金屬粉末注射成型工藝特殊過程控制要求

金屬粉末注射成型工藝（MIN）特殊過程控制要求一、金屬粉末注射成型的概念和原理粉末）臺(tái)金不僅是一種材料制造技術(shù)，而且其本身包含著材料的加工和處理，它以少無切削的特點(diǎn)越來越受到重視，并逐步形成了自身的材料制備工藝?yán)碚摵筒牧闲阅芾碚摰耐暾w系。現(xiàn)代粉末）臺(tái)金技術(shù)不僅保持和大大發(fā)展了其原有的傳統(tǒng)特點(diǎn)（如少無切削、少無偏析、均勻細(xì)晶、低耗、節(jié)能、節(jié)材、金屬非金屬及金屬高分子復(fù)合等），而且已發(fā)展成為支取各種高性能結(jié)構(gòu)材料、特種功能材料和極限條件工作材料、各種形狀復(fù)異型件的有效途徑。近年來，粉末）臺(tái)金技術(shù)最引人注目的發(fā)展，莫過于粉末注射成型（MIN）迅速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，并取得突破性進(jìn)展。金屬注射成型（Metalinjectidfolding），簡(jiǎn)稱MIM，是傳統(tǒng)的粉末）臺(tái)金工藝與塑料成型工藝相結(jié)合的新工藝，是集塑料成型工藝學(xué)、高分子化學(xué)、粉末）臺(tái)金工藝學(xué)和金屬材料學(xué)等多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，是粉末）臺(tái)金和精密陶瓷成型加工領(lǐng)域中的新技術(shù)，利用磨具可注射成型，快速制造高密度、高精度、復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)零件，能夠快速準(zhǔn)確的將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ńY(jié)構(gòu)、功能特性的制品，并可直接批量生產(chǎn)出零件，是制造技術(shù)行業(yè)一次新的變革。其注射機(jī)理為：通過注射將金屬粉末與粘結(jié)劑的混合物以一定的溫度，速度和壓力注入充滿模腔，經(jīng)冷卻定型出模得到一定形狀、尺寸的預(yù)制件，再脫出預(yù)制件中的粘結(jié)劑并進(jìn)行燒結(jié)，可得到具有一定機(jī)械性能的制件。其成型工藝工藝流程如下：金屬粉末，有機(jī)粘接劑一混料一成型一脫脂一燒結(jié)一后處理一成品。二、金屬粉末注射成型工藝流程及其特殊過程控制要求1、金屬粉末的選擇：首先根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)要求和使用條件選擇粉末的種類，然后決定粉末顆粒尺寸。金屬粉末注射成型所用的粉末顆粒尺寸一般在0.5-28m;從理論上講，粉末顆粒越細(xì)，比表面積也越大，顆粒之間的內(nèi)聚力也越大，易于成型和燒結(jié)。而傳統(tǒng)的粉末）臺(tái)金工藝則采用大于40Mm的較粗粉末。粉末的選擇要有利于混煉、注射形成、脫脂和燒結(jié)，而這往往是互相矛盾的，對(duì)于MIM的原料粉末要求很細(xì)，MIM原料粉末價(jià)格一般較高，有的升值達(dá)到傳統(tǒng)PM粉末價(jià)格的10倍，這是目前限制MIM技術(shù)廣泛應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵因素，目前生產(chǎn)MIM用原料粉末的方法主要有超高壓水霧化法、高壓氣體霧化法等。2、粘接劑；粘接劑是MIM技術(shù)的核心，在MIM中粘接劑具有增強(qiáng)流動(dòng)性以合適注射成形和位置坯塊形狀這兩個(gè)最基本的職能，此外它還應(yīng)具有易于脫除、無污染、無毒性、成本合理等特點(diǎn)，為此出現(xiàn)了各種各樣的粘接劑，近年來逐漸從單憑經(jīng)驗(yàn)選擇向根據(jù)對(duì)脫脂方法及對(duì)粘接劑功能的要求，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)粘接劑體系的發(fā)展方向。粘接劑一般是由低分子組元與高分子組元再加上一些必要的添加劑構(gòu)成。低分子組元粘度低，流動(dòng)性好，易脫去；高分子組元粘度高，強(qiáng)度高，保持成型坯強(qiáng)度。二者適當(dāng)比例搭配以獲得高的粉末裝載量，最終得到高精度和高均勻性的產(chǎn)品。通常采用的粘接劑組要有：熱塑性體系（石蠟基、油基和熱塑性聚合物基）、凝膠體系、熱固性體系和水溶性體系3、混煉；混煉是將金屬粉末與粘結(jié)劑混合得到均勻喂料的過程。由于喂料的性質(zhì)決定了最終注射成形產(chǎn)品的性能，所以混煉這一工藝步驟非常重要。這牽涉粘結(jié)劑和粉末加入的方式和順序、混煉溫度、混煉裝置的特性等多種因素。這一工藝步驟目前已知停留在依靠經(jīng)驗(yàn)摸索的水平上，最終評(píng)價(jià)混煉工藝好壞的一個(gè)重要指標(biāo)就是所得到喂料的均勻和一致性°MIM喂料的混合是在熱效應(yīng)和剪切力的聯(lián)合作用下完成的。混料溫度不能太高，否則粘結(jié)劑可能發(fā)生分解或者由于粘度太低而發(fā)生粉末和粘結(jié)劑兩相分離現(xiàn)象，至于剪切力的大小則依據(jù)混料方式的不用而變化。MIM常用的混料裝置有雙螺旋擠出機(jī)、Z形葉輪混料機(jī)、單螺旋槳擠出機(jī)、柱塞式擠出機(jī)、雙行星婚戀及、雙凸輪混料機(jī)等，這些混料裝置都適合于制備粘度在1-1000Pas范圍內(nèi)的混合料?；鞜挼姆椒ㄒ话闶窍燃尤敫呷埸c(diǎn)組元熔化，然后降溫，加入低熔點(diǎn)組元，然后分批加入金屬粉末。這樣能防止低溶點(diǎn)組元的氣化或者分解，分批加入金屬粉可防止降溫太快而導(dǎo)致的扭矩激增，減少設(shè)備損失。對(duì)于不同粒度粉末搭配時(shí)的加料方式，日本專利介紹：現(xiàn)將較粗的15-40“m水霧化粉加入粘結(jié)劑中，然后加入5-15Mm粉，最后加入粉度＜5Mm粉。這樣得到的最終產(chǎn)品的收縮變化很少為了在粉末周圍均勻涂覆一層粘接劑，還可以將金屬粉末直接加入高熔點(diǎn)組元中，再加入低熔點(diǎn)組元，最后去除空氣即可。如Anwar將PMIMA懸浮液直接加入到不銹鋼粉末中混合，然后PEG水溶液加進(jìn)去，干燥，然后邊攪邊去除空氣。Oconnor采用溶劑混合先將SA與粉干混合再加入四氫呋喃溶劑，然后加入聚合物，四氫呋喃在受熱中逸去后，再加入粉末混合，可得到均勻的喂料。4、注射成形；注射成形的目的是獲得所需形狀的無缺陷、顆粒均勻排由的MIM成形坯體。首先將粒狀喂料加熱至一定高的溫度使之具有流動(dòng)性，然后將其注入模腔中冷卻下來得到所需形狀的具有一定剛性的坯體，然后將其從模具中取出得到MIM成形坯，但由于MIM喂料高的粉末含量，使得其注射成形過程在工藝參數(shù)上及其他一些方面存在很大差別，控制不得當(dāng)則易產(chǎn)生各種缺陷。MIM產(chǎn)品可能的缺陷大部分是在注射成形步驟中形成，如裂紋、孔隙、焊縫、分層、粉末與粘接劑分離現(xiàn)象等。但這些缺陷經(jīng)常是直至脫脂和燒結(jié)后由于注射時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力被釋放后才能發(fā)現(xiàn)，因此，注射成形工藝的控制對(duì)產(chǎn)品成品率和材料利用率非常關(guān)鍵。注射成形時(shí)缺陷控制問題基本可以分為二個(gè)方面，一個(gè)是成形溫度、壓力、時(shí)間三者函數(shù)關(guān)系設(shè)定，另一方面則是填充時(shí)喂料在模腔中的流動(dòng)就牽扯到模具設(shè)計(jì)的問題，包括在進(jìn)料口的位置、流道的長(zhǎng)短、排氣孔的設(shè)置等，這些都需要對(duì)喂料流變性質(zhì)、模腔內(nèi)溫度和殘余應(yīng)力分布清楚的了解。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在金屬粉末注射成形磨具設(shè)計(jì)方面將可發(fā)揮重要的作用。5、脫脂：成型坯在燒結(jié)前必須去除體內(nèi)所含有的粘結(jié)劑，該過程稱為脫脂。脫脂工藝必須保證粘結(jié)劑從坯塊的不同部位沿著顆粒之間的微小通道逐漸地排除，而不損壞成型坯的高強(qiáng)度。粘結(jié)劑的排除速率一般遵循一個(gè)擴(kuò)散方程。如果粘結(jié)劑的排除速率過快，就會(huì)導(dǎo)致成型坯起泡、裂紋等缺陷。所以顆粒系統(tǒng)的粘結(jié)能必須大于粘結(jié)劑去除過程的破裂能。6、燒結(jié)：燒結(jié)是MIM工藝中的最后一步工序，燒結(jié)消除了粉末顆粒之間的空隙，使得MIM產(chǎn)品達(dá)到全致密或接近全致密化。金屬注射成型技術(shù)中由于采用大量的粘接劑，所以燒結(jié)時(shí)收縮非常大，其線收縮率一般達(dá)到13%-25%，這樣就存在一個(gè)變形控制和尺寸精度控制的問題。尤其是因?yàn)镸IM產(chǎn)品大多數(shù)是復(fù)雜形狀的異型件，這個(gè)問題顯得越發(fā)突出，均勻的喂料對(duì)于最終燒結(jié)產(chǎn)品的尺寸進(jìn)度和變形控制是一個(gè)關(guān)鍵因素。高的粉末搖實(shí)密度可以減小燒結(jié)收縮，也有利于燒結(jié)過程的進(jìn)行和尺寸精度控制。對(duì)于矢基和不銹鋼制品，燒結(jié)中還有一個(gè)碳勢(shì)控制問題。由于目前細(xì)粉末價(jià)格較高，研究粗粉末坯塊的強(qiáng)化燒結(jié)技術(shù)是降低粉末注射成型生產(chǎn)成本的重要途徑，該技術(shù)是目前金屬粉末注射成型研究的一個(gè)重要研究方面。MIM產(chǎn)品由于形狀復(fù)雜，燒結(jié)收縮大，部分產(chǎn)品燒結(jié)完成后仍需燒結(jié)后處理，包括整形、熱處理（滲碳、滲氮、碳■氮共滲等）表面處理（精磨、列子氮化、電鍍、噴丸硬化等）三：工藝特點(diǎn)1、自身特點(diǎn)：（1）零部件幾何形狀的自由度高、制件各部分密度均勻、尺寸精度高，適用于制造集合父愛、精度及具有特殊要求的小型零件。（0.2g-200g:合金化靈活性好，對(duì)于過硬、過脆、難以切削的材料或原料鑄造時(shí)有偏析或污染的零件，可降低制造成本。：產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、性能可靠，制作的相對(duì)密度可達(dá)95%-98%，可進(jìn)行滲碳、淬火、回火等處理。：加工零件的典型公差為土0.06mm/mm；批內(nèi)公差可達(dá)±0.04mm/mm:二次加工可達(dá)0.02mm/mmo：制造工藝簡(jiǎn)單、身纏效率高，易于實(shí)現(xiàn)大批量、規(guī)模化生產(chǎn)。2、與其他加工工藝比：MIM使用的原料粉末粒度直徑為0.5-28m，傳統(tǒng)粉末)臺(tái)金的原材料粉末粒度為50-100〃m。MIM工藝的成品密度高，原因是使用微細(xì)粉末。MIM工藝具有傳統(tǒng)粉末臺(tái)金工藝的優(yōu)點(diǎn)，但形狀自由度是傳統(tǒng)粉末臺(tái)金所不能達(dá)到的。MIM的精密鑄造工藝作為一種制作復(fù)雜形狀產(chǎn)品及有效的技術(shù)，近年使用陶心輔助可以完成狹縫、深孔穴的產(chǎn)品，但礙于陶心的強(qiáng)度以及鑄液的流動(dòng)性限制，該工藝仍有某些技