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金属粉末注射成型工艺(MIN)特殊过程控制要求
来源: | 作者:天悦MIM | 发布时间: 2020-01-11 | 458 次浏览 | 分享到:

金属粉末注射成型工艺(MIM)特殊过程控制要求

一、金属粉末注射成型的概念和原理

粉末冶金不仅是一种材料制造技术,而且其本身包含着材料的加工和处理,它以少无切削的特点越来越受到重视,并逐步形成了自身的材料制备工艺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),而且已发展成为支取各种高性能结构材料、特种功能材料和极限条件工作材料、各种形状复异型件的有效途径。近年来,粉末冶金技术最引人注目的发展,莫过于粉末注射成型(MIN)迅速实现产业化,并取得突破性进展。

金属注射成型(Metal injection Molding),简称MIM,是传统的粉末冶金工艺与塑料成型工艺相结合的新工艺,是集塑料成型工艺学、高分子化学、粉末冶金工艺学和金属材料学等多学科交叉的产物,是粉末冶金和精密陶瓷成型加工领域中的新技术,利用磨具可注射成型,快速制造高密度、高精度、复杂形状的结构零件,能够快速准确的将设计思想转变为具有一定结构、功能特性的制品,并可直接批量生产出零件,是制造技术行业一次新的变革。

其注射机理为:通过注射将金属粉末与粘结剂的混合物以一定的温度,速度和压力注入充满模腔,经冷却定型出模得到一定形状、尺寸的预制件,再脱出预制件中的粘结剂并进行烧结,可得到具有一定机械性能的制件。其成型工艺工艺流程如下:金属粉末,有机粘接剂—混料—成型—脱脂—烧结—后处理—成品   

二、金属粉末注射成型工艺流程及其特殊过程控制要求

1、金属粉末的选择:首先根据产品的技术要求和使用条件选择粉末的种类,然后决定粉末颗粒尺寸。金属粉末注射成型所用的粉末颗粒尺寸一般在0.5-20μm;从理论上讲,粉末颗粒越细,比表面积也越大,颗粒之间的内聚力也越大,易于成型和烧结。而传统的粉末冶金工艺则采用大于40μm的较粗粉末。粉末的选择要有利于混炼、注射形成、脱脂和烧结,而这往往是互相矛盾的,对于MIM的原料粉末要求很细,MIM原料粉末价格一般较高,有的升值达到传统PM粉末价格的10倍,这是目前限制MIM技术广泛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超高压水雾化法、高压气体雾化法等。

2、粘接剂;粘接剂是MIM技术的核心,在MIM中粘接剂具有增强流动性以合适注射成形和位置坯块形状这两个最基本的职能,此外它还应具有易于脱除、无污染、无毒性、成本合理等特点,为此出现了各种各样的粘接剂,近年来逐渐从单凭经验选择向根据对脱脂方法及对粘接剂功能的要求,有针对性地设计粘接剂体系的发展方向。粘接剂一般是由低分子组元与高分子组元再加上一些必要的添加剂构成。低分子组元粘度低,流动性好,易脱去;高分子组元粘度高,强度高,保持成型坯强度。二者适当比例搭配以获得高的粉末装载量,最终得到高精度和高均匀性的产品。通常采用的粘接剂组要有:热塑性体系(石蜡基、油基和热塑性聚合物基)、凝胶体系、热固性体系和水溶性体系

3、混炼;混炼是将金属粉末与粘结剂混合得到均匀喂料的过程。由于喂料的性质决定了最终注射成形产品的性能,所以混炼这一工艺步骤非常重要。这牵涉粘结剂和粉末加入的方式和顺序、混炼温度、混炼装置的特性等多种因素。这一工艺步骤目前已知停留在依靠经验摸索的水平上,最终评价混炼工艺好坏的一个重要指标就是所得到喂料的均匀和一致性MIM喂料的混合是在热效应和剪切力的联合作用下完成的。混料温度不能太高,否则粘结剂可能发生分解或者由于粘度太低而发生粉末和粘结剂两相分离现象,至于剪切力的大小则依据混料方式的不用而变化。MIM常用的混料装置有双螺旋挤出机、Z形叶轮混料机、单螺旋桨挤出机、柱塞式挤出机、双行星婚恋及、双凸轮混料机等,这些混料装置都适合于制备粘度在1-1000Pa▪s范围内的混合料。混炼的方法一般是先加入高熔点组元熔化,然后降温,加入低熔点组元,然后分批加入金属粉末。这样能防止低溶点组元的气化或者分解,分批加入金属粉可防止降温太快而导致的扭矩激增,减少设备损失。对于不同粒度粉末搭配时的加料方式,日本专利介绍:现将较粗的15-40μm水雾化粉加入粘结剂中,然后加入5-15μm粉,最后加入粉度5μm粉。这样得到的最终产品的收缩变化很少为了在粉末周围均匀涂覆一层粘接剂,还可以将金属粉末直接加入高熔点组元中,再加入低熔点组元,最后去除空气即可。如AnwarPMIMA悬浮液直接加入到不锈钢粉末中混合,然后 PEG水溶液加进去,干燥,然后边搅边去除空气。Oconnor采用溶剂混合先将SA与粉干混合再加入四氢呋喃溶剂,然后加入聚合物,四氢呋喃在受热中逸去后,再加入粉末混合,可得到均匀的喂料。

4、注射成形;注射成形的目的是获得所需形状的无缺陷、颗粒均匀排由的MIM成形坯体。首先将粒状喂料加热至一定高的温度使之具有流动性,然后将其注入模腔中冷却下来得到所需形状的具有一定刚性的坯体,然后将其从模具中取出得到MIM成形坯,但由于MIM喂料高的粉末含量,使得其注射成形过程在工艺参数上及其他一些方面存在很大差别,控制不得当则易产生各种缺陷。MIM产品可能的缺陷大部分是在注射成形步骤中形成,如裂纹、孔隙、焊缝、分层、粉末与粘接剂分离现象等。但这些缺陷经常是直至脱脂和烧结后由于注射时产生的应力被释放后才能发现,因此,注射成形工艺的控制对产品成品率和材料利用率非常关键。注射成形时缺陷控制问题基本可以分为二个方面,一个是成形温度、压力、时间三者函数关系设定,另一方面则是填充时喂料在模腔中的流动就牵扯到模具设计的问题,包括在进料口的位置、流道的长短、排气孔的设置等,这些都需要对喂料流变性质、模腔内温度和残余应力分布清楚的了解。计算机模拟技术在金属粉末注射成形磨具设计方面将可发挥重要的作用。

5、脱脂:成型坯在烧结前必须去除体内所含有的粘结剂,该过程称为脱脂。脱脂工艺必须保证粘结剂从坯块的不同部位沿着颗粒之间的微小通道逐渐地排除,而不损坏成型坯的高强度。粘结剂的排除速率一般遵循一个扩散方程。如果粘结剂的排除速率过快,就会导致成型坯起泡、裂纹等缺陷。所以颗粒系统的粘结能必须大于粘结剂去除过程的破裂能。

6、烧结:烧结是MIM工艺中的最后一步工序,烧结消除了粉末颗粒之间的空隙,使得MIM产品达到全致密或接近全致密化。金属注射成型技术中由于采用大量的粘接剂,所以烧结时收缩非常大,其线收缩率一般达到13%-25%,这样就存在一个变形控制和尺寸精度控制的问题。尤其是因为MIM产品大多数是复杂形状的异型件,这个问题显得越发突出,均匀的喂料对于最终烧结产品的尺寸进度和变形控制是一个关键因素。高的粉末摇实密度可以减小烧结收缩,也有利于烧结过程的进行和尺寸精度控制。对于铁基和不锈钢制品,烧结中还有一个碳势控制问题。由于目前细粉末价格较高,研究粗粉末坯块的强化烧结技术是降低粉末注射成型生产成本的重要途径,该技术是目前金属粉末注射成型研究的一个重要研究方面。MIM产品由于形状复杂,烧结收缩大,部分产品烧结完成后仍需烧结后处理,包括整形、热处理(渗碳、渗氮、碳-氮共渗等)表面处理(精磨、列子氮化、电镀、喷丸硬化等)

三:工艺特点

1、自身特点:

1)零部件几何形状的自由度高、制件各部分密度均匀、尺寸精度高,适用于制造集合父爱、精度及具有特殊要求的小型零件。(0.2g-200g

2):合金化灵活性好,对于过硬、过脆、难以切削的材料或原料铸造时有偏析或污染的零件,可降低制造成本。

    3):产品质量稳定、性能可靠,制作的相对密度可达95%-98%,可进行渗碳、淬火、回火等处理。

4):加工零件的典型公差为±0.06mm/mm;批内公差可达±0.04mm/mm:二次加工可达0.02mm/mm

5):制造工艺简单、身缠效率高,易于实现大批量、规模化生产。

2、与其他加工工艺比:

1MIM使用的原料粉末粒度直径为0.5-20μm,传统粉末冶金的原材料粉末粒度为50-100μmMIM工艺的成品密度高,原因是使用微细粉末。MIM工艺具有传统粉末冶金工艺的优点,但形状自由度是传统粉末冶金所不能达到的。

2MIM的精密铸造工艺作为一种制作复杂形状产品及有效的技术,近年使用陶心辅助可以完成狭缝、深孔穴的产品,但碍于陶心的强度以及铸液的流动性限制,该工艺仍有某些技术上的难题。一般而言,此工艺制造大、中型零件较为合适,而且精铸工艺材质受到一定限制。

3)压铸工艺适用于铝和锌合金等低溶点、铸流性好的材料,而MIM工艺合适各种材质。

4)精密锻造可以成型复杂零件,但不能成型三维复杂的小型零件,其产品的精度低,产品有局限。

5)传统机械加工法材料的有效利用率低,且形状的完成受限于设备与刀具,相反,MIM可以有效利用材料,形状自由度不受限制。