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    金屬粉末噴射成型技術(shù)

    發(fā)表時(shí)間:2010-03-02   文章來(lái)源:

        金屬粉末噴射成型技術(shù)(Metal Powder Injection Molding,簡(jiǎn)稱(chēng)MIM)是將現代塑料噴射成形技術(shù)引入粉末冶金領(lǐng)域而形成的一門(mén)新型粉末冶金近凈形成形技術(shù)。其基本工藝過(guò)程是:首先將固體粉末與有機粘結劑均勻混練,經(jīng)制粒后在加熱塑化狀態(tài)下(~150℃)用噴射成形機注入模腔內固化成形,然后用化學(xué)或熱分解的方法將成形坯中的粘結劑脫除,最后經(jīng)燒結致密化得到最終產(chǎn)品。與傳統工藝相比,具有精度高、組織均勻、性能優(yōu)異,生產(chǎn)成本低等特點(diǎn),其產(chǎn)品廣泛應用于電子信息工程、生物醫療器械、辦公設備、汽車(chē)、機械、五金、體育器械、鐘表業(yè)、兵器及航空航天等工業(yè)領(lǐng)域。因此,國際上普遍認為該技術(shù)的發(fā)展將會(huì )導致零部件成形與加工技術(shù)的一場(chǎng)革命,被譽(yù)為“當今最熱門(mén)的零部件成形技術(shù)”和“21世紀的成形技術(shù)”。

      美國加州Parmatech公司于1973年發(fā)明,八十年代初歐洲許多國家以及日本也都投入極大精力開(kāi)始研究該技術(shù),并得到迅速推廣。特別是八十年代中期,這項技術(shù)實(shí)現產(chǎn)業(yè)化以來(lái)更獲得突飛猛進(jìn)的發(fā)展,每年都以驚人的速度遞增。到目前為止,美國、西歐、日本等十多個(gè)國家和地區有一百多家公司從事該工藝技術(shù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、研制與銷(xiāo)售工作。日本在競爭上十分積極,并且表現突出,許多大型株式會(huì )社均參與MIM工業(yè)的推廣,這些公司包括有太平洋金屬、三菱制鋼、川崎制鐵、神戶(hù)制鋼、住友礦山、精工--愛(ài)普生、大同特殊鋼等。目前日本有四十多家專(zhuān)業(yè)從事MIM產(chǎn)業(yè)的公司,其MIM工業(yè)產(chǎn)品的銷(xiāo)售總值早已超過(guò)歐洲并直追美國。到目前為止,全球已有百余家公司從事該項技術(shù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、研制與銷(xiāo)售工作,MIM技術(shù)也因此成為新型制造業(yè)中最為活躍的前沿技術(shù)領(lǐng)域,被世界冶金行業(yè)的開(kāi)拓性技術(shù),代表著(zhù)粉末冶金技術(shù)發(fā)展的主方向MIM技術(shù)

      金屬粉末噴射成型技術(shù)是集塑料成型工藝學(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)科透與交叉的產(chǎn)物,利用模具可噴射成型坯件并通過(guò)燒結快速制造高密度、高精度、三維復雜形狀的結構零件,能夠快速準確地將設計思想物化為具有一定結構、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。該工藝技術(shù)不僅具有常規粉末冶金工藝工序少、無(wú)切削或少切削、經(jīng)濟效益高等優(yōu)點(diǎn),而且克服了傳統粉末冶金工藝制品、材質(zhì)不均勻、機械性能低、不易成型薄壁、復雜結構的缺點(diǎn),特別適合于大批量生產(chǎn)小型、復雜以及具有特殊要求的金屬零件。工藝流程粘結劑→混煉→噴射成形→脫脂→燒結→后處理

      粉末金屬粉末

      MIM工藝所用金屬粉末顆粒尺寸一般在0.5~20μm;從理論上講,顆粒越細,比表面積也越大,易于成型和燒結。而傳統的粉末冶金工藝則采用大于40μm的較粗的粉末。有機膠粘劑

      有機膠粘劑作用是粘接金屬粉末顆粒,使混合料在噴射機料筒中加熱具有流變性和潤滑性,也就是說(shuō)帶動(dòng)粉末流動(dòng)的載體。因此,粘接劑的選擇是整個(gè)粉末的載體。因此,粘拉選擇是整個(gè)粉末噴射成型的關(guān)鍵。對有機粘接劑要求:

      1.用量少,用較少的粘接劑能使混合料產(chǎn)生較好的流變性;

      2.不反應,在去除粘接劑的過(guò)程中與金屬粉末不起任何化學(xué)反應;

      3.易去除,在制品內不殘留碳;炝

      把金屬粉末與有機粘接劑均勻摻混在一起,使各種原料成為噴射成型用混合料;旌狭系木鶆虺潭戎苯佑绊懫淞鲃(dòng)性,因而影響噴射成型工藝參數,以至最終材料的密度及其它性能。噴射成形本步工藝過(guò)程與塑料噴射成型工藝過(guò)程在原理上是一致的,其設備條件也基本相同。在噴射成型過(guò)程中,混合料在噴射機料筒內被加熱成具有流變性的塑性物料,并在適當的噴射壓力下注入模具中,成型出毛坯。噴射成型的毛坯的微觀(guān)上應均勻一致,從而使制品在燒結過(guò)程中均勻收縮。萃取

      成型毛坯在燒結前必須去除毛坯內所含有的有機粘接劑,該過(guò)程稱(chēng)為萃取。萃取工藝必須保證粘接劑從毛坯的不同部位沿著(zhù)顆料之間的微小通道逐漸地排出,而不降低毛坯的強度。粘結劑的排除速率一般遵循擴散方程。燒結燒結能使多孔的脫脂毛坯收縮至密化成為具有一定組織和性能的制品。盡管制品的性能與燒結前的許多工藝因素有關(guān),但在許多情況下,燒結工藝對最終制品的金相組織和性能有著(zhù)很大、甚至決定性的影響。后處理對于尺寸要求較為精密的零件,需要進(jìn)行必要的后處理。這工序與常規金屬制品的熱處理工序相同。MIM工藝的特點(diǎn)MIM工藝與其它加工工藝的對比MIM使用的原料粉末粒徑在2-15μm,而傳統粉末冶金的原粉粉末粒徑大多在50-100μm。MIM工藝的成品密度高,原因是使用微細粉末。MIM工藝具有傳統粉末冶金工藝的優(yōu)點(diǎn),而形狀上自由度高是傳統粉末冶金所不能達到的。傳統粉末冶金限于模具的強度和填充密度,形狀大多為二維圓柱型。

      傳統的精密鑄造脫燥工藝為一種制作復雜形狀產(chǎn)品極有效的技術(shù),近年使用陶心輔助可以完成狹縫、深孔穴的成品,但是礙于陶心的強度,以及鑄液的流動(dòng)性的限制,該工藝仍有某些技術(shù)上的困難。一般而言,此工藝制造大、中型零件較為合適,小型而復雜形狀的零件則以MIM工藝較為合適。比較項目制造工藝MIM工藝傳統粉末冶金工藝粉末粒徑(μm)2-1550-100相對密度(%)95-9880-85產(chǎn)品重量(g)小于或等于400克10-數百產(chǎn)品形狀三維復雜形狀二維簡(jiǎn)單形狀機械性能優(yōu)劣

      MIM制程和傳統粉末冶金法的比較壓鑄工藝用在鋁和鋅合金等熔點(diǎn)低、鑄液流動(dòng)性良好的材料。此工藝的產(chǎn)品因材料的限制,其強度、耐磨性、耐蝕性均有限度。MIM工藝可以加工的原材料較多。

      精密鑄造工藝,雖然在近年來(lái)其產(chǎn)品的精度和復雜度均提高,但仍比不上脫蠟工藝和MIM工藝,粉末鍛造是一項重要的發(fā)展,已適用于連桿的量產(chǎn)制造。但是一般而言,鍛造的工程中熱處理的成本和模具的壽命還是有問(wèn)題,仍待進(jìn)一步解決。

      傳統機械加工法、近來(lái)靠自動(dòng)化而提升其加工能力,在效果和精度上有極大的進(jìn)步,但是基本的程序上仍脫不開(kāi)逐步加工(車(chē)削、刨、銑、磨、鉆孔、拋光等)來(lái)完成零件形狀的方式。機械加工方法的加工精度遠優(yōu)于其他加工方法,但是因為材料的有效利用率低,且其形狀的完成受限于設備與刀具、有些零件無(wú)法用機械加工完成。相反,MIM可以有效利用材料,不受限制,對于小型、高難度形狀的精密零件的制造,MIM工藝比較機械加工而言,其成本較低且效率高,具有很強的競爭力。

      MIM技術(shù)并非與傳統加工方法競爭,而是彌補傳統加工方法在技術(shù)上的不足或無(wú)法制作的缺陷。MIM技術(shù)可以在傳統加工方法制作的零件領(lǐng)域上發(fā)揮其特長(cháng)。MIM工藝在零部件制造方面所具有的技術(shù)優(yōu)勢可成型高度復雜結構的結構零件

      噴射成型工藝技術(shù)利用噴射機噴射成型產(chǎn)品毛坯,保證物料充分充滿(mǎn)模具型腔,也就保證了零件高復雜結構的實(shí)現。以往在傳統加工技術(shù)中先作成個(gè)別元件再組合成組件的方式,在使用MIM技術(shù)時(shí)可以考慮整合成完整的單一零件,大大減少步驟、簡(jiǎn)化加工程序。MIM和其他金屬加工法的比較制品尺寸精度高,不必進(jìn)行二次加工或只需少量精加工 噴射成型工藝可直接成型薄壁、復雜結構件,制品形狀已接近最終產(chǎn)品要求,零件尺寸公差一般保持在±0.1-±0.3左右。特別對于降低難于進(jìn)行機械加工的硬質(zhì)合金的加工成本,減少貴重金屬所加工損失尤其具有重要意義。制品微觀(guān)組織均勻、密度高、性能好

      在壓制過(guò)程中由于模壁與粉末以及粉末與粉末之間的摩擦力,使得壓制壓力分布非常不均勻,也就導致了壓制毛坯在微觀(guān)組織上的不均勻,這樣就會(huì )造成壓制粉末冶金件在燒結過(guò)程中收縮不均勻,因此不得不降低燒結溫度以減少這種效應,從而使制品孔隙度大、材料致密性差、密度低,嚴重影響制品的機械性能。反之噴射成型工藝是一種流體成型工藝,粘接劑的存在保障了粉末的均勻排布從而可消除毛坯微觀(guān)組織上的不均勻,進(jìn)而使燒結制品密度可達到其材料的理論密度。一般情況下壓制產(chǎn)品的密度最高只能達到理論密度的85%。制品高的致密性可使強度增加、韌性加強,延展性、導電導熱性得到改善、磁性能提高。效率高,易于實(shí)現大批量和規;a(chǎn)MIM技術(shù)使用的金屬模具,其壽命和工程塑料噴射成型具模具相當。由于使用金屬模具,MIM適合于零件的大量生產(chǎn)。由于利用噴射機成型產(chǎn)品毛坯,極大地提高了生產(chǎn)效率,降低了生產(chǎn)成本,而且噴射成型產(chǎn)品的一致性、重復性好,從而為大批量和規;I(yè)生產(chǎn)提供了保證。適用材料范圍寬,應用領(lǐng)域廣闊(鐵基,低合金,高速鋼,不銹鋼,克閥合金,硬質(zhì)合金)

      可用于噴射成型的材料非常廣泛,原則上任何可高溫澆結的粉末材料均可由MIM工藝造成零件,包括了傳統制造工藝中的難加工材料和高熔點(diǎn)材料。此外,MIM也可以根據用戶(hù)的要求進(jìn)行材料配方研究,制造任意組合的合金材料,將復合材料成型為零件。噴射成型制品的應用領(lǐng)域已遍及國民經(jīng)濟各領(lǐng)域,具有廣闊的市場(chǎng)前景。

    噴射成型制品的性能與成本分析

      MIM工藝采用微米級細粉末,既能加速燒結收縮,有助于提高材料的力學(xué)性能,延長(cháng)材料的疲勞壽命,又能改善耐、抗應力腐蝕及磁性能。

      MIM技術(shù)的應用領(lǐng)域包括:

      1.計算機及其輔助設施:如打印機零件、磁芯、撞針軸銷(xiāo)、驅動(dòng)零件

      2.工具:如鉆頭、刀頭、噴嘴、槍鉆、螺旋銑刀、沖頭、套筒、扳手、電工工具,手工具等

      3.家用器具:如表殼、表鏈、電動(dòng)牙刷、剪刀、風(fēng)扇、高爾夫球頭、珠寶鏈環(huán)、圓珠筆卡箍、刃具刀頭等零部件

      4.醫療機械用零件:如牙矯形架、剪刀、鑷子

      5.軍用零件:導彈尾翼、槍支零件、彈頭、藥型罩、引信用零件

      6.電器用零件:電子封裝,微型馬達、電子零件、傳感器件

      7.機械用零件:如松棉機、紡織機、卷邊機、辦公機械等;

      8.汽車(chē)船舶用零件:如離合器內環(huán)、拔叉套、分配器套、汽門(mén)導管、同步轂、安全氣囊件等

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