崔曉波 孟坤全

（昆山安泰美科金屬材料有限公司 江蘇蘇州 215300）

金屬粉末注射成型技術(shù)（Metal powder injection molding，MIM）誕生于20世紀(jì)70年代，是一種金屬粉末快速凈成形技術(shù)［1］。MIM技術(shù)可以成型出尺寸精度高、形狀復(fù)雜、性能優(yōu)異的產(chǎn)品，具有生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低和可大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車、電子、生物醫(yī)療、兵器及航空航天等領(lǐng)域［2-4］。

MIM 的基本工藝過程是：首先將金屬粉末與黏結(jié)劑進(jìn)行混煉造粒，制備出喂料（注射料），然后經(jīng)注射成型和脫脂工序，成型出具有一定形狀的多孔金屬零件，再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)致密化和后處理，獲得最終產(chǎn)品［5-7］。在生產(chǎn)過程中，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出錯(cuò)都有可能致使最終產(chǎn)品產(chǎn)生缺陷。缺陷可能是由于模具的設(shè)計(jì)和制造等機(jī)械因素引起的，也可能是由于混煉造粒、成型壓力、注射速度、保壓壓力、脫脂和燒結(jié)參數(shù)不當(dāng)?shù)燃庸ひ蛩匾?。有些缺陷可能在前期生產(chǎn)工序中已經(jīng)產(chǎn)生，但當(dāng)時(shí)很難識(shí)別，直到脫脂或燒結(jié)工序才表現(xiàn)出來。本文將簡述MIM技術(shù)每道工序中經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷，并闡釋其產(chǎn)生原因，以期為相關(guān)工作者提供借鑒。

1 混煉造粒

1.1 混煉均勻性

混煉造粒是MIM 工藝的第一步工序，注射料的質(zhì)量直接影響后續(xù)的工藝過程及產(chǎn)品質(zhì)量［8］。通常，MIM 成型選用原料粉末粒徑細(xì)?。ㄆ骄６刃∮?0μm），因此，粉末之間可能存在較嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象。若混煉造粒工序不能破碎團(tuán)聚體，則可能導(dǎo)致最終燒結(jié)產(chǎn)物組織不均勻。如果團(tuán)聚體是合金元素添加劑，注射料將出現(xiàn)高合金化區(qū)和低合金化區(qū)，影響產(chǎn)品的力學(xué)性能。同時(shí)，由于燒結(jié)溫度無法使難熔金屬元素（如Mo 等）致密化，燒結(jié)后，高合金區(qū)致密度較低。此外，一些合金元素（如Ni 等）形成較大團(tuán)聚體時(shí)，由于相互擴(kuò)散不平衡，也可能產(chǎn)生柯肯達(dá)爾孔洞。

注射料成分的均勻性是混煉工序關(guān)注的重點(diǎn)。如果混煉時(shí)間或剪切速率不足，金屬粉末和黏結(jié)劑分布不均，在隨后的脫脂工序有機(jī)黏結(jié)劑富集區(qū)可能出現(xiàn)起泡現(xiàn)象。此外，若混煉時(shí)間過長，低溫黏結(jié)劑成分發(fā)生分解或蒸發(fā)。通過監(jiān)測(cè)混料機(jī)的功率，可以確定最佳混煉造粒時(shí)間，當(dāng)混料機(jī)功率減小并趨于穩(wěn)定時(shí)，說明金屬粉末和黏結(jié)劑已混合均勻。生產(chǎn)時(shí)，使用毛細(xì)管流變儀來測(cè)定批次間金屬粉末和黏結(jié)劑的混合均勻性。

1.2 注射料的回收使用

為了降低MIM 產(chǎn)品的制造成本，生產(chǎn)時(shí)，通常對(duì)澆口料、流道料和脫脂前發(fā)現(xiàn)有缺陷的注射成型生坯進(jìn)行回收再利用。MIM行業(yè)通常采用兩種方法使用回收料，一種方法是在新鮮注射料中添加30%～50%的回收料，另一種方法是使用100%的回收料。隨著回收循環(huán)次數(shù)的增加，回收料會(huì)發(fā)生變質(zhì)。變質(zhì)的主要原因是黏結(jié)劑氧化，如石蠟中C-C 鍵氧化成為C=O 鍵。變質(zhì)使金屬粉末和黏結(jié)劑之間的結(jié)合強(qiáng)度減弱，在脫脂過程中，產(chǎn)品可能會(huì)出現(xiàn)裂縫和變形，黏結(jié)劑變質(zhì)還會(huì)使粉末之間的粘度升高，批次間的尺寸精度和生坯密度將難以控制。

2 注射成型

2.1 飛邊

當(dāng)注射成型模具型腔較多時(shí)，需要長流道結(jié)構(gòu)和較高的成型壓力才能將注射料輸送到每個(gè)型腔內(nèi)。由于模具部件的材料和形狀不同，較高的成型壓力使模具發(fā)生不同程度的彈性變形或塑性變形，導(dǎo)致模具各部分之間出現(xiàn)縫隙，較高壓力的注射料進(jìn)入縫隙形成飛邊。當(dāng)在小型成型機(jī)上使用帶有較多型腔的大模具時(shí)，飛邊問題更為嚴(yán)重。

2.2 殘余應(yīng)力

注射成型工序中第二種容易出現(xiàn)的缺陷是殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力在注射成型工序很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)，只能在脫脂工序和后續(xù)加工時(shí)被發(fā)現(xiàn)。注射成型時(shí)，靠近模具表面位置冷卻速度快，優(yōu)先固結(jié)成型，殘余應(yīng)力被固結(jié)到生坯內(nèi)部，脫脂工序加熱過程會(huì)使殘余應(yīng)力釋放，導(dǎo)致工件發(fā)生變形。若注射壓力較高，零件甚至在室溫下長時(shí)間放置都可能發(fā)生變形。

2.3 其他缺陷

注射成型工序易產(chǎn)生的其他缺陷與常規(guī)注塑成型時(shí)由于成型參數(shù)不當(dāng)而產(chǎn)生的缺陷類似。成型過程中，溫度和壓力的控制是產(chǎn)品質(zhì)量的兩個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)［9］。當(dāng)成型壓力或保壓壓力較低時(shí)，會(huì)出現(xiàn)低生坯密度區(qū)域和填充不完全，此時(shí)，若排氣設(shè)計(jì)不良及長流道結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致澆道處先凝固，在零件較厚界面可能出現(xiàn)內(nèi)部空隙，經(jīng)燒結(jié)工序后，這些低密度區(qū)或內(nèi)部空隙的區(qū)域就會(huì)形成凹坑。

進(jìn)料溫度低、模具溫度低或機(jī)筒溫度低可能產(chǎn)生熔合線和流痕缺陷。當(dāng)?shù)蜏刈⑸淞显诟邏合铝鬟^模具表面時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生流痕，當(dāng)分開的注射料流再次相遇時(shí)，就會(huì)形成熔合線。缺陷的產(chǎn)生也與模具設(shè)計(jì)不當(dāng)有關(guān)，如長流道、澆口位置不當(dāng)、排氣口位置不當(dāng)?shù)?。這些成型缺陷的典型解決方案是提高筒體溫度、噴嘴溫度和模具溫度，并通過優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)來避免在模具中流動(dòng)的注射料流分開，從而防止注射料在未完全填充模具前先凝固。表1展示了注射成型工序中可能產(chǎn)生缺陷及這些缺陷的產(chǎn)生原因和補(bǔ)救措施。

表1 注射成型工序常見的缺陷和補(bǔ)救措施

3 脫脂

生坯脫除黏結(jié)劑工序是一個(gè)緩慢、精細(xì)、復(fù)雜的過程。因?yàn)樵诹慵行奈恢玫酿そY(jié)劑分解產(chǎn)生的氣體不能通過任何孔隙通道有效地逸出到大氣中，除非應(yīng)用極慢的加熱速率和較長的脫脂時(shí)間（如幾天），否則經(jīng)常會(huì)遇到缺陷。為了確保成型坯的形狀在整個(gè)脫脂過程中保持不變，一次成功的脫脂過程通常由2個(gè)或3個(gè)階段組成，在每個(gè)階段中會(huì)去除一種成分的黏結(jié)劑。已開發(fā)的脫脂技術(shù)有溶劑脫脂、熱脫脂、催化脫脂、虹吸脫脂等［10-11］。盡管催化脫脂可以在很短的脫脂周期內(nèi)生產(chǎn)出高質(zhì)量的脫脂部件，但出于經(jīng)濟(jì)原因，生產(chǎn)時(shí)，廣泛應(yīng)用的脫脂工藝是溶劑脫脂和熱脫脂的兩步脫脂工藝。因此，本節(jié)僅分析兩步脫脂工序易產(chǎn)生的缺陷。

表2總結(jié)了溶劑脫脂和熱脫脂可能產(chǎn)生的缺陷及這些缺陷產(chǎn)生的原因和補(bǔ)救措施。在溶劑脫脂過程中，如果過程操作不當(dāng)，零件經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)裂紋和坍落。溶劑脫脂過程通常伴隨著加熱溶劑以提高脫脂率，加熱使石蠟等黏結(jié)劑變軟，若操作不當(dāng)，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致零件翹曲和塌陷，尤其是零件具有復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)時(shí)。改善黏結(jié)劑種類、成分配比及降低溶劑脫脂溫度，有助于緩解這個(gè)問題，必要時(shí)，還可以通過修改零件形狀以更好地支撐薄截面或延伸截面。

表2 脫脂工序常見的缺陷和補(bǔ)救措施

熱脫脂后經(jīng)常觀察到一些缺陷，但這些缺陷產(chǎn)生的原因不一定與熱脫脂工序本身有關(guān)，它們可能源于混煉造粒、注射成型或溶劑脫脂工序，在熱脫脂工序中被放大并表現(xiàn)出來。熱脫脂加熱時(shí)，應(yīng)緩慢升溫，當(dāng)加熱速度過快時(shí)，熱脫脂缺陷經(jīng)常出現(xiàn)，在大多數(shù)情況下，這些缺陷是由黏結(jié)劑成分的快速分解引起的。材料吸附的水分轉(zhuǎn)化為蒸汽時(shí)也會(huì)產(chǎn)生缺陷，當(dāng)分解的氣體分子不能足夠快地通過相互連接的孔隙通道逃逸到環(huán)境中時(shí)，如果生坯塑性較好，會(huì)導(dǎo)致起泡或者氣孔缺陷；當(dāng)生坯較硬或顆粒間摩擦力較低時(shí)，就會(huì)發(fā)生開裂。隨著熱脫脂進(jìn)行到最后，只剩下少量位于顆粒間頸部的黏結(jié)劑未去除，這些黏結(jié)劑引起的毛細(xì)力促使顆粒重新排列，從而誘發(fā)內(nèi)應(yīng)力引發(fā)變形。較高的粉末裝填密度可以減少顆粒的滑移，減少脫膠過程中生坯件的變形，有利于提高燒結(jié)件的性能［12］。

人們已經(jīng)開發(fā)了幾種技術(shù)來緩解熱脫脂過程中出現(xiàn)的開裂、起泡和變形缺陷，包括在黏結(jié)劑組分分解或蒸發(fā)的溫度范圍內(nèi)使用緩慢的加熱速率、高氣體流速和在溶劑脫脂過程中保持較高的粘結(jié)劑去除率，以及延伸截面和復(fù)雜零件的支架或固定裝置。使用更多不規(guī)則粉末也有助于提高生坯強(qiáng)度，并允許使用更快的脫脂速度，然而，這些粉末將對(duì)注射料的流動(dòng)性和燒結(jié)性產(chǎn)生不利影響。

4 燒結(jié)

4.1 外觀變色

金屬體系對(duì)燒結(jié)氣氛的氧化能力很敏感，產(chǎn)品顏色是燒結(jié)氣氛問題的一個(gè)明顯預(yù)兆，尤其是對(duì)鋼而言［9］。燒結(jié)過程中，零件表面產(chǎn)生氧化物或氮化物等會(huì)導(dǎo)致外觀發(fā)生變色。為了防止氧化物、氮化物或其他反應(yīng)產(chǎn)物的形成，燒結(jié)時(shí)，金屬表面不能與燒結(jié)氣氛發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)燒結(jié)氣氛中含氧量較高時(shí)，高溫活潑金屬粉末表面會(huì)形成金屬氧化物。當(dāng)燒結(jié)氣氛中含有氮?dú)饣虬睍r(shí)，會(huì)與不銹鋼中的鉻發(fā)生反應(yīng)，形成氮化鉻，降低不銹鋼的耐腐蝕性。當(dāng)真空燒結(jié)溫度過高時(shí)，鉻也會(huì)蒸發(fā)從而降低零件耐腐蝕性。因此，高溫?zé)Y(jié)不銹鋼時(shí)，常采用氬氣作為保護(hù)氣氛。

4.2 尺寸不合格

MIM材料在燒結(jié)工序會(huì)有10%～20%的收縮，尺寸大小會(huì)有明顯變化。與溶劑脫脂工序出現(xiàn)的變形問題相似，在燒結(jié)過程中，由于重力或不同位置收縮不均，也會(huì)出現(xiàn)扭曲變形等問題。MIM零件通常能達(dá)到理論密度的95%以上，為了提高成型件密度，通常選用細(xì)粉和高溫?zé)Y(jié)，有時(shí)甚至液相燒結(jié)。MIM零件脫脂后致密度通常小于70%，因此，燒結(jié)過程中控型是一個(gè)較大的挑戰(zhàn)。例如，燒結(jié)D2工具鋼時(shí)溫度必須控制在±5℃以內(nèi)。

5 結(jié)語

自MIM 誕生以來，工藝技術(shù)已顯著進(jìn)步。盡管人們花費(fèi)了大量的時(shí)間和精力來解決MIM 零件生產(chǎn)過程中遇到的問題，但在混煉造粒、注射成型、脫脂和燒結(jié)過程中，仍然經(jīng)常產(chǎn)生缺陷。MIM 工藝仍然存在許多具有挑戰(zhàn)性的問題，如殘余應(yīng)力、粉末/黏結(jié)劑的分離、黏結(jié)劑在成型過程中的流動(dòng)行為、熱脫脂過程中的黏結(jié)劑再分布行為及液相燒結(jié)過程中的形狀保持等，有待進(jìn)一步研究解決。