發布時間：2022-05-14所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要 金屬粉末注射成形技術(MIM)是粉末冶金與塑料注射成形相結合的一種近凈成形技術，可以大批量、低成本地制造高性能異形精密零部件，是當前先進制造技術領域研究的熱點之一。本文概述了 MIM 的工藝概況，包括粉末制備、粘結劑選
摘 要 金屬粉末注射成形技術(MIM)是粉末冶金與塑料注射成形相結合的一種近凈成形技術，可以大批量、低成本地制造高性能異形精密零部件，是當前先進制造技術領域研究的熱點之一。本文概述了 MIM 的工藝概況，包括粉末制備、粘結劑選取、混料、注射以及后續的脫脂、燒結。介紹了 MIM 的發展現狀及其新技術。共注射成形技術能夠在同一個零部件中將兩種或多種性能完全不同的材料結合到一起，微注射成形技術可用于制造高性能微型結構件或在零件表面制造微型結構。在此基礎上展望了 MIM 的發展趨勢：研究大顆粒金屬粉末成形技術能夠大幅度降低生產成本，改進現有的粘結劑體系以及燒結技術能夠有效減少因殘留有粘結劑成分而導致的力學性能下降問題，與增材制造相結合能夠拓寬該技術應用范圍，開發更為先進的 MIM 仿真模擬軟件能夠充分發揮數值模擬對于 MIM 的指導作用。
關鍵詞 金屬粉末注射成形;粉末冶金;數值模擬;粘結劑
金屬粉末注射成形技術[1](Metal powder injection molding，MIM)是傳統的粉末冶金技術與熱塑性塑料注射成形技術相結合而產生的一種近凈成形技術，是粉末注射成形技術的一種。與傳統的粉末冶金生產出的產品相比，MIM 產品具有精度高、組織均勻等優點，采用該技術可以大批量、低成本地生產結構復雜、性能優異的金屬零件。
粉末注射成形技術起源于 20 世紀 20 年代，被用于生產陶瓷零件。20 世紀 80 年代， Wiech[2,3]、Rivers[4]等開始采用粉末注射成形技術制備金屬零件。21 世紀后，MIM 工藝進一步發展，成為了成形難熔金屬基復合材料和金屬間化合物的新型工藝。李云平、曲選輝等[5] 對 MIM 在鎢銅復合材料方面的應用做出了全面的綜述。胡國新等[6]用 MIM 制備多孔鎳鈦形狀記憶合金零件，采用兩步脫脂工藝，脫脂率可達 98.8%。Bose 等[7]用 MIM 制備 Ni3Al 基復合材料零件，克服了金屬間化合物因硬度過高難以進行加工的缺陷，極大地提高了其加工效率。
傳統的試驗方法很難直觀地觀測到 MIM 充模流動過程，計算機模擬可以很好地解決這個問題。從研究特點看，模腔中熔體的流動模擬研究經歷了從一維向三維、從餅型和矩型簡單零件向復雜零件、從簡單邊界條件向復雜邊界條件、從經典的薄壁零件向厚壁零件發展的探索過程。1972 年，Kamal[8,9]基于冪率流體的蠕變流動理論建立了一維徑向流動的數學模型，不過該模型只適用于研究澆注系統內的流動模擬。Hieber 等[10,11]用有限差分法分析計算了流體的二維流動過程，提出了確定某一時刻流體前沿位置的“預測-校正”兩步法。20 世紀 80 年代后期，Hieber 提出采用流動路徑法和控制體積法對流體三維流動過程進行模擬，計算結果與現實基本吻合。
本文介紹了 MIM 的工藝概況，對 MIM 及其數值模擬研究進行了深入分析，在此基礎上對其發展趨勢進行了展望。
1 MIM 工藝概況
MIM 工藝流程如圖 1 所示，基本過程是將金屬粉末與粘結劑混合均勻，制成注射料，通過注射機注射成形，然后除去粘結劑(脫脂)，最終燒結成接近全致密的成品零件。有些零件在脫脂和燒結過程中會出現一定的變形，需要進行一定的后處理才能夠得到最終產品。
1.1 混料
混料是使用如圖 2 所示的密煉機和造粒機將金屬粉末和粘結劑均勻混合，在此過程中金屬粉末被粘結劑完全包裹，最終得到均勻的注射料。Lacey[12]指出在混料的過程中存在擴散混合(喂料中金屬顆粒分布于新形成的表面)、層流混合(在喂料中建立滑移面)、分散混合(相鄰顆粒組從喂料中的一個位置轉移到另一個位置)三種機制。梁叔全、黃伯云[13]在此基礎上進一步指出：擴散混合機制是混合均勻的熱力學基礎，層流混合機制和分散混合機制是混合均勻的動力學保證。
1.1.1 粉末
一般來說，能夠用于粉末冶金的所有金屬粉末都能夠用于 MIM，目前常用的 MIM 材料系列如表 1 所示。用于 MIM 的金屬粉末一般通過羥基法和霧化法制備。羥基法的原理是將金屬與一氧化碳合成羥基金屬化合物，再通過熱分解的方式制得金屬粉末，采用該方法制得的粉末呈球形且粒度較小，但成本較高。霧化法包括超高壓水霧化法、高壓氣霧化法以及層流霧化法。水霧化法生產效率高且經濟實用，但制得的粉末形狀不規則;氣霧化法制得的粉末為球形，但細粉率低，生產成本較高;層流霧化法適用于生產貴金屬粉、銅合金粉以及超合金粉，粉末粒度一般在 20μm 以下。除上述兩種方法外，工業上常用于生產金屬粉末的方法還有還原法、電解法以及研磨法等，但無論是采用哪種方法，制得的粉末都不可能絕對均勻，圖 3 為 316L 不銹鋼粉末掃描電鏡圖，從圖中可以明顯看到，金屬粉末的粒度并不是絕對均一的，而是大多數粉末的粒度都在一個很小范圍內波動。尉念倫、孫世清[14]采用水汽聯合霧化制造工藝制備鈷鉻鉬粉末，所制得的金屬粉末兼有水霧化粉末粒徑小和氣霧化粉末球形度好的優點。
粉末粒度和粉末之間的摩擦影響喂料的成分均勻度。粉末粒度越大，由于質量所引起的偏析就越大。粉末之間的摩擦系數越大，團聚傾向也就越大，從而導致制成均勻的注射料的難度也越大。因此在混料的過程中，經常添加一定的表面活性劑以減小粉末表面之間的摩擦進而改善其團聚傾向[15]。
金屬粉末注射成型用細球形粉末制備成本較高是限制該技術發展的一個重要原因，郝向陽、蓋國勝等[16]采用利用高速氣流沖擊對非球形氫化脫氫鈦粉(HDH)進行干式機械化球化處理，獲得了低成本的球化細粉。Mahmud、Abdul 等[17]直接將低成本的非球形氫化脫氫鈦粉用于 MIM，成功生產出無裂紋和變形且燒結密度達到 95%的合格零件。German[18]提出含有高體積分數的大顆粒和低體積分數的中等粒度的粉末有利于獲得較高密度的零件。
1.1.2 粘結劑
理想的粘結劑要求具備以下特征[19]：熔點低，固化性好，粘度低，流動性好，且粘度隨溫度變化小;與金屬粉末不發生反應，且潤濕性好，粘附性強;粘結劑中各組元不發生相分離，分解溫度高于混料溫度和成形溫度，且分解產物無腐蝕性、無毒、無殘留;原料成本低，可循環使用。根據粘結劑的組元和性質可以分為熱塑性體系、熱固性體系、凝膠水基體系和水溶性粘結劑體系四大類，各類粘結劑體系的優缺點如表 2 所示。
熱塑性粘結劑是以熱塑性有機化合物為主體的粘結劑，根據其中低分子組元的不同又可以分為蠟基粘結劑和聚合物基粘結劑，美國 Muller[20]發明了一種以合成聚酰胺為主要成分的粘結劑，該粘結劑能夠以加熱的方式快速去除。熱固性粘結劑以熱固性有機物作為主要成分，Hens[21]研制了一種 PEG/PVB 粘結劑，其 PEG 可用水溶解，PVB 受紫外線照射發生固化反應。凝膠水基粘結劑利用特定樹脂受熱產生凝膠反應獲得粘結強度，Honeywell 公司使用凝膠水基粘結劑和不銹鋼粉混合，成功生產了 17-4PH 飛機引擎葉輪、316L 輪船推進器等尺寸較大的金屬部件。Hens 等[22]通過研究發現，凝膠水基粘結劑雖然有助于獲得更高的生坯強度，但由于粘結劑中含大量水分，注射時水份蒸發導致注射料粘度變化太大，導致粘結劑難以重復利用。水溶性粘結劑主要由水溶性組元和水不溶性組元組成，其優點是脫脂方便，不需要使用有毒的有機溶劑進行脫脂。
1.2 注射
注射是 MIM 的一個重要環節，其目的是獲得具有一定形狀的生坯。該環節采用的設備和塑料注射成形基本相同，整個注射過程分為填充、保壓、冷卻三個階段。喂料充模流動機理如圖 4 所示，喂料熔體進入模具之后，最前端熔體與冷空氣接觸之后形成一層粘度很高的前沿膜，阻礙熔體的進一步流動;同時，喂料熔體與溫度較低的模具內壁接觸之后也會迅速凝固，形成一層冷凝層。產品的大多數缺陷也是在這個環節被引入的，如模具的溫度過低或注射壓力偏小，將導致產品的表面極易出現裂紋和褶皺，甚至出現“欠注”現象;注射壓力過大或者注射溫度較高時，容易引起“噴泉”效應，在產品的內部形成氣孔或疏松[23]。
MIM 在注射階段和塑料注射成形基本相同，但還是有其特有的性質，因此對于注射階段喂料充模過程的研究十分重要。目前對于該過程的研究主要是采用數值模擬的方法。相對于塑料流動模擬, MIM 充模流動模擬起步較晚, 且發展也較為緩慢。韓國 Pohang 大學的 Kwon 等[24]對熔體與模壁的滑移現象進行了數值仿真，并開發了專門用于粉末注射成形的 CAE 軟件 Pimflow，為粉末注射成形模具設計和過程分析提供理論指導。
1.3 脫脂
脫脂是利用生坯中不同物質的不同熔點或溶解度去除粘結劑的過程。脫脂工藝的選擇取決于 MIM 所用的粘結劑體系。采用多組元粘結劑體系，在脫脂過程中可以分步去除，既可以提高脫脂效率，又能保證脫脂過程中剩余足夠的其他組元來保持金屬粉末在其適當的位置 [23]。肖平安、胡業奇等[25]發明了一種梯度負壓熱脫脂技術，圖 5 為該技術的裝置示意圖。脫脂時將零件埋于填料粉末中，容器的底部進行抽真空的同時在容器的頂部通入氣體，形成梯度負壓，脫脂速度更快更徹底，并解決脫脂后粘結劑的回收問題。
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熱脫脂的核心就是控制熱分解產生的物質在粉末顆粒中的擴散過程。熱脫脂工藝簡單、成本低、對設備要求低，但同時也存在注射坯易變性、脫脂效率低以及脫脂不徹底等缺點。 Camargo 等[26]通過對熱脫脂工藝動力學的研究發現，擴散是熱脫脂的決定因素。圖 6 為使用兩種不同粘結劑脫脂后樣品的微觀結構，熔體流動指數(MFI)較低的樣品(LFPP)比 MFI 較高的樣品(HFPP)顯示更大的孔，這表明 LFPP 分解形成大碎片，粗化了原始的毛孔，證明了擴散是熱脫脂的決定因素。
溶劑脫脂工藝是將溶劑滲透到注射坯的內部，將注射坯內部粘結劑中可溶解成分溶解并隨溶劑脫出。由于溶劑脫脂只脫去粘結劑中的可溶解成分，因此通常會在溶劑脫脂之后再進行一次熱脫脂。溶劑脫脂脫脂速度快，且脫脂溫度在粘結劑軟化溫度之下，不易產生熱變形。但溶劑進入注射坯內部后，也可能因其過分膨脹而導致注射坯變形開裂。除此之外，溶解劑一般為有機溶劑，對人體和環境有害。
催化脫脂是目前國內外應用較多的脫脂工藝，該工藝綜合了熱脫脂和溶劑脫脂的優點，克服了傳統脫脂工藝脫脂時間長、脫脂不徹底的缺點。20 世紀 90 年代，德國 BASF 公司開發出了 Metamold[27]脫脂工藝，脫脂時從零件外部區域向內部區域進行，解決了傳統熱脫脂工藝脫脂時氣體難以逸出所造成的脫脂不完全問題。
1.4 燒結
和傳統的粉末冶金技術一樣，MIM 進行燒結的目的也是使金屬粉末之間發生冶金結合，從而提高零件的強度。一般來說，MIM 燒結時的溫度控制在 0.7~0.8T 熔點。根據燒結的過程中是否有液相的產生，又分為固相燒結和液相燒結。范景蓮等[28]通過實驗證明，即使是液相燒結，金屬粉末發生大部分的致密化也是產生于固相燒結階段。
MIM 燒結技術的研究重點主要集中在燒結設備的設計以及燒結尺寸精度的控制。德國 CREMER 公司針對 Metamold 脫脂技術發明了一種連續脫脂燒結爐，實現了脫脂、燒結一體化，脫脂速率可達(1~4)mm/h。在燒結的過程當中，注射坯會產生 14%~18%的均勻收縮，收縮比例的大小取決于注射料中粘結劑的含量以及金屬粉末的粒度，想要得到和預期一樣形狀的零件，就要求前期的混料接近絕對均勻，且在注射階段不發生兩相分離。為了獲得所需的性能，燒結時需控制燒結體的組織和密度，從而控制產品的尺寸和精度。此外，燒結過程中升溫速度、燒結氣氛以及保溫時間、降溫速度等也會影響燒結的效果。戴煜、王利民[29] 在已有真空脫脂燒結爐基礎上，設計了一種分壓控制式真空脫脂燒結一體爐，圖 7 為該燒結爐的示意圖，該裝置通過兩套壓力控制系統分別實現分壓脫脂以及恒壓燒結。
1.5 工藝改進
為了將不同性能的兩種或幾種材料結合在同一零件中，在 MIM 的基礎上開發出了一種粉末共注射成形技術，通過一臺帶有兩個或兩個以上料筒但是只有一個噴嘴的注射機實現，其中一個料筒用于成形零件的外殼，另一個料筒用于成形零件的芯部[30]。陳良建、李益民[31] 等采用粉末共注射成形技術制備了一種新的仿生種植結構，該結構有利于種植骨中的界面應力傳遞到周圍的骨質結構中，其外層多孔結構最大孔隙可達 400μm。
German[32]、Zauner[33]等針對微型零件的生產提出微粉末注射成形技術，Rota 等[34,35]研究發現該技術用于金屬成形領域可制得高強度、耐腐蝕、磁性能優異的微型零件。Zeep[36]、 Piotter[37]等采用微粉末注射成形技術制備氦冷卻偏濾器，見圖 8 a,燒結密度可達 96%，表明微粉末注射成形技術能夠生產出符合使用要求的小型零部件。Nishiyabu 等[38]將 LIGA (Lithographie、Galvanoformung and Abformung)技術與 MIM 相結合，制備出高精度的微型柱狀 316L 不銹鋼零件。然而結合 LIGA 技術會使整個制備過程極為復雜且耗時較長， Ammosova 等[39]利用微加工機器人在模具鑲件表面制造微織構結構，進而快速生產具有相應微結構的零件。Piotter、Gietzelt 等[40]使用微粉末注射成形技術制備 316L 不銹鋼微型臺階齒輪，見圖 8 b，最小齒寬可以達到 50μm。尹海清、曲選輝[41]等研究了齒頂圓直徑小于 1mm 的微型齒輪的粉末微注射成形工藝,并對零件性能表征的測試設備及方法進行了介紹。——論文作者：侯成龍 1,2)，郭俊卿 1,2)，陳拂曉 1,2)，皇濤 1,2)
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