什么是金属粉末注射成型?

金属注射成型(MIM)是从塑料注射成型工业延伸出来的一种新型粉末冶金近净成形技术。众所周知,塑料注射成型技术可以以较低的价格生产出各种复杂形状的产品,但是塑料产品的强度并不高。为了改善其性能,可以在塑料中添加金属或陶瓷粉末,以获得强度高、耐磨性好的产品。近年来,这种想法已经发展到使固体颗粒的含量最大化,并在随后的烧结过程中完全去除粘合剂和致密化成型坯体。这种新的粉末冶金成形方法被称为金属注射成形。

金属注射成形的基本工艺步骤是:首先选择符合MIM要求的金属粉末和粘结剂,然后将粉末和粘结剂在一定温度下通过适当的方法混合成均匀的喂料,造粒后进行注射成形,得到的坯料经过脱脂处理后烧结致密,成为最终产品。

1.MIM粉末及其制粉技术

MIM对原料粉末的要求较高,粉末的选择要有利于混合、注射成型、脱脂和烧结,这往往是矛盾的。MIM原料粉末的研究包括:粉末形状、粒度及粒度组成、比表面积等。表1列出了最适合MIM的原材料粉末的特性。

由于MIM原料粉末的精细化要求,MIM原料粉末的价格普遍较高,有的甚至达到传统粉末冶金粉末价格的10倍,是目前限制MIM技术广泛应用的关键因素。目前生产MIM原料粉末的方法主要有羰基法、超高压水雾化法和高压气体雾化法。

2.粘着剂

粘结剂是金属注射成形技术的核心。在金属注射成形中,粘结剂有两个基本作用:增强流动性、适于注射成型和保持坯块形状。此外,它应易于清除,无污染,无毒,成本合理。为此,出现了各种各样的粘合剂。近年来,逐渐从单纯依靠经验发展到根据脱脂方法和粘结剂功能的要求来设计粘结剂体系。

粘合剂一般由低分子组分和高分子组分加上一些必要的添加剂组成。低分子量组分粘度低,流动性好,易去除;聚合物组分具有高粘度和高强度,并保持所形成的坯料的强度。两者适当的比例可以获得较高的粉末装载量,最终得到高精度、高均匀性的产品。

第三步:混合

混合是将金属粉末与粘结剂混合得到均匀进料的过程。因为进料的性质决定了最终注塑产品的性能,所以混合过程非常重要。这涉及到粘结剂和粉料的添加方式和顺序、混合温度、混合装置的特性等诸多因素。目前,这一工艺步骤还停留在依靠经验的水平,而评价混合工艺质量的一个重要指标就是所得饲料的均匀性和一致性。

MIM喂料的混合是在热效应和剪切力的共同作用下完成的。混合温度不能太高,否则粘合剂可能会分解或由于粘度太低而出现粉末和粘合剂的两相分离。至于剪切力,它根据不同的混合方法而变化。MIM中常用的混合设备有双螺杆挤出机、Z型叶轮混合机、单螺杆挤出机、柱塞式挤出机、双行星混合机、双凸轮混合机等。这些混合装置都适用于制备粘度在1-1000 Pa·s范围内的混合物

混合方法一般是加入高熔点组分熔化,然后冷却,加入低熔点组分,再分批加入金属粉末。这样可以防止低熔点组分的气化或分解,分批加入金属粉末可以防止由于冷却过快导致扭矩急剧增加,减少设备损耗。

至于不同粒径粉末的加料方式,日本专利介绍是先在粘结剂中加入粗15-40um水雾化粉末,再加入5-15um粉末,最后加入细度≤5um的粉末,这样最终产品的收缩变化很小。为了在粉末周围均匀包覆一层粘结剂,也可以直接在高熔点组分中加入金属粉末,再加入低熔点组分,最后除去空气。例如,Anwar直接将PMMA悬浮液加入不锈钢粉末中混合,然后加入PEG水溶液,干燥,然后在搅拌的同时除去空气。奥康纳采用溶剂混合,先将SA与粉末干混,然后加入四氢呋喃溶剂,再加入聚合物,加热后四氢呋喃逸出,再加入粉末混合,即可得到均匀加料。

4.喷射造型法

注射成型的目的是获得没有缺陷和均匀颗粒的MIM坯料的所需形状。如图1所示,首先将颗粒料加热到一定的高温使其具有流动性,然后将其注射到模具型腔中,冷却后得到所需形状的具有一定刚度的坯料,然后从模具中取出,得到MIM成形坯料。该工艺与传统的塑料注射成型工艺一致,但由于MIM喂料粉末含量高,在工艺参数等方面存在较大差异,控制不当容易导致各种缺陷。

脱脂

自MIM技术出现以来,随着粘结剂体系的不同,形成了多种MIM工艺路径,脱脂方法也多种多样。脱脂时间从最初的几天缩短到现在的几个小时。所有的脱脂方法从脱脂步骤上大致可以分为两大类:一是两步脱脂法。两步脱脂法包括溶剂脱脂+热脱脂、虹吸脱脂-热脱脂等。一步脱脂法主要是一步热脱脂法,amaetamold法是目前最先进的一种。下面介绍几种有代表性的MIM脱脂方法。

6.烧结

烧结是MIM工艺的最后一步,它消除了粉末颗粒之间的孔隙,使MIM产品完全致密或接近完全致密。由于金属注射成型技术中使用了大量的粘结剂,烧结时的收缩量很大,其线性收缩量一般达到13%-25%,因此存在一个变形控制和尺寸精度控制的问题。特别是由于大多数MIM产品都是形状复杂的异形零件,这个问题变得越来越突出。均匀进料是最终烧结产品的尺寸精度和变形控制的关键因素。粉末振实密度高可以降低烧结收缩,也有利于烧结过程和尺寸精度控制。对于铁基和不锈钢产品,在烧结中还存在碳势控制问题。由于目前细粉末价格昂贵,研究粗粉末压坯的强化烧结技术是降低粉末注射成形生产成本的重要途径,是目前金属粉末注射成形的一个重要研究方向。

由于MIM制品形状复杂,烧结收缩大,大多数制品烧结后仍需进行烧结后处理,包括成型、热处理(渗碳、渗氮、碳氮共渗等。)和表面处理(精磨、离子渗氮、电镀、喷丸等)。).