金属粉末注射成型设备和发展

金属粉末注射成型技术(Metal Injection Molding，简称MIM)是近年来粉末冶金学科和工业中发展最迅猛的领域，是现代先进的塑料注射成型技术和传统粉末冶金技术相结合而形成的一项新型粉末冶金近净型成形技术。

一、MIM成型技术MIM基本丁艺过程是：将微细的金属或陶瓷粉末与有机黏结剂均匀混合成为具有流变性的物质，采用先进的注射机注入具有零件形状的模腔形成坯件，新技术脱除黏结剂并经烧结，使其高度质密成为制品，必要时还可以进行后处理。

i亥技术不仅具有常规粉末冶金技术生产效率高，产品一致性好，少切削或无切削，经济高效的优点，而且克服r传统粉末冶金制品密度低，材质不均匀，力学性能低，不易成型薄壁复杂件的缺点，特别适合大批量、小型、复杂以及具有特殊要求的金属零部件的生产加工.该工艺技术在20世纪8O年代中期实现产业化以来，已获得突飞猛进的发展，注射成型的产品已遍及计算机信息产业、汽车摩托车产业、医疗卫生器械、家用电器、仪器仪表、机械制造、化工、纺织、国防军工等领域。

到目前为止，已有20多个国家和地区的几百家公司从事该工艺技术的产品开发、研制与销售工作，粉末注射成型工艺技术也因此成为新型制造业中开发最为活跃的前沿技术领域，被誉为世界粉末冶金领域中的开拓性技术，代表着粉末冶金技术发展的主方向。

该工艺的主要特点如下：(1)可成型复杂结构的零件该工艺技术利用注射机注射成型产品毛坯，保证物料充分充满模具型腔，也就保证了零件复杂结构的实现。

这一点是传统机械加工和常规粉末冶金工艺技术所无法比拟的，是注射成型工艺发展的坚强基础。

(2)注射成型制品尺寸精度高,注射成型工艺可直接成型薄壁、复杂结构件，制品形状已能够达到或接近最终产品要求，产品不必进行二次加工或只少罱精加工。

零件尺寸公差一般保持在±0．1％～±0．3％左右。

特别对于降低难于进行机械加工的硬质合金的加工成本，减少贵重金属的加工损失尤其具有重要意义。

(3)与传统粉末压制工艺相比注射成制品微观组织均匀，密度高，性能好。

二、连续烧结设备的必要性随着MIM技术的规模产业化，传统粉末冶金和注塑行业的通用生产设备以及各种专门的金属注射成型：工业生产设备已广泛应用于金属注射成型的产业化生产中。

企业对产业生产效率和设备自动化，加工连续化程度及设备性能要求的提高促进了金属注射成型产业化进程。

MIM产业的全面发展更需通过生产设备来提高企业的生产效率。

正确选择和掌握MIM生产过程中的各种设备，可提高产品的质量、产量以及劳动生产率，加速产业化发展。

目前，混合工序主要采用传统的双行星混料机、单螺杆挤出机、活塞挤压机、双螺杆挤出机、偏心轮混料器、z形叶轮混料器等，能够保证混料的均匀性与高效率。

注射工序也可以借鉴传统的注射设备，如双回路注射成型机、双模板注射机、无拉杆注射机、全自动注射机、电磁动态注射成型机等，都能够较好地满足充填的技术要求。

对于脱脂工序，由于脱脂是相关行业中以前从未涉及过的领域，其原理为：在保证注射成型所得的零件不变形的前提下，运用黏结剂中各种成分随着温度的升高不断的发生物理、化学变化的原理，逐渐变为气态或液态物质，脱离开注射成型毛坯，以达到把黏结剂脱出的目的。

因而，该工序在整个MIM技术中的地位得尤其的特殊和重要。

脱脂后的零件几乎没有任何强度，稍微有些振动都有可能使零件遭到破坏。

同时考虑脱脂、烧结阶段尽町能地减少零件重复加热造成的能源浪费，考虑将传统的脱脂、烧结、热处理等单一工序集成为综合工序，这样可以减少生产中不确定的因素，提高成型零件质量，也大大提高了生产效率。

综合工序的提出，便诞生了连续烧结设备的概念。

为了不使我国在激烈的同际竞争中落败，并占据国际行业的领先地位，积极地发展MIM 技术是十分必要的，尤其是对传统的单一工艺进行集成与综合，以形成有效的综合工艺，并尽快对综合上艺没备进行研发。

三、连续烧结设备及其控制技术大量的热脱脂研究表明，热脱脂的关键在于控制脱脂温度在低温阶段(150～350％)慢速升温(1~C／min)，不产牛变形或缺陷，所以要求真守脱脂炉具有良好的温度稳定性和均匀性。

真空热脱脂与气氛热脱脂相比，真空压力低，有利于黏结剂的挥发及分解物的排，所以脱脂速率大于常压下的气氛脱脂。

由于这一特点，使得MIM脱脂与其他相关工艺存在很大的差异，介绍市面上几种品牌的连续烧结设备。

各种烧结炉从操作方式上分有立式和卧式两种，立式烧结炉存在的缺点为容易在气氛存在的情况下温度上非常不均匀；卧式烧结炉存炉体的曲端也存在温度与内部温度偏差现象，这样使得烧结产品质节大打折扣。

脱脂烧结一体炉有以下六部分组成，捕集系统、真空系统、充气系统、外循环系统、电气控制部分和真空控制部分。

其炉体采用夹层水冷结构，炉胆由内向外分别由小锈钢波纹外隔热毡、锆毡、发热体和耐高温不锈钢波纹内隔热屏组成。

内隔热屏可防止脂类物质逸散到炉体其他部位，同时便于清理。

炉采用内封门，可有效地阻止热量的散失和脂类物质的逸散。

捕集系统由多级水冷碟片式捕集器、除脂罐、多级过滤器和起动阀组成。

脂类物质可顺畅地白：接流入到除脂罐内。

真空系统由两级真空系统组成，旋片式真空泵和罗茨泵可根据产品材料和脱脂要求的真空度选择使用。

充气系统可通过三个玻璃转于流量计摔制，实现宽流量调节。

外循环系统由密封的风机和热交换器组成，可实现快速冷却。

电气控制系统由炉温控制系统、真空控制系统、充气控制、冷却循环系统组成。

通过热电偶测定实际温度并与设定温度进行比较，改变电流及设备加热功率，实现温控，使得三个加热区同时升温，真空热脱脂通过在运行时不断地通入保护性气体，使内外炉膛形成一个较小的压力差，实现气体单向流动，有效地避免了脂类物质污染发热体和内炉膛因温差过大而变形，实现脱脂的目的随着金属注射成型技术的不断发展，其技术层面也越来越广，其中德国研制开发一种快速催化脱脂技术。

该技术对脱脂炉的要求较高，需要专门的耐酸性的脱脂设备，设计炉子时要考虑环保问题。

这种技术脱脂后的零件毛坯件强度很低，极易损坏(实际上任何脱脂后的毛坯件强度都不高)；并且在烧结前总会有黏结刺残留住毛坯件中。

这种情况下，减少产品的中问环节对提高产品成品率起到了相当重要的作用。

为了实现脱出黏结剂、脱除剩余黏结剂和烧结工序之问的真正连续操作，德国开发了MIM—MASTER催化脱黏和烧结系统。

此系统包括催化脱黏部分和连续烧结部分及其附属装置，包括废气烧除、气体对流干燥装置、旁路运输带、注酸系统、电气控制柜和全过程控制系统(PIC)。

连续催化脱脂部分设计为马弗式网带结构，采用Ni-Cr加热元件。

金属注射成型零件被放置到传送网带上，在预热带加热到一定的温度，这样，在通过脱黏结剂带时，酸就不会凝结在工件。

通过脱黏结剂带时，上件在载气(一般为氮气)和催化剂(常用硝酸)作用下脱出黏结剂。

炉内气氛流动方向很重要，在预热带，气氛流动方向与工件运动方向相同，直到进入废气烧除装嚣。

在脱出黏结剂带，炉内气氛流动方向与工件运动方向相反，保证已基本脱除黏结剂的零件能够遇到最高浓度的酸。

此炉的烧除装置尺寸可小于相同生产率的批料炉，因为废气足在整个脱除过程中期连续产生的，不会像批料炉那样，较大量的废气在一定的时期内产生，其烧除废气装置设计为两段式结构：第一阶段通人燃料气如天然气等，与甲醛(废气成分之一)共同作用，在欠氧的情况下燃烧，还原氮的氧化物和残余的硝酸；第二阶段，剩余的甲醛和燃料气与过量的空气混合充分燃烧，生成二氧化碳和水。

金属注射成型零件经过脱脂炉后，通过一条密封的横向传送带送入连续烧结炉。

零件在脱剩余的黏结剂和烧结过程中应避免振动，因此采用特殊设计的步进梁传送结构。

烧结部分主要分为升温、烧结、冷却三段。

升温段担负脱剩余黏结剂与预烧的作用，采用Ni-cr线圈作为加热元件，一般最高温度为800℃。

烧结带承担了主要的烧结作用，加热元件为丝，最高温度可达l600oC。

金属粉末注射成型零件在惰性或还原性气氛中进行烧结，生产中产生的废气由一个位于人口段的排气烟筒经燃烧后排出。

冷却带设计为双层壁式水冷结构，冷却水流速及冷却水温度均可以手动调节。

烧结质量虽然与各个工序都有关系，但是最主要的还是由温度的均匀性和烧结工艺的稳定性决定的。

所以，要求用于金属粉末注射成型的烧结设备具有非常好的温度均匀性，使得MIM产品达到各向同性收缩，从而减少烧结变形和提高产品精度；要求烧结炉密封性能好，漏气率小，保证所需温度和压力及气氛，从而实现烧结质密化；要求温度准确，控制灵敏，可实现MIM产品稳定的批量化生产。

并且，目前国内生产的烧结炉主要问题是温度控制精度不高，这样在生产过程中难以确定稳定的生产工艺。

德国生产的连续性烧结炉在控制精度上都是走在同行业最前沿的，同样也存在着弊端，高度自动化的设备要求操作十分规范．稍有差错就会耽误整个设备的运转，造成的损失也是巨大的。

另外，脱脂烧结过程中产生的脂类废弃物质很容易依附在炉内各元部件上，对设备的性能也会造成很大的影响。

从整体上看该烧结炉尽管也实现了脱脂、烧结的综合，但仍存在着温度控制不够灵活，脱脂与烧结之间的预热段压力不稳等问题，也没有考虑与后续热处理进行综合的口行性。

综上所述，连续烧结设备的理想目标为：(1)融合传统的单一工序，实现脱脂、烧结、热处理等工序的综合。

增加热处理功能段，在烧结后对零件直接进行热处理，可以大大节省生产成本，降低生产周期，同时更能保证生产质量。

(2)实现脱脂区域和高温烧结区域温度及产品在区域内停留时间等的灵活控制，这样可以满足有不同工艺要求的各类产品生产需要，同时也可以改善因控制不灵活而耽误生产的状况。

(3)提高设备自动化控制与自调节能力，提高设备运行可靠性，降低操作人员劳动强度，提高生产效率。

四、结论通过对MIM成型工艺过程的分析以及粉未注射成型零件特点的分析，应将传统脱脂、烧结乃至后处理等单一工序融合为综合工序的必要性，并给出了连续烧结设备的结构与控制模式。