粉末注射成型技术的研究进展

粉末注射成型技术的研究进展

粉末不仅是一种材料制造技术，也是其自身材料的加工和处理。由于切割少的特点，它引起了越来越多的关注，形成了自己的材料制备技术理论和材料性能理论的完整体系。现代粉末冶金技术不仅保持和大大发展了其原有的传统特点(如少无切削、少无偏析、均匀细晶、低耗、节能、节材、金属-非金属及金属高分子复合等),而且已发展成为制取各种高性能结构材料、特种功能材料和极限条件下工作材料、各种形状复杂的异型件的有效途径。近年来,粉末冶金技术最引人注目的进展,莫过于粉末注射成型(PIM)迅速实现产业化,并取得突破性进展。金属粉末注射成型技术金属粉末注射成型技术的形成以Riverst和Wiech分别于1978年和1980年发明的专利为起点,迄今已历时二十余年,其中由德国BASF公司的Bloemacher于90年代初开发的MIM工艺成为MIM实现产业化的一个重大突破。它采用聚醛树脂作为粘结剂,并在酸性气氛中快速催化脱脂,不仅大大缩短了脱脂时间,而且这种催化脱脂能在低于粘结剂的软化温度下进行,避免了液相的生成,有利于控制生坯的变形,保证了烧结后的尺寸精度。同时,由于利用了聚醛树脂极性连接金属粉末,故适合于多种粉末的注射。这种工艺不仅大大降低了生产成本,提高了生产率,并且可生产尺寸较大的零件和制品,扩大了MIM的应用范围,从而使MIM真正成为一种具有竞争力的PM近净成型技术。金属粉末注射成型(MetalPowderInjectionMolding简称为MIM)是一种从塑料注射成型行业中引伸出来的新型粉末冶金近净成型技术。众所周知,塑料注射成型技术能以低廉的生产成本,高效地生产各种复杂形状的制品,但制品的强度不高,从而使应用范围受到了极大的制约。为了改善这一缺陷,提高制品的各种性能,在塑料中添加金属或陶瓷粉末,从而得到强度较高、耐磨性好的制品或零部件。近年来,这一尝试已发展成为最大限度地提高固体粒子的含量并且在随后的烧结过程中完全除去粘结剂并使成型坯件致密化,进而得到强度较高、耐磨性好的金属零部件,这便是金属粉末注射成型技术。金属粉末注射成型技术在制造具有复杂形状、均匀组织结构和高性能、高强度、高精度的近净型产品方面显示了独特的优势。凡可以制成粉末的任何金属或合金均可用此法制造零件,此外,该技术可实现全自动化连续作业,生产效率高,材料利用率高。注射成型喂料的制备金属粉末注射成型的工艺流程如图1所示。首先选取符合MIM技术要求的金属粉末和粘结剂,然后在一定温度下采用适当的方法将粉末和粘结剂混合成均匀的注射成型喂料,经制粒后在注射成型机上注射成型,获得的成型坯件经脱脂后烧结致密化成为最终产品。1.mim粉末成本较高MIM对原料粉末的要求较高,包括粉末的形貌、粒度、粒度组成、比表面、松装密度等。MIM对原粒粉末的最佳要求见表1。MIM对原料粉末要求很细,故MIM粉末成本较高,约为传统PM粉末价格的1～10倍,这正是制约MIM技术大力推广和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羟基法和雾化法,为了满足注射成型对极细球状粉末的需求,一些公司开发了一些新的雾化技术,如高压气体雾化、超音速层流气体雾化技术等,据称所得铝合金和不锈钢粉末的中径≤10μm。2.粘结剂的使用粘结剂在金属注射成型技术中起着相当关键的作用。只有加入一定量的粘结剂后,粉末才具有一定的流动性以适合于注射成型。成型后,粘结剂又起着保持制品形状的作用,粘结剂的含量一般为40%～60vol%。对粘结剂的一般要求为:与粉末接触角小、粘结力强;纯粘结剂在注射温度下的粘度应小于0.1Pa·s,且不能与粉末发生两相分离;冷却后粘结剂应具有一定的强度和脆性。为保证注射和脱脂的顺利进行,同时担负着传递流动(载体)和保持形状双重作用的粘结剂一般采用多组元体系,即由流动性好的低熔点组元(石蜡,植物油等)和具有较好保形性和较高熔点的聚合物组元(如聚醛树脂等)组成,另外还需添加少量表面活性剂。3.注射成产品性能的评价混炼就是在一定装置和一定温度下,将原料粉末及粘结剂进行混合并充分有效地搅拌,使其均匀化并符合注射要求的过程。由于喂料的性质决定了最终注射成产品的性能,所以,混炼这一工艺步骤变得非常重要,这将涉及到粘结剂和粉末加入的方式和顺序,混炼的温度,混炼装置特性等多种因素,最终评价混炼工艺性好坏的一个重要指标就是所得到的喂料的均匀性和一致性。MIM常用的混炼装置有双螺旋挤出机、乙型叶轮混料机、单螺旋挤出机、柱塞式挤出机、双行星挤出机、双凸轮混料机等。以上装置均适合于制备粘度在1～1000Pa·s范围的混合料。4.mim产品注射成型缺陷的控制注射成型是整个工艺过程的关键工序。因为在注射成型过程中,易形成裂纹、孔隙、焊缝、分层、粉末与粘结剂分离等多种缺陷。而这些缺陷往往要在脱脂和烧结完成、注射应力被释放后才能发现。缺陷形成的原因除由于原料粉末不合格、粘结剂选择不当、喂料混炼不合格等因素外,主要取决于注射成型时的工艺条件。注射成型时,对可能产生缺陷的控制应从两个方面进行考虑:1)成型的工艺参数(注射温度、注射时间、开模时间)的设定;2)喂料在模腔中的流动行为。因为MIM产品大多数是形状复杂、精度要求高的异型件,喂料在模腔中的流动行为就涉及到模具设计的问题,包括进料口的位置、流道的形状和长短、排气孔的设置与分布等。因此,在模具设计与制造中,必须对喂料的流变性质、模腔内温度和残余应力分布进行详细分析。5.精密金属粉末注射成型技术脱脂就是采用适当方法,使成型坯中的粘结剂得以全部去除的过程。脱脂的基本方法有2种:溶剂萃取法和热分解法。评价各种脱脂技术最重要的指标是脱脂时间,目前MIM脱脂时间已由最初的几十个小时缩短到几个小时。另外脱脂时,若能避免液相的生成,则可有效控制生坯的变形,保证烧结后的尺寸精度。美国ThermalPrecisionTechnology公司的Hens开发了一种称之为精密金属粉末注射成型的新工艺(PPIM),据称采用该工艺可以将MIM技术推进到一个低成本、高精度、高成品率和对环境友好的新时代,其主要技术特色就是脱脂技术。采用水溶性粘结剂,该水溶性粘结剂由聚乙二醇(PEG)为第1组元,采用交联聚合物(如聚乙烯醇缩丁醛PVB)为第2组元,这样其脱脂可分为2步:1)采用水溶解法去除PEG,此时PVB保持为交联固态;2)进行热分解法脱脂时,PVB从固态直接转变为气态,脱脂时不出现液相,避免了变形,保证了尺寸精度。6.粉末注射法成型法更符合非织造材料的特性,符合市场的需求烧结是粉末冶金(PM)的一个重要环节,同时也是MIM工艺的最后一道工序。通过烧结,使得MIM产品达到全致密或接近全致密化。现代粉末冶金烧结技术正朝着“三高一低”(高强度、高性能、高精度、低成本)和“三耐”(耐磨损、耐高温、耐腐蚀)方向发展。用注射成型法辅之以现代烧结技术,可使成型零件或制品达到理论密度的96%。以波音707和波音727飞机机翼传动机构的螺纹部分所用镍圈为例,这种镍圈结构复杂且有内螺纹,过去用锻坯和机械加工方法需经14道工序方可完成,而采用粉末注射成型法,则可制造出几乎无加工余量的镍圈,只需少量磨削和校准,大大缩短了生产周期,极大提高了生产率,并降低了成本,同时粉末注射法制成的镍圈完全满足了其服役条件下所要求的高强度、高耐腐蚀等性能。金属粉末注射成型技术中由于采用了大量的粘结剂,故烧结时收缩比非常大,一般达13%～25%,这就需要控制变形和控制尺寸精度。由于MIM产品大多数是具有复杂形状的异型件,故这个问题越发显得突出。均匀的喂料对减小最终产品的变形量是一关键因素,高的粉末摇实密度同样会减小烧结时的收缩量。此外,如经脱脂的PPIM工艺由于采用了经调配的宽粒度组成的金属粉末,使粗细粉末搭配,使得喂料中的原料粉末装载量大大提高(对于不锈钢粉末可达74vol%),从而大大减小了尺寸收缩,使得产品尺寸精度可达±0.1%。mim技术的应用金属粉末注射成型技术属于近年来取得突破性进展的粉末冶金近净成型(复杂零件精密成型)新技术。自70年代末80年代初问世以来,发展异常迅速。在北美和西欧,MIM工艺已日臻成熟,并迅速实现了产业化。MIM产品涉及面越来越广泛,MIM产品尺寸精度一般可达±0.3%,最高可达±0.1%,有时可以完全免除附加机加工。金属粉末注射成型技术的出现,给各行各业的设计和制造人员提供了崭新的设计思路和制造技术。采用MIM技术可以大胆采用原来由于可加工性和加工经济性差而不得不放