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      金屬粉末注射成型工藝(MIN)特殊過程控制要求
      來源: | 作者:天悅MIM | 發布時間: 2020-01-11 | 702 次瀏覽 | 分享到:

      金屬粉末注射成型工藝(MIM)特殊過程控制要求

      一、金屬粉末注射成型的概念和原理

      粉末冶金不僅是一種材料制造技術,而且其本身包含著材料的加工和處理,它以少無切削的特點越來越受到重視,并逐步形成了自身的材料制備工藝理論和材料性能理論的完整體系?,F代粉末冶金技術不僅保持和大大發展了其原有的傳統特點(如少無切削、少無偏析、均勻細晶、低耗、節能、節材、金屬非金屬及金屬高分子復合等),而且已發展成為支取各種高性能結構材料、特種功能材料和極限條件工作材料、各種形狀復異型件的有效途徑。近年來,粉末冶金技術最引人注目的發展,莫過于粉末注射成型(MIN)迅速實現產業化,并取得突破性進展。

      金屬注射成型(Metal injection Molding),簡稱MIM,是傳統的粉末冶金工藝與塑料成型工藝相結合的新工藝,是集塑料成型工藝學、高分子化學、粉末冶金工藝學和金屬材料學等多學科交叉的產物,是粉末冶金和精密陶瓷成型加工領域中的新技術,利用磨具可注射成型,快速制造高密度、高精度、復雜形狀的結構零件,能夠快速準確的將設計思想轉變為具有一定結構、功能特性的制品,并可直接批量生產出零件,是制造技術行業一次新的變革。

      其注射機理為:通過注射將金屬粉末與粘結劑的混合物以一定的溫度,速度和壓力注入充滿模腔,經冷卻定型出模得到一定形狀、尺寸的預制件,再脫出預制件中的粘結劑并進行燒結,可得到具有一定機械性能的制件。其成型工藝工藝流程如下:金屬粉末,有機粘接劑—混料—成型—脫脂—燒結—后處理—成品。   

      二、金屬粉末注射成型工藝流程及其特殊過程控制要求

      1、金屬粉末的選擇:首先根據產品的技術要求和使用條件選擇粉末的種類,然后決定粉末顆粒尺寸。金屬粉末注射成型所用的粉末顆粒尺寸一般在0.5-20μm;從理論上講,粉末顆粒越細,比表面積也越大,顆粒之間的內聚力也越大,易于成型和燒結。而傳統的粉末冶金工藝則采用大于40μm的較粗粉末。粉末的選擇要有利于混煉、注射形成、脫脂和燒結,而這往往是互相矛盾的,對于MIM的原料粉末要求很細,MIM原料粉末價格一般較高,有的升值達到傳統PM粉末價格的10倍,這是目前限制MIM技術廣泛應用的一個關鍵因素,目前生產MIM用原料粉末的方法主要有超高壓水霧化法、高壓氣體霧化法等。

      2、粘接劑;粘接劑是MIM技術的核心,在MIM中粘接劑具有增強流動性以合適注射成形和位置坯塊形狀這兩個最基本的職能,此外它還應具有易于脫除、無污染、無毒性、成本合理等特點,為此出現了各種各樣的粘接劑,近年來逐漸從單憑經驗選擇向根據對脫脂方法及對粘接劑功能的要求,有針對性地設計粘接劑體系的發展方向。粘接劑一般是由低分子組元與高分子組元再加上一些必要的添加劑構成。低分子組元粘度低,流動性好,易脫去;高分子組元粘度高,強度高,保持成型坯強度。二者適當比例搭配以獲得高的粉末裝載量,最終得到高精度和高均勻性的產品。通常采用的粘接劑組要有:熱塑性體系(石蠟基、油基和熱塑性聚合物基)、凝膠體系、熱固性體系和水溶性體系。

      3、混煉;混煉是將金屬粉末與粘結劑混合得到均勻喂料的過程。由于喂料的性質決定了最終注射成形產品的性能,所以混煉這一工藝步驟非常重要。這牽涉粘結劑和粉末加入的方式和順序、混煉溫度、混煉裝置的特性等多種因素。這一工藝步驟目前已知停留在依靠經驗摸索的水平上,最終評價混煉工藝好壞的一個重要指標就是所得到喂料的均勻和一致性。MIM喂料的混合是在熱效應和剪切力的聯合作用下完成的?;炝蠝囟炔荒芴?,否則粘結劑可能發生分解或者由于粘度太低而發生粉末和粘結劑兩相分離現象,至于剪切力的大小則依據混料方式的不用而變化。MIM常用的混料裝置有雙螺旋擠出機、Z形葉輪混料機、單螺旋槳擠出機、柱塞式擠出機、雙行星婚戀及、雙凸輪混料機等,這些混料裝置都適合于制備粘度在1-1000Pa?s范圍內的混合料?;鞜挼姆椒ㄒ话闶窍燃尤敫呷埸c組元熔化,然后降溫,加入低熔點組元,然后分批加入金屬粉末。這樣能防止低溶點組元的氣化或者分解,分批加入金屬粉可防止降溫太快而導致的扭矩激增,減少設備損失。對于不同粒度粉末搭配時的加料方式,日本專利介紹:現將較粗的15-40μm水霧化粉加入粘結劑中,然后加入5-15μm粉,最后加入粉度5μm粉。這樣得到的最終產品的收縮變化很少為了在粉末周圍均勻涂覆一層粘接劑,還可以將金屬粉末直接加入高熔點組元中,再加入低熔點組元,最后去除空氣即可。如AnwarPMIMA懸浮液直接加入到不銹鋼粉末中混合,然后 PEG水溶液加進去,干燥,然后邊攪邊去除空氣。Oconnor采用溶劑混合先將SA與粉干混合再加入四氫呋喃溶劑,然后加入聚合物,四氫呋喃在受熱中逸去后,再加入粉末混合,可得到均勻的喂料。

      4、注射成形;注射成形的目的是獲得所需形狀的無缺陷、顆粒均勻排由的MIM成形坯體。首先將粒狀喂料加熱至一定高的溫度使之具有流動性,然后將其注入模腔中冷卻下來得到所需形狀的具有一定剛性的坯體,然后將其從模具中取出得到MIM成形坯,但由于MIM喂料高的粉末含量,使得其注射成形過程在工藝參數上及其他一些方面存在很大差別,控制不得當則易產生各種缺陷。MIM產品可能的缺陷大部分是在注射成形步驟中形成,如裂紋、孔隙、焊縫、分層、粉末與粘接劑分離現象等。但這些缺陷經常是直至脫脂和燒結后由于注射時產生的應力被釋放后才能發現,因此,注射成形工藝的控制對產品成品率和材料利用率非常關鍵。注射成形時缺陷控制問題基本可以分為二個方面,一個是成形溫度、壓力、時間三者函數關系設定,另一方面則是填充時喂料在模腔中的流動就牽扯到模具設計的問題,包括在進料口的位置、流道的長短、排氣孔的設置等,這些都需要對喂料流變性質、模腔內溫度和殘余應力分布清楚的了解。計算機模擬技術在金屬粉末注射成形磨具設計方面將可發揮重要的作用。

      5、脫脂:成型坯在燒結前必須去除體內所含有的粘結劑,該過程稱為脫脂。脫脂工藝必須保證粘結劑從坯塊的不同部位沿著顆粒之間的微小通道逐漸地排除,而不損壞成型坯的高強度。粘結劑的排除速率一般遵循一個擴散方程。如果粘結劑的排除速率過快,就會導致成型坯起泡、裂紋等缺陷。所以顆粒系統的粘結能必須大于粘結劑去除過程的破裂能。

      6、燒結:燒結是MIM工藝中的最后一步工序,燒結消除了粉末顆粒之間的空隙,使得MIM產品達到全致密或接近全致密化。金屬注射成型技術中由于采用大量的粘接劑,所以燒結時收縮非常大,其線收縮率一般達到13%-25%,這樣就存在一個變形控制和尺寸精度控制的問題。尤其是因為MIM產品大多數是復雜形狀的異型件,這個問題顯得越發突出,均勻的喂料對于最終燒結產品的尺寸進度和變形控制是一個關鍵因素。高的粉末搖實密度可以減小燒結收縮,也有利于燒結過程的進行和尺寸精度控制。對于鐵基和不銹鋼制品,燒結中還有一個碳勢控制問題。由于目前細粉末價格較高,研究粗粉末坯塊的強化燒結技術是降低粉末注射成型生產成本的重要途徑,該技術是目前金屬粉末注射成型研究的一個重要研究方面。MIM產品由于形狀復雜,燒結收縮大,部分產品燒結完成后仍需燒結后處理,包括整形、熱處理(滲碳、滲氮、碳-氮共滲等)表面處理(精磨、列子氮化、電鍍、噴丸硬化等)。

      三:工藝特點

      1、自身特點:

      1)零部件幾何形狀的自由度高、制件各部分密度均勻、尺寸精度高,適用于制造集合父愛、精度及具有特殊要求的小型零件。(0.2g-200g

      2):合金化靈活性好,對于過硬、過脆、難以切削的材料或原料鑄造時有偏析或污染的零件,可降低制造成本。

          3):產品質量穩定、性能可靠,制作的相對密度可達95%-98%,可進行滲碳、淬火、回火等處理。

      4):加工零件的典型公差為±0.06mm/mm;批內公差可達±0.04mm/mm:二次加工可達0.02mm/mm。

      5):制造工藝簡單、身纏效率高,易于實現大批量、規?;a。

      2、與其他加工工藝比:

      1MIM使用的原料粉末粒度直徑為0.5-20μm,傳統粉末冶金的原材料粉末粒度為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點,但形狀自由度是傳統粉末冶金所不能達到的。

      2MIM的精密鑄造工藝作為一種制作復雜形狀產品及有效的技術,近年使用陶心輔助可以完成狹縫、深孔穴的產品,但礙于陶心的強度以及鑄液的流動性限制,該工藝仍有某些技術上的難題。一般而言,此工藝制造大、中型零件較為合適,而且精鑄工藝材質受到一定限制。

      3)壓鑄工藝適用于鋁和鋅合金等低溶點、鑄流性好的材料,而MIM工藝合適各種材質。

      4)精密鍛造可以成型復雜零件,但不能成型三維復雜的小型零件,其產品的精度低,產品有局限。

      5)傳統機械加工法材料的有效利用率低,且形狀的完成受限于設備與刀具,相反,MIM可以有效利用材料,形狀自由度不受限制。

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