粉末注射成型工艺的研究进展

粉末注射成型工艺的研究进展

0金属注射成型技术粉末注射合成（pim）来自塑料注射合成。这是一种新型的近洁制造技术，采用了粉末技术和塑料注射形成技术的结合和金属压碎技术。这一新技术的工艺过程是：首先，将粉末和塑料薄膜混合制成均匀的粘稠粉末粉末，然后在注塑机上按照一定的温度和压力注入模子中，然后脱下粘合，并将其燃烧成各种致密的产品。如图1所示。1粉末注射成型当注射成型技术应用于陶瓷和金属时,称为陶瓷粉末注射成型(CeramicInjectionMolding,简称CIM)和金属粉末注射成型(MetalInjectionMolding,简称MIM).粉末注射成型结合了粉末冶金和塑料注射成型的优点,是制备复杂形状零部件的一种较新的技术,开拓了一个新的研究领域.1.1陶瓷注射成型的技术特点陶瓷粉末注射成型技术来源于高分子材料的注塑成型,借助高分子聚合物在高温下熔融、低温下凝固的特性来进行,成型之后再把高聚物脱除.与传统的陶瓷加工工艺相比,陶瓷粉末注射成型技术要简单得多,能制造出各种复杂形状的高精度陶瓷零部件,且易于规模化和自动化生产,已广泛用于航空、军事、汽车、电子、机械以及医疗器械等工业.CIM基本工艺包括4个步骤:粘结剂与陶瓷粉末的混炼—成型—脱脂—烧结,其中脱脂是陶瓷注射成型技术的关键.陶瓷注射成型使用的有机载体包括粘结剂、增塑剂、润滑剂等.有机载体的选择重点考虑体系内的相容性,注射悬浮体的流变特性,脱模特性与生坯强度.通常有机载体与陶瓷粉体混炼后的结合强度主要取决于热塑性树脂高聚物;脱脂特性亦可由耐热性好的高聚物调节;可塑剂和润滑剂可改善体系流动性及脱模性能;表面活性剂具有综合调节作用.1.2合物注射成型金属粉末注射成型技术是在传统的注射成型和粉末冶金工艺的基础上发展起来的一种新型的注射成型工艺,特别适合于大批量生产小型、复杂的高密度金属或金属化合物的制品,扩大了粉末冶金技术的应用范围.MIM工艺过程主要分3个阶段:将粘结剂和金属粉的混合物注射成型;通过加热或低温焙烧成具有一定形状的多孔的金属零件;高温烧结成结实的只有金属材料组成的零件,有必要时可以进行适当的后加工处理.在生产工艺设计方面结合了注塑成型与金属高压模浇注成型的优点,同时制品具有与锻造金属材料类似的性质.与传统金属加工技术相比,MIM是一种近净尺寸成型方法,并且能成型外形复杂的制品,但是其主要的不足在于适合成型较小尺寸的制品,如果制品厚度≥5mm,脱脂工艺需要很长时间.MIM研究的主要趋势是通过用不同的金属粉末和制料来获得机械性能更好的制品,改进材料性能表征方法以便在提高成型制品质量及用有限元模拟MIM成型过程方面获得最佳工艺参数,特别是在缩短设计参数时间和减少实验测试方面.MIM制品种类很广,比如日常消费用品、办公用品、医疗器材及工业生产器械中的自动化元件等.2金与塑料注射成型工艺尽管粉末注射成型的概念已经有80多年了,但是直到近年来才形成相对成熟的工艺.PIM结合了粉末冶金与塑料注射成型工艺,用来生产金属、陶瓷制品以及难熔金属部件.该工艺包括以下4道工序:混料、注射成型、脱脂、烧结.当颗粒粒度分布在0.2～20mm,角半径≥0.075mm,形状复杂性适中并具有良好的光滑表面时,将有利于粉末注射成型,制品的公差变化范围通常在0.1～1mm.2.1配方组成、混炼工艺及添加剂配比的确定混料是一个改善粉末流动性和完成分散的过程.优化粉末与粘结剂的组成配比和混炼工艺对获得均匀混料及在注射成型、脱脂和烧结工序后得到高质量制品,起着十分关键的作用.2.1.1混料的特性与粘结剂的选择粘结剂有热固性塑料、热塑性塑料、水基体系、凝胶体系和无机体系5类.一般粘结剂体系包括3部分:流动性好的低熔点组分;起骨架支撑作用的高熔点主体聚合物;少量可以改善粘结剂加工性能的助剂.常用到的粘结剂有热固性树脂、热塑性聚合物及淀粉,根据注射成型机提供的压力不同,可考虑制品的最终均匀结构和密度来选取最佳的粘结剂.理想的粘结剂要求具备以下特征:1)熔点低,固化性好,在室温具有较高的强度(≥4MPa),粘度低(一般小于10Pa·S),流动性好,且粘度随温度变化小,粒度对应变速率的敏感性小;2)与原料粉末间不发生化学反应,与粉末润湿性好(润湿角小于5°),粘附性强;3)粘结剂中各组元可化学部分互溶,不发生相分离,热分解温度范围宽,其分解产物无腐蚀性、无毒,残留量低,金属含量低,分解温度应高于混合温度和成形温度;4)粘结剂的成本低,易获取,生产安全,不污染环境,不吸水,无易挥发组元,循环加热不变质(可重复使用),热导率高,热膨胀系数小,链节长度短,无结晶取向.在混料工序中,粘结剂的选择主要考虑以下几点:1)粘结剂与粉末混合均匀性;2)增加粉末的流动性;3)脱模性与生坯强度;4)脱脂特性.在粉末注射成型中,混料的粘度、密度、热学性质和热解性决定其成型性能.在这些成型参数中,喂料粘度与剪切应力和剪切率有关,是影响注射成型的最大因数,可由流变仪测定.研究表明,当喂料粘度控制在比较窄的变化范围内时,更容易制得合格生坯.2.1.2混炼过程会导致粘结剂含量的变化PIM混料必须体现粉末与热塑性粘结剂混合的均匀性.合理的粉末与粘结剂装载量比例(体积分数或质量分数)十分重要.它不仅直接影响接下来的工序,在混炼过程中还容易导致粘结剂从粉末颗粒间隙渗漏而引起混炼困难.粉末装载量(体积分数)的大小取决于粉末形状,一般其比例为45%～60%.在混炼时,粘结剂含量少将导致粉末颗粒表面润湿性差.相反,如果粘结剂含量较高,则降低了混料粘度的同时,还会引起粉末与粘结剂在高压注射过程中相互分离.另一方面,如果粉末含量过低在烧结时会出现较高的收缩率.通常在不影响注射成型的前提下,使粉末配比尽量高以提高制品的烧结强度和降低收缩率.2.2注射温度影响下的喂料粘度的计算在粉末注射成型工艺中,注射成型是决定生产合格生坯的一道重要工序.混料在注射成型机里通过螺杆搅拌加热,通过注塑机送料系统将塑化后的混合物注入模腔,并保压以补偿冷却收缩.当冷却固化后,零件具有足够的强度后,打开模具,用顶针将零件顶出,获得生坯.在注射工序中,由于存在很高的剪切率,使原本各自分散的粉末与粘结剂在生坯中成为颗粒实体,并在以后的工序中各向异性收缩.在一定注射温度下,可由以下公式计算剪切率影响下的喂料粘度:η=Kγn−1η=Κγn-1其中η为喂料粘度;γ为剪切率;K为常数;n(n<1)为流变指数.根据n表示的剪切灵敏度,可得到PIM喂料的流变学的特征.成型工艺和制品设计同样能引起喂料在型腔中的不均匀流动,从而导致生坯的密度不均匀和各向异性收缩.因此,生坯往往在此工序中出现裂缝和扭曲.混料的不均匀流动和粉末与粘结剂相互分离,在注射成型过程中容易产生缺陷,导致在脱脂和烧结工序中制品发生裂缝和翘曲,最终使得粉末注射成型制品的物理化学性能较差.2.3影响脂压法大鼠相干合成的因素脱脂是PIM中最困难和最重要的工艺步骤.脱脂有时候也称为预烧结,即把注射成型加入的大量有机载体在烧结前排除.脱脂技术有热脱脂、溶剂脱脂、超临界流体脱脂和催化分解等.粘结剂的设计和筛选总是和特定的脱除方法相联系.从工艺控制和成本考虑,粘结剂的脱脂时间应尽量短,且不出现缺陷或变形,无粘结剂残留物,碳含量要能控制在所要求范围内.影响脱脂过程的因素主要有:气氛、压力和温度制度.气氛包括在真空、惰性保护气体或还原气体下脱脂.惰性气氛可避免有机物的氧化分解.一定的气氛压力,可缩小有机物挥发及分解产生的有效体积,从而减少由于体积膨胀引起的坯体开裂.另外,脱脂速率也直接受温度影响.在坯体软化,内部尚未形成气孔通道的温度段(l50～300℃),升温速率必须严格控制.否则,坯体易发生变形、产生鼓泡及开裂等缺陷.大量的热脱脂研究表明,热脱脂的关键在于控制脱脂温度在低温阶段(150～350℃)低速升温(1℃/min),不产生变形或缺陷,所以要求脱脂炉具有良好的温度稳定性和均匀性.2.4烧结温度对制品尺寸的影响为了得到最大的烧结密度,使烧结制品所含的杂质最小,烧结参数显得十分重要.烧结参数包括烧结气氛、最高烧结温度和烧结时间.对于金属和陶瓷粉末注射成型制品,烧结温度不同.烧结温度在很大程度上会影响制品的尺寸稳定性和烧结密度.在一定的烧结温度范围内,温度的提高将有利于制品密度的提高,并且在此温度范围内,制品的膨胀及收缩也存在小范围的变化.为了得到标准偏差较小烧结密度较高的制品,在烧结过程中应该设置适当的升温速率和等温烧结温度,严格控制在烧结后期出现的温度波动以及保证炉膛温度分布均匀.若烧结升温速率过快时,制品容易出现裂缝.虽然液相的存在有利于烧结制品密度的提高,但是由于液相对温度变化影响很大,特别是在升温速率较快的情况下,如果制品中存在烧结液相分布不均匀,容易造成收缩率不均匀和塌陷,造成制品尺寸精度差.3pim工艺特点粉末注射成型技术与其他成型工艺相比较,在成型复杂形状制品方面具有优越的成本优势和技术上的优点.利用PIM工艺,比传统工艺减少了加工工序,原料利用率高,还可回收废料,降低生产成本.在一些要求较高的制品加工方面,比如生物医用制品,PIM能在兼顾制品强度、耐疲劳强度和生物相容性的同时降低成本、简化加工、提高植入材料表面的生物活性.由于在生坯中固相组成比较低,大约在50～70vol.%,在烧结过程中存在大量的线收缩,收缩率达到11%～20%,所以该工艺生产紧公差的制品有限的.PIM工序繁多,包括混料、注射成型、脱脂、烧结,制品的尺寸精度受到每道工序中设置的参数、原料的本身性质及加工条件和模具设计等方面的影响,从而影响制品的质量.4制备工艺研究的加强随着材料科学的不断发展