朱则刚
(湖北武汉市化工材料公司,湖北 武汉 430055)
浅谈金属粉末注射成形技术
朱则刚
(湖北武汉市化工材料公司,湖北 武汉 430055)
金属粉末注射成型技术是一门新型近终成型技术。它是利用模具可注射成型坯件并通过烧结快速制造高密度、高精度、高强度、三维复杂形状的结构零件。针对发展金属粉末成形技术成为新热点,介绍了金属粉末成形的优势、工艺特点及应用,分析了金属粉末成形的主要原材料,提出了金属粉末成形的混炼和烧结工艺。
金属粉末;注射成形;烧结工艺
金属粉末注射成型(简称MIM)技术是一门新型近终成型技术。它是集塑料注塑成型工艺学、高分子化学、粉末冶金工艺学和金属材料学等多学科相互渗透交叉的产物,利用模具可注射成型坯件并通过烧结快速制造高密度、高精度、高强度、三维复杂形状的结构零件,尤其是一些形状复杂利用机械加工等工艺方法无法加工或难以加工的小型零件,MIM技术可以自如完成,而且具有成本低、效率高、一致性好等优点,易形成批量生产,被誉为“当今最为热门的零部件成型技术”,因此深受业内人士的青睐。经过20多年的努力,目前MIM已成为国际粉末冶金领域发展迅速、最有前途的一种新型近终成形技术。
MIM结合了粉末冶金和塑料注射成形两种技术的优点,突破了传统金属粉末模压成形工艺在产品形状上的限制。MIM利用金属粉末技术特点能烧结出致密、具有良好机械性能及表面质量的机械零件。同时,利用塑料注射成形技术能大批量、高效率地生产出许多具有复杂形状特征的零件,如各种外部切槽、外螺纹、锥形外表面、交叉通孔、盲孔、凹台与键销、加强筋板、表面滚花等等,具有以上特征的零件都是无法用常规粉末冶金方法、精密铸造等工艺得到的。粉末冶金制品是以金属粉末如:铁粉、铜粉、不锈钢粉等包括混入有非金属粉末为原料,通过成形-烧结法生产而成的,传统的工艺流程为:混料—压制—烧结—整形—后处理,即首先将配制的高纯度的混合粉装入模具中,于一定的压力下压制成形,然后将压坯在可控气氛炉中,在低于基体材料熔点的温度下进行烧结,使粉末颗粒之间形成冶金结合。金属粉末成形的基本工艺过程是:首先将固体粉末与有机粘结剂均匀混练,经制粒后在加热塑化状态下用喷射成形机注入模腔内固化成形,然后用化学或热分解的方法将成形坯中的粘结剂脱除,最后经烧结致密化得到最终产品。
MIM生产厂家越来越多,目前世界上MIM产值的年增长率为20%~30%,2010年全球MIM的总产值约24亿美元。MIM产品的应用正在拓展,产品广泛应用于电子信息工程、生物医疗器械、办公设备、汽车、机械、五金、体育器械、钟表业、兵器及航空航天等工业领域。MIM工艺的出现为高熔点、难加工的硬质合金材料的推广应用带来了契机,MIM硬质合金的产品利润率高于大部分Fe-Ni和不锈钢材质的产品,可望成为注射成形新的发展热点。国际上普遍认为MIM技术的发展将会导致零部件成形与加工技术的一场革命,被誉为“21世纪的成形技术”。
粉末的种类、特点和选用对MIM制品的性能及其应用范围的拓展起着十分重要的作用。MIM要求粉末粒度为微米级以下,形状近球形。此外对粉末的松装密度、摇实密度、粉末长径比、自然坡度角、粒度分布也有一定的要求。MIM使用的原料粉末粒径在2~15μm,而传统粉末冶金的原粉粉末粒径大多在50~100μm。MIM工艺的成品密度高,原因是使用微细粉末。MIM工艺具有传统粉末冶金工艺的优点,而形状上自由度高是传统粉末冶金所不能达到的。
MIM工艺所用金属粉末颗粒尺寸一般在0.5~20μm。从理论上讲,颗粒越细比表面积也越大,易于成型和烧结,而传统的粉末冶金工艺则采用大于40μm的较粗的粉末。有机胶粘剂作用是粘接金属粉末颗粒,使混合料在喷射机料筒中加热具有流变性和润滑性,也就是说带动粉末流动的载体。因此,粘接剂的选择是整个粉末的载体,是整个粉末喷射成型的关键。对有机粘接剂要求:用量少,用较少的粘接剂能使混合料产生较好的流变性;不反应,在去除粘接剂的过程中与金属粉末不起任何化学反应;易去除,在制品内不残留碳。把金属粉末与有机粘接剂均匀掺混在一起,使各种原料成为喷射成型用混合料。混合料的均匀程度直接影响其流动性,因而影响喷射成型工艺参数,以至最终材料的密度及其它性能。
随着科学技术的进步,各行各业对材料的要求也越来越高,每一种材料和粉末都对MIM技术提出了新的挑战。可用于注射成型的材料非常广泛,原则上任何可高温浇结的粉末材料均可由MIM工艺造成零件,包括传统制造工艺中的难加工材料和高熔点材料。此外,MIM也可以根据用户的要求进行材料配方研究,制造任意组合的合金材料,将复合材料成形为零件。
目前采用水雾化粉也可生产相对密度大于99%的烧结体,因此较大型零件宜使用水雾化粉,较小型零件使用气雾化粉。为降低粉末价格,有些公司已转向生产粗颗粒和宽粒径分布的粉末。开发利用较粗的复合粉、合金粉是MIM加工一个发展方向。
虽然MIM方法能制出许多不同材料和形状的产品,但它仍是一种小型零件的制备方法,一般产品的厚度在1/2英寸以下,质量在300g以下。尤其是硬质合金的注射成形和钛合金等更难制造出较大的零件,通过对MIM工艺的优化来加大MIM产品的尺寸仍然是当今MIM工艺的一个发展方向。
混炼是一个复杂的改善粉末流动性和完成分散的过程。常用的混炼装置有双螺杆挤出机、Z形叶轮混料机、双行星混炼机等,目前正在发展连续混炼工艺。混炼时的加料速率、混炼温度、转速等都会影响混炼的效果。混炼工艺步骤目前一直停留在依靠经验的水平上,最终评价混炼工艺好坏的一个重要指标是所得喂料的均匀性和一致性程度。
注射成形的目的是获得所需形状的无缺陷成形坯,注射缺陷在后续工艺中不可消除,因此这个步骤要严格控制。注射阶段的缺陷控制目前主要还是凭经验操作。随着科学技术的进步,采用计算机模拟喂料的注射充模过程,并将其和喂料性能等相联系,优化注射条件参数,消除注射缺陷是目前先进的实验手段,也是未来的发展趋势。
MIM烧结工艺是将粉末或粉末压坯经过加热而得到强化和致密化制品的方法和技术。金属粉末或粉末压坯,在加热到低于主要成分熔点的温度,由于颗粒之间发生粘结等物理化学作用,得到所要求的强度和特性的材料或制品的工艺过程,它是粉末冶金工艺的基本工序之一。烧结是MIM工艺中的最后一步工序,烧结消除了粉末颗粒之间的孔隙,使得MIM产品达到全致密或接近全致密化。金属注射成形技术中由于采用大量的粘结剂,所以烧结时收缩非常大,其线收缩率一般达到13%~25%,这样就存在一个变形控制和尺寸精度控制的问题。尤其是因为MIM产品大多数是复杂形状的异形件,这个问题显得越发突出,均匀的喂料对于最终烧结产品的尺寸精度和变形控制是一个关键因素。高的粉末摇实密度可以减小烧结收缩,也有利于烧结过程的进行和尺寸精度控制。由于目前细粉末价格较高,研究粗粉末坯块的强化烧结技术是降低粉末注射成形生产成本的重要途径,该技术是目前金属粉末注射成形研究的一个重要研究方面。 MIM产品由于形状复杂,烧结收缩大,大部分产品烧结完成后仍需进行烧结后处理,包括整形、热处理(渗碳、渗氮、碳一氮共渗等)、表面处理(精磨、离子氮化、电镀、喷丸硬化等)等。原理是加热到高温粉末粒子结合到一起。
烧结是粉末冶金过程中最重要的工序,在烧结过程中,由于温度的变化粉末坯块颗粒之间发生粘结等物理化学变化,从而增加了烧结制品的电阻率、强度、硬度和密度,减小了孔隙度并使晶粒结构致密化。烧结可使粉末成形的坯块由颗粒聚集体转变为晶体结合体的材料或制品,因而粉末烧结理论具有自己的特点。烧结一般要在保护气氛下,有时须加入一定量的填料,在高温烧结炉中进行。根据致密化机理或烧结工艺条件的不同,烧结可分为液相烧结、固相烧结、活化烧结、反应烧结、瞬时液相烧结、超固相烧结、松装烧结、电阻烧结、电火花烧结、微波烧结和熔浸等。常用的烧结设备有箱式炉、管式炉、马弗炉、碳管炉、感应炉、推舟炉、带式炉、辊式炉、反射炉等,分间断式、半连续、连续式等几类。采用的加热方式有电阻加热,以镍铬合金、铁铬铝合金、钨、钼、碳化硅、硅化钼等作为发热元件。还可以用碳管来通电发热,有时也利用坯块本身的电阻。感应加热的应用也很普遍。
为了控制周围环境对烧结制品的影响并调整烧结制品成分,在烧结中使用以下几类不同功能的烧结气氛:氧化性气氛,包括纯氧、空气、水蒸气等,用于贵金属的烧结、氧化物弥散强化材料和某些含氧化物质点电接触材料的内氧化烧结以及预氧化活化烧结;还原性气氛,包括氢、分解氨、煤气、转换天然气等,用于烧结时还原被氧化的金属及保护金属不被氧化,广泛用于铜、铁、钨、钼等合金制品的烧结中;惰性或中性气氛,包括氮、氩、氦及真空等;渗碳气氛,即CO,CH4及其他碳氢化合物的气体,对于铁及低碳钢具有渗碳作用;渗氮气氛,即NH,以及对于某些合金系而言的N2。对于不同合金,上述分类可以有变化。
在烧结过程中,在不同阶段可能采用不同的气氛。烧结制度包括升温、高温烧结、冷却等几个部分。烧结时根据需要,可采用快速升温,也可采用慢速升温;可直接升温到最高烧结温度,也可分阶段逐步升温,如在需预烧或脱除成形剂和润滑剂时的情况,烧结温度和保温时间由金属特性和制品尺寸决定。冷却也有慢冷、快冷和淬火等几种情况。在烧结过程中,粉末体发生以下一系列变化:表面吸附的水分或气体挥发或分解;应力松弛;发生回复和再结晶;原子在颗粒表面、晶界或晶内扩散,使颗粒间的结合由机械结合逐步转变为冶金结合,化学组分均匀化;在有液相存在时,发生颗粒重排,固相物质的溶解和析出,液相网络提供一物质输运的快速通道。在这些过程的综合作用下,能获得满足一定物理、化学和几何特性要求的材料或零件。烧结制品往往还要进行各式各样的后处理,统称之为烧结制品的后处理。
金属注射成形将现代塑料注射成型技术引入粉末冶金领域,不但扩大注射成型技术的应用,同时也推动粉末冶金工艺的发展。MIM科学和技术现状令人鼓舞,许多新的研究领域已引起重视,通过对这些方面的深入研究,可扩大金属粉末的应用范围,进一步提高产品的性能,使金属粉末注射成形技术发展到一个新的高度。随着原料粉末质量的提高和价格的下降、工艺路线的成熟和多样化、专用设备的成套、参与企业和研究机构的增多,此产品的应用范围将越来越广,MIM已日益成为一种新的重要的加工方法。
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铜一材料公司开发出超宽铜铝复合板带
2013 年11 月,洛阳铜一新材料发展有限公司经反复研制,新产品——超宽单面铜铝复合板带材研制成功,并形成批量生产上市,此材料将主要应用于幕墙板、铜门料及其它装饰行业,是理想的装饰铜材替代产品。目前该公司已取得7 项专利技术,开发生产铜铝、钢(不锈钢)铝、钛铝、铝铝四大产品系列,宽度1000mm,厚度0.05~15mm 板、带、箔、排数千种牌号规格。
全球汽车铝合金轮毂行业复合年均增长率8.48%
近日,市场研究机构Research & Markets分析师预测,因为全球各地汽车需求量的不断增长,汽车生产量和销售量的增加将促进全球汽车铝合金轮毂行业在2014年~2016年以8.48%的复合年均增长率增长。
近年来,许多大型全球性公司在亚太地区进行生产外包活动以期降低成本。许多汽车制造商都在发展中国家进行产品开发业务以充分利用当地的人才和廉价劳动力。因此,和发达经济体相比,全球汽车铝合金轮毂行业在发展中经济体正以更快的速度发展。
On Metal Powder Injection Molding Technology
ZHU Ze-gang
(Hubei Wuhan Chemical Materials Company, Wuhan 430055, China)
Recently, metal powder molding technology becomes a new hotspot, so the advantages, process characteristics and application of metal powder molding technology are introduced and the main raw materials of metal powder molding are analyzed in the paper. The mixed metal powder molding and sintering process are put forward as well.
metal powder; injection molding; sintering process
TF12,TF124.5
A
1005-4898(2014)01-0036-04
10.3969/j.issn.1005-4898.2014.01.08
朱则刚(1956-),男,湖北武汉人,大学本科学历,工程师,从事化工材料工作。
2013-10-12