粉末注射成型工藝的研究進(jìn)展

粉末注射成型工藝的研究進(jìn)展

0金屬注射成型技術(shù)粉末注射合成（pim）來自塑料注射合成。這是一種新型的近潔制造技術(shù)，采用了粉末技術(shù)和塑料注射形成技術(shù)的結(jié)合和金屬壓碎技術(shù)。這一新技術(shù)的工藝過程是：首先，將粉末和塑料薄膜混合制成均勻的粘稠粉末粉末，然后在注塑機(jī)上按照一定的溫度和壓力注入模子中，然后脫下粘合，并將其燃燒成各種致密的產(chǎn)品。如圖1所示。1粉末注射成型當(dāng)注射成型技術(shù)應(yīng)用于陶瓷和金屬時,稱為陶瓷粉末注射成型(CeramicInjectionMolding,簡稱CIM)和金屬粉末注射成型(MetalInjectionMolding,簡稱MIM).粉末注射成型結(jié)合了粉末冶金和塑料注射成型的優(yōu)點(diǎn),是制備復(fù)雜形狀零部件的一種較新的技術(shù),開拓了一個新的研究領(lǐng)域.1.1陶瓷注射成型的技術(shù)特點(diǎn)陶瓷粉末注射成型技術(shù)來源于高分子材料的注塑成型,借助高分子聚合物在高溫下熔融、低溫下凝固的特性來進(jìn)行,成型之后再把高聚物脫除.與傳統(tǒng)的陶瓷加工工藝相比,陶瓷粉末注射成型技術(shù)要簡單得多,能制造出各種復(fù)雜形狀的高精度陶瓷零部件,且易于規(guī)模化和自動化生產(chǎn),已廣泛用于航空、軍事、汽車、電子、機(jī)械以及醫(yī)療器械等工業(yè).CIM基本工藝包括4個步驟:粘結(jié)劑與陶瓷粉末的混煉—成型—脫脂—燒結(jié),其中脫脂是陶瓷注射成型技術(shù)的關(guān)鍵.陶瓷注射成型使用的有機(jī)載體包括粘結(jié)劑、增塑劑、潤滑劑等.有機(jī)載體的選擇重點(diǎn)考慮體系內(nèi)的相容性,注射懸浮體的流變特性,脫模特性與生坯強(qiáng)度.通常有機(jī)載體與陶瓷粉體混煉后的結(jié)合強(qiáng)度主要取決于熱塑性樹脂高聚物;脫脂特性亦可由耐熱性好的高聚物調(diào)節(jié);可塑劑和潤滑劑可改善體系流動性及脫模性能;表面活性劑具有綜合調(diào)節(jié)作用.1.2合物注射成型金屬粉末注射成型技術(shù)是在傳統(tǒng)的注射成型和粉末冶金工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型的注射成型工藝,特別適合于大批量生產(chǎn)小型、復(fù)雜的高密度金屬或金屬化合物的制品,擴(kuò)大了粉末冶金技術(shù)的應(yīng)用范圍.MIM工藝過程主要分3個階段:將粘結(jié)劑和金屬粉的混合物注射成型;通過加熱或低溫焙燒成具有一定形狀的多孔的金屬零件;高溫?zé)Y(jié)成結(jié)實(shí)的只有金屬材料組成的零件,有必要時可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮蠹庸ぬ幚?在生產(chǎn)工藝設(shè)計方面結(jié)合了注塑成型與金屬高壓模澆注成型的優(yōu)點(diǎn),同時制品具有與鍛造金屬材料類似的性質(zhì).與傳統(tǒng)金屬加工技術(shù)相比,MIM是一種近凈尺寸成型方法,并且能成型外形復(fù)雜的制品,但是其主要的不足在于適合成型較小尺寸的制品,如果制品厚度≥5mm,脫脂工藝需要很長時間.MIM研究的主要趨勢是通過用不同的金屬粉末和制料來獲得機(jī)械性能更好的制品,改進(jìn)材料性能表征方法以便在提高成型制品質(zhì)量及用有限元模擬MIM成型過程方面獲得最佳工藝參數(shù),特別是在縮短設(shè)計參數(shù)時間和減少實(shí)驗測試方面.MIM制品種類很廣,比如日常消費(fèi)用品、辦公用品、醫(yī)療器材及工業(yè)生產(chǎn)器械中的自動化元件等.2金與塑料注射成型工藝盡管粉末注射成型的概念已經(jīng)有80多年了,但是直到近年來才形成相對成熟的工藝.PIM結(jié)合了粉末冶金與塑料注射成型工藝,用來生產(chǎn)金屬、陶瓷制品以及難熔金屬部件.該工藝包括以下4道工序:混料、注射成型、脫脂、燒結(jié).當(dāng)顆粒粒度分布在0.2～20mm,角半徑≥0.075mm,形狀復(fù)雜性適中并具有良好的光滑表面時,將有利于粉末注射成型,制品的公差變化范圍通常在0.1～1mm.2.1配方組成、混煉工藝及添加劑配比的確定混料是一個改善粉末流動性和完成分散的過程.優(yōu)化粉末與粘結(jié)劑的組成配比和混煉工藝對獲得均勻混料及在注射成型、脫脂和燒結(jié)工序后得到高質(zhì)量制品,起著十分關(guān)鍵的作用.2.1.1混料的特性與粘結(jié)劑的選擇粘結(jié)劑有熱固性塑料、熱塑性塑料、水基體系、凝膠體系和無機(jī)體系5類.一般粘結(jié)劑體系包括3部分:流動性好的低熔點(diǎn)組分;起骨架支撐作用的高熔點(diǎn)主體聚合物;少量可以改善粘結(jié)劑加工性能的助劑.常用到的粘結(jié)劑有熱固性樹脂、熱塑性聚合物及淀粉,根據(jù)注射成型機(jī)提供的壓力不同,可考慮制品的最終均勻結(jié)構(gòu)和密度來選取最佳的粘結(jié)劑.理想的粘結(jié)劑要求具備以下特征:1)熔點(diǎn)低,固化性好,在室溫具有較高的強(qiáng)度(≥4MPa),粘度低(一般小于10Pa·S),流動性好,且粘度隨溫度變化小,粒度對應(yīng)變速率的敏感性小;2)與原料粉末間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),與粉末潤濕性好(潤濕角小于5°),粘附性強(qiáng);3)粘結(jié)劑中各組元可化學(xué)部分互溶,不發(fā)生相分離,熱分解溫度范圍寬,其分解產(chǎn)物無腐蝕性、無毒,殘留量低,金屬含量低,分解溫度應(yīng)高于混合溫度和成形溫度;4)粘結(jié)劑的成本低,易獲取,生產(chǎn)安全,不污染環(huán)境,不吸水,無易揮發(fā)組元,循環(huán)加熱不變質(zhì)(可重復(fù)使用),熱導(dǎo)率高,熱膨脹系數(shù)小,鏈節(jié)長度短,無結(jié)晶取向.在混料工序中,粘結(jié)劑的選擇主要考慮以下幾點(diǎn):1)粘結(jié)劑與粉末混合均勻性;2)增加粉末的流動性;3)脫模性與生坯強(qiáng)度;4)脫脂特性.在粉末注射成型中,混料的粘度、密度、熱學(xué)性質(zhì)和熱解性決定其成型性能.在這些成型參數(shù)中,喂料粘度與剪切應(yīng)力和剪切率有關(guān),是影響注射成型的最大因數(shù),可由流變儀測定.研究表明,當(dāng)喂料粘度控制在比較窄的變化范圍內(nèi)時,更容易制得合格生坯.2.1.2混煉過程會導(dǎo)致粘結(jié)劑含量的變化PIM混料必須體現(xiàn)粉末與熱塑性粘結(jié)劑混合的均勻性.合理的粉末與粘結(jié)劑裝載量比例(體積分?jǐn)?shù)或質(zhì)量分?jǐn)?shù))十分重要.它不僅直接影響接下來的工序,在混煉過程中還容易導(dǎo)致粘結(jié)劑從粉末顆粒間隙滲漏而引起混煉困難.粉末裝載量(體積分?jǐn)?shù))的大小取決于粉末形狀,一般其比例為45%～60%.在混煉時,粘結(jié)劑含量少將導(dǎo)致粉末顆粒表面潤濕性差.相反,如果粘結(jié)劑含量較高,則降低了混料粘度的同時,還會引起粉末與粘結(jié)劑在高壓注射過程中相互分離.另一方面,如果粉末含量過低在燒結(jié)時會出現(xiàn)較高的收縮率.通常在不影響注射成型的前提下,使粉末配比盡量高以提高制品的燒結(jié)強(qiáng)度和降低收縮率.2.2注射溫度影響下的喂料粘度的計算在粉末注射成型工藝中,注射成型是決定生產(chǎn)合格生坯的一道重要工序.混料在注射成型機(jī)里通過螺桿攪拌加熱,通過注塑機(jī)送料系統(tǒng)將塑化后的混合物注入模腔,并保壓以補(bǔ)償冷卻收縮.當(dāng)冷卻固化后,零件具有足夠的強(qiáng)度后,打開模具,用頂針將零件頂出,獲得生坯.在注射工序中,由于存在很高的剪切率,使原本各自分散的粉末與粘結(jié)劑在生坯中成為顆粒實(shí)體,并在以后的工序中各向異性收縮.在一定注射溫度下,可由以下公式計算剪切率影響下的喂料粘度:η=Kγn?1η=Κγn-1其中η為喂料粘度;γ為剪切率;K為常數(shù);n(n<1)為流變指數(shù).根據(jù)n表示的剪切靈敏度,可得到PIM喂料的流變學(xué)的特征.成型工藝和制品設(shè)計同樣能引起喂料在型腔中的不均勻流動,從而導(dǎo)致生坯的密度不均勻和各向異性收縮.因此,生坯往往在此工序中出現(xiàn)裂縫和扭曲.混料的不均勻流動和粉末與粘結(jié)劑相互分離,在注射成型過程中容易產(chǎn)生缺陷,導(dǎo)致在脫脂和燒結(jié)工序中制品發(fā)生裂縫和翹曲,最終使得粉末注射成型制品的物理化學(xué)性能較差.2.3影響脂壓法大鼠相干合成的因素脫脂是PIM中最困難和最重要的工藝步驟.脫脂有時候也稱為預(yù)燒結(jié),即把注射成型加入的大量有機(jī)載體在燒結(jié)前排除.脫脂技術(shù)有熱脫脂、溶劑脫脂、超臨界流體脫脂和催化分解等.粘結(jié)劑的設(shè)計和篩選總是和特定的脫除方法相聯(lián)系.從工藝控制和成本考慮,粘結(jié)劑的脫脂時間應(yīng)盡量短,且不出現(xiàn)缺陷或變形,無粘結(jié)劑殘留物,碳含量要能控制在所要求范圍內(nèi).影響脫脂過程的因素主要有:氣氛、壓力和溫度制度.氣氛包括在真空、惰性保護(hù)氣體或還原氣體下脫脂.惰性氣氛可避免有機(jī)物的氧化分解.一定的氣氛壓力,可縮小有機(jī)物揮發(fā)及分解產(chǎn)生的有效體積,從而減少由于體積膨脹引起的坯體開裂.另外,脫脂速率也直接受溫度影響.在坯體軟化,內(nèi)部尚未形成氣孔通道的溫度段(l50～300℃),升溫速率必須嚴(yán)格控制.否則,坯體易發(fā)生變形、產(chǎn)生鼓泡及開裂等缺陷.大量的熱脫脂研究表明,熱脫脂的關(guān)鍵在于控制脫脂溫度在低溫階段(150～350℃)低速升溫(1℃/min),不產(chǎn)生變形或缺陷,所以要求脫脂爐具有良好的溫度穩(wěn)定性和均勻性.2.4燒結(jié)溫度對制品尺寸的影響為了得到最大的燒結(jié)密度,使燒結(jié)制品所含的雜質(zhì)最小,燒結(jié)參數(shù)顯得十分重要.燒結(jié)參數(shù)包括燒結(jié)氣氛、最高燒結(jié)溫度和燒結(jié)時間.對于金屬和陶瓷粉末注射成型制品,燒結(jié)溫度不同.燒結(jié)溫度在很大程度上會影響制品的尺寸穩(wěn)定性和燒結(jié)密度.在一定的燒結(jié)溫度范圍內(nèi),溫度的提高將有利于制品密度的提高,并且在此溫度范圍內(nèi),制品的膨脹及收縮也存在小范圍的變化.為了得到標(biāo)準(zhǔn)偏差較小燒結(jié)密度較高的制品,在燒結(jié)過程中應(yīng)該設(shè)置適當(dāng)?shù)纳郎厮俾屎偷葴責(zé)Y(jié)溫度,嚴(yán)格控制在燒結(jié)后期出現(xiàn)的溫度波動以及保證爐膛溫度分布均勻.若燒結(jié)升溫速率過快時,制品容易出現(xiàn)裂縫.雖然液相的存在有利于燒結(jié)制品密度的提高,但是由于液相對溫度變化影響很大,特別是在升溫速率較快的情況下,如果制品中存在燒結(jié)液相分布不均勻,容易造成收縮率不均勻和塌陷,造成制品尺寸精度差.3pim工藝特點(diǎn)粉末注射成型技術(shù)與其他成型工藝相比較,在成型復(fù)雜形狀制品方面具有優(yōu)越的成本優(yōu)勢和技術(shù)上的優(yōu)點(diǎn).利用PIM工藝,比傳統(tǒng)工藝減少了加工工序,原料利用率高,還可回收廢料,降低生產(chǎn)成本.在一些要求較高的制品加工方面,比如生物醫(yī)用制品,PIM能在兼顧制品強(qiáng)度、耐疲勞強(qiáng)度和生物相容性的同時降低成本、簡化加工、提高植入材料表面的生物活性.由于在生坯中固相組成比較低,大約在50～70vol.%,在燒結(jié)過程中存在大量的線收縮,收縮率達(dá)到11%～20%,所以該工藝生產(chǎn)緊公差的制品有限的.PIM工序繁多,包括混料、注射成型、脫脂、燒結(jié),制品的尺寸精度受到每道工序中設(shè)置的參數(shù)、原料的本身性質(zhì)及加工條件和模具設(shè)計等方面的影響,從而影響制品的質(zhì)量.4制備工藝研究的加強(qiáng)隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展