收縮非常大，其線收縮率一般達(dá)到13％－25％，這樣就存在一個(gè)變形控制和尺寸精度控制的問題。尤其是因?yàn)镸IM產(chǎn)品大多數(shù)是復(fù)雜形狀的異形件，這個(gè)問題顯得越發(fā)突出，均勻的喂料對(duì)于最終燒結(jié)產(chǎn)品的尺寸精度和變形控制是一個(gè)關(guān)鍵因素。高的粉末搖實(shí)密度可以減小燒結(jié)收縮，也有利于燒結(jié)過程的進(jìn)行和尺寸精度控制。對(duì)于鐵基和不銹鋼等制品，燒結(jié)中還有一個(gè)碳勢控制問題。由于目前細(xì)粉末價(jià)格較高，研究粗粉末坯塊的強(qiáng)化燒結(jié)技術(shù)是降低粉末注射成形生產(chǎn)成本的重要途徑，該技術(shù)是目前金屬粉末注射成形研究的一個(gè)重要方面。
購機(jī)熱線：0769-85632501 東莞市今塑精密機(jī)械有限公司專業(yè)銷售各種立式注塑機(jī)，成型機(jī)。
燒結(jié)是 MIM工藝中的最后一步工序，燒結(jié)消除了粉末顆粒之間的孔隙，使得 MIM產(chǎn)品達(dá)到全致密或接近全致密化。金屬注射成形技術(shù)中由于采用大量的粘結(jié)劑，所以燒結(jié)時(shí)收縮非常大，其線收縮率一般達(dá)到13％－25％，這樣就存在一個(gè)變形控制和尺寸精度控制的問題。尤其是因?yàn)镸IM產(chǎn)品大多數(shù)是復(fù)雜形狀的異形件，這個(gè)問題顯得越發(fā)突出，均勻的喂料對(duì)于最終燒結(jié)產(chǎn)品的尺寸精度和變形控制是一個(gè)關(guān)鍵因素。高的粉末搖實(shí)密度可以減小燒結(jié)收縮，也有利于燒結(jié)過程的進(jìn)行和尺寸精度控制。對(duì)于鐵基和不銹鋼等制品，燒結(jié)中還有一個(gè)碳勢控制問題。由于目前細(xì)粉末價(jià)格較高，研究粗粉末坯塊的強(qiáng)化燒結(jié)技術(shù)是降低粉末注射成形生產(chǎn)成本的重要途徑，該技術(shù)是目前金屬粉末注射成形研究的一個(gè)重要方面。
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