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深圳市友利勝精密機械有限公司
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金屬注射成型

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      金屬注射成形(Metal Injection Molding,簡稱MIM)是一種從塑料注射成形行業中引伸出來的新型粉末冶金近凈成形技術,眾所周知,塑料注射成形技術低廉的價格生產各種復雜形狀的制品,但塑料制品強度不高,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度較高、耐磨性好的制品。近年來,這一想法已發展演變為最大限度地提高固體粒子的含量并且在隨后的燒結過程中完全除去粘結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。
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劑,然后在一定溫度下采用適當的方法將粉末和粘結劑混合成均勻的喂料,經制粒后在注射成形,獲得的成形坯經過脫脂處理后燒結致密化成為最終成品。
1.MIM粉末及制粉技術
MIM對原料粉末要求較高,粉末的選擇要有利于混煉、注射成形、脫脂和燒結,而這往往是相互矛盾的,對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,表1中列出了最適合于MIM用的原料粉末的性質。
由于MIM原料粉末要求很細,MIM原料粉末價格一般較高,有的甚至達到傳統PM粉末價格的10倍,這是目前限制MIM技術廣泛應用的一個關鍵因素,目前生產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。
2.粘結劑 
     粘結劑是MIM技術的核心,在MIM中粘結劑具有增強流動性以適合注射成型和維持坯塊形狀這兩個最基本的職能,此外它還應具有易于脫除、無污染、無毒性、成本合理等特點,為此出現了各種各樣的粘結劑,近年來正逐漸從單憑經驗選擇向根據對脫脂方法及對粘結劑功能的要求,有針對性地設計粘結劑體系的方向發展。
粘結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成。低分子組元粘度低,流動性好,易脫去;高分子組元粘度高,強度高,保持成形坯強度。二者適當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品。
3.混煉 
     混煉是將金屬粉末與粘結劑混合得到均勻喂料的過程。由于喂料的性質決定了最終注射成形產品的性能,所以混煉這一工藝步驟非常重要。這牽涉到粘結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驗摸索的水平上,最終評價混煉工藝好壞的一個重要指標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和剪切力的聯合作用下完成的。混料溫度不能太高,否則粘結劑可能發生分解或者由于粘度太低而發生粉末和粘結劑兩相分離現象,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、Z形葉輪混料機、單螺旋擠出機、柱塞式擠出機、雙行星混煉機、雙凸輪混料機等,這些混料裝置都適合于制備粘度在1-1000Pa·s范圍內的混合料。
混煉的方法一般是先加入高熔點組元熔化,然后降溫,加入低熔點組元,然后分批加入金屬粉末。這樣能防止低熔點組元的氣化或分解,分批加入金屬粉可防止降溫太快而導致的扭矩急增,減少設備損失。
對于不同粒度粉末搭配時的加料方式,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,這樣得到的最終產品的收縮變化很少。為了在粉末周圍均勻涂覆一層粘結劑,還可將金屬粉末直接加入到高熔點組元中,再加入低熔點組分,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水溶液加進去,干燥,然后邊攪邊除去空氣。O'connor采用溶劑混合,先將SA與粉干混再加入四氫呋喃溶劑,然后加入聚合物,四氫呋喃在受熱中逸去后,再加入粉末混合,可得到均勻的喂料。
4.注射成形 
     注射成形的目的是獲得所需形狀的無缺陷、顆粒均勻排由的MIM成形坯體。如圖1所示,首先將粒狀喂料加熱至一定高的溫度使之具有流動性,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。這個過程同傳統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上及其它一些方面存在很大差別,控制不當則易產生各種缺陷。
5.脫脂 
     從MIM技術產生以來,隨著粘結劑體系的不同,形成了多種MIM工藝路徑,脫脂方法也多種多樣。脫脂時間由最初的幾天縮短到了現在的幾小時。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,目前最先進的是amaetamold法。下面分別介紹幾種有代表性的MIM脫脂方法。
6 .燒結
     燒結是 MIM工藝中的最后一步工序,燒結消除了粉末顆粒之間的孔隙.使得MIM產品達到全致密或接近全致密化。金屬注射成形技術中由于采用大量的粘結劑,所以燒結時收縮非常大,其線收縮率一般達到13%-25%,這樣就存在一個變形控制和尺寸精度控制的問題。尤其是因為MIM產品大多數是復雜形狀的異形件,這個問題顯得越發突出,均勻的喂料對于最終燒結產品的尺寸精度和變形控制是一個關鍵因素。高的粉末搖實密度可以減小燒結收縮,也有利于燒結過程的進行和尺寸精度控制。對于鐵基和不銹鋼等制品,燒結中還有一個碳勢控制問題。由于目前細粉末價格較高,研究粗粉末坯塊的強化燒結技術是降低粉末注射成形生產成本的重要途徑,該技術是目前金屬粉末注射成形研究的一個重要研究方面。
MIM產品由于形狀復雜,燒結收縮大,大部分產品燒結完成后仍需進行燒結后處理,包括整形、熱處理(滲碳、滲氮、碳一氮共滲等),表面處理(精磨、離子氮化、電鍍、噴丸硬化等)等。

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