（材料学专业论文）金属注射成形较大尺寸件工艺研究.pdf

摘要 金属注射成形技术作为粉末冶金领域一门新型近净形成形技术， 以其在低成本大批量制备几何形状复杂、组织结构均匀、性能优异的 机械零部件方面的独特优势，被誉为“当今最热门的零部件成形技 术”。然而国际上目前技术只能制备厚度在1 0 r a m 以下( 且多为5 r a m ) ， 力学性能不高和精度低的m i m 产品，无法满足现在市场上急需应用 金属注射成形技术加工形状复杂的较大尺寸件( 最小厚度在2 0 3 0 m m 以上) 的要求。本文探讨了一种金属注射成形较大尺寸件的技 术路线，包括粗粉末金属注射成形工艺性能、较大尺寸件的热脱脂机 理、不同粒度粉末烧结件致密化过程对性能和组织的影响及粗粉末强 化烧结技术、粗水雾化m i m 3 1 6 l 不锈钢耐腐蚀性能等五部分。通过金 相显微技术、扫描电镜分析、热重分析及差热分析等现代分析手段开 展了大量的实验工作及理论分析。 研究了以粒径较大的国产水雾化一1 0 0 目( 中位径为6 5 。7 1um ) 、 一2 0 0 目( 2 6 6 9um ) 和一4 0 0 目( 1 9 2 5um ) 3 1 6 l 不锈钢粉末为原料 制备m i m 较大尺寸件技术路线的可行性。实验表明，金属注射成形 较大尺寸件用水雾化粗粉末以5 5 的装载量与蜡基粘结剂制得的喂 料，通过正交设计5 可基米德螺旋流动性实验，可以得到较优的注射工 艺参数，大大提高粗水雾化不锈钢喂料的流动性。注射成形后的生坯 经脱脂后在1 3 6 0 温度下烧结l h ，其综合力学性能值接近或达到美 国m p i f 标准值。其中4 0 0 目粉末烧结件相对密度为9 7 ，力学性能 为：抗拉强度5 4 9 m p a ，屈服强度2 1 0 m p a ，延伸率6 0 5 ，硬度 5 9 1 h r b ，完全可以胜任m i m 3 1 6 l 材料作结构件的力学性能的使用 要求。 采用粒径较粗的一2 0 0 目和4 0 0 目粉末喂料进行了较大尺寸件成 形，并在脱脂临界厚度理论的指导下，制定和优化了热脱脂工艺路线。 实验表明，在同样的工艺条件下，2 0 0 目粉末的脱脂零件厚度可以达 到2 0 m m ( 直径为3 2 m m ，下同) ，而一4 0 0 目粉末则为1 5 m m ，这说明了 粗粉末能有效的解决金属注射成形较大尺寸件的脱脂问题，并从实践 上证明了临界脱脂厚度理论的正确性。 对平均粒径分别为6 5 7 1um 、2 6 6 9 um 、1 9 2 5um 的国产水 雾化粉，9 9 51 1m 的进口气雾化粉，9 5 7u1 3 1 、7 8 4um 、5 9 4um 的 进口球化水雾化细粉等七种不锈钢粉末进行了金属注射成形，在1 3 5 0 、1 3 6 0 和1 3 7 5 三个烧结温度下烧结1 h ，并得到了各种粉末 的最佳烧结工艺条件。结果表明：烧结温度显著影响粉末烧结致密化 过程及其力学性能，粉末特性从本质上决定了粉末烧结致密化驱动力 的大小。粉末粒度越小，粉末越不规则，则粉末烧结活性越高。结合 对粗水雾化m i m 3 1 6 l 不锈钢耐腐蚀性能的研究，可知国产水雾化 2 6 6 9um 和1 9 2 5um 粉末在1 3 6 0 温度下烧结1 h ，综合力学性能 较好，同时其耐腐蚀性能最佳，大大好于m i m 工业生产用o s p r e y 气 雾化粉末。因此2 0 0 目和4 0 0 目粉末具有最佳的力学性能与耐腐蚀 性能等综合使用性能，通过对其工艺优化，可以代替气雾化粉末在工 业生产中广泛应用。 研究了金属注射成形较大尺寸件用粗粉末的强化烧结技术，在 1 0 0 目的粗粉末中加入2 5 w t 的细粉末p f 2 0 r ，以5 5 的粉末装载 量注射成形后，经脱脂后在1 3 6 0 温度下烧结1 h 。结果表明：1 0 0 目粗粉末在只提高2 2 单位成本的基础上，其抗拉强度比原来提高了 5 5 ，屈服强度提高了5 8 6 ，延伸率提高了7 0 3 ；与进口球形细 粉末p f 一2 0 r 相比，原料成本降低了5 0 ，且其力学性能达到或超过 了进口粉末的水平，其中延伸率高出了5 0 。实验结果与双粒度烧结 理论模型吻合的很好。这样找到了一条提高较大尺寸金属注射成形件 用粗粉末烧结性能的有效可行途径。 关键词：金属粉末注射成形( m ) ，较大尺寸件，m i m 3 1 6 l 不锈钢， 正交设计，工艺参数，耐腐蚀性能，力学性能 i i k b s t r a o t m e t a l i n j e c t i o nm o l d i n g ( m i m ) i sa nw e l l k n o w n h o t m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，a sa na d v a n c e dn e a rn e ts h a p ep r o c e s sw i t h w e l l r e c o g n i z e dc a p a b i l i t y f o r e f l i c i e n t l yp r o d u c i n gc o m p l e x m u l t i d i m e n s i o n a lp a r t sw i t hh i g hp e r f o r m a n c ea tl o wc o s ti np o w d e r m e t a l l u r g y a p p l i c a t i o no ft h i st e c h n o l o g y t o l a r g e rp a r t sw i t h t h i c k s e c t i o nb e y o n d2 0t o3 0m md e m a n d e db yi n d u s t r i a lm a r k e th a sn o w b e e nl i m i t e dd u et ot h eb a r r i e ri nd e b i n d i n ga n dt h eh i g hc o s to ft h ef i n e p o w d e ri nm i mt e c h n o l o g y af e a s i b l ep r o c e s sr o u t eh a sb e e no u t l i n e d a n de x p e r i m e n t e di n t h i s p a p e ri n c l u d i n gi n j e c t i o nm o l d i n gc o a r s e p o w d e r s ，s t u d yo ft h e r m a l d e b i n d i n gm e c h a n i s mo fl a r g e rp a r t s ，e f f e c to f p a r t i c l es i z eo nd e n s i f i c a t i o na n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h es i n t e r e d p r o d u c t s ，t h ee n h a n c e ds i n t e r i n go ft h ec o a r s e rp o w d e ra n dc o r r o s i o n r e s i s t a n c eo fc o a r s ew a t e r - a t o m i z e dm i m316 la n ds oo n al a r g e a m o u n to fe x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a l a n a l y s e sw e r ec o n d u c t e db y o p t i c a lm i c r o s c o p y ,s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y ( s e m ) ， t h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y s i s ( f g a ) a n dd i f f e r e n t i a l t h e r m a l a n a l y s i s ( d t a ) t h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o c e s so fi n j e c t i o nm o l d i n gl a r g e rp a r t su s i n g c o a r s ep o w d e r sw i t hm e a i lp a r t i c l es i z eo f 6 5 7 1 “m ，2 6 。6 9um ，1 9 2 5um w a ss t u d i e d t h ef e e d s t o c k sm a d eo ft h ep o w d e ra n daw a x - b a s e db i n d e r w i t hp o w d e rl o a d i n g5 5 v 0 1 w a si n j e c t i o nm o l d e d i tp r o v e dt h a tc o a r s e p o w d e r sc a nb ei n j e c t i o nm o l d e ds u c c e s s f u l l yb yo p t i m i z i n gm o l d i n g p a r a m e t e r sv i af l o w a b i l i t ye x p e r i m e n to n a r c h i m e d e ss p i r a lc h a n n e l m o u l du s i n go a h o g o n a ld e s i g nm e t h o l d a n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o f 2 6 6 91 tm ，1 9 2 5ump o w d e r sc a nr e a c ht h ea m e r i c a nm p i fs t a n d a r d s a f t e rs i n t e r i n gi na r g o nf o ro n eh o u r t h ep r o p e r t i e so ft h e1 9 2 51 tm p o w d e rw i t h 。b = 5 4 9 m p a ， o 0 7 = 2 1 0 m p a ，o = 6 0 5 ，5 9 1 h r bc a l l m e e tt h ed e m a n d i n go f m i m 316 ls t r u c t u r ew e l l s e v e r a lh e i g h t l a r g e rp a r t sw i t h3 2m mc y l i n d e rd i a m e t e r w a s s h a p e db yu s i n g2 6 6 9uma n d19 2 5um c o a r s e rp o w d e r s a c c o r d i n gt o t h e t h e o r y o fd e b i n d i n gc r i t i c a lt h i c k n e s s ，t h r e ed i f f e r e n tt h e r m a l d e b i n d i n gr o u t e sw e r ep e r f o r m e d t h er e s u l ts h o w st h el a r g e rt h ep a r t i c l e l i s i z e ，t h el a r g e rp a r t sc a nb em o r ee a s i l ya n db e t t e rd e b o u d ：t h em a x i m u m t h i c k n e s so ft h ed e b o u n dp a r t si s2 0m mf o r2 6 6 9uma n d15m mf o r 19 2 6i tmu n d e rt h es a m ec o n d i t i o n i ts t r o n g l y p r o v e dt h a t c o a r s e r p o w d e rc a nb eu s et or e s o l v et h ep r o b l e mo fd e b i n d i n gb a r r i e ro fl a r g e p a r t sa n dh i g hc o s t s e v e nd i f f e r e n tp o w d e r sw i t hm e a np a r t i c l es i z eo f6 5 7 1 、2 6 6 9 、 1 9 2 5 ，9 9 5 ，9 5 7 、7 8 4 、5 9 4l amw a sm e t a li n j e c t i o nm o l d e dt os t u d y t h ee f f e c to f p a r t i c l es i z eo nd e n s i f i c a t i o na n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n d i t sc o r r o s i o nr e s i s t a n c e a l lt h es a m p l e sw e r es i n t e r e da t1 3 5 04 c ，1 3 6 0 c ， 1 3 7 5 。cf o ro n eh o u r i ts h o w st h a tt h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r ei n f l u e n c e s t h ed e n s i f i c a t i o na n dm e c h a n i c a lp r o p e r t ya n di t sc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo f c o a r s e r p o w d e r sc o n s p i c u o u s l y a n dt h ef i n e r p o w d e r s h o wm o r e d e n s i f i c a t i o na n dc a ng e th i g h e rc o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e st h a nc o a r s e r p o w d e r s t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h es i xp o w d e r sh a v er e a c h e dt h e m p i fs t a n d a r de x c e p tw a t e r - a t o m i z e d6 5 7 11 - tmp o w d e r t h e2 6 6 9um a n d1 9 2 51 1mp o w d e r sa f t e r s i n t e r i n g a t1 3 6 0 h a st h eb e s t c o m b i n a t i o np r o p e r t yo ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t ya n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e a n dt h eo t h e r sa t13 7 5 f o ro n eh o u rc a r lg e tt h eb e s tp r o p e r t i e s t h e o r e t i c a la n a l y s ea n dp r e d i c t i o no fb i m o d a ls i n t e r i n gm o d e lf o r i m p r o v i n gt h es i n t e r i n gp r o p e r t yo fc o a r s ep o w d e rw e r ep e r f o r m e d t h e 6 5 7 11 tmc o a r s e rp o w d e r sw a sm e t a li n j e c t i o nm o l d i n gw i t h5 5v o l u m e p o w d e rl o a d i n gb ya d d i n g2 5w e i g h tp e r c e n tf i n ep o w d e ro fp f 一2 0 r ，t h e p r o p e r t i e sw a sg r e a t l yi m p r o v e dt o5 5p e r c e n ti n c r e a s ei nt e n s i l es t r e s s ， 5 8 6p e r c e n ti ny i e l ds t r e s s ，7 0 3p e r c e n ti ne l o n g a t i o nt h a nb e f o r ea tt h e c o s to f 2 2 p e r c e n ti n c r e a s e ，a n d w i t h5 0p e r c e n ti n c r e a s ei nt h e e l o n g a t i o n tt h a nt h ef i n e rp o w d e ro fp f 一2 0 r t h ee x p e r i m e n tr e s u l tw a s i ng o o da c c o r d a n c ew i t ht h et h e o r e t i c a lm o d e l s oa d d i n gf i n ep o w d e r st o c o a r s e rp o w d e r sh a sb e e np r o v e dt ob eo n ef e a s i b l ea n de c o n o m i c a lw a y o fe n h a n c i n gs i n t e r i n go fc o a r s e rp o w d e r su s e db ym i m l a r g ep a r t s k e yw o r d s ：m e t a li n j e c t i o nm o l d i n g ( m i m ) ，l a r g e rp a r t s ，m i m 31 6 ls t a i n l e s s s t e e l ，o a h o g o n a ld e s i g n ，p r o c e s sp a r a m e t e r , c o r r o s i o n r e s i s t a n c e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t y 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名：辎日期：堕年月呈日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：奎i 垫至导师签名 期：丝年上月乒日 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 金属注射成形技术特点及其产业化现状 金属注射成形( m e t a i n j e c t i o nm o l d i n g ，m i m ) 是传统粉末冶金工艺与现代 塑料注射成形工艺相结合而形成的一门新型近净形成形技术，它的基本工艺过程 是：首先将金属粉末与有机粘结剂均匀混合，用注射成形机成形，然后将成形坯 中的粘结剂脱除，再经烧结致密化得到最终产品。 如图1 1 所示，金属注射成形的基本工艺过程可分为四个阶段，即喂料的制 备、注射成形、脱脂、烧结。其中粘结剂的制备、粉末粘结剂喂料的混炼、脱 脂是金属注射成形工艺的特殊之处。由于m i m 工艺采用传统塑料注射成形工艺的 思想，在金属或陶瓷粉末原料中加入3 0 6 0 体积的粘结剂以增强金属粉末的流动 冲填性，所以金属粉末与粘结剂的均匀性和流动性好的喂料，能像塑料注射成形 工艺一样，通过模具一次成形出密度均匀的具有三维精细复杂形状和结构的注射 坯。这是传统粉末冶金模压工艺所不能实现的。由于金属注射成形时喂料像塑料 一样的在等静压力的作用下均匀充填模腔的各个部位，有效克服了传统粉末冶金 模压产品不可避免的密度不均匀性，产品烧结各向同性收缩，尺寸精度高，而且 由于粉末原料为细粉，纯度高，杂质含量少，受工艺过程污染少，所以烧结密度 高，力学性能高于一般模压和精密铸锻等产品。m i m 技术在制备几何形状复杂、 组织结构均匀、性能优异的近净形零部件方面具有独特的优势，而且可以实现不 同材料零部件一体化，材料适应性广，自动化程度高，生产成本低，材料的利用 率几乎可以达到1 0 0 。国际上普遍认为该技术的发展将会导致零部件成形与加工 技术的一场革命，被誉为“当今最热门的零部件成形技术”“。3 1 。 图1 - 1 金属注射成形基本工艺过程 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 1 1 金属注射成形技术特点 金属注射成形作为一种制造高质量精密零件的近净成形技术，具有常规 粉末冶金和机加工方法无法比拟的优势：能制造许多具有复杂形状特征的零件， 如各种外部切槽、外螺纹、锥形外表面、交叉孔盲孔、凹台与键销、加强筋板、 表面滚花等等，具有以上特征的零件都是无法用常规粉末冶金方法得到的。由于 m i m 可以一次成形具有形状复杂程度高的零件，制造的零件几乎不需要再进行机 加工，大大减少了材料的消耗，所以可以大批量地低成本的生产形状复杂的高性 能机械零部件。在生产的零件数量高于一定值时，m i m 就会比机加工方法更为经 济。图1 - 2 给出t m i m 零件的生产量对成本的影响“1 ，可以看出，生产5 克的零件 的生产成本，年产2 0 0 0 0 0 件时为r m b 3 5 ，年产2 0 0 0 0 0 0 件以上时降为r m b l 4 。此 图还指出零件尺寸对成本的影响零件越大，2 0 0 0 0 0 件与2 0 0 0 0 0 0 件之间的成 本差就越小。 占 芷 * 基 坩 i 主 s 扎、k 2 1 、_ _ _ u e 一一 1j一 0 7 i o 4 面一1 i 一i 。石2 。4 2 8 图卜2 零件制造成本与生产量之间的变化关系图1 - 3m i m 技术优势图 由图卜3 可知，m i m 技术与普通模压烧结、精密铸造、机加工等相比，在生产 成本上、制件的形状复杂程度上、尺寸精度上、材料的加工范围上等综合工艺水 平上都具有无可比拟的技术优势和加工范围“1 。 1 1 2 金属注射成形技术的发展历程 粉末注射成形技术的原型起源于2 0 年代，最早是应用于制造陶瓷火花塞“。1 。 第一项陶瓷粉末注射成形的专利1 9 3 8 年授权给s c h w a r t z w a l d e r 。第二次世界大 战期间，该技术又得到了进一步发展，在火花塞及耐热喷管等生产方面得到了应 用。1 9 7 9 年美国p a r m a t e c h 公司有两件p i m 产品在国际粉末冶金大会的产品设 计大赛中获奖后，p i m 技术开始受到粉末冶金界的关注”1 。8 0 年代初期，美国伦 塞尔理工学院开始开展p i m 技术基础理论和应用基础的研究工作。8 0 年代中期， 美国又在宾州大学建立了p i m 专业实验基地，同时一些与国防军工新材料相关的 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 实验室也相继开展了该技术的研究和评价工作“1 。在美国1 9 9 1 年和1 9 9 5 年的 两个国家关键技术报告中均将该技术列为对美国经济繁荣和国家持久安全起 关键作用的“国家关键技术”。由于政府研究机构和大学的介入，使研究工作 向深层次发展，从完全凭经验进入在一定理论指导下工作。这一时期p i m 技术得 到了迅速的发展。这一方面归于在流体力学和气体动力学研究成果基础上开发出 的超高压水雾化和高压惰性气体雾化技术的发展，使细粉率大大提高，原材料成 本下降。另一方面，在粘结剂设计理论和脱脂机理等研究成果的指导下，以美国 i n j e c t a m a x 公司和德国b a s f 公司为代表的新一代p i m 工艺的开发成功，不仅使 原来的脱脂时间从数十小时缩到几个小时，而且其保形性得到明显的改善，大规 模生产的产品的尺寸精度从0 5 提高到了0 3 “。进入九十年代，一方面是 p i m 工艺进一步改进，新材料、新工艺不但涌现，另一方面，产业化发展非常迅 速。经过近2 0 年的发展，据r c o r n w a ll “”统计，2 0 0 0 年全球m i m 产品市场总值 达到7 亿美元。以地域划分，美国占了5 5 ，接下来是欧洲和日本。目前全世界 约有1 2 0 0 家公司和研究机构从事金属注射成形方面的工作，2 1 世纪头5 年整个 市场总值将以2 0 、3 0 的速度递增。经过近二十年的发展，2 0 0 3 年全球m i m 产品 市场总值达到约1 0 亿美元。以地域划分，美国占了5 5 ，接下来为欧洲和日本。 目前全世界共有超过5 0 0 家公司从事金属注射成形产品的生产和销售工作，另外 还有约4 0 家m i m 粉末供应商，2 0 家m i m 喂料供应商。据统计，全球m i m 产业的 成形能力已超过7 0 0 台注射成形机、5 0 0 台炉子、3 0 0 台混炼机“。m a r k om a e t z i g “5 详细分析了欧洲的情况，欧洲共有1 2 0 家公司和3 0 家研究机构从事m i m 方面的 工作，拥有2 5 0 台注射成形机，年消耗1 1 0 0 吨喂料。欧洲的m i m 公司3 8 来自 于传统的陶瓷行业，2 7 来自于塑料行业，8 来自于传统粉末冶金和金属切削加 工行业，5 来自于铸造行业，另有1 4 为新成立的公司。日本现在共有2 0 3 0 家 m i i 公司，日本近几年m i m 市场呈现稳定上升趋势。图l 一4 为最近几年日本m i m 销售额图谱“”，可以看到虽然2 0 0 1 年较2 0 0 0 年有所下降，但总体而言，其销售 总额是呈稳定增长趋势。 图卜4 最近几年日本m i m 市场总值 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 从八十年代末期开始，国内先后有中南大学、北京科技大学、清华大学、北 京钢铁研究总院、北京有色金属研究总院和广州有色金属研究院等单位开展了 p i m 技术的研究工作，但由于缺乏政府的支持，加之国外的技术保密，这一时期 研究进展缓慢。九五期间，粉末注射成形技术先后被列入国家8 6 3 高技术计划、 国家自然科学基金重点项目、国家9 7 3 计划、国家重点科技成果推广计划。在这 些计划的资助下，中南大学建立了设施较为完善的粉末注射成形实验室和中试生 产线，系统地开展了粉末注射成形技术基础及其应用开发的研究工作，取得了显 著成效。 m i m 经历了一条快速发展的道路。m i m 正引起人们越来越大的关注，但是目 前工业规模相比传统加工技术还显弱小，还有很大的发展潜力。新生的m i m 工业 还需要我们采取制定工业标准、加快工业化、提高从业者素质、研发设备以及争 取顾客等一系列的努力来将其发展壮大。然而，m i m 技术的发展依然是惊人的并 显现出强大的生命力。到2 0 0 3 年全球m i m 产品总值为1 0 亿美元。图卜5 为近 1 5 年及今后1 0 年的m i m 销售统计及预测图。从图中可以看n - 十世纪九十年代 m i m 年销售额的平均增长速度达到了2 2 ，预计今后十年整个市场仍会以2 0 3 0 的速度递增，随着工艺的不断完善，注射成形技术的优越性正逐渐显示出来， 将会被越来越多的行业和客户所接受，它所带来的市场份额也正急剧增大。由于 市场潜力巨大许多风险投资也开始涉足m i m 行业。可以预见，m i m 将发展成为二 十一世纪最有前途的零部件制造技术之一。 图i - 5m i m 销售统计及预测图 1 1 3 m 材料体系和产品 金属注射成形产品的应用已经涉及到军工、机械、医疗器械、钟表、汽车、 i t 电子、通信、航天航空、体育器材、日常生活用品等多个方面，表卜l 列出 了主要的应用领域及相应所消耗的主要材料品种。 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 表卜1 常用m i m 材料体系、牌号及其主要应用领域 图卜6 为给出了目前在m i m 领域按销售额统计所消耗的材料比例“”。表卜l 给出了近年来报道的m i m 典型产品及应用领域“”9 3 。 图1 6m i m 领域按销售额统计所消耗的材料比例 m i m 由于其技术和经济两方面的优势，得到了国内外的高度重视，其产品 已广泛应用于军品和民品众多领域。几种主要材料的m i m 产品的应用正在拓 展，例如不锈钢是一种高合金含量的特殊钢种，它具有一系列优异的性能，但 由于不锈钢难于加工，所以现在越来越地选用m i m 来生产不锈钢零件。m i m 不 锈钢零件已应用于汽车零件、航空航天部件、小型枪械零件、牙齿矫正托套、 外科手术器械、医用气体集流腔、电动牙刷齿轮、手表壳带、眼镜框、锁芯、 驱动盘轴壳、半导体生产设备和加工工具、日用镊、钳、钻等工具、饮料分装 系统的“丁”字和“十”字接头、轴承保持架、阀件、装饰件等。m i m 工艺的 出现为高熔点、难加工的硬质合金材料的推广应用带来了契机，m i m 硬质合金 的产品的利润率高于大部分f e n i 和不锈钢材质的产品，可望成为继2 0 世纪 8 0 年代不锈钢注射成形后m i m 新的发展热点。 注射成形技术己用于制造陶瓷汽轮机部件如动叶片、静叶片、燃烧器、圆 锥鼻等，还有汽车零件、柴油机零件、理发推剪、光纤连接器等。特别是氧化 锆陶瓷光纤连接器乃目前最理想的光纤连接器，随着光通讯事业的高速发展， 光纤连接器的用量越来越大，市场前景非常广阔，目前光通讯技术较发达的国 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 家已采用粉末注射成形工艺生产光纤连接器。随着m i m 技术研究的深入和诱 人的投资回报，m i m 产品的种类和规格将不断增加，应用将会越来越广泛，市 场总值一定会稳定上升。“。 1 1 4 m 发展的机遇和挑战 m i m 技术的主要优点可以综合用图卜7 表示“，3 个圆的交界处就代表了 m i m 技术的优点。也就是说，m i m 技术可以低成本地生产复杂形状的高性能产 品。 高 1 7 m i m 技术优势图 基于m i m 的本征优点和初始阶段生产规模不大，人们曾对m i m 的发展作出 了过于乐观的估计。在8 0 年代曾预言，到1 9 9 5 年p i m 产品的销售额将达到5 亿美元，实际只达到3 亿美元；到2 0 0 0 年其销售额将达到1 0 亿美元，而实际 只有7 亿美元。时至今日，p i m 在克服自身的弱点方面取得了不少进展，但有 些制约因素还没有有效解决o ”。虽然m i m 技术有着许多其它工艺无法取代的优 势，但是同许多新生事物一样，该工艺也有其局限性。适合于m i m 的细粉生产 成本还太高，如羰基铁粉、羰基镍粉、不锈钢粉和其它一些合金钢粉的成本高 于p m 用粉约5 1 0 倍；与p m 比较，m i m 的脱粘结剂工序时间过长；由于粉末 生产和脱粘工序存在的成本和技术问题，m i m 还局限于生产形状复杂的小零件， 对于一些市场上急需的较大尺寸的复杂零件( 壁厚超过2 0 r a m ) ，仍然无法采用 该工艺制得，使得其在价格上没有竞争力，影响产品市场的扩大。另外，由于 该工艺中加入了大量的粘结剂，在烧结过程时会产生4 0 左右的体积收缩，因 此零件的精度不易控制，加之m i m 工艺的稳定性较难精确控制，在大批量生产 中影响零件的尺寸公差和分散度的改善，而形状复杂零件又难于用诸如精整或 机加工予以补救，所以开发和寻找粒度和化学稳定、高振实密度、廉价的m i m 用粉，开发新型粘结剂体系及其脱粘方法，建立注射成形喂料流动过程和充模 过程计算机模拟技术和粉末烧结可视化监控系统对m i m 工艺进行自动化精确 控制，探索控制产品变形和提高其尺寸精度的方法，研究较粗粉末强化烧结技 术，以提高粉末利用率，降低m i m 产品的原料成本，增强同其它成形技术的市 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 场竞争力等等都是摆在我们m i m 工艺工作者的课题。而通过有机化学、冶金学、 材料学、模具制造自动化控制等学科专业人才的介入，m i m 产品性能和m i m 材 料性能标准的积累和标准化，是可以迎来金属注射成形技术的飞速发展的，m i m 的产业化进程将在适应2 1 世纪机械制造对加工工艺的技术需要和市场持续需 求中不断加快。 1 2 m 用粉末的制备 m i m 对原料粉末的要求较高。要求粉末的选择有利于混炼、注射成形、 脱脂和烧结。而这往往是相互矛盾的。对m i m 原料粉末的研究包括：粉末形 状、粒度、粒度组成以及比表面等，表1 2 列出了最适用m i m 的原料粉末的 性质【2 3 】。 表卜2m 1 m 最佳原料粉末性质 由于m i m 对原料粉末要求很细，所以m i m 原料粉末价格一般较高，约为传 统p m 粉末的1 1 0 倍，这是目前限制m i m 技术的一个关键问题。目前，生产 m i m 原料粉末的方法主要有羰基法、超高压水雾化法、高压气体雾化法等。大 量的粉末制备技术已应用于注射成形用的粉末生产中。不同的粉末制备技术对 粉末的粒度、颗粒形状、微观结构、化学性质、制造成本等都有不同的影响。 表1 3 列出了一些常用的粉末制备技术以及所生产的粉末的性质。“。 表1 - 3 一些细颗粒粉末生产技术对比 1 2 1 羰基法 m i m 最早使用的粉末是用羰基法生产的。德国b a s f 和美国i s p 公司是世界 上两个主要的羰基粉末供应商。该方法以f e ( c o ) 5 为原料，将其加热蒸发。在 中南大学硕士学位论文第章文献综述 催化剂如分解氨的作用下，气态f e ( c o ) 5 分解得到铁粉，这种方法制得的铁粉 具有球形度好、接近单一粒度分布、低孔隙度、高纯度等特点。”。 针对m i m 铁基制品烧结中控碳问题，德国b a s f 公司提供不同碳氧含量差 值的粉末，包括0 m 、o s 、o n 等多种规格的m i m 用羰基铁粉。最近该公司又开 发出一种在粉末表面涂覆了1 s i 0 2 小粒子的羰基铁粉( 牌号c c ) 以增强粉末流 动性能，并于1 9 9 9 年开始投放市场。 1 2 2 高压气体雾化法 气体雾化法生产的粉末摇实密度高，流动性好，所需添加粘结剂量少，且 用惰性气体雾化所得粉末的残留气体含量比水雾化粉至少低一个数量级。“。但 是一般气体雾化粉颗粒较粗，约为4 0 5 0um ，能适合m i m 要求的细粉量很少。 英国o s p r e y 公司。7 3 和p s i 公司为此对喷嘴进行改进，采用高压气体雾化， 使得适合m i m 用的细粉产出率大大提高。o s p r e y 公司用高压氩气和氮气( 压力 高达5 m p a ) 生产的不锈钢粉末中有7 5 ( 质量分数) 的粉末粒度小于2 0ui l l ，大 大高于常规气雾化法的2 0 ( 质量分数) ，其平均粒度为1 4um 。该公司还用该 法生产了高速钢、工具钢粉以及磁性合金粉等。据o s p r e y 公司称，这种高压 气雾化m i m 粉价格主要取决于生产规模大小，在大规模生产的情况下，该法生 产的粉末价格甚至可以与高压水雾化法抗衡。雾化装置如图卜8 所示。 气体 热潦 至真空泉 图卜8 雾化法制粉示意图 1 2 3 超高压水雾化法 日本的p a m c o 、k o b es t e e l 发展一种超高压水雾化法。3 ，该法能够较为经 济地大量生产m i m 用金属和合金粉末。p a m c o 公司有一台3 0 ta o d 炉和一台3 0 t s k f a s e a 炉，采用15 0 0 m p a 高压水流雾化，大量生产m i m 水雾化粉末。p a m c o 针对水雾化粉形状不规则、摇实密度低、氧含量高等缺点，作了很多改进。目 前其3 1 6 l 水雾化不锈钢粉摇实密度已达到4 3 1 9 c m 3 ，比表面积也降至 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 0 1 8 m 2 g ，氧含量为29 0 0 1 0 一。k o h es t e e l 则采用其独特的v 型射流喷嘴 生产m i m 水雾化粉”。 水雾化法制取的粉末有以下几个特点： 由于水的热容较大，对金属液滴的冷却能力强。因此粉末多为不规则形状， 同时，随着雾化压力的提高，不规则形状的颗粒愈多，颗粒的晶粒结构愈细。 由于金属液滴冷却速度快，粉末表面氧化大大减少。所以，铁、低碳钢、合 金钢多用水雾化制粉。但目前水雾化法还不适用于活性很大的金属与合金、超 合金等。 所以水雾化法时，控制好以下条件时可以得细粉末：水的压力高，水的流 速、流量大，金属液流股直径小，过热温度高，金属的表面张力和粘度小，金 属液流长度短，喷射长度短，喷射顶角适当等。控制好以下条件可以得球形粉 末：金属表面张力要大，过热温度高，水的流速低，喷射顶角大，液滴飞行路 程长等1 。 1 2 4 等离子体雾化法 加拿大p y r og e n e s i s 公司和l t e e 公司开发了一种等离子体雾化法，主要 生产各种用于m i m 的钛及其他各种高活性粉末。该方法采用钛金属线材为原 料，采用等离子喷嘴射出的高速的高温等离子气体作为雾化介质。由于采用金 属线材为原料，并且采用与轴向成2 0 。4 0 。角的3 个等离子喷嘴，使得金 属原料的喂入和熔化、雾化在同一步骤完成，保证了粉末的球形度，并且避免 了熔融钛水包的操作困难。除了生产m i m 用钛粉外，这两家公司还生产 t i 一6 a 1 4 v 、c u 、a 1 、m o 、i n 7 1 8 、n i c u 、n i 粉等。该方法所生产的粉末 流动性能好，填充密度高。并且该方法是目前唯一能批量生产细小球形的高活 性金属粉末的方法。但由于采用金属线材为原料，导致生产率较低，粉末成本 较高。 1 25 层流雾化法 德国n a n o v a l 公司开发出了一种独特的气雾化技术”1 ，基本思路是应用自 稳定的、成层状的气流，使熔化的金属平行流动。熔化了的金属从拉瓦尔喷嘴 的入口到最窄处被气体压缩而迅速加速( 从几m s 到音速) ，气体获得稳定而呈 层状流动。在最窄处以下，气流被快速压缩，加速至超音速，在气液流界面由 于剪切应力，金属熔体丝以更高的速度变形，最终不稳定而破裂成许多更细的 丝，最终凝结成细小粉末。 该技术可直接生产许多适合于m i m 的贵金属粉，特殊牌号的不锈钢粉和高 速钢粉，铜基合金粉和超合金粉等，该公司产品粉末粒度约为1 0um ，其中 2 0um 粒度以下的粉末约占9 0 。 9 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 2 6 粉体包覆法 美国p o w d e r m e t 公司和a d v a n c ec e r a m i c s 公司发展了一种粉体包覆法制 备m i m 粉末。采用循环快速流化床反应器制备包覆粉末。采用粉体包覆法可以 避免粉末预混合过程中的不均匀。对于f e n i 低合金钢，采用该种方法镍分布 非常均匀，能够有效减少残余奥氏体的含量，避免在使用过程中发生奥氏体向 马氏体的转变。另外，对于不锈钢和工具钢，可以包覆微量硼，提高烧结致密 化性能，这样有可能使用较粗的不锈钢粉末进行m i m 生产，而能保持制品的高 密度。而且，采用包覆法生产的m i m 粉末在脱脂过程中保形性能较好”“。 1 3 m 粘结剂和脱脂工艺 1 3 1 m 粘结剂的功能和几种主要粘结剂体系 粘结剂的加入和脱除是m i m 技术的特色和核心 3 4 。粘结剂在m i m 工艺中 具有两大功能：一是粘结剂在成形阶段增强粉末流动性，提供喂料的注射成形 性；二是在成形后可保持坯块形状的能力。粘结剂选择不当会造成如表1 6 所 示的各种缺陷。注射成形中任何上一步骤形成的缺陷都不可能在后续工序中得 到消除，而缺陷的产生基本上都与粘结剂的处理有关；因此，粘结剂的选择十 分关键。粘结剂的选择直接决定了脱脂方法的确定。脱脂方法还可影响烧结产 品的性能，粘结剂中润湿剂的优化可使烧结密度大幅度提高。”。 表卜4 粘结剂的功能及选择不当- j - 自g 产生的缺陷 粘结剂是m i m 技术的核心，m i m 与常规粉末冶金方法相比一个很重要的区 别就是粘结剂含量高，达到4 0 6 0 ( 体积分数) 。只有在加入一定量的粘结 剂后，粉末体刁能成为具有合适流动性能、适合于注射成形的喂料。成形后粘 结剂又起到保持