當(dāng)代金屬注射成形技術(shù)

1、前言

金屬注射成形(MetalInjectionMolding，簡稱MIM)是一種從塑料注射成形行業(yè)中引伸出來的新型粉末冶金近凈成形技術(shù)，其基本工藝過程為:首先是選擇符合MIM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形喂料，經(jīng)制粒后在注射成形機上注射成形，獲得的成形坯經(jīng)過脫脂處理后燒結(jié)致密化成為最終成品。金屬注射成形技術(shù)在制備具有復(fù)雜幾何形狀、均勻組織結(jié)構(gòu)和高性能的高精度近凈形產(chǎn)品方面具有獨特的優(yōu)勢。凡可以制成粉末的任何金屬或合金均可用此方法制造零件。此外，該技術(shù)可以完全實現(xiàn)自動化連續(xù)作業(yè)，生產(chǎn)效率高。MIM工藝發(fā)展的主要影響因素是MIM粉末的生產(chǎn)方法和MIM工藝的發(fā)展。本文首先簡單介紹了MIM產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r，然后綜合分析了目前MIM粉末的生產(chǎn)方法和MIM各種主要工藝的發(fā)展。

2、MIM產(chǎn)業(yè)狀況

1973年Wiech等人組建了Parmatech公司，當(dāng)時MIM還處于萌芽狀態(tài)，鮮為人知。直到1979年，其產(chǎn)品在國際粉末冶金大會產(chǎn)品設(shè)計大賽中獲兩項大獎才引起粉末冶金工業(yè)界的注意。Parmatech轉(zhuǎn)讓了他們的幾項專利后，MIM公司紛紛建立起來。1980年Wiech組建Witec公司，1982年Brunswick公司進(jìn)入MIM行業(yè)，并收購了Witec公司，其后又逐步注冊了Omark工業(yè)、Remington軍品、Rocky牙科等子公司。1986年，日本NipponSeison引進(jìn)了Wiech工藝。1990年以色列Metalor2000公司從Parmatech公司引進(jìn)了MIM工藝技術(shù)，建立了MIM生產(chǎn)線。到1997年底，全球共有約300家以上的公司和機構(gòu)從事MIM技術(shù)的研究、開發(fā)、生產(chǎn)和咨詢業(yè)務(wù)，最近幾年的MIM產(chǎn)業(yè)的年增長率為22%。到1999年底，全球MIM產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將為10億美元(目前傳統(tǒng)粉末冶金為15億美元，先進(jìn)陶瓷為6億美元)，到2010年預(yù)計為20億美元。

3、MIM粉末制備工藝

MIM要求原料粉末很細(xì)(～10μm)，以保證均勻的分散度、良好的流變性能和較大的燒結(jié)速率，因此MIM原料粉末的價格約為傳統(tǒng)PM粉末價格的10倍，這是目前限制MIM技術(shù)廣泛應(yīng)用的一個關(guān)鍵因素。理想的MIM用粉末為:粉末粒度2～8μm，松裝密度40%～50%，搖實密度50%以上;粉末顆粒為近球形，比表面大。目前生產(chǎn)MIM用粉末的方法主要有羰基法、高壓氣體霧化法、超高壓水霧化法、等離子體霧化法、層流霧化法和粉體包覆法等。

3.1羰基法

MIM最早使用的粉末是用羰基法生產(chǎn)的。德國BASF和美國ISP公司是世界上兩個主要的羰基粉末供應(yīng)商。該方法以Fe(Co)為原料，將其加熱蒸發(fā)。在催化劑如分解氨的作用下，氣態(tài)Fe(Co)分解得到鐵粉，這種方法制得的鐵粉具有球形度好、接近單一粒度分布、低孔隙度、高純度等特點。針對MIM鐵基制品燒結(jié)中控碳問題，德國BASF公司提供不同碳氧含量差值的粉末，包括OM、OS、ON等多種規(guī)格的MIM用羰基鐵粉。最近該公司又開發(fā)出一種在粉末表面涂覆了1%SiO2小粒子的羰基鐵粉(牌號CC)以增強粉末流動性能，并于1999年開始投放市場。

3.2高壓氣體霧化法

氣體霧化法生產(chǎn)的粉末搖實密度高，流動性好，所需添加粘結(jié)劑量少，且用惰性氣體霧化所得粉末的殘留氣體含量比水霧化粉至少低一個數(shù)量級。但是一般氣體霧化粉顆粒較粗，約為40～50μm，能適合MIM要求的細(xì)粉量很少。英國Osprey公司和PSI公司為此對噴嘴進(jìn)行改進(jìn)，采用高壓氣體霧化，使得適合MIM用的細(xì)粉產(chǎn)出率大大提高。Osprey公司用高壓氬氣和氮氣(壓力高達(dá)5MPa)生產(chǎn)的不銹鋼粉末中有75%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的粉末粒度小于20μm，大大高于常規(guī)氣霧化法的20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，其平均粒度為14μm。該公司還用該法生產(chǎn)了高速鋼、工具鋼粉以及磁性合金粉等。據(jù)Osprey公司稱，這種高壓氣霧化MIM粉價格主要取決于生產(chǎn)規(guī)模大小，在大規(guī)模生產(chǎn)的情況下，該法生產(chǎn)的粉末價格甚至可以與高壓水霧化法抗衡。

3.3超高壓水霧化法

日本的PAMCO、KobeSteel發(fā)展一種超高壓水霧化法，該法能夠較為經(jīng)濟(jì)地大量生產(chǎn)MIM用金屬和合金粉末。PAMCO公司有一臺30tAOD爐和一臺30tSKF-ASEA爐，采用1500MPa高壓水流霧化，大量生產(chǎn)MIM水霧化粉末。PAMCO針對水霧化粉形狀不規(guī)則、搖實密度低、氧含量高等缺點，作了很多改進(jìn)。目前其316L水霧化不銹鋼粉搖實密度已達(dá)到4131g/cm3，比表面積也降至0118m2/g，氧含量為2900×10-6。KobeSteel則采用其獨特的V型射流噴嘴生產(chǎn)MIM水霧化粉。

3.4等離子體霧化法

加拿大PyroGenesis公司和LTEE公司開發(fā)了一種等離子體霧化法，主要生產(chǎn)各種用于MIM的鈦及其他各種高活性粉末。該方法采用鈦金屬線材為原料，采用等離子噴嘴射出的高速的高溫等離子氣體作為霧化介質(zhì)。由于采用金屬線材為原料，并且采用同軸向成20°～40°的3個等離子噴嘴，使得金屬原料的喂入和熔化、霧化在同一步驟完成，保證了粉末的球形度，并且避免了熔融鈦水包的操作困難。除了生產(chǎn)MIM用鈦粉外，這兩家公司還生產(chǎn)Ti-6Al-4V、Cu、Al、Mo、IN718、Ni-Cu、Ni粉等。該方法所生產(chǎn)的粉末流動性能好，填充密度高。并且該方法是目前唯一能批量生產(chǎn)細(xì)小球形的高活性金屬粉末的方法。但由于采用金屬線材為原料，導(dǎo)致生產(chǎn)率較低，粉末成本較高。

3.5層流霧化法

德國Nanoval公司開發(fā)出了一種獨特的氣霧化技術(shù)，基本思路是應(yīng)用自穩(wěn)定的、嚴(yán)格成層狀的氣流，使熔化的金屬平行流動。熔化了的金屬從拉瓦爾噴嘴的入口到最窄處被氣體壓縮而迅速加速(從幾m/s到音速)，氣體為獲得穩(wěn)定而呈層狀流動。在最窄處以下，氣流被快速壓縮，加速至超音速，在氣液流界面由于剪切應(yīng)力，金屬熔體絲以更高的速度變形，最終不穩(wěn)定而破裂成許多更細(xì)的絲，最終凝結(jié)成細(xì)小粉末。該技術(shù)可直接生產(chǎn)許多適合于MIM的貴金屬粉，特殊牌號的不銹鋼粉和高速鋼粉，銅基合金粉和超合金粉等，該公司產(chǎn)品粉末粒度約為10μm，其中20μm粒度以下的粉末約占90%。

3.6粉體包覆法

美國Powdermet公司和AdvanceCe2ramics公司發(fā)展了一種粉體包覆法制備MIM粉末。采用循環(huán)快速流化床反應(yīng)器制備包覆粉末。采用粉體包覆法可以避免粉末預(yù)混合過程中的不均勻。對于Fe-Ni低合金鋼，采用該種方法鎳分布非常均勻，能夠有效減少殘余奧氏體的含量，避免在使用過程中發(fā)生奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變。另外，對于不銹鋼和工具鋼，可以包覆微量硼，提高燒結(jié)致密化性能，這樣有可能使用較粗的不銹鋼粉末進(jìn)行MIM生產(chǎn)，而能保持制品的高密度。而且，采用包覆法生產(chǎn)的MIM粉末在脫脂過程中保形性能較好。

4、幾種代表性的MIM工藝

4.1Wiech工藝

Wiech工藝以Wiech于1980年發(fā)明的專利為代表，并經(jīng)過幾次改進(jìn)。Wiech工藝基本粘劑體系由石蠟和熱塑性樹脂組成。粘結(jié)劑與粉末在“Z”或“Σ”型葉片剪切裝置上混合。脫脂最初采用二步法，首先將MIM成形坯置于一真空容器內(nèi)，將其加熱到粘結(jié)劑的的流動溫度或高于這個溫度，然后將溶劑以氣態(tài)形式緩慢地加入成形坯所在的容器內(nèi)。氣態(tài)溶劑進(jìn)入成形坯溶解粘結(jié)劑，溶解到一定程度，粘結(jié)劑的溶劑溶液會從成形坯中滲出。將已脫除了大部分粘結(jié)劑的成形坯再浸入液態(tài)溶劑中除去剩余的部分粘結(jié)劑。最后將成形坯預(yù)熱以除去殘留的部分粘結(jié)劑和部分溶劑，并進(jìn)行燒結(jié)得到成品。此工藝僅氣態(tài)溶劑脫脂就需3天時間，脫脂效率很低。且由于脫脂溫度高于粘結(jié)劑流動溫度，變形較嚴(yán)重。該工藝后來改為全部采用熱分解脫脂，脫脂時間減少很多。在MIM產(chǎn)業(yè)的最初發(fā)展中，大多數(shù)公司都采用Wiech工藝，直到現(xiàn)在仍有部分公司采用Wiech工藝進(jìn)行生產(chǎn)，但Wiech工藝存在注射生坯應(yīng)力大，容易開裂變形等問題，難于生產(chǎn)尺寸稍大的零件。

4.2Injectamax工藝

美國AMAXMetalInjectionMolding公司的Johnson于1988年發(fā)明了Injectamax工藝，該工藝的主要優(yōu)點在于其粘結(jié)劑由石蠟、植物油和聚合物組成。植物油在注射和冷卻時均為液態(tài)，使得注射成形前后成形坯體積變化不大，緩和了成形坯中的內(nèi)應(yīng)力。脫脂時選用一種溶劑如三氯乙烷有選擇地首先溶解脫除植物油和石蠟，而不溶性組元則不溶解。這樣打開孔隙通道，然后再利用熱脫脂除去剩余的粘結(jié)劑。整個脫脂工藝過程時間短，只需6h，是一種較快的脫脂方法。這種溶劑脫脂+熱脫脂兩步法由于簡單、投資少和高效率，是目前大多數(shù)MIM公司和生產(chǎn)廠家所采用的生產(chǎn)方法。

4.3Metamold法

Metamold法是由德國BSAF公司的Bloemacher等于90年代初開發(fā)出來的MIM催化脫脂工藝。該法的主要技術(shù)特點是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。采用長鏈聚醛樹脂作為粘結(jié)劑，利用聚醛樹脂的極性連接金屬粉末，可以適合于很廣泛的粉末種類范圍。聚醛樹脂在酸性氣氛催化作用下分解為甲醛，這種分解反應(yīng)在110℃以上快速發(fā)生，是一種直接的氣固轉(zhuǎn)變。最初BASF公司采用硝酸作為催化劑，這種催化脫脂在低于聚醛樹脂的軟化溫度下進(jìn)行，避免了液相的生成，有利于控制生坯變形，保證了燒結(jié)后的尺寸精度。催化脫脂在氣氛2粘結(jié)劑的界面進(jìn)行，在成形坯內(nèi)部沒有氣體存在，反應(yīng)界面的推進(jìn)速度可達(dá)到1～4mm/h。BASF公司后來又開發(fā)了用草酸作為催化劑的新方法，采用草酸作為催化劑，使之能應(yīng)用于硬質(zhì)合金和陶瓷，擴大了Metamold法的適用范圍。Metamold法的一個重要特點是采用催化劑脫脂，脫脂時不出現(xiàn)液相，避免了MIM產(chǎn)品容易發(fā)生變形和尺寸精度控制困難的弱點，是MIM產(chǎn)業(yè)的一個重大突破，并且由于是催化脫脂，大大縮短了脫脂時間，從而降低了成本。并且應(yīng)用Metamold法能生產(chǎn)較大尺寸的MIM零件。采用CREMER公司的連續(xù)脫脂和燒結(jié)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，使得MIM真正成為了一種具有競爭力的PM近凈形技術(shù)。不過這種方法存在酸性氣氛腐蝕設(shè)備、廢氣處理等問題，且一次設(shè)備投資成本相對較高。

4.4PPIM工藝

美國ThermalPrecisionTechnology公司的Hens開發(fā)了一種稱之為精密金屬粉末注射成形的新工藝———PPIM工藝。該公司聲稱采用該工藝可以將MIM技術(shù)推進(jìn)到一個低成本、高精度、高成品率和對環(huán)境適應(yīng)的新時代。PPIM工藝的主要技術(shù)特色體現(xiàn)在兩方面，一方面是采用水溶性粘結(jié)劑。該粘結(jié)劑以聚乙二醇(PEG)為第一組元，采用交聯(lián)聚合物如聚乙烯醇縮丁醛(PVB)為第二組元。這樣脫脂可以分為兩步，首先采用水溶解法去除PEG，此時PVB保持為交聯(lián)固態(tài)。另一方面PPIM工藝采用經(jīng)過調(diào)配的寬粒度組成的金屬粉末，采用粗粉、細(xì)粉搭配，使得喂料中粉末的裝載量提高，對于不銹鋼粉末可達(dá)到74%(體積分?jǐn)?shù))，大大減少了尺寸收縮。由于這兩方面的改進(jìn)，采用PPIM工藝，產(chǎn)品尺寸精度可達(dá)到±011%，這是目前所有MIM工藝中尺寸精度最高的一種。

5、結(jié)語

金屬注射成形作為一種新型的金屬零部件近凈形成形技術(shù)，近年來得到了飛速的發(fā)展，其特點是:一方面，新的制粉方法、新的粘結(jié)劑體系、新的工藝不斷涌現(xiàn)，另一方面，該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化過程極其迅速，全球MIM產(chǎn)品的銷售量年增長率一直保持在20%～40%。今后，MIM技術(shù)研究和發(fā)展的主要方向是:

(1)開發(fā)高效、低成本的適合MIM工藝的金屬粉末生產(chǎn)技術(shù);

(2)建立粘結(jié)劑設(shè)計基本原理和數(shù)據(jù)庫，研究開發(fā)環(huán)境適應(yīng)性更好、工藝性更好的新型粘結(jié)劑體系;

(3)建立注射成形過程流動和充模過程計算機模擬與仿真技術(shù)，為模具和模架設(shè)計奠定理論基礎(chǔ);

(4)研究較粗粉末強化燒結(jié)技術(shù)，以提高粉末利用率，降低MIM產(chǎn)品的原材料成本，增強與其他成形技術(shù)的市場競爭力;

(5)大力開展金屬注射成形技術(shù)的宣傳、教育培訓(xùn)工作，溝通產(chǎn)品設(shè)計、應(yīng)用和生產(chǎn)部門的關(guān)系，促進(jìn)MIM技術(shù)的實際應(yīng)用。