金屬粉末注射成形工藝在槍上的應(yīng)用

金屬粉末注射成形工藝在槍上的應(yīng)用

金屬粉末（mim）和粉末（pim）的注射形成也被稱為金屬注射形成。它是一種借助塑料產(chǎn)品的成形工藝及裝備條件,用金屬粉末和粘結(jié)劑混合后制成注射粒料在模具型腔中成形,然后經(jīng)過(guò)脫脂、燒結(jié)成為金屬零件的新型生產(chǎn)工藝。1金屬粉末注射成形工藝注射成形是將注射粒料在特定的工藝條件下,用注射的方式在模具型腔中成形毛坯零件。粉末冶金工藝及制品的出現(xiàn)將汽車零件的制造尤其是齒輪以極高的速度產(chǎn)業(yè)化,使世界的汽車工業(yè)向前快速推進(jìn)。這些都證明了材料工業(yè)的發(fā)展推進(jìn)著基礎(chǔ)工業(yè)的崛起,與之相關(guān)的制造工藝也起著至關(guān)重要的作用。和傳統(tǒng)的粉末冶金壓制工藝不同,金屬粉末注射成形工藝的關(guān)鍵是要解決金屬粉末的流動(dòng)性,良好的流動(dòng)性又是關(guān)系到注射零件的性能關(guān)鍵因素。世界一些發(fā)達(dá)國(guó)家,如美國(guó)、德國(guó)、俄羅斯等國(guó)家都在研究和應(yīng)用具有自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的注射金屬粉末粒料體系,我國(guó)目前主要以蠟基體系為主。所謂蠟基體系,就是粘結(jié)劑主要成分由蠟組成,配合流動(dòng)性好又易于脫出的化工材料合成體系,均勻地與金屬粉末混合在一起,便于成形毛坯零件,是注射成形工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。金屬粉末注射成形的工藝特點(diǎn):集塑料成形工藝學(xué)、高分子化學(xué)、粉末冶金工藝學(xué)和金屬材料學(xué)等多學(xué)科滲透與交叉合成的工藝技術(shù)。利用模具可注射成形毛坯零件并通過(guò)脫脂、燒結(jié)等工藝過(guò)程快速制造出高密度、高精度、三維復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)零件;能夠快速準(zhǔn)確地將設(shè)計(jì)思想物化為具有一定結(jié)構(gòu)、功能特性的制品,并可直接批量生產(chǎn)出一致性非常高的零件,對(duì)槍械零件非常重要。這項(xiàng)工藝技術(shù)不僅具有工藝過(guò)程少,無(wú)切削或少切削,經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn),而且克服了傳統(tǒng)粉末冶金工藝制品材質(zhì)不均勻,力學(xué)性能低,不易成形薄壁、復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的缺點(diǎn),特別適合于大批量生產(chǎn)小型、復(fù)雜以及具有特殊要求的金屬零件。金屬注射成形工藝的出現(xiàn)及產(chǎn)業(yè)化,解決了在制造領(lǐng)域難以加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件的問(wèn)題。粘結(jié)劑和粘結(jié)劑脫出工藝技術(shù)的日趨成熟,使得該技術(shù)的研究成為現(xiàn)實(shí)?？墒亲⑸涑尚伪旧硪泊嬖谌毕?對(duì)壁厚超過(guò)8mm和零件質(zhì)量超過(guò)200g以上的產(chǎn)品,其內(nèi)部的粘結(jié)劑難以有效脫出,限制了它的使用范圍。正是因?yàn)檫@些限制,注射成形制造的零件通常都是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,性能及精度要求高,并具有良好的合金化和可再加工熱處理的特點(diǎn)。據(jù)資料介紹,美國(guó)最早研究金屬粉末注射成形(MIM)工藝,主要是為了軍事領(lǐng)域的需要,重點(diǎn)就是復(fù)雜槍械零件的制造。美國(guó)的Indo公司采用金屬粉末注射成形(MIM)工藝生產(chǎn)槍械用零部件(如圖1所示)制造槍械。巴西ForjasTaurusS.A.公司用這種工藝制造如圖2所示的槍械。我國(guó)采用MIM工藝制造槍械零件起步較晚,2002年才開(kāi)始開(kāi)發(fā),2005年開(kāi)始裝備槍械。2金屬注射工藝和原理2.1金屬注射工藝金屬注射成形工藝流程大體分為:混料、成形、脫脂、燒結(jié)和后處理等幾個(gè)部分,如圖3所示。2.2工藝原理和方法2.2.1粘結(jié)劑的選擇金屬粉末:金屬粉末注射成形工藝所用金屬粉末顆粒尺寸一般在0.5～20μm之間。從理論上講,顆粒越細(xì),比表面積越大,越容易成形和燒結(jié)。傳統(tǒng)的粉末冶金工藝采用的粉末通常粒徑大于50μm。金屬粉末注射成形制成品密度高,其主要原因是采用了適當(dāng)粒徑的微細(xì)顆粒金屬粉末。有機(jī)粘結(jié)劑:有機(jī)粘結(jié)劑的作用是粘結(jié)金屬粉末顆粒,使混合料在注射機(jī)料筒中加熱成具有一定的流變性和潤(rùn)滑性,也就是說(shuō)使其成為帶動(dòng)粉末流動(dòng)的載體。由此可見(jiàn),粘結(jié)劑的選擇是決定整個(gè)粉末成形的載體,是整個(gè)粉末注射成形工藝的關(guān)鍵。對(duì)有機(jī)粘結(jié)劑的具體要求如下所述。1)用較少的粘結(jié)劑能使混合料產(chǎn)生較好的流變性;2)在脫出粘結(jié)劑的過(guò)程中與金屬粉末不起任何化學(xué)反應(yīng);3)在制品內(nèi)不殘留粘結(jié)劑,產(chǎn)品在燒結(jié)后不留碳?；鞜挄r(shí),將金屬粉末與有機(jī)粘結(jié)劑按照一定的比例均勻地?fù)交煸谝黄?將其流變性調(diào)整到適合注射成形的要求?；旌系木鶆蚨葘?duì)流動(dòng)性影響很大,它直接影響著注射成形工藝參數(shù)的合理選擇和成形件密度及其它性能。為了滿足以上要求,首先將合金金屬粉末(通常有3種以上的合金材料)均勻混合(物理混合);然后再進(jìn)行粘結(jié)劑和金屬粉末的初步混合,在一定的工藝(高溫和高速)條件下混合;捏合,使之達(dá)到符合工藝要求的均勻“注射粒料”。為保證混合后注射粒料的工藝性,需要對(duì)注射粒料的流動(dòng)性進(jìn)行檢測(cè)。2.2.2模具型腔生產(chǎn)成形過(guò)程中,注射粒料在注射機(jī)料筒內(nèi)加熱成具有流變性的塑性物料,在適當(dāng)?shù)膲毫ο伦⑷肽＞咝颓?成形出毛坯零件。生產(chǎn)過(guò)程中要嚴(yán)格控制射出溫度、模具溫度、射出壓力等參數(shù),防止出現(xiàn)注射料中各組分的分離和偏析。生產(chǎn)中要注意毛坯零件的外觀,是否有縮孔、裂紋等,一旦出現(xiàn)這些現(xiàn)象應(yīng)適當(dāng)調(diào)整相關(guān)參數(shù)。2.2.3溶劑脂壓工藝設(shè)計(jì)成形零件毛坯在燒結(jié)前必須去除毛坯內(nèi)所含的有機(jī)粘結(jié)劑。金屬注射成形工藝中的脫脂工藝直接影響最終產(chǎn)品的力學(xué)性能,必須嚴(yán)格加以控制。脫脂工藝的設(shè)定要根據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量選擇相應(yīng)的工藝方法,如:通常<2g的零件,采取脫脂燒結(jié)一體的工藝過(guò)程;質(zhì)量>2g,且壁厚>5mm的零件,采取溶劑脫脂+熱脫脂的工藝過(guò)程。溶劑脫脂目前大部分采用溶蠟較好的酒精溶劑。熱脫脂的溫度通常為400～800℃,國(guó)內(nèi)現(xiàn)在已有比較成熟的電爐裝備。2.2.4提高和改善零件材料的力學(xué)性能燒結(jié)在通有可控氣氛的燒結(jié)爐中進(jìn)行,注射零件的高密度化通過(guò)適當(dāng)?shù)臒Y(jié)溫度和較長(zhǎng)的燒結(jié)時(shí)間完成,從而有效提高和改善零件材料的力學(xué)性能。燒結(jié)能使多孔的脫脂毛坯收縮致密化,盡管制品的性能與燒結(jié)前的許多工藝因素有關(guān),但在許多情況下,燒結(jié)工藝對(duì)最終制品的金相組織和性能有著很大,甚至決定性的影響。這里要指出的是,注射成形零件的燒結(jié),是在熔與非熔(臨界點(diǎn))的條件下進(jìn)行的,所以對(duì)燒結(jié)溫度的控制很嚴(yán)格。2.2.5精密零件的后處理對(duì)產(chǎn)品的性能以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)要求較高,尺寸要求較為精密的零件,需要進(jìn)行必要的熱處理、尺寸整形、表面處理等方面的后處理,以改變其性能。這工序與常規(guī)金屬制品的熱處理工序基本相同。3金屬粉末注射形成的工藝3.1生產(chǎn)工藝和裝備與國(guó)外金屬注射成形工藝技術(shù)相比,我國(guó)材料工業(yè)和裝備制造業(yè)還處于較低水平,產(chǎn)業(yè)化整體評(píng)價(jià)還處于初始階段。雖然一些研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)進(jìn)行了相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)化工作,在開(kāi)發(fā)研究方面做了大量的試驗(yàn),但還沒(méi)有系統(tǒng)建立完整的材料體系、試驗(yàn)檢測(cè)裝備和穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝;加上行業(yè)和企業(yè)之間的“技術(shù)壁壘”,還沒(méi)有形成比較完整的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。目前國(guó)家行業(yè)歸屬的管理部門(mén)——粉末冶金協(xié)會(huì)推薦采用美國(guó)MPIFSTANDARD35材料標(biāo)準(zhǔn)(MaterialsStandardsforMETALINJECTIONMOLDEDPARTS)。3.2金屬粉末注射成形工藝相關(guān)零件加工工藝德國(guó)GKN公司的試驗(yàn)情況見(jiàn)表1和表2。由于金屬粉末注射成形、粉末冶金和粉末精密鍛造加工方法的不同,成本結(jié)構(gòu)有變化,從表2中可以看出其相互區(qū)別。注射成形的材料采用超細(xì)粉料,是成本增加的主要原因。金屬粉末注射成形工藝具有傳統(tǒng)粉末冶金工藝的優(yōu)點(diǎn),而形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜是傳統(tǒng)粉末冶金所不能達(dá)到的。小型而復(fù)雜形狀的零件以金屬粉末注射工藝最為合適。精密鑄、鍛造工藝,雖然在近年來(lái)其產(chǎn)品的精度和復(fù)雜度均得到提高,但仍比不上粉末冶金壓制工藝和金屬粉末注射成形工藝。粉末鍛造得到了重要的發(fā)展,已適用于連桿的批量生產(chǎn)。一般而言,粉末鍛造的熱處理成本和模具的壽命還存在一些問(wèn)題,仍待進(jìn)一步解決。傳統(tǒng)機(jī)械加工法近些年來(lái)靠自動(dòng)化提升其加工能力,在效果和精度上也有極大的進(jìn)步,但是基本程序仍然采用切削(如:車削、刨、銑、磨、鉆孔、拋光等)完成零件形狀的加工。機(jī)械加工方法的加工精度遠(yuǎn)優(yōu)于其他加工方法,但是其材料的有效利用率低,并且其最后形狀的完成受限于設(shè)備與刀具,甚至有些零件無(wú)法用機(jī)械加工完成。相反,金屬粉末注射成形可以有效利用材料,不受限制,對(duì)于那些批量大且小型、高難度形狀的精密零件的制造,金屬粉末注射成形工藝與機(jī)械加工相比,其成本較低,且效率高,具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)目前已經(jīng)采用金屬粉末注射成形生產(chǎn)如圖4所示的槍械零件。對(duì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的零件,尤其是槍械零件,若采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法制造,可以采取先將總體零件分割成容易加工的幾個(gè)或多個(gè)零件,然后再焊接(或其它連接方式)組合成組件;采用金屬粉末注射成形技術(shù),可以考慮整合成完整的單一零件,大大減少加工步驟,簡(jiǎn)化加工程序,不必進(jìn)行二次加工,或只需少量精加工,零件尺寸公差一般可保持在±(0.05～0.1)mm。金屬粉末注射成形加工工藝對(duì)于降低難加工的硬質(zhì)合金的加工成本,減少貴重金屬的加工損失,尤其具有重要意義。采用鎢合金材料加工制作的預(yù)制破片如圖5所示。注射成形工藝是一種流體成形工藝,由于粘結(jié)劑的存在保障了粉末的均勻排布,消除毛坯微觀組織的不均勻,使燒結(jié)制品密度可達(dá)到其理論密度的97%以上。一般情況下壓制產(chǎn)品的密度最高只能達(dá)到理論密度的85%左右。制品高的致密性可使強(qiáng)度增加,韌性加強(qiáng),延展性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性得到改善,磁性能提高。為了實(shí)現(xiàn)效率高,大批量和規(guī)?；a(chǎn),金屬粉末注射成形技術(shù)使用金屬模具,其壽命和工程塑料注射成形模具相當(dāng)。由于利用注射機(jī)成形產(chǎn)品毛坯極大地提高了生產(chǎn)效率,降低了生產(chǎn)成本,而且注射成形產(chǎn)品的一致性、重復(fù)性好,從而為大批量和規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)提供了保證,非常適合于兵器產(chǎn)品的生產(chǎn)。適用材料范圍寬,應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,如鐵基、低合金、高速鋼、不銹鋼、kavor合金、硬質(zhì)合金等均可用于注射成形,原則上任何可高溫澆結(jié)的粉末材料均可由金屬粉末注射成形工藝制造成零件,包括傳統(tǒng)制造工藝難以加工的材料、高熔點(diǎn)材料。此外,也可以根據(jù)用戶的要求進(jìn)行材料配方研究,制造任意組合的合金材料,也可將復(fù)合材料成形為零件。3.3各種金屬注射材料的特性目前國(guó)內(nèi)常用的幾種金屬注射成形材料的性能參數(shù)見(jiàn)表3和表4。3.4金屬注射模具設(shè)計(jì)金屬注射成形制品模具的設(shè)計(jì)原理和塑料模具一樣,設(shè)計(jì)時(shí)須考慮諸多因素,如:流道、澆口、型腔、材料等,還要考慮對(duì)后續(xù)的脫脂、燒結(jié)工序的影響。制品的質(zhì)量與這些因素有直接的關(guān)系。模具可以劃分為模架和腔體兩部分。注射模具模架與塑料注射模具模架完全相同,模架材料可以參考塑料注射模具模架選擇。一般動(dòng)模板、定模板、推板可采用45#鋼,調(diào)質(zhì)處理,硬度180～250HBS。其它板料可以采用45#鋼或Q235鋼。對(duì)于精度要求特別高的模架,所有板料均可采用45#鋼調(diào)質(zhì)處理,甚至用Cr12類的微變形模具鋼,淬火處理。導(dǎo)柱、導(dǎo)套可采用T8A淬硬到50～55HRC或20鋼滲碳0.5～0.8mm厚,淬硬到56～60HRC。注射模具工作時(shí),一般承受20～50MPa的交變負(fù)荷,同時(shí)伴有冷熱溫度交替。在超精密注射成形中,使用的成形壓力有時(shí)甚至?xí)^(guò)正常使用壓力的幾倍。注射模具的使用壽命一般為幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)次,模具應(yīng)有足夠的強(qiáng)度與剛度。金屬注射模具的模腔一般采用硬度為58～62HRC的淬硬模具鋼,必須注意由尖角、溝槽、切口及加工缺陷所引起的應(yīng)力集中。這些缺陷都將顯著降低模具的疲勞強(qiáng)度。對(duì)于腔體部分,材料選擇主要考慮耐磨性、淬火形狀穩(wěn)定性、耐蝕性及加工性能。由于金屬注射材料對(duì)模具的沖刷磨損比一般塑料嚴(yán)重,耐磨性好是用于批量生產(chǎn)的金屬注射模具腔體的最基本要求,一般要求腔體的硬度在58～62HRC。由于工具鋼具有強(qiáng)度、硬度、韌性、淬透性、耐蝕性及加工綜合性能好的特點(diǎn),所以是腔體的首選材料。常用材料有高合金模具鋼(如Cr12,Cr12MoV,Cr2Mn2SiWMoV,Cr6WV)及高速鋼(如W18CrV,W6Mo5Cr4V2)等。注射模具一般形狀較為復(fù)雜,常采用超精密電火花、線切割等電加工手段,要求材料組織均勻,淬透性及淬火形狀穩(wěn)定。金屬注射料在注射溫度下,常產(chǎn)生腐蝕性氣體,耐蝕性好也是對(duì)模具材料的一項(xiàng)要求?？傊?模具選擇必須綜合考慮產(chǎn)品的批量,零件的形狀、精度,采用的加工手段及工藝,具備的熱處理?xiàng)l件以及材料來(lái)源等因素。金屬注射模具一般用于小型零件的生產(chǎn),模具尺寸很小。正常使用情況下,只要模板的使用尺寸不超過(guò)長(zhǎng)度和寬度的60%,深度超過(guò)10%時(shí),可以不進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。由于模具形狀一般比較復(fù)雜,型腔內(nèi)的實(shí)際受力情況也很復(fù)雜,即使作出多種假設(shè),也很難用彈性力學(xué)及有限元的方法得出結(jié)果,因此模具設(shè)計(jì)常采用放大安全系數(shù)的寬容方法。對(duì)于較大制品或采用超高壓精密注射成形工藝時(shí),應(yīng)對(duì)型腔的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。防止由于強(qiáng)度不足,變形過(guò)大產(chǎn)生溢料甚至破壞。較為簡(jiǎn)單形狀模腔的強(qiáng)度計(jì)算,可以參考有關(guān)塑料模具中設(shè)計(jì)注射模具的手冊(cè)。復(fù)雜型腔可以采用有限元或?qū)I(yè)軟件分析計(jì)算。為保證制品精度,模具設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。1)合理設(shè)計(jì)模具的放大系數(shù)。在保證順利成形的前提下,盡量減少粘結(jié)劑的加入量。2)合理的模具結(jié)構(gòu)。精密的尺寸部件應(yīng)有一定硬度,并且更換要方便;采用的公差合理,成形坯“孔”盡量采用公差上限,成形坯“軸”盡量采用公差下限;零件的工藝結(jié)構(gòu)要合理,保證加工精度。3)合理選擇澆口的形式和位置。4)合理選擇頂出方式,盡量使頂出均勻平穩(wěn),減少變形。5)模具應(yīng)設(shè)有溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。盡量保證均勻填充和冷卻,減少密度不均勻。6)合理選擇型腔數(shù)量和布局。盡量均勻?qū)ΨQ布局,保證平衡填充。特別精密的制品,應(yīng)盡量減少型腔數(shù)目。7)選擇合理間隙,避免產(chǎn)生飛邊、毛刺。4金屬注射金屬設(shè)備根據(jù)金屬注射成形的工藝要求,按照生產(chǎn)模式分主要有2種裝備:間歇(批料)式生產(chǎn)、連續(xù)式生產(chǎn)。4.1轉(zhuǎn)與內(nèi)旋轉(zhuǎn)攪拌的方式金屬粉混合,主要采用旋轉(zhuǎn)攪拌混料設(shè)備,為了使材料攪拌均勻,采用外旋轉(zhuǎn)與內(nèi)旋轉(zhuǎn)攪拌的方式。金屬粉與粘結(jié)劑混合,主要采用高速旋轉(zhuǎn)混料設(shè)備,為了使材料攪拌均勻,適當(dāng)增加溫度。捏合混合,為了保證混好的注射材料粒料均勻,須增加一道如圖6所示的捏合裝備,使注射粒料的均勻一致性更好。4.2大成一成形機(jī)主要采用注射機(jī),如圖7所示。根據(jù)注射粒料的特性,必須對(duì)注射機(jī)進(jìn)行必要的改造,鎖模力要大。4.3催化潤(rùn)滑技術(shù)根據(jù)不同的粘結(jié)劑體系采用不同的脫脂設(shè)備。如德國(guó)BASF的注射粒料,采取化學(xué)催化的工藝方式脫脂