金属注射成型综述要点

河南工程学院

《机械工程材料与成形工艺》考查课

专业论文

金属注射成型

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201 年月日

摘要

金属注射成形(Metal Injection Molding,简称MIM)是一种从塑料注射成形行业中引伸出来的新型粉末冶金近净成形技术,众所周知,塑料注射成形技术低廉的价格生产各种复杂形状的制高、耐磨性好的

制品，近年来，这一想法已发展演变为最大限度地提高固体粒子的含量并且在随后的烧结过程中完全除去粘结剂并使成形坯致密化。这种新的粉末冶金成形方法称为金属注射成形。金属注射成形的基本工艺步骤是：首先是选取符合MIM要求的金属粉末和粘结剂，然后在一定温度下采用适当的方法将粉末和粘结剂混合成均匀的喂料，经制粒后在注射成形，获得的成形坯经过脱脂处理后烧结致密化成为最终成品。

关键词：金属注射成形粘结剂脱脂烧制

一、金属粉末注射成型的发展现状及现状

1. 国外概况

金属粉末注射成型工艺技术的开拓者是美国的Parmatech公司。该公司的航天燃料专家Wiech博士于1973年发明了MIM技术。以Riverst和Wiech于70年代发明的专利为起点，开始了金属粉末注射成形技术。Parmatech于70年代末注射成型铌火箭喷嘴获得MPIF 奖。但由于该技术的独特优点和先进性，被美国列为不对外扩散技术加以保密，直到1985年才向全世界公布这一技术，而在这期间美国国内的MIM技术得以成熟并迅速发展形成产业化。该项技术向世界披露后得到世界各国政府、学术界、企业界的广泛重视，并投入了大量人力物力和财力予以开发研究。其中日本在研究上十分积极而且表现突出，许多大型株式会社参与了MIM技术的工业化推展。目前日本有四十余家企业从事MIM制品的生产，每家公司的利润都十分可观。2000年世界粉末冶金会议在日本召开，并专门设立了MIM技术论坛。继日本快速发展之后，台湾、韩国、新加坡、欧洲和南美的MIM产业也雨后春笋般的发展起来，其中德国的BASF公司以其独特的黏结剂配方成立了专门的MIM产品喂料生产线，在全世界范围内进行技术辅导和喂料的销售，获得了较大的商业利润。

德国BASF公司的Bloemacher于90年代初开发的MIM工艺成为MIM实现产业化的一个重大突破。它采用聚醛树脂作为粘结剂,并在酸性气氛中快速催化脱脂,不仅大大缩短了脱脂时间,而且这种催化脱脂能在低于粘结剂的软化温度下进行,避免了液相的生成,有利于

控制生坯的变形,保证了烧结后的尺寸精度。同时,由于利用了聚醛树脂极性连接金属粉末,故适合于多种粉末的注射。这种工艺不仅大大降低了生产成本,提高了生产率,并且可生产尺寸较大的零件和制品,扩大了MIM的应用范围,从而使MIM真正成为一种具有竞争力的PM近净成型技术。作为该项技术的发明国美国。MIM技术已经广泛的应用于航天、摩托车、汽车、医疗器械、食品机械、计算机、通信设备、五金工具、仪器仪表、钟表等各个制造行业，MIM企业也因此赚了个盆满钵满。据粉末冶金协会粗略统计和预测，全球MIM产品的销售量正在以每年30％-40％的速度递增。预计到2010年平均年销售量将超过24亿美元。

2．国内状况

中国MIM技术的产业化发展只有不到十年的时间，技术的研究始于八十年代末，从事研究开发的单位不足l0家，虽然黏结剂各有不同，但都取得了可喜的成果，有的已经达到国际先进水平．而在MIM 技术的应用及产业化方面与国外相比存在一定的差距。原因有以下几个方面：

(1)中国1956年才开始粉末冶金的发展，基础实力薄弱。

(2)机械制造业与发达国家相比落后，工程技术人员的开发能力不足。

(3)国内技术人员对MIM技术的认识程度不够，制约了MIM技术的推广。

金属粉末射出成形(Metal powder Injection Molding)在中国的发展﹐可以说受惠于手机产业的带动﹐从2009年开始整个行业便扶摇直上；尤其到了2011年中后﹐更因为受到美商苹果计算机与韩商三星电子两家的商品竞争﹐在手持装置中大量采用MIM零件﹐是过去从未见到的热潮。当然﹐其他方面的应用﹐MIM技术和产品更是不惶多让﹐包含：汽车燃料喷射系统、航空器的侦测系统(高空恶劣环境侦测如：温度、高度与空气氧气浓度)、乐器零组件、电子用散热模块与热管密封模块、电子连接器工具机零件、光纤接头、喷雾嘴、硬式磁盘驱动器零件、药用容器与装置、电动手工具零件、泵浦磨耗件、外科医疗器械及运动器材。这些零件都是MIM逐步拓展的市场。

我们可以从台湾与大陆MIM制造商增加速度来看﹐从2009年不到50家﹐到2013年现在﹐突破100家的速度﹐平均机台数量至少为达到12 : 4 = 射出成形机台数: 烧结炉线数﹐甚至要更高的﹐这些惊人的发展意味着MIM行业的正在中国快崛起。

二、现行国际与国内MIM工艺流程演进

现行中国的MIM行业受到早期BASF的射料的影响﹐酸脱催化烧结的方式一直难有突破﹐主要在于专用材料的调整性极乎其微﹐这是国际上的主流虽然一致﹐但是缺乏了弹性将导致中国MIM产业无法创新。所幸BASF的催化脱黏专利已经到期﹐且BASF愿意在特定合约下提供更低价的原料﹐加上国内中南大学与华南理工的研究突

破﹐在网络上公布了几篇研究报告﹐以塑基配方(相仿于BASF配方)也渐渐被应用﹐我们可以说目前中国境内的MIM技术应该是世界的前锋。同时﹐因为世界工厂的地位﹐MIM产品结合其他手段的二次处理和加工﹐更是大大的向前迈进。这是很有趣的技术整合﹐以MIM 制作近净型(Near net shape)的“精坯“(Advanced sinter part)﹐随后加以冲压、切边、整型、抛光甚至激光蚀刻等等﹐有许多令人惊艳的成绩！因此﹐我认为中国引领世界MIM技术的潮流﹐成MIM混合式整合技术(Hybrid and integration process with MIM)﹐大大提升金属零件加工的效率﹐以及节省大量能源而努力。国内MIM产业的挑战金属粉末原材料国产的金属粉末因为质与量的关系﹐一直没有办法突破﹐这必须要结合国内MIM产业与学校一起合作﹐如何做出质量稳定而且是大批量的金属粉末﹐我想关键在于理解MIM用金属粉末和传统PM用金属粉末两者是截然不同﹐这点必须强调对于粉体科学得研究和开发﹐还要加油！

三、3MIM粉末及制粉技术

1. 3MIM粉末

MIM对原料粉末要求较高,粉末的选择要有利于混炼、注射成形、脱脂和烧结，而这往往是相互矛盾的，对MIM原料粉末的研究包括：粉末形状、粒度和粒度组成、比表面等。由于MIM原料粉末要求很细，MIM原料粉末价格一般较高，有的甚至达到传统PM粉末价格的10倍，

这是目前限制MIM技术广泛应用的一个关键因素，目前生产MIM用原料粉末的方法主要有羰基法、超高压水雾化法、高压气体雾化法等。

2. 粘结剂

粘结剂是MIM技术的核心，在MIM中粘结剂具有增强流动性以适合注射成形和维持坯块形状这两个最基本的职能，此外它还应具有易于脱除、无污染、无毒性、成本合理等特点，为此出现了各种各样的粘结剂，近年来正逐渐从单凭经验选择向根据对脱脂方法及对粘结剂功能的要求，有针对性地设计粘结剂体系的方向发展。

粘结剂一般是由低分子组元与高分子组元再加上一些必要的添加剂构成。低分子组元粘度低，流动性好，易脱去；高分子组元粘度高，强度高，保持成形坯强度。二者适当比例搭配以获得高的粉末装载量，最终得到高精度和高均匀性的产品。通常采用的粘结剂主要有：热塑性体系（石蜡基、油基和热塑性聚合物基）、凝胶体系、热固性体系和水溶性体系。

3. 混炼

混炼是将金属粉末与粘结剂混合得到均匀喂料的过程。由于喂料的性质决定了最终注射成形产品的性能，所以混炼这一工艺步骤非常重要。这牵涉到粘结剂和粉末加入的方式和顺序、混炼温度、混炼装置的特性等多种因素。这一工艺步骤目前一直停留在依靠经验摸索的水平上，最终评价混炼工艺好坏的一个重要指标就是所得到喂料的均

匀和一致性。

MIM喂料的混合是在热效应和剪切力的联合作用下完成的。混料温度不能太高，否则粘结剂可能发生分解或者由于粘度太低而发生粉末和粘结剂两相分离现象，至于剪切力的大小则依混料方式的不同而变化。MIM常用的混料装置有双螺旋挤出机、Z形叶轮混料机、单螺旋挤出机、柱塞式挤出机、双行星混炼机、双凸轮混料机等，这些混料装置都适合于制备粘度在1-1000Pa·s 范围内的混合料。

混炼的方法一般是先加入高熔点组元熔化，然后降温，加入低熔点组元，然后分批加入金属粉末。这样能防止低熔点组元的气化或分解，分批加入金属粉可防止降温太快而导致的扭矩急增，减少设备损失。

对于不同粒度粉末搭配时的加料方式，日本专利介绍：先将较粗的15-40um水雾化粉加入粘结剂中，然后加入5-15um粉，最后加入粉度≤5um粉，这样得到的最终产品的收缩变化很少。

为了在粉末周围均匀涂覆一层粘结剂，还可将金属粉末直接加入到高熔点组元中，再加入低熔点组分，最后去除空气即可。如Anwar 将PMIMA悬浮液直接加入到不锈钢粉中混合，然后将PEG水溶液加进去，干燥，然后边搅边除去空气。

O'connor采用溶剂混合，先将SA与粉干混再加入四氢呋喃溶剂，然后加入聚合物，四氢呋喃在受热中逸去后，再加入粉末混合，可得到均匀的喂料。

4. 注射成形

注射成形的目的是获得所需形状的无缺陷、颗粒均匀排由的MIM 成形坯体。如图1所示，首先将粒状喂料加热至一定高的温度使之具有流动性，然后将其注入模腔中冷却下来得到所需形状的具有一定刚性的坯体，然后将其从模具中取出得到MIM成形坯。这个过程同传统塑料注射成形过程一致，但由于MIM喂料高的粉末含量，使得其注射成形过程在工艺参数上及其它一些方面存在很大差别，控制不当则易产生各种缺陷。

MIM产品可能的缺陷大部分是在注射成形步骤中形成，如裂纹、孔隙、焊缝、分层、粉末与粘结剂分离现象等。但这些缺陷经常是直至脱脂和烧结后由于注射时产生的应力被释放后才能发现，因此，注射成形工艺的控制对提高产品成品率和材料利用率非常关键。

注射成形时缺陷控制问题基本可以分为二个方面，一是成形温度、压力、时间三者函数关系设定，另一方面则是填充时喂料在模腔中的流动就牵涉到模具设计的问题，包括在进料口的位置、流道的长短、排气孔的设置等，这些都需要对喂料流变性质、模腔内温度和残余应力分布清楚的了解。计算机模拟技术在金属粉末注射成形模具设计方面将可发挥重要的作用。

5. 脱脂

从MIM技术产生以来，随着粘结剂体系的不同，形成了多种MIM 工艺路径，脱脂方法也多种多样。脱脂时间由最初的几天缩短以了现在的几小时。从脱脂步骤上可以粗略地将所有的脱脂方法分为两大类：一类是二步脱脂法。二步脱脂法包括溶剂脱脂+热脱脂，虹吸脱脂——热脱脂等。一步脱脂法主要是一步热脱脂法，目前最先进的是amaetamold法。下面分别介绍几种有代表性的MIM脱脂方法。

6. 烧结

烧结是 MIM工艺中的最后一步工序，烧结消除了粉末颗粒之间的孔隙．使得 MIM产品达到全致密或接近全致密化。金属注射成形技术中由于采用大量的粘结剂，所以烧结时收缩非常大，其线收缩率一般达到13％－25％，这样就存在一个变形控制和尺寸精度控制的问题。尤其是因为MIM产品大多数是复杂形状的异形件，这个问题显得越发突出，均匀的喂料对于最终烧结产品的尺寸精度和变形控制是一个关键因素。高的粉末摇实密度可以减小烧结收缩，也有利于烧结过程的进行和尺寸精度控制。对于铁基和不锈钢等制品，烧结中还有一个碳势控制问题。由于目前细粉末价格较高，研究粗粉末坯块的强

化烧结技术是降低粉末注射成形生产成本的重要途径，该技术是目前金属粉末注射成形研究的一个重要研究方面。

MIM产品由于形状复杂，烧结收缩大，大部分产品烧结完成后仍需进行烧结后处理，包括整形、热处理（渗碳、渗氮、碳一氮共渗等），表面处理（精磨、离子氮化、电镀、喷丸硬化等）等。

金属注射成形技术在制备具有复杂几何形状、均匀组织结构和高性能的高精度近净形产品方面具有独特的优势。凡可以制成粉末的任何金属或合金均可用此方法制造零件。此外,该技术可以完全实现自动化连续作业,生产效率高。 MIM工艺发展的主要影响因素是MIM 粉末的生产方法和MIM工艺的发展。

金属注射成形作为一种新型的金属零部件近净形成形技术,近年来得到了飞速的发展,其特点是:一方面,新的制粉方法、新的粘结剂体系、新的工艺不断涌现,另一方面,该技术产业化过程极其迅速,全球MIM产品的销售量年增长率一直保持在20%~40%。今后,MIM技术研究和发展的主要方向是:

(1)开发高效、低成本的适合MIM工艺的金属粉末生产技术;

(2)建立粘结剂设计基本原理和数据库,研究开发环境适应性更好、工艺性更好的新型粘结剂体系;

(3)建立注射成形过程流动和充模过程计算机模拟与仿真技术,为模具和模架设计奠定理论基础;

四、金属注射成形技术的发展方向

近年来金属注射成形技术主要朝两个方向发展：适用材料体系的扩展，满足独特的粘结剂及脱脂技术而开发的高可靠性生产装备。表现为如下几个特点：

１、材料体系的多方向拓展。注射成形技术是比较理想的、能够经济地成形、接近最终需要形状，烧结后需少量或不需要后续加工的近净成形技术，这在精密陶瓷化的工业化生产应用中变得愈来愈重要。在精密陶瓷的生产方面主要应用到碳化物、金属陶瓷、无机非金属陶瓷、氧化物陶瓷、金属间化合物等方面。以氧化锆陶瓷光纤插针为例，采用注射成形技术制备生坯可以大大缩短后续加工时间。由于在模腔中成形的毛坯已带有一定精度的通孔，后续的研磨工艺减少到挤压成形的三分之一到四分之一，从而使生产效率提高，生产成本大幅度降低。

２、粘结剂多样化及脱脂技术的多途径化。以醋酸纤维脂、聚乙二醇聚合物、丙烯酸聚合物、琼脂为基体的诸多粘结剂体系得到进一步的发展应用。计算机辅助控制热脱脂技术、溶剂脱脂技术、催化脱脂技术，以及冷冻干燥技术、微波辅助干燥技术都被用于粘结剂的脱脂研究。而这些技术的成功应用，一方面极大地缩短了脱脂时间（从数天到几小时），另一方面也实现了对脱脂过程中容易产生易挥发产物的聚合物分解副反应的控制，从而更有效地消除了脱脂过程中缺陷的形成。

３、更先进、控制更精确的装备。以计算机精密控制注射成形机及相关在线质量监测控制系统的研究和计算机辅助脱脂关键装备技

术的开发是目前及今后关注的重点方向。成形设备如粉末同步注射成形机，利用控制协调的双筒注射机生产复合材料零部件。可以预见，随着人们对金属注射成形的进一步研究、开发和应用，ＭＩＭ技术将在不远的将来真正成为一种可以与机加工、精密铸造、压制／烧结工艺平行发展的一种具有吸引力的近净成形技术，会被越来越多的零件设计人员所了解和接受，满足国家通迅、机械、医疗、航空航天等行业等领域对高性能异形关键零部件的需求，将我国的零部件加工制造业提高到一个崭新的水平。

五、MIM技术走产业化道路

1.MIM介绍

MIM技术实际上是塑料工艺与传统粉末冶金相结合的全新技术，此工艺可以称为高新技术与传统产业的合理嫁接，由于此工艺对小型，精密复杂零件来讲极大地提高了生产效率，降低了成本。有效地利用原材料．无环境污染，已经引起了政府的高度重视，属国家扶持的高新技术范畴。国际著名公司来我国采购越来越多．无疑中国将成为国际金属零部件加工的集散地，这为MIM产品的出口创汇创造了条件和市场空间。同时随着高新技术的不断发展和未来产品的小型化智能化的发展，必将迎来小型零部件加工快速发展的时期。中国汽车行业的发展和粉末冶金件在汽车零部件上的使用，MIM产品又具有其优良的机械性能，相信MIM产品将在汽车零部市场大显身手。综上所述，MIM技术作为新型制造业中最为活跃的前沿技术，被誉为世界粉末冶

金行业开拓性技术，代表着粉末冶金的发展方向，在中国必将迅速发展。

2．发展方向

MIM是一种难成形小型材料制品的成型技术，为新产品开发，新材料研制提供了又一途径，不断开发新的原料粉末的制造方法，新的粘接剂种类、配方及相关的流变学等基础研究，改进工艺流程、降低成本，专用设备的国产化等，是MIM技术发展的方向。

六、参考文献

【1】柳秉毅.材料成型工艺基础. 北京高等教育出版社

【2】施江澜.材料成型技术基础. 北京机械工业出版社

【3】王英杰.金属工艺学北京高等教育出版社

【4】谢建新.材料加工新技术与新工艺北京冶金工业出版社【5】杜丽娟.工程材料成形技术基础北京电子工业出版社