金属粉末注射成型.ppt

金属粉末注射成形 金属粉末注射成型技术 MetalPowderInjectionMolding 简称MIM 是将现代塑料注射成形技术引入粉末冶金领域而形成的一门新型粉末冶金近净形成形技术 其基本工艺过程是 首先将固体粉末与有机粘结剂均匀混炼 经制粒后在加热塑化状态下 150 用注射成形机注入模腔内固化成形 然后用化学或热分解的方法将成形坯中的粘结剂脱除 最后经烧结致密化得到最终产品 与传统工艺相比 具有精度高 组织均匀 性能优异 生产成本低等特点 其产品广泛应用于电子信息工程 生物医疗器械 办公设备 汽车 机械 五金 体育器械 钟表业 兵器及航空航天等工业领域 因此 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 和 21世纪的成形技术 MIM始于20世纪70年代末 其工艺包括产品设计 模具设计 质量检测 混炼 注射 脱脂 烧结 二次加工等8个重要环节 随着研究的不断深入以及新型粘结剂的开发 制粉技术和脱脂工艺的不断进步 到90年代初已实现产业化 当前 MIM已经被被誉为 国际最热门的金属零部件成形技术 之一 历史与现状美国加州Parmatech公司于1973年发明 八十年代初欧洲许多国家以及日本也都投入极大精力开始研究该技术 并得到迅速推广 特别是八十年代中期 这项技术实现产业化以来更获得突飞猛进的发展 每年都以惊人的速度递增 到目前为止 美国 西欧 日本等十多个国家和地区有一百多家公司从事该工艺技术的产品开发 研制与销售工作 日本在竞争上十分积极 并且表现突出 许多大型株式会社均参与MIM工业的推广 这些公司包括有太平洋金属 三菱制钢 川崎制铁 神户制钢 住友矿山 精工 爱普生 大同特殊钢等 目前日本有四十多家专业从事MIM产业的公司 其MIM工业产品的销售总值早已超过欧洲并直追美国 到目前为止 全球已有百余家公司从事该项技术的产品开发 研制与销售工作 MIM技术也因此成为新型制造业中最为活跃的前沿技术领域 被誉为世界冶金行业的开拓性技术 代表着粉末冶金技术发展的主方向 机械配件 工艺品 不锈钢胡椒磨磨芯 链轮 皮带轮 含油轴承 铰肉机刀盘 汽车发动机油泵齿轮 气动电动工具零件 汽车玻璃升降器齿轮 玩具五金配件 汽车减振器部件 粉末冶金结构件 冰箱和空调压缩机的粉末冶金件 上轴承 冰箱和空调压缩机的粉末冶金件 冰箱和空调压缩机的粉末冶金件 机械结构类轴承座连杆凸轮 冰箱和空调压缩机的粉末冶金件 活塞 笔记本电脑铰链转角 金属粉末注射成形MIM制品 MIM工艺手机类产品 锁配件 锁头 锁舌 按键 复杂异形部件 MIM金属注射成型产品 工艺特点金属粉末注射成型技术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透与交叉的产物 利用模具可注射成型坯件并通过烧结快速制造高密度 高精度 三维复杂形状的结构零件 能够快速准确地将设计思想物化为具有一定结构 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 该工艺技术不仅具有常规粉末冶金工艺工序少 无切削或少切削 经济效益高等优点 而且克服了传统粉末冶金工艺制品 材质不均匀 机械性能低 不易成型薄壁 复杂结构件的缺点 特别适合于大批量生产小型 复杂以及具有特殊要求的金属零件 工艺流程金属粉末 粘结剂 混炼 注射成形 脱脂 烧结 后处理MIM工艺所用金属粉末颗粒尺寸一般在0 5 20 m 从理论上讲 颗粒越细 比表面积也越大 易于成型和烧结 而传统的粉末冶金工艺则采用大于40 m的较粗的粉末 有机胶粘剂作用是粘接金属粉末颗粒 使混合料在注射机料筒中加热具有流变性和润滑性 也就是说带动粉末流动的载体 因此 粘接剂的选择是整个粉末注射成型的关键 对有机粘接剂要求 1 用量少 用较少的粘接剂能使混合料产生较好的流变性 2 不反应 在去除粘结剂的过程中与金属粉末不起任何化学反应 3 易去除 在制品内不残留 成型原理 注射成型工艺原理示意图1 模具 2 喷嘴 3 料筒 4 分流梭 5 料斗 6 注射柱塞 注射成型工艺条件 包括闭模 加料 塑化 注射 保压 固化 冷却定型 开模出料等工序 而成型温度 注射压力 包括注射速度 成型周期 包括注射 保压 固化时间 被称为注射成型工艺的 三大工艺条件 当然要顺利完成整个注射过程需一步一步地加以控制 1 加料及剩余量 加料 一般要求定时 定量 均匀供料 剩余量 保证每次注射后料筒底部有一定剩余的物料剩料的作用 a 传压 b 补料 收缩后的补料 剩料一般控制在10 20mm 不能太多 太少 太多 注射压力损失大 剩料受热时间太长 易发生分解或固化等 太少 起不到很好的传压作用 模腔内物料受压不足 2 成型温度 成型温度包括 料筒 喷嘴 模具温度 成型温度是三大工艺条件之一 关系到物料的塑化 流动性 充模等工艺条件 应考虑以下因素 1 注射成型机的种类螺杆式注射成型机所需的料筒温度比柱塞式低 原因 a 螺杆式成型机料筒内的料层较薄 b 物料在螺杆推进的过程中不断翻转 有利于传热 c 物料翻转运动 受剪切力作用 自身摩擦生热 2 产品厚度对薄壁制品要求物料有较高的流动性才能充满模腔 因此需较高的成型温度 相反厚壁制品成型温度可低一些 判断料筒喷嘴温度的两种方法 a 熔体对空注射法 脱开模具 用低压注射 观察料流 是否毛糙 变色 起泡 料流表面光滑者表明温度合适 b 产品直观分析法 对试生产制品观察有无毛糙 波纹 气泡等弊病 对于热塑性粘结剂 料筒温度略高于喷嘴温度 高于模具温度 对于热固性粘结剂 模具温度略高于喷嘴温度 高于料筒温度 3 注射料的品种和性能 3 螺杆转速及背压 必须根据所选用的粘结剂热敏程度及熔体粘度进行调整 转速慢 塑化好 物料易降解 早期固化 转速快 有利于塑化 但物料停留时间短可能塑化不够 还可使纤维变短 背压 指螺杆转动推进物料塑化时 传给螺杆的反向压力 背压的作用 能使物料在运动过程中不断排出空气和挥发物 并使物料逐渐密实 背压过小起不到以上作用 背压大 功率消耗大 并在物料温度较低时能使纤维粉化 影响制品性能 图12 21背压与玻璃纤维长度的关系 4 注射速度及注射压力 注射压力大小与注射机种类 物料流动性 模具浇口尺寸 产品厚度 模具温度及流程等因素有关 一般注射压力略高于热塑性塑料的注射压力 保压的作用 使制品冷却收缩时得以补料 尺寸准确 表面光洁 有利于消除气泡 保压时间一般0 3 2分钟 特厚制品可达5 10分钟 注射速度与注射压力 温度 模口尺寸等因素有关 注射速度慢不利于充模 生产效率低 注射速度过快易混入气泡 需通过实际实验确定 5 成型周期 成型周期即完成一次注射成型制品所需的时间 包括 1 注射加压时间 保压时间 注射时间 2 冷却时间 模内冷却或固化时间 3 其他时间 开模 取出制品 涂脱模剂 安放嵌件 闭模等时间 成型周期是提高生产率的关键 在保证产品质量的前提下 应尽量缩短成型周期 制品后处理 作用 提高制品的尺寸稳定性 消除内应力 分类 热处理 调湿处理 1 热处理 热处理的实质 迫使冻结的分子链松弛 凝固的大分子链段转向无规位置 消除部分内应力 提高结晶度 稳定结晶结构 提高弹性模量 降低断裂延伸率 2 调湿处理 将刚脱模的制品放入水中 与空气隔绝 防止氧化 调湿条件 90 110 4h 混料 把金属粉末与有机粘接剂均匀掺混在一起 使各种原料成为注射成型用混合料 混合料的均匀程度直接影响其流动性 因而影响注射成型工艺参数 以至最终材料的密度及其它性能 在注射成型过程中 混合料在注射机料筒内被加热成具有流变性的塑性物料 并在适当的注射压力下注入模具中 成型出毛坯 注射成型的毛坯在微观上应均匀一致 从而使制品在烧结过程中均匀收缩 脱脂 萃取 成型毛坯在烧结前必须去除毛坯内所含有的有机粘结剂 该过程称为脱脂或萃取 脱脂工艺必须保证粘结剂从毛坯的不同部位沿着颗料之间的微小通道逐渐地排出 而不降低毛坯的强度 粘结剂的排除速率一般遵循扩散方程 烧结 能使多孔的脱脂毛坯收缩至密化成为具有一定组织和性能的制品 尽管制品的性能与烧结前的许多工艺因素有关 但在许多情况下 烧结工艺对最终制品的金相组织和性能有着很大 甚至决定性的影响 后处理 对于尺寸要求较为精密的零件 需要进行必要的后处理 这工序与常规金属制品的热处理工序相同 MIM工艺与其它加工工艺的对比 MIM使用的原料粉末粒径一般小于15 m 而传统粉末冶金的原粉粉末粒径大多在50 100 m 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 而形状上自由度高是传统粉末冶金所不能达到的 传统粉末冶金限于模具的强度和填充密度 形状大多为二维圆柱型 MIM和传统方法的比较 压铸工艺用在铝和锌合金等熔点低 铸液流动性良好的材料 此工艺的产品因材料的限制 其强度 耐磨性 耐蚀性均有限度 MIM工艺可以加工的原材料则较多 注射成型工艺技术利用注射机注射成型产品毛坯 保证物料充分充满模具型腔 金属液铸造充模较差 也就保证了零件高复杂结构的实现 粉末锻造是一项重要的发展 已适用于连杆的量产制造 但是一般而言 锻造过中热处理的成本和模具的寿命还是有问题 仍待进一步解决 传统机械加工法 近年来靠自动化而提升了其加工能力 在效果和精度上有极大的进步 但是基本的程序上仍脱不开逐步加工 车削 刨 铣 磨 钻孔 抛光等 来完成零件形状的方式 机械加工方法的加工精度远优于其他加工方法 但是因为材料的有效利用率低 且其形状的完成受限于设备与刀具 有些零件无法用机械加工完成 相反 MIM可以有效利用材料 不受限制 对于小型 高难度形状的精密零件的制造 MIM工艺比较机械加工而言 其成本较低且效率高 具有很强的竞争力 以往在传统加工技术中先作成个别元件再组合成组件的方式 在使用MIM技术时可以考虑整合成完整的单一零件 大大减少步骤 简化加工程序 MIM技术并非与传统加工方法竞争 而是弥补传统加工方法在技术上的不足或无法制作的缺陷 MIM技术可以在传统加工方法制作的零件领域上发挥其特长 MIM工艺在零部件制造方面所具有的技术优势可成型高度复杂的结构零件 MIM和其他金属加工法相比 制品尺寸精度高 不必进行二次加工或只需少量精加工 注射成型工艺可直接成型薄壁 复杂结构件 制品形状已接近最终产品要求 零件尺寸公差一般保持在 0 1 0 3mm左右 特别对于降低难于进行机械加工的硬质合金的加工成本 减少贵重金属加工时的损失尤其具有重要意义 制品微观组织均匀 密度高 性能好 模具及适用范围 MIM技术使用的金属模具 其寿命和工程塑料注射成型具模具相当 由于使用金属模具 MIM适合于零件的大量生产 由于利用注射机成型产品毛坯 极大地提高了生产效率 降低了生产成本 而且注射成型产品的一致性 重复性好 从而为大批量和规模化工业生产提供了保证 注射成型的材料非常广泛 铁基 低合金 高速钢 不锈钢 工具钢 硬质合金 原则上任何可高温浇结的粉末材料均可由MIM工艺造成零件 包括了传统制造工艺中的难加工材料和高熔点材料 此外 MIM也可以根据用户的要求进行材料配方研究 制造任意组合的合金材料 将复合材料成型为零件 MIM工艺采用微米级细粉末 既能加速烧结收缩 有助于提高材料的力学性能 延长材料的疲劳寿命 又能改善耐 抗应力腐蚀及磁性能 对于过硬 过脆难以切削的材料或几何形状复杂 铸造时原料有偏析或污染的零件 采用MIM工艺可大幅度节约成本 以加工打字机印刷元件导杆为例 通常需14道工序 而采用MIM工艺只需6道工序 可节约一半左右的成本 零件越小越复杂 经济效益将越好 通过以上分析 可以看出MIM成型的潜力是很大的 MIM技术的应用领域 1 计算机及辅助设施 如打印机零件 磁芯 撞针轴销 驱动零件 2 工具 如钻头 刀头 喷嘴 枪钻 螺旋铣刀 冲头 套筒 扳手 电工工具 手工具等 3 家用器具 如表壳 表链 电动牙刷 剪刀 风扇 高尔夫球头 珠宝链环 圆珠笔卡箍 刃具刀头等零部件4 医疗机械用零件 如牙齿矫形架 剪刀 镊子 5 军用零件 导弹尾翼 枪支零件 弹头 药型罩 引信用零件 6 电器用零件 电子封装 微型马达 电子零件 传感器件 7 机械用零件 如松棉机 纺织机 卷边机 办公机械等 8 汽车船舶用零件 如离合器内环 拔叉套 分配器套 汽门导管 同步毂 安全气囊件等 注射成型设备 主要包括注射成型机和模具 1 注射机 一 分类 1 按物料的塑化形式分 柱塞式和往复螺杆式 其中往复螺杆式用的最多 往复螺杆式注射机的优点 简化了预塑结构 不需要分流梭 因而使注射压力降低了很多 螺杆转动使物料翻滚 传热条件好 物料内部受到剪应力大 塑化效率高 因无分流梭 更换物料方便 注射速度快 对原料的适应性广 能加工热敏粘结剂 双螺杆机结构示意图1 连接器2 过滤器3 料简4 螺杆5 加热器6 加料器7 支座8 上推轴承9 减速器10 电动机 2 2塑料成型设备 螺杆预塑化柱塞式注射装置1 单向阀2 预塑料筒3 注射柱塞4 注射料筒 2 2塑料成型设备 2 按照注射机的外形特征分类常见的有五种形式 立式注射成型机注射装置和合模装置与地面垂直 特点 占地面积小 模具折装方便 料斗高 加料不方便 仅适用于注射量小于60cm3的制品生产 卧式注射机注射装置 合模装置均水平排列 特点 机身低 加料方便 操作维修方便 制品顶出后可自由落下 易实现自动化 缺点 占地面积大 模具拆卸比较麻烦 角式注射机注射装置与合模装置呈垂直排列 特点 介于立式与卧式之间 适用于加工中心部分不允许留有浇口的制品 转盘式注射机将多副模具装在一个可转动的盘上 转盘去年定时旋转 使各模具与喷嘴相对注射成型 特点 生产效率高 特别适用于冷却时间长或安放嵌件费时的制品生产 立式注射机它的注射装置垂直装设 并与锁模机构移动方向成一条轴线 优点 占地面积小 拆装模具方便 易于安放嵌件等 缺点 塑件推出后需由人工取出 不易实现全自动操作 3 2注塑机 2 注射机的构造螺杆式注射机主要由注射 合模 传动 控制四部分组成 一 注射系统包括螺杆 料筒 加料加热装置 喷嘴等 1 螺杆注射机螺杆与挤出机螺杆的区别 a 注射机螺杆既能旋转 又能轴向移动 挤出机螺杆仅转动 b 注射机螺杆的长径比和压缩比都比挤出机小 注射机 长径比15 18 压缩比2 2 5挤出机 长径比20 30 压缩比 压缩比 加料口的螺槽容积与均化段最后一个螺槽容积之比 2 料筒注射机的料筒与挤出机的构造和选材相同 3 喷嘴喷嘴的作用 提高熔融物料的流速 使其能迅速充模 分为开式喷嘴与闭式喷嘴 开式喷嘴 a 不能加热 b 可进行加热 闭式喷嘴通过弹簧弹力 挡圈 导杆 顶针实现闭锁 注射时 熔料顶开顶针进入模腔 这种喷嘴使用方便 可防止流延 但结构复杂 压力损失大 射程小 补缩作用小 适用于加工粘度低的树脂 2 2塑料成型设备 二 合模系统作用 开启和闭合模具 要求有足够的锁模力 足够的模板面积和强度 运动速度要求 闭合时先快后慢 开启时先慢后快 合模系统由固定板 移动板 合模油缸 顶出装置等组成 顶出装置 作用 用于制品脱模的机构 分为机械式和液压式 一般设计成与合模装置联动 开模后一时间间隔联动顶模装置将制品顶出 三 传动部分主要由油缸 电机 各种阀门 开关等组成 通过油路供给的压力驱动各部分动作 三 注射机的参数 1 注射部分参数 最大注射量是指注射螺杆完成一次最大注射行程时 有轴向移动 注射机的最大注射量 表示方法 a 以注射出的聚苯乙烯熔料质量 克 来表示 b 以注射出的熔料体积 cm3 表示 第二种表示方法即容积法与物料的密度无关 用起来比较方便 采用此表示方法的较多 注射压力指注射时螺杆对熔融物料的压强 用MPa表示 注射速度指在最大注射量时 螺杆单位时间内的行程 v S t m s v 注射速度m sS 注射行程 螺杆 t 注射时间s 塑化性能指标与螺杆直径 长径比 物料性能 螺杆转速等多种因素有关 四 合模部分参数 1 锁模力用下式计算Pcm kP FPcm 锁模力 NK 安全系数 取2左右P 模腔压力 PaF 分型面上的投影面积 m2 2 模板尺寸一般是成型面积的3 10倍 3 模具厚度 模板行程及最大间距模具的最大厚度 表示注射机安装模具的最大厚度 根据这个厚度确定加工制品的最大厚度 如超过这个厚度则无法开启脱模 模板行程是指模板开闭时行走的最大距离 其大小直接影响制品取出是否方便 它不能小于模具最大厚度的2倍 模板最大间距是指移动模板移动到终点位置时与固定模板的距离 一般为最大制品高度的3倍 模具对复合材料的注射成型 应考虑的工艺特性主要有 注射压力高 注射速度快 模具和熔料温度高 玻纤的摩擦力大等 1 流动特性 流道 浇口及排气浇口和流道的转弯处应成园角 流道转弯处应设冷料穴 浇口的大小应根据实际情况确定 太小易损坏玻纤且阻力大 太大玻纤分散不均匀 2 成型收缩对于热塑性复合材料注射制品 在流动方向的收缩率一般比垂直方向小1 2 因此 设计模具时应精心考虑 通过模具尺寸对收缩精细修正 生产高精度制品时 模具各零件要精确配合 闭模的精确度不仅靠导柱 而且还要依靠锥度导柱和定芯板固定 注射模注射模是安装在注射机上 完成注射成形工艺所使用的模具 注射模的结构成形部件浇注系统导向部件推出机构调温系统排气系统支承零部件侧向分型与抽芯机构 合模装置合模装置是保证成型模具可靠的闭锁开启并取出制品的部件 一个完善的合模装置 应该具备下列三个基本条件 第一 足够的锁模力 使模具在熔料压力 即模腔压力 作用下 不致有开缝现象发生 第二 足够的模板面积 模板行程和模板间的开距 以适应不同外形尺寸制品的成型要求 第三 模板有合适的运动速度 应是闭模时先快后慢 开模时慢 快 慢 以防止模具的碰撞 实现制品的平稳顶出并提高生产能力 一 合模装置的组成和分类结构组成 合模装置主要由固定模板 活动模板 拉杆 油缸 连杆以及模具调整机构 制品顶出机构等组成 分类 合模装置的种类较多 若按实现锁模力的方式分 则有机械式 液压式和液压 机械组合式三大类 机械式在新设计中已不采用 因它不很符合工艺的要求 将不予介绍 1 液压合模装置合模装置是依靠液体的压力实现模具的启闭和锁紧作用的 1 单缸直压式合模装置模具的启闭和锁紧都是在一个油缸的作用下完成的 这是最简单的合模装置 这种合模装置存在一些问题 并不十分符合注射机对合模装置的要求 合模初期 模具尚未闭合 合模力小 为了缩短循环周期 这时的移模速度应快才好 但因油缸直径甚大 实现高速有一定困难 合模后期 从模具闭合到锁紧 为防止碰撞 合模速度应该低些 直至为零 锁紧后的模具才需要达到锁模吨位 这种速度高时力量小 速度为零时力量大的要求 是单缸直压式合模装置难以满足的 2 增压式合模装置合模初期 压力油进入合模油缸 因直径较小 其推力小 却能增大移模速度 模具闭合后 压力油换向进入增压油缸 利用增压活塞面积差的作用 提高合模油缸内的液体压力 以此满足锁模力的要求 增压式合模装置的优点是 在不用高压油泵的情况下提高锁模力 增压式合模装置的缺点是 油压的增高对液压系统和密封有更高的要求 故增压是有限度的 目前一般增压到20 32MPa 最高可达40 50MPa 增压式合模装置一般用在中小型注射机上 其合模速度并不十分快 因为实际上合模油缸直径还是较大的 3 充液式合模装置合模时 压力油首先进入小直径移模油缸 实现快速闭模 合模过程中 锁模缸的活塞随着移动模板前进 因而造成油缸内的负压 充液阀打开 大量的工作油进入锁模油缸 当模具闭合 锁模油缸接通高压油 使合模力迅速上升到锁模吨位 开模时 从移模缸的另端进油 由于移模油缸直径小 故能实现快速开模 如图所示 充液式合模装置示意图 1 锁模油缸 2 移模油缸 3 动模板 4 定模板 充液式合模装置特点1 用小直径油缸取得高速 大直径油缸取得较大合模力 2 可实现较大合模力 3 体积较大 大油缸直径大 4 移模速度 尤其锁模加压速度 慢 油量吞吐量大 5 其它与其它液压式相同 6 适应于大中小型合模机构 4 特殊液压式为克服液压油缸用大行程去适应不同模具高度的要求 减小油缸长度 从而减少油液的吞吐量 对其进行如下改进 A 将合模油缸单独设置在动模板或固定模板上 用机械定位的方式 缩短合模油缸的行程 B 用大直径短行程缸代替大直径长行程缸 C 为适应不同厚度的模具 需将定模板 或动模板 的起始位置做相应的调整 特殊液压式的形式很多 仅举一例介绍 1 锁模油缸 2 移模油缸 3 定位机构 4 中心立柱 特殊液压式的特点 1 所需工作油量小 能耗低 2 速度快 升压时间短 3 合模系统刚性大 由于行程缩短 4 其结构和油路较复杂 5 适用于1000t以上的大型注射机 5 液压式合模装置的优缺点1 优点 固定模板和移动模板间的开距大 能够加工制品的高度范围较大 移动模板可以在行程范围内任意位置停留 因此 调节模板间的距离十分简便 调节油压 就能调节锁模力的大小 锁模力的大小可以直接读出 给操作带来方便 零件能自润滑 磨损小 在液压系统中增设各种调节回路 就能方便地实现注射压力 注射速度 合模速度以及锁模力等的调节 以更好地适应加工工艺的要求 2 缺点 液压系统管路甚多 保证没有任何渗漏是困难的 所以锁模力的稳定性差 从而影响制品质量 管路 阀件等的维修工作量大 液压合模装置应有防止超行程和只有模具完全合紧的情况下方能进行注射等方面的安全装置 液压合模装置的优点突出 正日益广泛地被采用 顶出装置顶出装置是为顶出模内制品而设的 各种合模装置均设有顶出装置 顶出装置可分为机械顶出 液压顶出和气动顶出三种 1 机械顶出顶杆固定在机架上 它本身不移动 开模时动模板后退 顶出杆穿过移动模板上的孔而达于模具顶板 将制品顶出 顶出杆长度可以根据模具的厚薄 通过螺纹调节 顶杆的数目 位置随合模机构的特点 制品的大小而定 机械顶出结构简单 但顶出是在开模终了进行的 模具内顶板的复位要在闭模开始以后 2 液压顶出顶出力量 速度和时间都可以通过液压系统调节 一般小型注射机 若无特殊要求 使用机械顶出较好 较大的注射机 一般同时设有机械顶出和液压顶出 可根据需要选用 3 气动顶出是利用压缩空气 通过模具上的微小气孔 直接把制品从型腔内吹出 此法顶出方便 对制品不留痕迹 特别适合盆状 薄壁或杯状制品的快速脱模 原料粉末制取 目前生产MIM用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 1 羰基法MIM最早使用的粉末是羰基法生产的 美国GAF化学公司采用较粗的海绵铁粉作原料 制粒后在350度氢气中退火活化 然后置于反应器中 铁粒暴露在循环的CO中 气体压力为6OMPa 温度160度 铁与CO发生反应 得到气态的Fe CO 5 并加以冷凝收集 接下来 使Fe CO 5蒸发通过一个垂直的反应塔 反应塔加热到300度 在催化剂NH3作用下 Fe CO 5在塔顶部分解为Fe和CO气体 将沉积的铁粉聚集体球磨 得到符合要求的成品铁粉 粉中一般含0 8 C 0 7 N和0 3 O 质量分数 羰基法是一种较为成熟的制备MIM用粉末的方法 所制得的粉末呈球形 粒度小 但是羰基法只能生产有限的几种粉末 如铁粉 镍粉 不易生产包含2种以上元素的合金粉 而且羰基法生产过程毒性大 在MIM生产过程中还存在碳含量控制的问题 2 超高压水雾化法日本的PAMCO KawasakiSteel KawasakiSteel几家公司发展了一种超高压水雾化 该法能够较为经济地大量生产MIM用金属和合金粉末 其中以PAMCO公司产量最大 工艺也最有代表性 该公司年产MIM用粉末300t 工艺采用150MPa高压水雾化 其主要产品为各种不锈钢粉和低合金钢粉 PAMCO从20世纪80年代中期开始商业生产MIM粉 针对水雾化粉摇实密度低 导致注射成形时填充密度低而需要较多的粘结剂的缺点 在增加粉末的球化率 提高其摇实密度方面作了许多改进 改进后的PAMCO新型MIM粉的摇实密度比常规MIM水雾化粉的摇实密度提高了10 采用具有较高摇实密度的粉末 PAMCO已经成功地将所需粘结剂减少了20 左右 水雾法 水雾法与气雾法不同点 1 因冷卻速度过快 粉末呈不规则狀 2 粉末表面粗糙 含氧化物 3 采用改进型喷嘴的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 所需添加剂量少 且用惰性气体 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40 50um 能适应MIM要求的细粉量很少 英国Osprey公司和PSI公司为此对喷嘴进行改进 采用高压气体雾化 使得适合MIM用的细粉产出率大大提高 Osprey公司用高压氩气和氮气 压力为5MPa 生产的不锈钢粉末中有75 的粉末粒度小于20um 大大高于常规气雾化法的20 其平均粒度为14um 该公司还用该法生产了高速钢粉 工具钢粉以及磁性合金粉等 据Osprey公司称 这种高压气雾化MIM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 优点 保持高合度原料的完整性粉末均勻呈球形 有良好堆积性 4 微雾化法美国MicroMaterialsTechnology和GTEProducts公司报道了他们采用微雾化法制备MIM用细粉的情况 据称 该法是一种有效制备小于20um粉末的生产方法 其原理是基于金属液滴撞击不浸润的基片而发生破碎 原料为普通雾化法生产的较粗粉末 50 150um 利用等离子喷枪熔化原料粉末并加速熔融金属液滴 被加速的金属液滴撞击不浸润的旋转基盘而产生破碎 破碎的细小液滴球化 并迅速冷却成细小粉末 微雾化法是一种将较粗粉末有效地处理成细粉的新工艺 有以下优点 无容器熔化而大大减少了粉末污染 由于高的等离子气体的温度 没有熔点限制 可以方便地制造各种难熔金属和合金粉末 不需要常规的庞大的炉子装置 节约能源 另外 美国UltraFinePowderTechnology公司开发了一种Tandem雾化装置 它的基本原理是在雾化之前 将一定压力的气体注入金属熔体中 这样 雾化后每一金属液滴内都包含有气体 在冷却过程中 液滴内部气体压力增大 金属液滴产生破碎而得到超细球形粉末 5 Nanoval层流雾化法德国Nanoval公司开发出了一种独特的气雾化技术 基本思路是应用自稳定的 严格成层状的气流 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 气体为获得稳定而呈层状流动 在最窄处以下 气体被快速压缩 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MIM的贵金属粉 特殊牌号的不锈钢和高速钢粉 铜基合金和超合金粉等 该公司产品粉末粒度约为10um 其中20um粒度以下的粉末约占90 粘结剂粘结剂是MIM技术的核心 在MIM中粘结剂具有增强流动性以适合注射成菜和维持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结剂 近年来正逐渐从单凭经验选择向根据对脱脂方法及对粘结剂功能的要求 有针对性地设计粘结剂体系的方向发展 粘结剂一般是由低分子组元与高分子组元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 保持成形坯强度 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 通常采用的粘结剂主要有 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 功能 1 成形阶段增强粉末流动性 2 成形后保持坯体形状 热塑性体系石蜡基粘结剂是最早使用 而且至今仍有竞争力的粘结剂休系 特别是壁厚小于3mm的零件 主要由石蜡与聚烯烃组成 如HDPE LDPE PP PS EVA PEEA POM PE等 石蜡高温粘度低 与塑料相容性好 粉末装载量高 但石蜡体系冷却时收缩大 内应力大 脱脂慢 油基粘结剂主要利用油在室温下为液态或半固态 与石蜡基粘结剂相比 改善了内应力 另外采用溶剂脱脂速度快 使用油基粘结剂的难点在于增加油含量的同时要保持生坯强度 防止两相分离的产生 以及快速溶剂脱脂时解决溶胀和应力开裂的问题 一般来说 热塑性聚合物基粘结剂由于使用较多聚合物 成形坯强度高 但较多的聚合物会导致脱脂慢 装载量低 凝胶体系1978年美国的R D Rivers发明了凝胶体系 由甲基纤维素 少量水 甘油和硼酸组成 甲基纤维素与水在受热时形成凝胶以提高生坯强度 特点是使用有机物少 脱脂快 不足之处是生坯强度低 脱模困难 不能连续生产 类似的体系还有琼脂与水 1994年法国Impac和MetalsProcessSystem公司宣称开发了Quickset无粘结剂工艺 只需传统MIM粘结剂含量的5 实际上也是用极少量的有机物加液体载体以形成特殊的结构来获得生坯强度 据称该粘结剂体系已可用来生产厚至20mm 重达800g的零件 目前日本PAMCO公司正和MPS公司联合研究 进一步开发这一技术 热固性体系Brasel通过对多种热固性树脂的选择 确定了呋喃族树脂可用于MIM Petzoldt应用聚酰胺树脂 以环氧树脂为硬化交联剂 在150 250 时发生交朕 交朕温度高于注射和混炼温度 热固性粘结剂有些缺陷是难以解决的 如脱脂时不产生小分子 有残留 废次品不能重复使用等 因此限制了它在实际工业中的应用 水溶性体系水溶性粘结剂是20世纪90年代开发出的一类很有前途的体系 是从 固态聚合物溶液 SPS 体系中发展起来的 用水溶性聚乙二醇 PEG 作主要成分 加部分PMMA或苯氧树脂作粘结剂 在脱氧蒸馏水中浸泡脱脂 但这种体系存在混合时间长 脱脂慢 溶胀等缺陷 后来Amwar作了改进 采用悬浮聚合得到的超高分子量的PMMA 分子量 106 配合以特定的混合方式 解决了变形问题 使水脱脂温度可以从室温升至60 80 脱脂时间从16h降至3h 而且制备出了较高尺寸精度的产品 Hens等另辟蹊径 用PEG与可交联的聚合物PVB于脱脂前或部分脱脂后用紫外光固化 也控制了脱脂变形 Bialo发展了另一类水溶性体系 以聚氧化乙烯 PEO 为水溶性部分 成形坏只需在水中浸泡60 70min就可脱除PEO 水溶性体系由于采用水脱脂 价格便宜 无毒 有利于环保 然而粘结剂存在吸水问题 混合较难 产品尺寸精度还不高 所以 虽然该体系已问世五年 但到目前为止 仍处于实验室阶段 但该体系无疑极具潜力 是发展方向 此外还有些新型粘结剂体系 工艺上各有特点 如美国专利提出的聚酰胺基粘结剂 日本专利报道的丙烯酸系粘结剂 特点是易除去 无副县长产物 含烷基的硅酸盐无机物粘结剂 其注射压力小于有机物粘结剂体系 此外还有自行合成的非晶态聚合物粘结剂 特点是可用混合溶剂解等 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 这牵涉到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 这一工艺步骤目前一直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混料方式的不同而变化 MIM常用的混料装置有双螺旋挤出机 Z形叶轮混料机 单螺旋挤出机 柱塞式挤出机 双行星混炼机 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 这样能防止低熔点组元的气化或分解 分批加入金属粉可防止降温太快而导致的扭矩急增 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 先将较粗的15 40um水雾化粉加入粘结剂中 然后加入5 15um粉 最后加入粉度 5um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结剂 还可将金属粉末直接加入到高熔点组元中 再加入低熔点组分 最后去除空气即可 一般先加入高熔点组元 降温后加入低熔点组元 再分批加入金属粉末 可跟据转矩判断混料是否均匀 VH型V形混合机是新型 高效 精细容器回转 搅拌型混合设备 用于各种粉状 粒状物料的均匀混合 具有很高的混合度 对添加量很少的配料同样能达到较好的混合度 该机采用机械密封 粉料不会泄漏 轴承使用寿命长 该机混合效率高 工作效率较高 劳动强度低 操作方便 VH型V形混合机由 V 形筒 机械密封 机架 减速传动 搅拌叶片等构成 该机的工作过程是 把需混合的几种物料通过真空输送或人工加料投放到 V 形筒内 上好筒盖 开起设备 V 形筒及搅拌叶片同时转动 旋转的 V 形筒使筒体内物料产生紊乱翻滚混合 高速旋转的搅拌叶片打碎结团物料 使物料在筒体内快速混合 VH型V形混合机工作过程无死角 无沉积 可使混合的物料快速达到均匀一致的效果 SHJ型双锥混料机是高效精细粉体混合设备 用于各种粉状 粒状物料的混合 SHJ型双锥混料机由一台电动机拖动 筒体由链轮带动 搅拌叶片由三角带带动 结构简单 传动可靠 维修方便 该机双锥筒支撑轴承采用了特别的隔尘处理 不会因物料进到轴承内 导致轴承快速磨损而破坏 双锥筒进料口采用快开旋开阀 出料口采用大口径90 旋阀 使用特别方便 双锥混料机 立式螺旋混料机LHJ2型立式混料机由罐体 螺旋提料机 机架等构成 混合机理作用次序为对流 扩散 剪切 用于固液悬浮料 加湿物料 颗粒粉料的混合 中小批量垂直螺杆混料机技术特点 混料均匀混料时间短功率小更加节能 注射成形注射成形关键问题之一是有关成形的各项设计 其中包括产品设计 模具设计 尽管目前生产的产品可从0 003g到17g 而且在改进精度方面已取得了重要进步 然而大多数设计特别是模具设计是凭经验 缺少可靠的设计知识 CAD系统难以很好地应用于MIM 现已运用塑料模具的原理逐步将MIM的模具标准化 随着经验的积累 模具设计和制作的时间将会大大减少 尽可能多地使用多模腔模具以提高注射效率 MIM目前无需使用特殊的注射机 只将普通的注射机稍加以改进即可 对于许多产品的注射成形现已实现自动化 但是目前超小型零件的注射成形仍然存在问题 注射成形的目的是获得所需形状的无缺陷 颗粒均匀排布的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 这个过程同传统塑料注射成形过程一致 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它一些方面存在很大差别 控制不当则易产生各种缺陷 注射时模具温度过低 注射压力或速度过小时 制件表面会出现细微裂纹等缺陷 注射压力或速度过高且喂料熔体的粘度过低 易导致气体和空洞产生 2 注射参数对成型的影响 1 注射温度 决定喂料的塑性和流动 注射温度通常为550 200 温度过低 喂料粘度大 流动缓慢 注射压力高 易引起欠注 过高 导致两相分离 冷却时间过长 2 模具温度 太低 冷凝快 由于热应力导致表面缺陷 太高 粘模 冷却缓慢 喷射力强 易导致气孔 空洞等缺陷 3 注射压力 指注射机柱塞或螺杆顶部对喂料所施加的压力 通常为40 130Mpa之间 可使喂料克服从料筒流向型腔的流动阻力 获得一定得充模速率 实现对已充模熔体的压实 压力过低 流速慢 冷凝层厚 导致欠注 表面裂纹等缺陷 压力过高 导致粘模 飞边等缺陷 4 保压压力 使喂料在冷却的过程中不产生回流 对型腔内的流体进行压实 补充冷却收缩 压力过低 流道内的熔体无法进入模膛以补偿喂料的冷却收缩 导致缩孔 尺寸不稳等现象 压力过高 脱模困难 并易造成毛边 浇口附近因过度填充造成的应力集中 5 注射速率 指在单位时间内从喷嘴射出的理论容量 注射速率过高 喂料粘度过低而导致喷射 注射速率过低 冷凝层厚 金属注塑成型可用注塑机进行 或对其加以改进 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 粉末与粘结剂分离现象等 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提高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涉到模具设计的问题 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模具设计方面将可发挥重要的作用 脱脂 在不产生缺陷的情况下 将粘结剂脱离开注射成形毛坯 通常和烧结工艺结合在一起 1 热脱脂 将注射坯逐渐加热至粘结剂组分能挥发或分解 从而达到脱脂的目的 此法工艺简单 成本低 投资少 无污染 但脱脂时间太长 粘结剂在脱脂温度下已软化 制件尺寸难以控制 可在真空或气氛下脱脂 2 溶剂脱脂 溶剂不断渗入到坯块内部或将溶剂蒸汽冷凝到试样表面进而扩散到试样内部 将试样内粘结剂中可溶成分溶解出来的过程 此法温度低 粘结剂未软化 试样不变形 缺陷少 3 虹吸脱脂将MIM成形坯置于虹吸料上 缓慢升温至200 保温3h以脱除大部分粘结剂 然后再将成形坯放入炉中于一个大气压的氢气氛中以约3 min的速率升至约800 进行进一步脱脂和预烧结 整个脱脂过程约10h左右 4 催化脱脂采用催化剂脱脂 脱脂时不出现液相 避免了MIM产品容易发生变形和尺寸精度控制困难的弱点 是MIM产业的一个重大突破 并且由于是催化脱脂 大大缩短了脱脂时间 从而降低了成本 目前流行的MIM工艺 其独特之处是粘结剂体系和脱脂技术 粘结剂的脱除最费时 最难控制 是MIM中最困难和最重要的环节 脱脂一直是阻碍MIM技术发展的难题 一般粘结剂占成形坯体积的40 以上 在脱脂过程中成形坯极易出现宏观和微观缺陷 脱脂工艺对于保证产品质量极为重要 常用的脱脂方法有热脱脂 溶剂脱脂 虹吸脱脂及催化脱脂等 从MIM技术产生以来 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 脱脂时间由最初的几天缩短以了现在的几小时 从脱脂步骤上可以粗略地将所有的脱脂方法分为两大类 一类是二步脱脂法 二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 目前最先进的是amaetamold法 下面分别介绍几种有代表性的MIM脱脂方法 Wiech法 以Wiech于1980年发明的专利为代表 并经过了几次改进 可将其称为Wiech 1 2 和 3 法 Wiech所用的粘结剂为MIM中最常用的蜡基粘结剂体系 含一种或多种组元 Wiech 1 法的基本过程是 首先将MIM成形坯置于一直空容器内 将其加热到粘结剂的流动温度或高于这个温度 然后将溶剂以气态形式缓慢地加入成形坯所在的容器内 气态溶剂进入成形坯溶解粘结剂 溶解到一定程度 粘结剂的溶剂溶液会从成形坯中渗出 通过这种气态溶剂可以脱除大部分的粘结剂而不会产生裂纹或断裂现象 将已脱除了大部分粘结剂的成形坯再浸入液态溶剂中除去剩余的部分粘结剂 由于已经通过气态溶剂脱脂形成的孔隙能道 第二步浸入式溶剂脱脂速度很快 且不会产生裂纹和缺陷 最后将成形坯预热以除去残留的部分粘结剂和部分溶剂 并进行烧结得到成品 Wiech 1 法仅气态溶剂脱脂就需3天时间 脱脂效率很低 且由于脱脂温度高于粘结剂流动温度 变形较严重 金属注射成型用真空脱脂烧结炉 真空脱脂炉 卧式真空脱脂 腊 炉 本卧式真空脱脂 蜡 炉系列主要用作真空或载气脱脂 蜡 适用于不锈钢基 硬质合金 高温合金 高比重合金 金属陶瓷 磁性材料 碳化物 硼化物 氧化物 金属间化合物 氧化物烧结前的真空或载气脱脂 蜡 和预烧 本真空脱脂 蜡 炉采用卧式水冷套结构 前开门或前后双开门 根据炉温高低和客户的工艺要求 采用镍铬电热合金或石墨作发热体及隔热屏 亦可采用其它保温材料组成的复合隔热屏 发热体可分成多区布置 各区独立控温 可编程PID调节 精确控温 配置专用密封炉胆和多级水冷蝶片式捕脂器 实现定向气流脱脂 炉内无藏脂死角 脱脂更完全 可配备炉内或炉外循环冷却装置 加速炉内物料冷却 缩短工作周期 提高生产效率 1981年发明了Wiech 2 法 其基本过程是 将MIM成形坯置于一惰性气体容器中 通过调节温度和气体流量 使得成形坯中粘结剂的蒸气压高于容器内气氛压力 这样粘结剂能从成形坏中蒸发出来进入容器气氛中 容器中有一个独立部分用来冷凝收集粘结剂 粘结剂脱除速度可以通过调节冷凝速度来控制 对于多组元粘结剂 还可以通过调节容器内温度和压力 有选择地逐步蒸发排除 此过程约需一天或一天以上时间 Wiech于1981年发明了Wiech 3 法 采用虹吸脱脂作为第一步 将MIM成形坯置于虹吸料上 缓慢升温至200 保温3h以脱除大部分粘结剂 然后再将成形坯放入炉中于一个大气压的氢气氛中以约3 min的速率升至约800 进行进一步脱脂和预烧结 整个脱脂过程约10h左右 这样 Wiech实际上采用了三种形式的二步法进行脱脂 先是采用溶剂蒸气脱脂 然后是蒸发法 后来又采用虹吸脱脂作为第一步 脱脂时间也由最初的3天缩短到了10个小时 但它仍存在一些缺点 Wiech 1 法效率低 成形坯易产生变形 Wiech 2 法脱脂炉内气氛压力需精确控制 且对于稍大分子量的粘结剂组元 则蒸发法很难奏效 Wiech 3 法存在虹吸料粘附于成形坯和污染成形坯的问题 Injectamax法美国AMAXMetalInjectionMolding公司的Johnson于1988年发明了Injectamax法 该方法的主要优点在于脱脂速度快且不会造成裂纹 其粘结剂由至少两种组元构成 脱脂时选用一种溶剂有选择地首先溶解脱除粘结剂中的可溶性组元 而不溶性组元则不溶解 这样打开孔隙通道 然后再利用热脱脂除去剩余的粘结剂 该法采用的粘结剂一般由植物油 石蜡和热塑性树脂构成 采用三氯乙烷溶剂首先除去油和石蜡 整个脱脂工艺过程时间短 只需6h 是一种快速的脱脂方法 这种溶剂脱脂 热脱脂两步法由于简单 投资少和高效率 是目前大多数MIM公司和生产厂家所采用的生产方法 水溶解法水溶解法是建立在90年代发展起来的水溶性粘结剂基础上的 它是类似于Injectamax二步法 溶剂脱脂 热脱脂 的直接发展 由于化学溶剂存在毒性 回收等问题 如果能用便宜 无污染的水作为溶剂则可将MIM工艺水平大大提高一步 Cao发展了一种固态聚合物溶液脱氧蒸馏水中浸泡约16h即可除去80 的聚乙二醇 然后再采用热脱脂法除去剩余的粘结剂 Anwar和Yang也采用聚乙二醇 聚甲基丙烯酸甲酯粘结剂体系做了一些工作 通过采用提高水温至60 80 可在10h除脱95 以上的聚乙二醇 Bialo发展了另一种形式的水溶性粘结剂 它采用聚氧化乙烯作为水溶性部分 其粘结剂配方为76 聚氧化乙烯 23 聚乙烯蜡 1 硬脂酸 成形坯只需在水中浸泡60 70min就脱除了大部分聚氧化乙烯 由于水价格便宜 无毒 无污染问题 水