金属粉末注射成型实用工艺概论.docx

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金属粉末注射成型实用工艺概论

新疆农业大学机械交通学院

2015-2016学年一学期

《金属工艺学》课程论文2015年12月

班级机制136学号220150038姓名侯文娜

开课学院机械交通学院任课教师高泽斌成绩__________

1.论文题目：

金属粉末注射成型工艺概论

论文要求：

1、根据所选择题目，选择一个点展开分析和讨论，包括基本原理、可能存在的缺点和改善措施、可能的应用前景等。

2、可以使用文字叙述，也可以列出表格或者图像表达。

3、要求有基本的结论。

4、论文结构包括：

题目，摘要，关键词，前言（引言），主题，结论，参考文献等。

5、自己组织语言表述自己的观点，切不可人云亦云、抄袭现有文献资料；课程论文内容要体现出学生的独立思考能力和一定的创新性。

6、字数3000-5000字，主要文献10-20篇。

教师评语：

教师签字：

年月日

金属粉末注射成型工艺概论

作者：

侯文娜指导老师:

高泽斌

摘要：

金属注射成形时一种从塑料注射成形行业中引申出来的新型粉末冶金近净成型技术，这种新的粉末冶金成型方法称作金属注射成型。

关键词：

金属粉末注射成型

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（MetalinjectionMolding），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

2.1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。

2.2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，近年来整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。

2.3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Anwar将PMIMA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。

2.4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。

如图所示，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。

2.5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。

2.6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）便面处理（精磨、列子氮化、电镀、喷丸硬化等）。

三：

工艺特点

3.1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。

3.2与其他加工工艺比：

（1）；MIM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50-100μm。

MIM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。

（2）；出啊弄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。

四：

发展现状

4.1；国外概况：

金属粉末注射成型工艺技术的开拓是美国的Parmatech公司。

该公司的航天燃料专家Wiech博士于1973年发明了MIM技术。

以Riverst和Wiech与70年代发明的专利为起点，开始了金属粉末注射成型技术。

Parmatech于70年代末注射成型铌火箭喷嘴获得MPIF奖。

但由于该技术的独特优点和先进，被美国结尾不对外扩散技术加以保密，知道1985年才向权直接公布这一技术，而这期间美国国内的MIM技术得以成熟并迅速发展成产业化。

该项技术向世界纰漏后得到世界各国政府、学术界、企业界的广泛重视，并投入了大量人力物力和财力予以开发研究。

其中日本在研究上十分积极而且表现突出，许多大型株式会社参与了MIM技术的工业化推展。

目前日本有四十余家企业从事MIM制品生产，每家公司的利润都十分可观。

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的突破。

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，不行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。

作为该项目技术的发明国美国。

MIM技术已经广泛的应用于航天、摩托车、汽车、医疗器械、食品器械、计算机、通信设备、五金工具、仪器仪表、钟表等各个制造行业，MIM企业也因此转了个盆满钵满。

据粉末冶金协会粗略统计和预测全球MIM产品的销量正在以每年30%-40%的速度递增。

4.2；国内状况；中国MIM技术的产业化发展始于八十年代末，从事研究开发的单位不足10家，虽然粘结剂各有不同，但都取得了可喜的成果，有的已经达到了国际先进水平。

而在MIM技术的应用及产业化方面与国外相比存在一定的差距。

金属粉末射出成形在中国的发展，可以说受惠于手机产业的带动，从2009年开始整个行业便扶摇直上，尤其带了2011年中后，更因为受到美商苹果计算机与韩商三星电子两家的商品竞争，在手持装置中大量采用MIM零件，是过去从未见到的热潮。

当然，其他方面的应用，MIM技术和产品更是不遑多让，包含；汽车燃料喷射系统、航空器的侦测系统（高空恶略环境侦测如；温度、高度与空气氧气浓度）、乐器零组件、电子用散热模块与热管密封模块、电子连接器工具机零件、光纤接头、喷雾嘴、硬式磁盘驱动器零件、药用容器与装置、电动手工具零件、泵浦磨耗件、外科医疗器械与运动器材、这些零件都是MIM逐步拓展的市场。

我们可以从台湾与大陆MIM逐步拓展的市场。

我们可以从台湾与大陆的MIM制造商增加速度来看，从2009年不到50家，到2013年，在突破100家的速度，平均机台数量至少达到12:

4=射出成形机台数：

烧结炉线数，甚至更高的，这些惊人的发展以为着MIM行业的正在中国快速崛起。

4.3；现行国际与国内MIM工艺流程演进；现行中国的MIM行业受到早起BASF的射料影响，酸脱催化烧结的方式一致难有突破。

主要在于专用材料的调整性几乎其微，这是国际上的主流虽然一致，但缺乏了弹性将导致中国MIM产业无法创兴。

索性BASF的催化拖粘专利已经到期，BASF愿意在特定合约下提供更低价格的原料，加上国内中南大学与华南理工的研究突破，在网络上公布了几篇研究报告，以塑基配方（相仿于BASF配方）也渐渐被应用，我们可以说目前中国境内的MIM技术应该是世界的前锋。

同时，因为世界工厂的地位，MIM产品结合其他手段的二次处理和加工，更是大大的向前迈进，这是很有趣的技术整合，以MIM制作近净型的精坯，随后加以冲压、切边、整形、抛光甚至激光蚀刻等等，有许多令人惊艳的成绩。

因此，我认为中国引领世界MIM技术的潮流，成为MIM混合式整合技术，大大提升金属零件加工的效率，以及节省大量能源而努力。

五；金属注射成形作为一种新型的金属部件近净形成技术，近年来得到了飞速的发展，其特点是；一方面，新的制粉方法、新的粘结剂体系、新的工业不断涌现，另一方面，该技术产业化过程及其迅速，全球MIM产品的销售量年增长率一致保持在20%-40%。

今后，MIM技术研究和发展的主要方向

（1）；开发高效、低成本的适合MIM工艺的金属粉末生产技术；

（2）；简历粘结剂设计基本原理和数据库，研究开发环境适应性更好、工艺性更好的新型粘结剂体系；

（3）；简历注射成型过程流动和充模过程计算机模拟与仿真技术，为模具和模架设计奠定理论基础

六、金属注射成形技术的发展方向近年来金属注射成形技术主要朝两个方向发展；使用材料体系的发展，满足独特的粘结剂及脱脂技术而开发的高可靠性生产装备。

表现为如下几个特点：

（1）材料体系的多方向拓展。

注射成型技术是比较理想的、能够经济地成形、接近最终需要形状，烧结后需少量或不需要后续加工的近净成形技术，这在精密陶瓷化的工业化生产应用中间的愈来愈重要。

在精密陶瓷的生产方面主要应用到碳化物、金属陶瓷、无机非金属陶瓷、氧化物陶瓷、金属间化合物等方面。

以氧化锆陶瓷光纤插针为例，采用注射成形技术制备生坯可以大大缩短后续加工时间。

由于在模腔中成形的毛坯已经带有一定精度的通孔，后续的研磨工艺减少到挤压成形的三分之一到四分之一，从而使生产效率提高，生产成本大幅度降低。

（2）粘结剂多样化及脱脂技术的多途径化。

以醋酸纤维脂、聚乙二醇聚合物、丙烯酸聚合物、琼脂为基体的诸多粘结剂体系得到进一步的发展应用。

计算机辅助控制热脱脂技术、溶剂脱脂技术、催化脱脂技术，以及冷冻干燥技术、微波辅助干燥技术都被用于粘结剂的脱脂研究。

而这些技术的成功应用，一方面极大的缩短了脱脂时间（从数天到几个小时）,另一方面也实现了对脱脂过程中容易产生易挥发产物的聚合物分解副反应的控制，从而更有效地消除了脱脂过程中缺陷的形成。

（3）更先进、控制更精确的装备。

以计算机精密控制注射成形机及相关在线质量监测控制系统的研究和计算机辅助脱脂关键装备技术的开发是目前及今后关注的重点方向。

成型设备如粉末同步注射成形机，利用控制协调的双筒注射剂生产复合材料零部件。

可以预见，随着人们对金属注射成形的进一步研究、开发和应用，MIM技术将在不远的将来真正成为一种可以与机加工、精密铸造、压制/烧结工艺平行发展的一种具有吸引力的近净成型技术，会被越来越多的零件设计人员所了解和接受，满足国家通讯、器械、医疗、航空航天等行业等领域对高性能异型关键部件的需求将我国的零部件加工制造业提高到一个崭新的水平。

七、研究展望：

（1）；MIM技术走产业化道路；

MIM技术实际上是塑料工艺与传统粉末冶金相结合的全新技术，此工艺可称为高新技术与传统产业的合理嫁接，由于此工艺对小型，精密复杂零件来讲极大的提高了生产效率，降低了成本。

有效地利用原材料。

无环境污染，已经引起了政府的高度重视，属于国家扶持的高新技术范畴。

国际著名公司来我国采购越来越多。

无疑中国将成为国际金属部件加工的集散地，这为MIM产品的出口创汇创造了条件和市场空间。

同时随着高新技术的不断发展和未来产品的小型零部件加工快速发展的时期。

中国汽车行业的发展和粉末冶金件在汽车部件市场大显身手。

综上所述，MIM技术作为新兴制造业最为活跃的前沿技术，被誉为世界粉末冶金行业开拓性技术，代表着粉末冶金的发展方向，在中国必将迅速发展。

（2）；发展方向；

MIM是一种难成行小型材料制品的成型技术，为新产品开发，新材料研制提供了又一途径，不断开发的原料粉末的制造方法。

新的粘结剂种类、配方及相关的流变学等基础研究，改进工艺流程、降低成本，专用设备的国产化等，是MIM技术发展的方向。

参考文献：

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（2）；齐贵亮注射成型新技术

（3）；范国良金属粉末热流道注射成型技术模具工业，2005（7）

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（4）；陈勇军，左孝青，史庆南，王茗，吴新光金属粉末增塑挤压

与注射成型云南冶金2003（32）1:

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（5）；夏玉海，谭志强，叶健，王晓文，郭忠诚金属注射成型技术

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（6）；马洪芳，刘志宝，金属注射成型用水溶性粘结剂的研究实验

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（7）；华林，毛华杰，赵仲治金属注射成型充模流动分析热加工

工艺