張立朋

（上海新建重型機(jī)械有限公司，上海 201405）

金屬粉末注射成形技術(shù)（Metal Injection Molding，簡(jiǎn)稱(chēng)MIM）是將塑料成形技術(shù)引入粉末冶金領(lǐng)域而產(chǎn)生的一種新型粉末冶金凈成形技術(shù)，是當(dāng)前先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一［1］。應(yīng)用MIM制備的具有復(fù)雜形狀的高性能異形金屬零部件成本較低，因此MIM技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視。而不銹鋼粉末具有良好的耐腐蝕性，優(yōu)越的成型性及良好的流動(dòng)性，已成為注射成形、粉末冶金和涂料生產(chǎn)等行業(yè)中的重要原材料，目前已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于粉末冶金領(lǐng)域，其中在MIM零件中占50%以上［2］。而用傳統(tǒng)的粉末冶金模壓－燒結(jié)工藝也可以生產(chǎn)不銹鋼零件，但這種方法得到的產(chǎn)品密度較低且分布不均勻，孔隙等缺陷的存在大大降低了力學(xué)、耐腐蝕和外觀(guān)等性能，并且模壓－燒結(jié)法因只能生產(chǎn)形狀簡(jiǎn)單的零件使其發(fā)展受到限制［3］。而將MIM應(yīng)用于不銹鋼零件的生產(chǎn)中恰好可以解決上述問(wèn)題，MIM不銹鋼零件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)、飛機(jī)機(jī)翼過(guò)濾器以及醫(yī)療器械等諸多領(lǐng)域。

1 粉末注射成形的概述

金屬注射成型的基本工藝過(guò)程［4］是：1）將特定金屬粉末與有機(jī)粘結(jié)劑充分混合均勻，利用注射成形機(jī)等機(jī)械方法成形；2）將成形零件毛坯中的粘結(jié)劑脫除；3）通過(guò)燒結(jié)使其致密化而得到最終產(chǎn)品。MIM能制造許多具有復(fù)雜形狀特征的零件，而且MIM制造的零件一般不需要再進(jìn)行機(jī)加工，從而減少了材料的消耗，并且保證了尺寸的精確性。因此在生產(chǎn)大批量形狀復(fù)雜的零部件時(shí)，MIM就會(huì)比其他傳統(tǒng)加工方法更為經(jīng)濟(jì)。圖1給出了MIM零件的生產(chǎn)量與成本的相互關(guān)系。

MIM技術(shù)的主要特點(diǎn)可以進(jìn)一步用圖2表示，3個(gè)因素相互交迭，其公共區(qū)是粉末注射成型應(yīng)用最有吸引力的領(lǐng)域，即通過(guò)聚合物－粉末混合料能便宜的成形近乎全致密的復(fù)雜形狀零件。

1.1 粉末注射成形的技術(shù)特點(diǎn)

MIM技術(shù)由于采用大量的粘結(jié)劑來(lái)增強(qiáng)流動(dòng)性，所以MIM可以任意成形各種復(fù)雜形狀的金屬零部件，這是傳統(tǒng)的粉末冶金模壓工藝及其它工藝所達(dá)不到的。而且，由于注射成形是一種近凈成形工藝，一般不再需要繼續(xù)精加工，零件的制造成本就會(huì)大大的降低。其次，注射成形時(shí)粉末流動(dòng)可以均勻的填充模腔，從而使得MIM產(chǎn)品密度均勻，避免了其它傳統(tǒng)加工工藝中不可避免的密度分布不均勻的缺點(diǎn)。另一個(gè)可與MIM競(jìng)爭(zhēng)的工藝是精密鑄造，與精密鑄造相比，MIM工藝在最小直徑、最小壁厚、公差、表面粗糙度等方面顯示出優(yōu)勢(shì)。

1.2 成形劑及其脫除

粘結(jié)劑是金屬注射成形技術(shù)中必不可少的原材料，它既可以在注射時(shí)為金屬粉末提供具有流動(dòng)性的載體，又能維持坯塊的形狀。這就要求粘結(jié)劑既要有良好的流變學(xué)性能，又要求其具有快速脫除的性能。現(xiàn)在MIM不銹鋼零件的生產(chǎn)中多采用蠟基為主的熱塑性粘結(jié)劑。不銹鋼的脫脂技術(shù)分為熱脫脂、溶劑脫脂、虹吸脫脂、催化脫脂等，其中應(yīng)用最廣泛的是溶劑脫脂。溶劑脫脂技術(shù)是指將大部分粘結(jié)劑通過(guò)溶解等方法去除，只留下連通通道。這些連通通道可使后續(xù)熱脫脂過(guò)程中產(chǎn)生的相對(duì)分子質(zhì)量低的氣體迅速擴(kuò)散至坯外，從而使后續(xù)熱脫脂過(guò)程能夠迅速地進(jìn)行。

脫脂的目的是在不產(chǎn)生孔隙等缺陷的情況下，迅速地脫除粘結(jié)劑。粘結(jié)劑脫除后，制品會(huì)變得非常脆弱，但是我們必須要保證零部件保持形狀，現(xiàn)在的技術(shù)通常是將最后的脫脂部分與燒結(jié)環(huán)節(jié)結(jié)合起來(lái)，在加熱階段達(dá)到燒結(jié)溫度以前，粘結(jié)劑就會(huì)全部脫除。

1.3 粉末注射成形的發(fā)展

目前國(guó)際上也開(kāi)始注意到現(xiàn)有MIM技術(shù)的局限性，并開(kāi)始分別在某一方面進(jìn)行研究。美國(guó)和歐洲也在開(kāi)展各種工作，已取得初步成效的有以下幾個(gè)方面：

1）新型脫脂技術(shù)提高脫脂速率 德國(guó)BSAF公司的Bloemacher等于90年代初一種催化脫脂方法。該方法的主要技術(shù)特點(diǎn)是在酸性氣氛中采用聚醛樹(shù)脂作為粘結(jié)劑快速催化脫脂。

2）減少粘結(jié)劑用量增大制品尺寸 法國(guó)Impac公司開(kāi)發(fā)了一種稱(chēng)之為Quickset的無(wú)粘結(jié)劑MIM新工藝，只需傳統(tǒng)MIM粘結(jié)劑含量的5%，這種工藝突破了傳統(tǒng)MIM制品的質(zhì)量和尺寸等限制。用該工藝可以得到大尺寸的金屬零件制品。

3）優(yōu)化顆粒配比提高精密度 美國(guó)Thermat公司開(kāi)發(fā)了PMIM新工藝，使用不同粒度粉末搭配，有效改善各自的填充均勻性，且混合粉的堆積密度超過(guò)單尺寸顆粒的堆積密度，而堆積密度的提高必然會(huì)帶來(lái)MIM產(chǎn)品燒結(jié)密度和力學(xué)性能的提高。因此，使用不同粒度粉末搭配用于MIM不銹鋼是可以強(qiáng)化粗粉末燒結(jié)，并使得產(chǎn)品尺寸精度達(dá)到±0.1%。

4）更先進(jìn)、控制更精確的裝備 目前金屬注射成形技術(shù)主要是朝著適用材料體系發(fā)展，開(kāi)發(fā)出了滿(mǎn)足特殊粘結(jié)劑及脫脂技術(shù)的高可靠性的生產(chǎn)裝備。以計(jì)算機(jī)精密控制注射成形機(jī)及相關(guān)在線(xiàn)質(zhì)量檢測(cè)控制系統(tǒng)的研究和計(jì)算機(jī)輔助脫脂關(guān)鍵裝備技術(shù)的開(kāi)發(fā)是目前及今后關(guān)注的重點(diǎn)方向。

2 粉末注射成形在不銹鋼零件生產(chǎn)中的應(yīng)用

至今被MIM利用最廣的是奧氏體Ni－Cr鋼316L和馬氏體硬化鋼17－4PH。316L不銹鋼在多種腐蝕介質(zhì)中具有優(yōu)良的耐蝕性，且綜合力學(xué)性能良好，工藝性能和可焊性?xún)?yōu)良，因而得到了廣泛應(yīng)用，在歐洲的MIM中316L約占不銹鋼的80%，日本與歐洲相似，主要是316L不銹鋼。

3 結(jié) 語(yǔ)

MIM不銹鋼零件已經(jīng)應(yīng)用到汽車(chē)工業(yè)，飛機(jī)機(jī)翼過(guò)濾器和建筑，交通運(yùn)輸，食品工業(yè)，醫(yī)療器械等領(lǐng)域，以其形狀復(fù)雜、性能優(yōu)異、成本低廉的特點(diǎn)占有越來(lái)越重要的地位，但作為一種新型成形技術(shù)仍有許多的不足和局限性，尤其是工件尺寸上的限制極大的制約了MIM的發(fā)展。

現(xiàn)在以316L鋼（奧氏體）和17－4PH（沉淀硬化）為代表的不銹鋼粉末注射成形占MIM零件總銷(xiāo)售額的50%以上，涵蓋了應(yīng)用的主要部分。不銹鋼本身具有優(yōu)異的力學(xué)性能及耐腐蝕性能但難于加工，而MIM良好的成形性恰好可以彌補(bǔ)不銹鋼成形性差的缺點(diǎn)，因此將MIM技術(shù)應(yīng)用在不銹鋼粉末零件的生產(chǎn)有著樂(lè)觀(guān)的前景?，F(xiàn)在應(yīng)用的粘結(jié)劑還是多為石蠟基的熱塑性聚合物，脫脂是最重要也是最困難的步驟之一?？刂撇划?dāng)將引起脫脂坯變形、成分波動(dòng)等，進(jìn)而影響最終產(chǎn)品的性能。因此，研究、開(kāi)發(fā)新型的粘結(jié)劑和脫脂技術(shù)具有重要意義。從正確選擇粉末到成品，如果MIM工藝正確，今天可以制造的MIM不銹鋼零件將會(huì)發(fā)揮更大的作用。

［1］ Eli GERMAN R M，HENS K F.Key Issues in Powder Injection Molding［J］.Ceramic Bulletin，1991，70（8）：1294－1302.

［2］ German R M，Cornwall R C.The Powder Injection Molding Industry一An Industry and Market Report［Z］.Innovative Materials Solutions Inc，1997.

［3］ 勇 家.屬注射成形不銹鋼［J］.粉末冶金技術(shù)，2000，18（4）：274－282.

［4］ 李益民，李云平.金屬注射成形［M］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2004.