现代粉末冶金技术 第8章 金属粉末注射成形

1、第8章 金属粉末注射成形8.1 金属粉末注射成形概论8.1.1 金属粉末注射成形技术的发展历程(mim，metal powder injection molding)近年来，粉末冶金注射成形（pim，powder injection molding）的发展非常引人注目。注射成形用于陶瓷和塑料工业已有多年的历史，只是最近来才开始用于粉末冶金工业。虽然目前金属粉末注射成形产品的市场还十分有限，却具有巨大的潜在市场。注射成形是一种兼有模塑的成形方法，因此又称为注塑成形。通常注射成形的工艺过程是：将混合的粒料或粉料放入注塑机的料筒内，经过加热、压缩、剪切、混合和输送作用，使物料达到均匀化和塑化的效果，

2、然后借助于柱塞或螺杆向塑化好的混合物施加压力，高温流体便通过料筒前面的喷嘴和模具的浇道系统注入预先闭合好的低温模腔中，经过冷却定型后，开启模具、顶出制品，得到一定几何形状和精度的制品。注射成形最早应用于塑料成形，早在1862年，英国的亚历山大·柏士（alexander parkes）提出了注塑成形法制造塑料梳子、伞柄和一些其它制品。柏士塑料的主要成分是硝酸纤维素（cn）加上少量的其它物质，使其具有塑性和其它一些物理性能。1869年，英国的一位印刷商海特（hytt）改良了柏士塑料，制成了赛璐璐，但仍以硝酸纤维素为主。1878年，他将赛璐璐注入一个多腔模具中，这个模具已具有主浇道、分流道

3、和浇口。1879年，gray在英国发明了世界上第一台螺旋挤出机，差不多在同一时期，其他很多人也设计了各种机型。由于赛璐璐可燃性强，不是很适合注塑成形。直到1919年eichengrum 推出了醋酸纤维素（ca）后，注塑技术得到了进一步发展。1920年，注塑成形已成为工业化的加工方法，这种方法可以把热塑性聚合物加工成形状复杂的制品。料筒是注塑机的心脏，德国的hans gastrovl在1932年发明了具有分流梭的料筒，增大了聚合物的加热面积，克服了塑料导热性差、受热不均匀等缺点，但分流梭占去了料筒的一部分容积，并增加了阻力，使熔体注入模腔难度增加。1930年，美国赛璐璐公司发明了螺杆熔料式注塑法

4、。1940年，德国basf公司又发明了螺杆直射注塑法。20世纪70年代，是整个塑料工业发展的重要变革时期，使得注塑成形得到巨大发展。有关陶瓷注射成形技术的最早报道出现在1949年申请的专利中。实际上，早在1937年就有人开始用注塑机生产陶瓷制品。二战以后，随着塑料工业的迅速发展，注射成形技术发展步伐大大加快，无论是生产设备、材料，还是制造工艺都发生了质的变化。但是在上世纪70年代以前，金属注射成形技术还鲜为人知。美国学者韦奇（wiech ）在nasa任职期间，主要从事火箭固体燃料用的微细粉末方面的研究，他结合自己10多年积累的研究成果和经验进行改进、应用和开发，形成了一种对金属粉末进行注射成形

5、、生产烧结制品的粉末冶金工艺。韦奇为了使他的研究成果产业化，1973年组建了parmatech公司，并为洛克威勒公司研制了火箭喷嘴部件，为波音公司研制了飞机主翼的辅助挡板的冲击吸收环，并于1979年获得了国际粉末冶金大会产品设计大奖，引起了国际粉末冶金界的重视。parmatech公司转让了几项专利后，形成了多家mim公司。1979年butluconhas研究所是在世界范围内募集“利用注射成形制造的复杂形状的金属零件”课题共同研究的发起人，欧美和日本等国家纷纷应募，使得金属粉末的注射成形研究日益兴旺。但韦奇为了使其制造技术的产业化而没有参加共同研究，而在1979年组建了witec（维泰克）公司。

6、1981年神钢商事株式会社为了引进韦奇开发的技术，在日本联合设立了日本维泰克株式会社，该社从美国引进了小型试验设备，并以此为基础开发了大规模生产设备和一些其它技术，该公司现在已经有能力开发对注射成形制品进行批量生产的技术和设备。到1987年，该公司在日本国内已经有了7家子公司，海外有一家子公司。采用维泰克工艺生产的烧结零件以maltialloy injecalloy，sumatal finmalut命名的商品出现在市场上。1982年brunswick进入了mim行业后收购了witec公司，并逐步注册了omark工业、remington军品、rocky牙科等子公司。20世纪80年代初期，美国伦塞

7、尔理工学院开始开展pim技术基础理论和应用基础的研究工作。20世纪80年代中期，美国又在宾州大学建立了pim专业实验基地，同时一些与国防军工新材料相关的实验室也相继开展了该技术的研究和评价工作。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，pim的理论框架日益完善，pim技术也得到了迅速发展。这一方面归因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，使细粉产率大大提高，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injectamax公司和德国basf（巴斯夫）公司为代表的新一代pim工艺的开发成功，不仅使原来的

8、脱脂时间从数十小时缩短到几个小时，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±0.3%1。进入上世纪90年代，一方面是pim工艺进一步改进，新材料、新工艺不断涌现；另一方面，产业化发展非常迅速。1990年，以色列metalor公司从parmatch公司引进了mim工艺技术，并建立了mim生产线。在美国，采用witch工艺的公司有witec cayman services l.t.d、maltimaterial molding inc、r&w products l.t.d等等。维泰克工艺在美国拥有“生坯除去粘结剂方法”，“合金和化合物粉末

9、制备合金零件方法”等10多项专利，并在日本、加拿大申请了专利。进入21世纪，由于信息和生物产业的迅猛发展，工业和研究领域对微型部件的需求量日益增大，并且对部件的结构和功能要求越来越复杂。金属粉末微注射成形技术以其生产成本低、成形周期短、工艺过程简单等优点，成为微型部件工业化批量生产研究的热点之一。成品质量以毫克为计算单位，成品几何尺寸以微米为度量单位的微注射成形技术是一门新兴先进制造技术，同传统的、常规的注射成形技术相比，其对成形材料、成形工艺及成形设备等方面提出了不同的要求。许多现有的、成熟的注射成形技术和理论并不适用于微注射成形技术。相比于传统的金属注射成形技术，微注射成形制造的零部件尺寸

10、更小、表面光洁度要求更高。因此，对粉末粒度要求更细(约1m)。由于细小的粉末具有更高的比表面积，微注射成形的粉末在混料的时侯需添加更多的粘结剂。只有粘结剂完全包覆粉末表面才能保证喂料完全充模，并使成形坯具有一定的强度。8.1.2 金属粉末注射成形的特点金属粉末注射成形是一种从塑料注射成形行业中发展而来的新型粉末冶金成形技术，它是传统粉末冶金技术和现代注塑成形技术相结合的产物。金属注射成形的基本工艺步骤是：首先选取符合mim要求的金属粉末和粘结剂，然后在一定温度下采用适当的方法将粉末和粘结剂混合成均匀的喂料，经制粒后再注射成形，将获得的成形坯经过脱脂处理后烧结致密化成为最终成品。金属注射成形基本

11、工艺流程如图8-1所示。图8-1金属注射成形基本工艺流程1作为一种金属粉末致密化的特殊工艺，金属注射成形技术与传统的粉末冶金技术存在很大的差别。金属粉末注射成形技术是一种新型的粉末冶金技术，它可以批量生产高精度三维立体复杂形状的金属制品。与使用传统压力机成形的传统粉末冶金技术相比，其特点如下2：mim技术比传统粉末冶金技术使用的粉末更细，它采用粒度约10m以下的微细粉末，而不是一般粉末冶金采用的约100m粒度的粉末；使用的粉体材料范围更广，包括：fe、ni、co、w、wc、ti及各种牌号的不锈钢粉末等。粉末注射成形坯烧结以后有15%以上的线收缩率，能达到95%以上的理论密度，并具有足够的使用强

12、度。因此，在产品和模具的设计中要充分考虑其烧结收缩量。生产的制品尺寸精度能达到±0.3%，对于小型的形状简单的制品来说，则能达到±35m/mm；表面光洁度能够达到(粗糙度15m) 。制品可以通过热等静压进一步致密化，还可以进行渗碳、电镀等工艺进行表面处理。注射废料可以回收重复使用；此技术既可以进行大批量工业化生产，也可以多品种小批量生产。8.1.3 金属粉末注射成形产品的应用70年代末，ibm（国际商用机器公司）从parmatech公司购买了金属粉末注射成形专利，并和parmatech公司一起研制了电动打字机上的镍钢升降环，至今已生产了一百万件以上这种结构十分复杂难于生产的

13、零件3。使用注射成形技术后，只需要三道辅助工序，即攻丝、抛光和渗碳硬化，代替了原来需要18道工艺的精密铸造，ibm开发了约30种注射成形零件，其中五种正在生产，最大零件长76mm，最大截面厚度12.5mm，零件公差±0.34%±0.5%，小孔直径公差0.0025mm。engineered sinterings and plastics 公司于1985年开始出售注射成形零件。第一批为三种枪械零件，第二批为办公机械零件，其截面积尺寸19.05mm4。from pysics 公司至少生产了20种注射成形零件，其用途包括牙齿矫形和照相机领域，零件公差可在±0.1%，表面光

14、洁度为8，零件包括不锈钢牙齿矫形器、碳化钨旋转磨面、各种模子和型板、符号字模计算印刷锤、挤压氧化铝陶瓷喷射管、碳化钨齿轮、各种支架、壳和磁带导向等4,5。cabot公司研究生产了铁基高温合金、镍基高温合金、工具钢、316和17-4ph不锈钢、碳化钨-钴等材料，产品有薄壁镍基高温合金筒、锥体、螺母、螺栓等，其内外螺纹都是直接注射成形而成6。注射成形也用于电磁领域中若干零件的制造，如使用硅钢的变压器铁芯、电枢、磁极片、继电器等。高磁导率合金（hy-mu 80）以前不能用粉末冶金方法制备，但是由于注射成形改善了最终密度，就能使用此技术制取如变压器磁芯等产品，并得到较好的磁性能，在使用中还能提高工作效

15、率和降低能耗7。金属成形工艺由于采用注射成形，可生产各种合金材料形状十分复杂的零件，其复杂程度远远超过了其他粉末冶金工艺在内的任何一种金属成形工艺，包括：各种外部切槽、外螺纹、锥形外表面、交叉孔和盲孔、凹台与键销、加强筋板、表面滚花等等。因此采用该技术可以免除繁琐的多道加工工序，减少材料消耗，这正是注射成形的独特优势和发展潜力8。而且在流动状态下，液相均匀填充模腔成形，模腔内各点压力一致，消除了传统粉末冶金压制成形不可避免的沿压制方向的密度梯度，可以获得组织结构均匀、力学性能优异的近净成形零部件。此外金属粉末注射成形技术还有材料适应性广、自动化程度高、生产成本低、材料利用率几乎达到100%等优

16、点9。目前全球范围内已有数百个为金属注射成形技术服务或直接从事金属注射成形的公司，其产品从传统工业用的硬质工具、机械产品到高温发动机部件，从计算机用的磁盘驱动器到手表业用产品、医用产品、甚至军工产品等近百种。因此，mim技术被誉为“当今最热门的零部件成形技术”。表8-1列出金属注射成形和传统的精密铸造成形能力的比较。据初步调查，单在轻武器行业中，金属注射成形技术就有着巨大的潜在市场，有近25%的零部件适合于用粉末冶金注射成形技术来生产。表8-1 mim和精密铸造成形能力的比较8特点精密铸造mim最小孔直径2mm0.4mm2mm直径的盲孔最大深度2mm20mm最小壁厚2mm<1mm最大壁厚

17、无限制10mm4mm直径的公差±0.2mm±0.06mm表面粗糙度（ra）5m1m当然，任何一种制造工艺都有其不利的方面，金属注射成形目前主要存在以下两方面的问题：粉末冶金注射成形采用粒度为10m以下的极细粉末，这种粉末难于生产，成本高；加入和脱除粘结剂的过程比较复杂，因此此种技术生产成本较高。因此，目前注射成形技术不能完全取代传统粉末冶金成形技术，只是在生产要求高强度、高均匀性、形状复杂的粉末冶金零件时使用，从而充实了粉末冶金技术和扩大粉末冶金制品的使用范围。许多公司和研究机构都在设法克服注射成形的不利因素。已取得的进展表明，注射成形发展的潜力是令人鼓舞的，但要成为在各方

18、面都有竞争力的大规模工业化生产的工艺，还需时日。8.2 混合物的流变特性8.2.1基本理论8.2.1.1 材料的应力和应变关系材料在外应力的作用下要产生相应的应变，理想的弹性固体服从虎克定律。应力正比于应变，应力恒定时，应变是一个常数，撤掉外力后，应变立即回复到零。虎克定律表述如下： = （8-1）式中为应力、为应变，为弹性模量。另外，理想的粘性液体服从牛顿粘性定律：应力正比于应变速率，在恒定的外力作用下，应变的数值随时间的延续而线性增加，撤掉外力后，应变不再回复，即产生永久变形。牛顿粘性流定律为： （8-2）式中为应变速率，为粘滞系数。实际上，物体的力学性能大都偏离这两个定律，粉末体、高分子

19、聚合物等多种材料强烈地依赖温度和外力的作用时间。在外力的作用下，其应变行为可同时兼有弹性材料和粘性材料的特征。应力大小既依赖应变又依赖于应变速率；应变既含有不可回复的永久变形，又含有可回复的弹性变形，可回复的弹性变形又分为依赖于时间的高弹性形变和瞬时回复的普弹性形变，这种兼具粘性和弹性的性质的特性称为粘弹性。8.2.1.2 材料的粘弹性材料最基本的粘弹性现象有蠕变、应力松弛和内耗。材料的蠕变特征蠕变是在一定的温度和一定的外力作用下，材料的形变随时间的推移而逐渐发展的现象。外部作用可以是拉伸、压缩或者剪切，相应的应变则为伸长、收缩或者剪切变形。粘弹性材料的形变和外力作用的时间有关，描述这种关系的

20、应变时间曲线称为蠕变曲线，也可以称之为应变弛豫曲线。如图8-2所示，在t1时刻给材料加一定的负荷0，拉伸应变随时间延长而增加。在t2时刻除去负荷，=0，又逐渐减少。 图8-2蠕变示意图 图8-3应力松弛示意图10(a) 应力(t)随时间的变化 (b) 应变(t)随时间的变化材料的应力松弛应力松弛是指温度恒定、应变保持不变时，材料的应力随时间的延续而逐渐下降的现象。应力随时间的变化曲线称为应力松弛曲线。如图8-3所示，在形变刚发生的瞬间应力最大，然后降低。在应力松弛过程中，随着时间的延续，体系的应力可衰减到零或者衰减到一定值。多数材料的松弛性质也与温度有明显的关系。例如，玻璃、铸铁等材料在常温下

21、是弹性体，不发生松弛，但在高温下呈现明显的松弛现象。工业生产中就是利用玻璃和铸铁的这一性质对玻璃制品和铸铁件进行退火处理的。研究材料在温度变化时的松弛规律，有重要的理论意义和应用价值。8.2.1.3 动态粘弹性10弹簧和粘壶在流变模型中，弹簧是最简单的弹性模型，粘壶是最简单的流体模型，如图8-4所示。在理论上人们通常用弹簧和粘壶的组合来模拟物体的粘弹性。图8-4 弹簧和粘壶模型这里的弹簧满足线性弹性体的三个条件：a.应力与应变的响应是瞬时的；b.它严格符合胡克定律，即应力与应变成正比；c.应力和应变都不随时间而改变。这里的粘壶遵循牛顿粘性定律，在突加应力的作用下，粘壶不能产生突加应变，呈一种稳

22、态流动，即不能使粘壶产生瞬时的应变。maxwell模型一个弹簧和一个粘壶串联称为maxwell模型，如图8-5。maxwell模型在恒应力作用下有瞬时的弹性变形，此后，变形随时间线性无限增长。在一定的应力作用下，材料可以无限地变形，这是粘性流体的特征。maxwell模型的瞬时响应呈现弹性体的特征，而时间效应呈现粘性流体的特征。因此，常称maxwell模型所表示的材料为maxwell流体。maxwell模型在突加恒应变作用下有瞬时的弹性应力效应，此后，应力随时间逐渐减小。 ， 图8-5 maxwell模型kelvin模型一个弹簧和一个粘壶并联称为kelvin模型，如图8-6，kelvin模型由于

23、并联了一个粘壶，不能对应力或应变产生瞬时弹性效应。kelvin模型在时间趋于无穷大时，蠕变趋于恒定应力0和弹性模量e的比值，这是粘弹性物体在稳定蠕变时的特征。载荷卸载后，应变滞后回复。由于粘壶的存在，kelvin模型不能产生瞬时应变，所以不能表示材料的应力松弛。 ， =+ 图8-6 kelvin模型单独一个maxwell模型或kelvin模型都不能表达粘弹性固体的基本特征：瞬时弹性、蠕变和松弛。为了表达粘弹性固体的以上基本特征，需要更多弹簧和粘壶或者maxwell模型和kelvin模型的复杂的串并联，例如三元件模型、burgers模型、广义maxwell模型和广义kelvin模型等。宾汉体模型

24、如图8-7所示，采用表示塑性的组件和粘壶并联再和弹性组元串联组成宾汉体。图中表明只有剪切应力超过屈服应力(0)，才可能发生粘性流动。图8-7 bingham模型8.2.2金属注射成形喂料流变学流变学是研究外力作用下体系变形和流动特性的学科，从力学角度分析，注射成形过程中一个非常重要的方面就是喂料的流动和变形。有关的变形和流动过程是相当复杂的，可能既有瞬时的变形，也有与时间存在的依存关系的变形。变形既可能是永久性的，也可能是在外力作用去除后可以完全恢复或部分恢复的。因此流变学研究对于mim工艺有极为重要的理论与实际意义。在mim工艺过程中，喂料的流变学性能是影响稳定流动均匀充填模腔成形的关键因素

25、，评价喂料流变学性能的主要指标是喂料的粘度及粘度对应变和温度的敏感性。这些指标可统一用mim喂料综合流变学因子来进行评价。8.2.2.1 粘结剂的选择许多聚合物的流变行为随流动条件而变化，像水那样分子量小的液体粘度取决于温度及压力，而不取决于剪切速率，这种液体称为牛顿流体。牛顿流体通常不用作粉末注射成形的喂料。绝大多数聚合物的粘度既取决剪切速率又取决于温度和压力。许多聚合物及低温下的大多数粉末注射成形喂料都有一屈服点，这些体系称作宾汉(bingham)流体，粘性流动只有在剪切应力超过屈服应力才开始。另一种常见行为是触变行为，在屈服开始时，当剪切速率增加，粘度减小的流体称假塑性流体，而随剪切速率

26、增大，粘度变大的流体称为胀流型流体，在粉末注射成形中不希望出现后者，图8-8给出了三种流体的剪切应力与剪切速率关系图。图8-9给出了各流体类型的粘度-剪切速率对应曲线。图8-8 依据剪切应力随剪切速率的变化表明流体主要类型行为差异的3种曲线图图8-9 各流体类型的粘度-剪切速率对数曲线（牛顿流体其粘度与剪切速率无关，威南特体为粘度与剪切速率成反比）喂料的流变性直接影响到注射成形工艺。喂料的流变性的评价因子包括：流动性和流动稳定性。流动性通过粘度体现。粘度过高，流动性变差，模具充填性变差，而且出现充填不均匀，充填不满等现象。粘结剂粘度过低，注射坯强度会很低，不易于脱模，且易于产生相分离。流动稳定

27、性通过粘度对剪切速率和温度的敏感性来体现。粘度对剪切速率和温度过于敏感，则流动稳定性会变差，从而引起注射工艺参数的不稳定，影响注射成形产品质量和尺寸精度的一致性。此外，粘度对剪切速率和温度过于敏感，容易导致产生粘结剂与粉末的相分离的现象。粘结剂体系中油和改性剂的使用对喂料的流变性能有明显影响。前者使喂料粘度下降,假塑性行为变弱,粘度对温度的敏感性降低；后者使喂料粘度增加，粘流活化能略有下降。利用有机粘结剂的流动性和流变性，可以成形各种形状复杂、尺寸精度高和性能高的粉末冶金零件。但对于形状异常复杂的零件，注射时会存在很大的困难。对于形状异常复杂的零部件来说，粘结剂粘度过低或过高而难以脱模，粘度过

28、高会导致流动性不好和欠注缺陷；对于厚度较大的零部件，在注射时会产生注射孔洞和欠注缺陷。粘结剂的组成对喂料粘度和喂料的流变行为有很大的影响，从而决定了喂料的成形性。目前广泛使用的mim粘结剂主要是蜡基和油基粘结剂11。蜡基粘结剂无毒、稳定，在混炼及注射时易于处理，粉末装载量高，但其内应力较大，释放较慢，因而需在高温下长时间脱脂，且在脱脂过程中成形坯易产生塌陷和变形等。油基粘结剂具有较好的流动性，在注射成形时可使内应力松驰，因而避免了微裂纹的产生；此外，油基粘结剂能方便地用溶剂溶解而脱去，脱脂时间短，能较好地保持成形坯的形状，但油基粘结剂装载量低，油的加入影响成形坯强度，烧结收缩大，影响产品的精度

29、和力学性能，不利于制造高性能产品。8.2.2.2 混合状态的流变学性质粉末和粘结剂混合状态不一样，如表8-2所示，其流变学特性也不一样。表8-2粉末/粘结剂充填状态2系统模式图固相状态连续连续连续不连续不连续液相状态连续连续连续连续连续气相状态连续连续不连续无无系统名称混合物混合物混合物可塑物泥浆流变学性质弹性体弹性体弹性体弹塑性体粘弹性体8.2.2.3 mim喂料的粘度材料对其组分体积单元位置的不可逆变化的反抗，即对流动的反抗，以及所伴随的机械能到热能的转化，可以用粘度来表示。粘度为剪切应力 和剪切速率之比。mim喂料的粘度一般采用毛细管流变仪测定。其工作原理是在活塞上施加一定压力将流体从毛

30、细孔中挤出，在稳定流动的条件下，测量沿毛细管的压强或流量即可获得该温度条件下的剪切应力和剪切速率值，也就得到了粘度值。mim喂料的粘度可用下面一组公式确定12,13： （8-3） （8-4） （8-5） （8-6）式中为管壁处的剪切应力，为沿毛细管的压强降，l 和r 分别为毛细管的长度和半径，为表观剪切速率，q为流量，为管壁处剪切速率，为粘度。粘度值代表了mim喂料的流动性能，粘度值越低，流动性能越好。8.2.2.4 剪切速率对mim喂料粘度的影响mim喂料为一种粉末粘结剂分散体系，一般呈现假塑性体流变行为，其粘度与剪切速率的关系可用下式表示14,15： （8-7）式中k为系数，n为流动性指数

31、，又称之为应变敏感性因子， n<1。n值的大小代表了流体对剪切速率的敏感性。n值越小， 喂料粘度随剪切速率的变化而上升或下降的速度就越快。注射成形过程是在温度和压力的作用下进行的，喂料粘度随剪切速率上升而迅速下降，对注射成形是非常有利的。这种高的应变敏感性对于成形精巧复杂形状的产品尤其重要，而这些精巧复杂形状产品正是mim产业的主导产品。8.2.2.5 温度对mim喂料粘度的影响喂料粘度(t)与温度(t)的关系可用arrhenius公式表示： （8-8）式中为参考粘度，e是粘流活化能，r是气体常数。式中的粘流活化能值代表了温度对mim喂料粘度的影响。e值小时，喂料粘度对温度变化的敏感性小

32、，注射时温度的波动就不会对注射成形件的质量造成太大的影响，对mim是很有利的。8.2.2.6 mim喂料综合流变学因子weir曾提出了一个流动性指数用来评价聚合物的综合流变学性能，这个指数包括了流体粘度、粘度对温度的敏感性、粘度对应变速率的敏感性这几个流变学主要参数的影响。 （8-9）式中为粘度，为参考粘度，为剪切速率，t为温度，n为应变敏感性因子，e为粘流活化能，r是气体常数。对流体要求粘度小，应变敏感性因子小，粘流活化能小。式中的值越大，综合流变学性能越好。通过综合流变学因子的比较，就能预测和评价mim喂料在注射成形过程中的流变学行为，指导注射成形模具设计及工艺参数的设定16。 8.3金属

33、粉末注射成形原理及设备简介8.3.1 过程原理金属粉末注射成形工艺流程包括：金属粉末+有机粘结剂混料成形脱脂烧结 后处理成品，如图8-1所示1。金属粉末的选择：根据产品的技术要求和使用条件选择适当的粉末种类，并决定粉末颗粒的尺寸。金属粉末注射成形所用的粉末尺寸一般在0.520m。有机粘结剂的选择：a.用量少，即使用少量的粘结剂就能使混料具有良好的流变性；b.不反应，在脱除粘结剂的过程中，粘结剂和其分解产物不和主体粉末起任何化学反应；c.易脱除，在成形坯中不残留并且不产生过多的碳。通常粘结剂一般选用由树脂、增润剂和润滑剂组成的有机粘结剂。混料：混料质量的好坏直接关系到原料的流动性能，从而影响注射

34、成形性能，乃至成品的密度和使用性能。粘结剂在成形坯中占有的比重非常大，一般高达4070%，粉末颗粒必须被有机粘结剂均匀包裹，并且均匀地分散开来，这样混料才会有良好的流变性，注射成形坯的密度在微观上均匀一致，从而使制品在随后的烧结的过程中均匀地收缩。注射成形：在注射成形过程中，注射机料筒内的混合料被加热成具有流变性的增塑熔胶，在螺杆形成的压力下，产生高的剪切速率，其粘度随温度的升高而急剧下降。因此首先选择适当的模具温度及料筒温度以调节流动性。还要选择最佳的注射压力、保压时间、冷却时间等工艺参数。粉末注射成形所用模具的主浇道、分浇道、浇口比塑料模具大，设计顶出系统应考虑到顶出面积17。脱脂：成形坯

35、在烧结前必须去除体内所含有的粘接剂，该过程称为脱脂。目前主要的脱脂工艺有：热脱脂、溶剂脱脂、催化脱脂等。热脱脂是最简单的一种脱脂方法，它通过缓慢加热使有机粘结剂分解并脱除；溶剂脱脂的原理是：先把成形坯置于特制的脱粘溶剂中以溶解部分粘结剂组分，剩余的粘结剂组元在烧结升温过程中达到烧结温度之前已经全部脱除。无论哪种脱脂工艺都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出，而不损害成型坯的形状和强度。烧结：脱脂后的成形坯在烧结中进行致密化和合金成分的均匀化。在烧结过程中成形坯在各个方向上尺寸均匀收缩达到预先的设计尺寸。对于许多金属材料而言，在真空或者保护氛围中烧结有利于脱脂后留下的空

36、隙快速闭合。钢和不锈钢材料通常的烧结参数为：在1397k到1623k烧结30到120min。烧结后有1218%的体积收缩率1。虽然烧结性能和许多因素有关，但是烧结对注射成形的产品的合格率和使用性能起着决定的作用。在实际过程中，强化烧结有助于成形坯的致密化，最常用的方法有：相的稳定化、活化烧结和液相烧结18。后处理：金属粉末后处理一般有致密化、热处理和表面处理。致密化的通常方法有：熔浸和压力加工。热处理一般包括：去应力退火、回火和淬火。表面处理包括：表面硬化、表面精整和表面喷砂处理。这些工艺都是为了成品在使用过程中具有合格的服役性能和使用寿命。8.3.2设备简介8.3.2.1 混炼设备 目前广泛

37、采用的混炼设备有：双行星混料机、单螺杆挤出机、活塞挤压机、双螺杆挤出机、双偏心轮混料器、z型叶轮混料器19。其中双螺杆挤出机由两根相互啮合且旋转方向相反的锥形螺杆组成，采用高压油泵恒温加热，可使混合料沿加热了的挤压管形成均匀、薄的料筒状喂料。双行星混料机由两个相互垂直作行星运动的转子组成，高温热油泵加热均匀，快速准确。装填容积可按比例扩大，清理方便。在实际生产中经常被应用于粘结剂和金属粉末的最初高精度混炼。对于亚微米级的细粉末来说，双行星混料机很难得到均匀的喂料。z型叶片混料器为卧式结构，由一对z型叶片组成，主要有拌缸、拌桨、加热棒组成。拌桨通过浸泡在夹套内导热油中的加热棒加热，热效高、耐腐蚀

38、，能保证原料化学性能。双偏心轮混料适用于金属粉末与粘结剂的密炼。双偏心轮混料的螺旋形转子是2cr13不锈钢铸件，硬度高、耐磨、耐腐蚀。特制的扭矩传感器装置和扭矩测试记录仪和物料温度20。由于mim工艺对注射喂料的特殊需要，混炼设备应能满足mim均匀一致、无团聚、不改变化学成分、不产生后续工艺无法消除的缺陷。mim产业化还要求能在线检测和评估注射料的混合均匀程度。因此，根据喂料在混炼设备当中的扩散，层流和分散运动规律设计出特定形状的混合转子以获得适当的空间分布，高剪切力成为了混炼设备研制的主要方向21。8.3.2.2 注射成形设备mim技术与塑料注射成形技术最大的相同点就是注射成形工序及其设备。

39、即mim技术可借用注塑机或对其加以技术改造就可用来进行金属粉末和粘结剂注射料的注射成形。注塑机最初是柱塞式的，1956年世界上第一台螺杆往复式注塑机的研制成功是塑料注塑机发展史上的一次重大突破。自此以后新型的注射工艺和相应的注射设备不断涌现，如双回路注射成形机、双模板注射机、无拉杆注射机、全自动注射机、电磁动态注射成形机等。其中双模板注射机把塑化和注射分开，塑化由挤出机稳定塑化。柱塞注射机稳定均匀，计量准确。双模板、无拉杆注射机大大简化了注射机锁模系统。全电动注射机以电动机械驱动结构代替液压动力传动系统，扭矩提高，传动速度和行程控制准确，具有很大的前景19。由于螺杆注射机柱塞到射嘴的压力几乎保

40、持一致，注射参数能得到准确的控制，在mim生产中被广泛应用。对螺杆几何形状进行精心设计和进行特殊的表面涂覆可以有效地提高螺杆的耐磨性和使用寿命。如通过多个分布均匀的加热器来控制料筒温度；单独控制注射压力和保持压力；通过液压定时或流量控制阀来控制螺杆的速度；通过反馈调节装置能准确的控制注射周期和螺杆前进时间以及闭模时间等。此外，通过微处理器实现对压力、不同的注射回程、速度、回转次数以及输入能量的监测和在线控制，可进一步优化工艺参数，减少产品在注射过程产生的缺陷，提高产品的精度和性能22。8.3.2.3 脱脂设备考虑到各种生产规模的需要及其实际的生产情况，可按照脱除粘结剂的方法将脱脂设备分为热脱脂

41、炉、溶剂脱脂炉、虹吸脱脂炉、催化脱脂炉；也可根据设备的工作方式：把脱脂设备分为批料式和连续式两种。其中催化脱脂是最新的脱脂方法，连续式脱脂烧结一体炉被广泛应用于工业化生产中20。真空热脱脂装置真空热脱脂的原理是：将注射坯在真空中加热至粘结剂组分挥发或分解温度，使得粘结剂受热分解发生物态变化，转变为气态物质，达到脱除目的。溶剂脱脂装置溶剂脱脂是将制品浸入至少可溶解一种粘结剂组元的液体中，形成连通孔隙结构以促进后续的粘结剂脱除。溶剂脱脂适用于有两种或两种以上组元的粘结剂，脱脂时先溶解其中一种组元，形成初始孔隙通道，不溶性组元不溶解，保持 mim 零件的形状，再利用热脱脂脱除剩余粘结剂。图8-10为

42、新型冷凝蒸汽脱脂装置，预成形坯放在温度较低的容器中，溶剂蒸气从蒸气压高的容器进入蒸气压低的容器则会很快冷凝在预成形坯表面，脱脂坯中熔化的粘结剂与坯料表面的溶剂相互扩散，最终达到脱除粘结剂的目的。它的最大优点是能够始终保持成形坯表面粘结剂的低浓度23。图8-10蒸汽冷凝装置脱脂示意图23连续式催化脱脂装置催化脱脂炉的工作原理是：采用气相脱脂工艺即在 383423 k 之间，以氮气作保护性气氛，向采用聚醛树脂做粘结剂的注射坯吹入硝酸，使得聚醛树脂发生催化分解，并将生成的气态有害气体甲醛在高温的二段燃烧室充分烧除，从而快速脱除粘结剂9。8.3.2.4 烧结设备对于烧结的设备，按烧结压力可分为常压烧结

43、炉和加压烧结炉；按工作方式分为间断式(每次装卸料须停炉)和连续式(装卸料可在不降温的情况下进行)两类。按加热方式大体上可分为电阻加热电炉和感应加热电炉,它们又可分为对烧结体直接通电加热和间接通电加热两种形式；按烧结温度不同，可将烧结设备分为中温烧结炉(11731223k)和高温烧结炉(13731973k)；按保护气氛的不同又可分为空气烧结炉、氢气烧结炉(如钼丝炉、不锈钢管式氢气炉)和真空烧结炉等。钟罩式真空烧结炉钟罩式真空烧结炉一般由钟罩式炉膛、真空系统、程控装置、粘结剂捕集系统、气氛控制系统、水冷热交换系统等组成。整个炉膛包括炉盖都采用双层水冷夹层结构。加热设备根据所要加工的材料的熔点温度，

44、可选用铁铬铝丝、钨丝、石墨管等。钟罩式真空烧结炉良好的温度均匀性和控制精度，可较好满足mim铁基合金和不锈钢产品的批量生产9。真空加压烧结炉真空加压烧结炉运转方式如图8-11所示。工艺分为排气、脱脂、烧结和冷却四种形式，注射成形坯先进行排气、脱脂。脱脂时要防止胀大、产生裂纹等缺陷。此设备还可以进行加压脱脂；烧结可进行加压、真空或大气下烧结，在烧结的过程中要防止金属元素的蒸发、变形和开裂。冷却要快速进行，缩短烧结时间。图8-11 真空加压式烧结炉运转方式示意图28.3.2.5 产品后续处理设备在金属注射成形产品生产工艺中，部分产品在烧结后还需进行后续处理，以进一步提高产品性能和质量。大多数设备与

45、粉末冶金常用的后处理设备相同，但在实际的mim产品的后续处理工序中，依据要达到的性能要求，所采用的后处理方式和设备也各不相同。实际生产中，经常用到的有：研磨、喷砂、表面处理 (蒸汽处理、渗碳、碳氮共渗)、浸油及热处理等。研磨可去除mim零件中小型、异型复杂的型孔、型腔、薄壁和成形表面的毛刺。喷砂对烧结或热处理过的mim零件表面进行粗糙表皮和氧化皮清理。蒸汽处理也称发蓝处理，多用于铁基mim及粉末冶金产品中，可进一步提高致密度和防锈性能。热处理可修整高温烧结后的mim零件氧化表面，进一步消除空隙和烧结应力。mim产品所用的热处理设备与钢铁热处理设备稍有不同。如退火、回火、正火热处理可在有保护气氛

46、的烧结炉进行。结构上能满足工作从高温状态快速转入到冷却介质中要求的淬火炉是mim热处理工艺研究的热点24。8.4 几种主要的注射成形工艺8.4.1 维泰克工艺28.4.1.1 维泰克工艺的定义维泰克工艺是采用微米级（一般为5-10µm）的金属、非金属、氧化物、碳化物等微细粉末加入热塑性树脂和石蜡并在圆盘剪切混料机上混合，将混合物调制成可塑性状态，然后注射成形，脱脂和烧结制备高密度、高精度粉末冶金零件的工艺。8.4.1.2 维泰克工艺的工艺概要说明原料的混合：在维泰克工艺中一般把原料混合物称之为专用喂料，它是由60mass%的微米级金属粉末和40mass%粘结剂（典型的配方为50vol

47、.%石蜡+50vol.%低密度聚乙烯），经“”或“”叶片剪切装置上充分混合，然后粉碎成颗粒状。注射成形：喂料装入注射成形装置上进行注射成形，采用注射工艺条件为：温度423473k，射出压力为100/2，位移速度103104s-1。脱脂：维泰克工艺最初采用溶剂提取和预热两步法进行脱脂。并将mim成形坯置于真空容器中，加热到粘结剂的流动温度或者高于这个温度，溶剂以气态形式缓慢加入盛坯的真空容器，气态溶剂进入成形坯中溶解粘结剂，溶解的粘结剂从成形坯中流出。将已脱出大部分的成形坯浸入液态溶剂中除去剩余的粘结剂，最后将成形坯预热以除去残存的粘结剂和部分溶剂，并进行烧结得到成品。此法仅气态溶剂脱脂就需要3

48、天时间左右，脱脂效率低，且由于脱脂温度高于粘结剂的流动温度，有时会导致严重变形。维泰克工艺目前采用常压热分解脱脂，加温速度缓慢，脱脂率为90%，为了保持成形坯的防变形能力，在448k的空气中加热2428h。然后移至封闭容器在h2或者ar气氛中进一步脱脂和烧结。烧结：脱脂工艺终结后，放入烧结炉进行烧结，残存的粘结剂随氢气排出，材料收缩高达18%。8.4.1.3 维泰克工艺的特点：采用维泰克工艺可以大量生产形状非常复杂的高密度、高精度零件；采用维泰克工艺可以生产高密度（相对密度为理论密度的95%以上）和高精度（±0.3%以内）的粉末冶金零件，粉末冶金零件性能大幅提高；采用维泰克工艺可以提

49、高劳动生产率；原料的回收率高，注射成形工序中形成的浇道等原料的废料100%可以回收，并可再次注射使用。8.4.1.4 维泰克工艺的缺点：维泰克是mim最初发展工艺，虽然维泰克工艺目前仍有不少公司采用进行生产，但维泰克工艺存在注射生坯应力大，容易变形开裂，难以生产尺寸稍大零件等缺点。8.4.2 rivers工艺haynes国际公司rivers25发明了以热固性有机化合物作为粘结剂的rivers工艺。并在1978年申请了专利。rivers工艺的典型配方为2mass%的甲基纤维素、1 mass%甘油、0.5mass%硼酸和4.5 mass%水。 rivers工艺采用有机粘结剂-溶剂系列，即水中的甲基

50、纤维素。不一定需要专门的脱除粘结剂工序。经烘箱干燥以后的零件在烧结过程中即可有效地除去粘结剂。 rivers工艺的工序如下：在普通“v”型混料机内将金属或合金粉末与甲基纤维素混合。随后加入水、甘油和硼酸进行混合。再用混料机把配料揉和成油灰状物料。物料在室温下装入模压机的注射筒内并进行注射。模具保持在较高的温度下。注射成形的材料因热凝胶化而部分固结，零件经烘箱干燥。在干燥阶段，水溶剂汽化，留下大量贯通孔，使有机粘结剂的气态分解产物在随后加热时逸出。烧结气氛与温度周期取决于所使用的材料、原始粉末的形状和粒度，以及性能所要求达到的密度。 rivers注射成形工艺已在多种材料，其中包括铁、铜、镍等纯金

51、属、各种钢（低合金钢、不锈钢、工具钢）以及镍基、钴基合金等合金中进行了试验。采用rivers工艺时，由于有粘结剂残留物，烧结过程中碳含量可能增加。尽管对于工业用途的316不锈钢的碳含量必须控制在0.03mass%以下，然而rivers工艺是能够控制低碳成分。虽然注射成形的时间只需几秒钟，但一般脱除粘结剂和烧结却需要若干小时，甚至数日。这是整个生产成本较高的原因之一。第一种脱除粘结剂工艺是用化学方法浸出，此过程是有效的，但却很缓慢。第二种工艺是，零件埋入细陶瓷粉末内，通过加热使粘结剂材料熔化。粉末支撑着零件，并起虹吸作用以脱除粘结剂。这种工艺虽然是成功的，但也相当缓慢，因为粘结剂约占零件体积的4

52、0%。迄今，最切实可行的工艺是热分解脱除粘结剂。其实质是在炉中将粘结剂烧除，通常用空气流把分解的产物带走，但是零件却氧化严重。而后，将被氧化的零件放在控制气氛的炉内，进行脱氧和烧结。所有的这些老技术都包括两步脱除粘结剂和烧结。利用真空炉工艺可以将两道工序在一个连续周期内完成。装有成形零件的烧舟放入炉中，并自动进行处理直到烧结完成和冷却，以备出炉和进行任何所需的后续工序。不需要操作者介入，脱除了粘结剂的零件即不需要挪动也不需要转到烧结工序。脱脂与烧结工艺制取的零件体积收缩率为1820%，而且准确的收缩率是可重复的，通常的公差是每mm长度为0.003mm。设计了容量为10立方英尺的新型工业炉。由注

53、射成形机生产的单个零件放在烧舟内，烧舟放在盒内，整个盒子装入炉内。这种专门的真空炉的装备可以在低压下使粘结剂材料汽化、冷凝和收集废粘结剂，而后在一个周期内完成烧结。在负压下粘结剂汽化容易得多，因为只有很少的空气和气体分子阻碍粘结剂汽化。加热释出的粘结剂蒸汽直接流向温度受控的表面，废粘结剂聚集其上，便于在周期结束时清除。脱除粘结剂后，炉温迅速上升至材料所需的烧结温度。这种新型工业炉可自动控制温度、压力、夹带蒸汽的气体流量和金属蒸汽等。与以前的工艺比较，真空工艺生产注射成形金属零件有许多优点。一是周期时间较短。与任何其它老方法比较，总的周期时间缩短2/3以上。二是能处理的材料包括低碳镍-铁、高碳镍

54、-铁、316l不锈钢、高速钢和硬质合金。在密封容器内处理所特有的总环境控制保证了对成品零件尺寸、畸变、硬度、裂纹发生、含碳量和其它有关参数的控制。实际上，大批量生产时，能满足军用qa规范要求。三是真空工艺能够在低于达到通气孔闭塞的烧结温度前全部脱除粘结剂，不论氧化物或粘结剂的残留物均不会阻塞孔隙。可以按严格控制的量导入对炉子无害的气体，并在对零件的每个颗粒起作用后，再由泵抽出。可以控制零件的碳含量。例如，实际可控制316l不锈钢的碳含量低于0.01%（这改善了耐蚀性）和热处理钢的碳含量高于1%。在这两个极端之间，批量生产零件的碳含量偏差可以控制在±0.03%。发展到目前阶段，脱脂与烧

55、结工艺有一些要求和局限性：(1) 一个周期的时间决定于每一零件的脱除粘结剂和烧结的时间，而不取决于被脱除粘结剂和冷凝粘结剂的总量。所以增大批量就意味着缩短每个零件的处理时间。例如，在生产炉内处理一批1400件和在较小炉内处理60件一批地周期时间是相同的。(2)选择粘结剂材料时，要仔细考虑其对成形操作的适用性，也要仔细考虑其脱除性。在真空下分解为腐蚀性气体或者不能冷凝的气体的粘结剂要危及真空泵系统，因此必须避免采用。(3)还不能用于如钛、锆等高活性基体材料，因为他它们对于氧和氢的敏感性高，所以，还有待开发新的粘结剂材料。8.4.3 粉末铸造（pc）工艺瑞典asea公司冶金部研究成功新的粉末铸造（

56、pc）工艺。pc工艺采用的粉末包括全部粒度分布的工业气雾化粉末，其平均粒度为0.525m。首先在332k下将粉末与少量的粘结剂混合。此温度高于所采用的粘结剂硬脂酰醇的熔点（59）。与一般注射成形不同，pc的混合目的并不是制备塑性原料，而只是在填充模具前使粉末均匀湿润。这样防止了不同粒度的粉末在运输时的偏析。由于没有偏析，成形坯中没有密度差别。在装填湿粉时，借助横向振荡促使其在模内侧向扩散。再进行轻击以确保最佳填实密度，对于一般气雾化粉末可达理论密度的73%，而一般注射成形坯的密度约为60%。当模子完全装满，将粘结剂渗入成形坯中，浸渗粘结剂在真空中进行。当粉末的平均粒度约为250m时，浸渗仅需几分钟，但浸渗时间随粒度减小而迅速增加。然而，如对粘结剂施加压力，则时间能缩短。模子必须冷却下来，以使粘结剂固化和便于取出成形坯。根据试验，模子不应冷却过度。因为由于模子和成形坯的热膨胀系数不同而引起应力增高，使脱模困难。在采用橡胶模时候，用压缩空气可成功地将成形坯与模子分开。pc成形坯的强度与石蜡一样，搬运大尺寸成形坯时应加小心，以防止损坏。简单pc成形坯可以组装成复杂的形状。用此法生产的薄壁弯管（90度）。这些单个成形坯通过界面熔化而焊合在一起。粘结剂在脱除时完全气化，不留下任何能起粉末颗粒粘