金属注射成形汽车零件的应用

防空兵指挥学院 张纯亮

金属注射成形汽车零件的应用

防空兵指挥学院 张纯亮

一、金属注射成形

1.金属注射成形。金属注射成形是以金属粉末为原料，借助塑料注射成形工艺制造金属零件的一门技术。最早是氧化物粉末（如AI2O3粉）制造陶瓷零件，所以也叫做CIM（Ceramic Injection Moulding），鉴于MIM与CIM皆以金属粉末为原料，所以也统称为粉末注射成形（Powder Injection Moulding）。金属注射成形是粉末冶金与现代塑料注射成形工艺相结合形成的一门新型金属零件成形技术。金属注射成形工艺和传统粉末冶金技术的主要差异在于前者是采用注射成形，而后者是利用平轴向刚性模具压制成形，前者比后者使用的原料粉末细，通常粉末的粉度不大于20μm。

2.生产工艺流程。金属注射成形零件的生产工艺流程为：首先，将金属粉末与黏结剂相混合，制成注射成形用的丸粒，即所谓的注射料。黏结剂一般采用热塑性聚合物，其在混合料中占的比率为15%～50%。这种注射丸粒可以像塑料一样，利用塑料注射成形机，注射成为各种各样的零件生坯。用加热与化学作用等方法，使零件生坯中所含的黏结剂分解、脱除后，经高温烧结，即获得接近铸造状态的金属材料性能。

3.金属注射成形技术现状。金属注射成形技术出现于20世纪70年代末期，最初主要用于制造轻武器零件。作为制造零件的无切削金属零件成形工艺，可大量地节材，降低生产成本，甚至减轻零件重量，有利于汽车轻量化以及减少环境污染，从而受到了汽车产业的高度重视。从20世纪90年代初开始，MIM零件才进入汽车零件市场。据粗略统计，现在全球MIM汽车零件的销售额约为2亿美元，其中欧洲占55%、亚洲占25%、北美占20%。按照MIM零件的质量计算，在欧洲用于汽车产业的MIM零件已占MIM零件总产量的50%。

根据有关资料，现在全球生产MIM产品的厂商约有200家，大多数企业都是历史不到的10年的小型企业，但生命力却极强。据资料分析，2003年至2006年期间，MIM汽车零件的产量增长了33%。

二、MIM汽车零件实例

汽车产业已经在大量采用MIM工艺生产一些形状复杂、双金属零件以及成组的微小型零件。

1.形状复杂的MIM汽车零件。汽车发动机的可变配气相位（VVT）系统中使用的摇臂零件形状十分复杂，它就是用MIM工艺制造的一个标志性零件。VVT系统用摇臂零件如图I、图2所示。

图1 日本活塞环公司生产的摇臂零件

图2 德国Schunk Sintermetall-techniK GmbH生产的摇臂零件

关于制造这个零件的3种制造工艺——MIM、锻造和精密铸造，日本活塞环公司进行过详细的对比分析，见表1。由表1中数据不难看出，除了力学性能较低外（但能满足用途要求），其余各项指标都比锻造与精铸要强，在直接成形的产品中，几何形状的复杂程度高。表面粗糙度值小。可直接成形的壁厚较薄、孔较小。和精铸的尺寸精度±0.2mm与锻造的±0.1mm相比，MIM为±0.05mm，有很大改进。一些几何形状特征可直接成形，大大减少切削加工的工作量，从而达到节能、省材的目的。和锻造与精铸相比，每个零件的生产成本至少可相应节省约20%。

表1 摇臂零件的MIM工艺和锻造、精铸的技术和经济对比分析

用于汽车转向系统中的形状异常复杂的U形夹采用MIM工艺制造时可节约成本25%。发动机中涡轮增压转子、冷却活塞的喷油嘴和独立加热系统的热水器室等异常复杂的零件也都是用MIM工艺生产的。

2.双金属的MIM汽车零件。用MIM工艺能够快捷和大量地生产复合材料零件，比如由两种金属材料制造的软磁零件、耐磨和耐蚀零件及散热零件。汽车中有许多由两种材料制造的零件，制造这些零件常用的生产方法是将由不同材料制造的零件，利用焊接或压配结合在一起。但是由于焊接不仅生产成本高、会产生内应力，而且可能发生冶金变化，从而使零件产生变形与耐蚀性恶化。生产实践已证明，汽车中的一些小型双金属零件改用MIM工艺生产后，不但可减低生产成本，而且可以改进零件的质量。

如汽车用磁性传感器，这个零件是由非磁性（铁素体）不锈钢与磁性（奥氏体）不锈钢用MIM工艺生产复合制成。另外适于用MIM工艺制造的还有双金属零件有齿轮、电子零件等零件。

3.MIM工艺制造的成组零件。汽车中使用的许多小型组合件或成组零件都是MIM工艺的生产对象，这些零件采用MIM工艺生产时，不但可以节约原材料、大大提高生产率，而且产品质量稳定，可大幅度降低生产成本。

汽车安全气囊传感器嵌入组件由3个MIM零件组成，即D型轴、嵌入接片和点火销。这3个零件原来都是用精铸生产的，现已改用MIM工艺，由不锈钢制造，经热处理后，抗拉强度为1 170MPa、屈服强度为1 100MPa、硬度为38～41HRC、伸长率为7.0%、密度为7.60～7.68g/cm3。MIM比精铸的零件表面粗糙度好，抗拉强度高，还能将零件进化组合，从而减少零件数量，降低生产成本。表2为MIM零件一般可达到的尺寸公差。

表2 MIM零件一般可达到的尺寸公差

除上述零件外，在汽车中使用的MIM零件还有不锈钢支架、钛按钮、座椅螺杆与齿条-齿轮传动装备、磁性转子、转向管柱式变速与控制杆、发动机与制动器固定零件、阀与发动机的正时零件、减振器钢缸套、安全换挡杆接头等等。

由上述MIM零件可以看出，MIM工艺的明显优势在于制造小型和形状复杂的零件。这些零件的烧结件密度高、力学性能优异且精度高。另外，将多个零件组合成一个组件，MIM工艺也是可行的方法之一。

三、MIM零件的材料、性能及公差

在汽车中应用的MIM零件，除个别零件由Ni基高温合金制造外，一般都是由铁基材料生产的。材料范围涉及元素混合粉的Fe-Ni合金钢、预合金化粉的Cr-Mo-C钢、Ni-Mo-C钢或Ni-Cr-Mo-C钢，以及各种牌号的不锈钢，如常用的316L、17-4PH和400系列。MIM软磁零件使用的材料有400系列不锈钢、Fe-Si合金和Fe-Co合金。

四、MIM零件的尺寸

MIM零件由于受原料粉末价格较贵和生产工艺特点的限制，通常都是小型的薄壁零件。据美国金属注射成形协会（MIMA）的资料分析，在北美大部分MIM零件的重量小于20g，仅有1%的零件重量大于120g。

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