粉末注射成型技術(shù)的研究進(jìn)展

粉末注射成型技術(shù)的研究進(jìn)展

粉末不僅是一種材料制造技術(shù)，也是其自身材料的加工和處理。由于切割少的特點(diǎn)，它引起了越來越多的關(guān)注，形成了自己的材料制備技術(shù)理論和材料性能理論的完整體系。現(xiàn)代粉末冶金技術(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)展成為制取各種高性能結(jié)構(gòu)材料、特種功能材料和極限條件下工作材料、各種形狀復(fù)雜的異型件的有效途徑。近年來,粉末冶金技術(shù)最引人注目的進(jìn)展,莫過于粉末注射成型(PIM)迅速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,并取得突破性進(jìn)展。金屬粉末注射成型技術(shù)金屬粉末注射成型技術(shù)的形成以Riverst和Wiech分別于1978年和1980年發(fā)明的專利為起點(diǎn),迄今已歷時(shí)二十余年,其中由德國(guó)BASF公司的Bloemacher于90年代初開發(fā)的MIM工藝成為MIM實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的一個(gè)重大突破。它采用聚醛樹脂作為粘結(jié)劑,并在酸性氣氛中快速催化脫脂,不僅大大縮短了脫脂時(shí)間,而且這種催化脫脂能在低于粘結(jié)劑的軟化溫度下進(jìn)行,避免了液相的生成,有利于控制生坯的變形,保證了燒結(jié)后的尺寸精度。同時(shí),由于利用了聚醛樹脂極性連接金屬粉末,故適合于多種粉末的注射。這種工藝不僅大大降低了生產(chǎn)成本,提高了生產(chǎn)率,并且可生產(chǎn)尺寸較大的零件和制品,擴(kuò)大了MIM的應(yīng)用范圍,從而使MIM真正成為一種具有競(jìng)爭(zhēng)力的PM近凈成型技術(shù)。金屬粉末注射成型(MetalPowderInjectionMolding簡(jiǎn)稱為MIM)是一種從塑料注射成型行業(yè)中引伸出來的新型粉末冶金近凈成型技術(shù)。眾所周知,塑料注射成型技術(shù)能以低廉的生產(chǎn)成本,高效地生產(chǎn)各種復(fù)雜形狀的制品,但制品的強(qiáng)度不高,從而使應(yīng)用范圍受到了極大的制約。為了改善這一缺陷,提高制品的各種性能,在塑料中添加金屬或陶瓷粉末,從而得到強(qiáng)度較高、耐磨性好的制品或零部件。近年來,這一嘗試已發(fā)展成為最大限度地提高固體粒子的含量并且在隨后的燒結(jié)過程中完全除去粘結(jié)劑并使成型坯件致密化,進(jìn)而得到強(qiáng)度較高、耐磨性好的金屬零部件,這便是金屬粉末注射成型技術(shù)。金屬粉末注射成型技術(shù)在制造具有復(fù)雜形狀、均勻組織結(jié)構(gòu)和高性能、高強(qiáng)度、高精度的近凈型產(chǎn)品方面顯示了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。凡可以制成粉末的任何金屬或合金均可用此法制造零件,此外,該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化連續(xù)作業(yè),生產(chǎn)效率高,材料利用率高。注射成型喂料的制備金屬粉末注射成型的工藝流程如圖1所示。首先選取符合MIM技術(shù)要求的金屬粉末和粘結(jié)劑,然后在一定溫度下采用適當(dāng)?shù)姆椒▽⒎勰┖驼辰Y(jié)劑混合成均勻的注射成型喂料,經(jīng)制粒后在注射成型機(jī)上注射成型,獲得的成型坯件經(jīng)脫脂后燒結(jié)致密化成為最終產(chǎn)品。1.mim粉末成本較高M(jìn)IM對(duì)原料粉末的要求較高,包括粉末的形貌、粒度、粒度組成、比表面、松裝密度等。MIM對(duì)原粒粉末的最佳要求見表1。MIM對(duì)原料粉末要求很細(xì),故MIM粉末成本較高,約為傳統(tǒng)PM粉末價(jià)格的1～10倍,這正是制約MIM技術(shù)大力推廣和應(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羥基法和霧化法,為了滿足注射成型對(duì)極細(xì)球狀粉末的需求,一些公司開發(fā)了一些新的霧化技術(shù),如高壓氣體霧化、超音速層流氣體霧化技術(shù)等,據(jù)稱所得鋁合金和不銹鋼粉末的中徑≤10μm。2.粘結(jié)劑的使用粘結(jié)劑在金屬注射成型技術(shù)中起著相當(dāng)關(guān)鍵的作用。只有加入一定量的粘結(jié)劑后,粉末才具有一定的流動(dòng)性以適合于注射成型。成型后,粘結(jié)劑又起著保持制品形狀的作用,粘結(jié)劑的含量一般為40%～60vol%。對(duì)粘結(jié)劑的一般要求為:與粉末接觸角小、粘結(jié)力強(qiáng);純粘結(jié)劑在注射溫度下的粘度應(yīng)小于0.1Pa·s,且不能與粉末發(fā)生兩相分離;冷卻后粘結(jié)劑應(yīng)具有一定的強(qiáng)度和脆性。為保證注射和脫脂的順利進(jìn)行,同時(shí)擔(dān)負(fù)著傳遞流動(dòng)(載體)和保持形狀雙重作用的粘結(jié)劑一般采用多組元體系,即由流動(dòng)性好的低熔點(diǎn)組元(石蠟,植物油等)和具有較好保形性和較高熔點(diǎn)的聚合物組元(如聚醛樹脂等)組成,另外還需添加少量表面活性劑。3.注射成產(chǎn)品性能的評(píng)價(jià)混煉就是在一定裝置和一定溫度下,將原料粉末及粘結(jié)劑進(jìn)行混合并充分有效地?cái)嚢?使其均勻化并符合注射要求的過程。由于喂料的性質(zhì)決定了最終注射成產(chǎn)品的性能,所以,混煉這一工藝步驟變得非常重要,這將涉及到粘結(jié)劑和粉末加入的方式和順序,混煉的溫度,混煉裝置特性等多種因素,最終評(píng)價(jià)混煉工藝性好壞的一個(gè)重要指標(biāo)就是所得到的喂料的均勻性和一致性。MIM常用的混煉裝置有雙螺旋擠出機(jī)、乙型葉輪混料機(jī)、單螺旋擠出機(jī)、柱塞式擠出機(jī)、雙行星擠出機(jī)、雙凸輪混料機(jī)等。以上裝置均適合于制備粘度在1～1000Pa·s范圍的混合料。4.mim產(chǎn)品注射成型缺陷的控制注射成型是整個(gè)工藝過程的關(guān)鍵工序。因?yàn)樵谧⑸涑尚瓦^程中,易形成裂紋、孔隙、焊縫、分層、粉末與粘結(jié)劑分離等多種缺陷。而這些缺陷往往要在脫脂和燒結(jié)完成、注射應(yīng)力被釋放后才能發(fā)現(xiàn)。缺陷形成的原因除由于原料粉末不合格、粘結(jié)劑選擇不當(dāng)、喂料混煉不合格等因素外,主要取決于注射成型時(shí)的工藝條件。注射成型時(shí),對(duì)可能產(chǎn)生缺陷的控制應(yīng)從兩個(gè)方面進(jìn)行考慮:1)成型的工藝參數(shù)(注射溫度、注射時(shí)間、開模時(shí)間)的設(shè)定;2)喂料在模腔中的流動(dòng)行為。因?yàn)镸IM產(chǎn)品大多數(shù)是形狀復(fù)雜、精度要求高的異型件,喂料在模腔中的流動(dòng)行為就涉及到模具設(shè)計(jì)的問題,包括進(jìn)料口的位置、流道的形狀和長(zhǎng)短、排氣孔的設(shè)置與分布等。因此,在模具設(shè)計(jì)與制造中,必須對(duì)喂料的流變性質(zhì)、模腔內(nèi)溫度和殘余應(yīng)力分布進(jìn)行詳細(xì)分析。5.精密金屬粉末注射成型技術(shù)脫脂就是采用適當(dāng)方法,使成型坯中的粘結(jié)劑得以全部去除的過程。脫脂的基本方法有2種:溶劑萃取法和熱分解法。評(píng)價(jià)各種脫脂技術(shù)最重要的指標(biāo)是脫脂時(shí)間,目前MIM脫脂時(shí)間已由最初的幾十個(gè)小時(shí)縮短到幾個(gè)小時(shí)。另外脫脂時(shí),若能避免液相的生成,則可有效控制生坯的變形,保證燒結(jié)后的尺寸精度。美國(guó)ThermalPrecisionTechnology公司的Hens開發(fā)了一種稱之為精密金屬粉末注射成型的新工藝(PPIM),據(jù)稱采用該工藝可以將MIM技術(shù)推進(jìn)到一個(gè)低成本、高精度、高成品率和對(duì)環(huán)境友好的新時(shí)代,其主要技術(shù)特色就是脫脂技術(shù)。采用水溶性粘結(jié)劑,該水溶性粘結(jié)劑由聚乙二醇(PEG)為第1組元,采用交聯(lián)聚合物(如聚乙烯醇縮丁醛PVB)為第2組元,這樣其脫脂可分為2步:1)采用水溶解法去除PEG,此時(shí)PVB保持為交聯(lián)固態(tài);2)進(jìn)行熱分解法脫脂時(shí),PVB從固態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài),脫脂時(shí)不出現(xiàn)液相,避免了變形,保證了尺寸精度。6.粉末注射法成型法更符合非織造材料的特性,符合市場(chǎng)的需求燒結(jié)是粉末冶金(PM)的一個(gè)重要環(huán)節(jié),同時(shí)也是MIM工藝的最后一道工序。通過燒結(jié),使得MIM產(chǎn)品達(dá)到全致密或接近全致密化。現(xiàn)代粉末冶金燒結(jié)技術(shù)正朝著“三高一低”(高強(qiáng)度、高性能、高精度、低成本)和“三耐”(耐磨損、耐高溫、耐腐蝕)方向發(fā)展。用注射成型法輔之以現(xiàn)代燒結(jié)技術(shù),可使成型零件或制品達(dá)到理論密度的96%。以波音707和波音727飛機(jī)機(jī)翼傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的螺紋部分所用鎳圈為例,這種鎳圈結(jié)構(gòu)復(fù)雜且有內(nèi)螺紋,過去用鍛坯和機(jī)械加工方法需經(jīng)14道工序方可完成,而采用粉末注射成型法,則可制造出幾乎無加工余量的鎳圈,只需少量磨削和校準(zhǔn),大大縮短了生產(chǎn)周期,極大提高了生產(chǎn)率,并降低了成本,同時(shí)粉末注射法制成的鎳圈完全滿足了其服役條件下所要求的高強(qiáng)度、高耐腐蝕等性能。金屬粉末注射成型技術(shù)中由于采用了大量的粘結(jié)劑,故燒結(jié)時(shí)收縮比非常大,一般達(dá)13%～25%,這就需要控制變形和控制尺寸精度。由于MIM產(chǎn)品大多數(shù)是具有復(fù)雜形狀的異型件,故這個(gè)問題越發(fā)顯得突出。均勻的喂料對(duì)減小最終產(chǎn)品的變形量是一關(guān)鍵因素,高的粉末搖實(shí)密度同樣會(huì)減小燒結(jié)時(shí)的收縮量。此外,如經(jīng)脫脂的PPIM工藝由于采用了經(jīng)調(diào)配的寬粒度組成的金屬粉末,使粗細(xì)粉末搭配,使得喂料中的原料粉末裝載量大大提高(對(duì)于不銹鋼粉末可達(dá)74vol%),從而大大減小了尺寸收縮,使得產(chǎn)品尺寸精度可達(dá)±0.1%。mim技術(shù)的應(yīng)用金屬粉末注射成型技術(shù)屬于近年來取得突破性進(jìn)展的粉末冶金近凈成型(復(fù)雜零件精密成型)新技術(shù)。自70年代末80年代初問世以來,發(fā)展異常迅速。在北美和西歐,MIM工藝已日臻成熟,并迅速實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。MIM產(chǎn)品涉及面越來越廣泛,MIM產(chǎn)品尺寸精度一般可達(dá)±0.3%,最高可達(dá)±0.1%,有時(shí)可以完全免除附加機(jī)加工。金屬粉末注射成型技術(shù)的出現(xiàn),給各行各業(yè)的設(shè)計(jì)和制造人員提供了嶄新的設(shè)計(jì)思路和制造技術(shù)。采用MIM技術(shù)可以大膽采用原來由于可加工性和加工經(jīng)濟(jì)性差而不得不放