金屬粉末注射成型工藝及研究進展

王浩然，宋 濤，張永翠，張 霞

（山東工業陶瓷研究設計院，山東 淄博 255000）

1 前 言

粉末注射成型工藝是一種由塑料注射成型工藝逐步升級，與粉末冶金技術相結合而誕生的新工藝。根據粉末不同物理化學性質可分為金屬粉末注射成型（Metal Injection Molding，簡稱MIM）和陶瓷粉末注射成型兩個方向。MIM 技術最早于1973年被美國加州Parmatech 公司發明［1］。該技術的最大特點是近凈尺寸成型，即產品在燒成前后收縮率比較小。該工藝能有效地減少傳統機加工（CNC）工作量，降低原料浪費，解決了粉末冶金領域中復雜異性制品難加工的問題。相比傳統的粉末冶金產品，精度高、密度均勻是MIM產品的突出優點，適用于結構復雜、性能優異的金屬零件產品的生產，而且可以大批量化生產、成本低。本文主要綜述MIM 技術的應用、MIM 的計算機模擬、國內外發展現狀，提出存在的問題，并對行業前景作出展望。

2 MIM工藝

MIM 工藝主要包括混煉→造?！⑸涑尚汀撝娓伞鸁Y→后處理等幾個環節。

2.1 MIM的主要原料

MIM原材料主要包括鐵粉、銅粉、鋁粉、不銹鋼粉、鐵基合金鋼、鎳基合金、鎢合金、硬質合金、鈦合金、磁性材料及摻雜非金屬材料。粉末的類型、性質對MIM 制品的特性及使用領域有著關鍵影響。通常MIM 的粉末粒度在微米級以下，外觀接近球狀，同時對粉末的松裝密度、振實壓力、粉末長徑比、自然坡度角、粒度分布都有相應的要求［2］。MIM原粉粉末的粒度一般為2～15 μm，而傳統原粉粉末粒度一般為50～100 μm。MIM 成型密度較高，關鍵在于采用了微粉。MIM 在具備常規粉末冶金技術優點的同時，其形狀和自由度是傳統粉末冶金技術所無法實現的。MIM 采用的金屬粉末粒度在0.5～20 μm。理論上粒度越小比表面積越大，更利于成型和燒結，但常規的粉末冶金一般選擇粒度大于40 μm 的粗粉末。有機黏結劑用來包裹金屬粉末，提高粉末在料筒中加熱時的流變性和潤滑性，同時要求黏結劑不能與原料反應，具有易脫除性。

2.2 MIM生產設備

注射成型環節涉及成型用設備即注射機，模具的設計非常關鍵，確定最終的模具方案需要大量的時間和成本，模流分析與電腦模擬仿真在模型方案設計的制訂環節發揮重要作用。根據MIM的流程，MIM 工藝需要的主要機械設備包括混煉造粒整體機、MIM專用注射機、脫脂爐、燒結爐以及多種檢測設備、二次加工設備等。

2.2.1 混煉設備

為了使粉末表層均勻覆蓋著黏結劑，同時具備良好的結合力、穩定性、成型性，以及有利于后續脫脂和燒結工藝，要求混煉裝置扭矩和溫度恒定，確?；炝系玫骄鶆虻募羟辛?，防止粉末顆粒和組織偏析；要求捏合裝置混料具有可重復性、便于清洗、能耗低，目前應用較成熟的捏合裝置有雙行星混料機、單螺桿擠出機、雙偏心輪混料器、Z式齒輪混料器、密煉機，其中采用較多的是密煉機，它適用于金屬粉末和粘貼劑的密煉。密煉機螺旋式轉子多選用2Cr13 不銹鋼鑄件，硬度高，耐磨，耐腐蝕。特制的轉矩傳感器設備和轉矩測量記錄儀以及物料溫度記錄儀，能記錄密煉過程中的物料溫度、轉矩的變化狀況，并可反映密煉過程中電壓、轉速等技術參數。輸出軸速度從20～50 r/min 可平滑調整，效率高，適應各種物料不同配方的試驗條件。

2.2.2 注射成型設備

實際制作中，常用的成型裝置有雙回路注射成型機、雙模板注射機、無拉桿注射機、全自動注射機、電磁動態注射成型機等。雙模板注射機把塑化和注射分離，塑化由擠出機穩定塑化；雙柱塞鎖模力穩定均衡，計數精確；雙模板無拉桿注射機大大簡化了注射機鎖模系統；全自主注射機采用電動機械驅動結構代替液壓動力傳動系統，扭矩得到高傳動轉速與行程調節更精確。其中，柱塞注射機因其穩定性高、測量精確，在實際生產中更受行業內人士的青睞。

2.2.3 脫脂設備

目前生產中常用的脫脂方法有熱脫脂、溶劑脫脂、催化脫脂、虹吸脫脂等?？紤]不同工業生產規模以及實際工業生產狀況，按照脫脂方法可將設備分成熱脫脂爐、溶劑脫脂爐、虹吸脫脂爐、催化脫脂爐；也可根據機器工作方式，將脫脂設備分成批料式和連續式兩種，其中催化脫脂是比較先進的脫脂方法，連續式脫脂燒結一體爐被應用于工業化生產中。當成型出生坯后，進行脫脂，通過萃取方法將生坯中黏結劑分離出來，再通過烘干將坯體中萃取劑蒸發，最后進行燒結。幾種脫脂技術的基本原理和特性見表1。

表1 幾種典型脫脂方式的特征

2.2.4 燒結設備

燒結過程通常在真空或氣氛下高溫加熱，使脫脂的坯體最終致密化。按燒結壓力分為常壓燒結和加壓燒結；按工作方式分成間斷式和連續式兩類；按加熱方式主要分成電阻加熱電爐和感應加熱電爐，同時又可以分為對燒結體直接電加熱和間接電加熱兩種形式；按燒結溫度差異，可把燒結裝置分成中溫燒結爐（900～950 ℃）和高熱燒結爐（1 100～1 700 ℃）；按保護氣氛的差異又可分成空氣燒結爐、氫氣燒結爐（如鉬絲爐、不銹鋼管式氫氣爐）、真空燒結爐等［3］，真空燒結爐和鉬絲爐實際應用較廣。

3 國內外發展現狀

3.1 MIM原料研究現狀

劉超等人論述了鈦及鈦合金MIM 的研究進展［4］，包括納米鈦合金粉末注射成型工藝的基本原理及主要應用，從納米粉末原料、黏結劑體系、注射成型、脫脂和燒結等方面進行分析，總結了當下存在的問題，對金屬粉末成型的發展趨勢和研究方向作出展望。

在MIM用塑基喂料的研制及應用中，張啟龍等人成功生產出了316L 不銹鋼塑基成型喂料［5］。通過生產實踐驗證，制備的喂料具有粉末裝載量大、流動性好、重量偏差小、脫脂周期短、脫脂率高等優點，自主研發的喂料已初步實現規?；?，但材料方面的選用、無殘留少殘留方面仍需進一步優化。

在MIM工藝的流變學研究中，Baiyun Huang 等人采用聚合物黏結劑體系制備鐵/鎳MIM（MIM）原料［6］。采用班伯里強化混合器和螺桿擠壓器來實現原料的優化，并使用毛細管流變儀來評估制備流體的流變性能。討論了剪切速率（g）、固體體積分數（f）和溫度（T）對Fe/Ni MIM原料流變行為的影響。

在鈦MIM的研究進展中，Randall M.German等人通過研究分離出了鈦MIM（Ti-MIM）中必須同時滿足的4 個關鍵因素——密度、純度、合金化和微觀結構［7］。雜質在燒結過程中能否順利脫除，直接影響產品質量以及致密度。因此需要選用高質量的合金粉末Ti-MIM。通過研究分析確定了4 個關鍵因素，進一步優化了Ti-MIM的成型條件，在航空航天和生物醫療領域邁出關鍵一步。

在鈦MIM 黏結劑系統的開發與設計中，GUIAN WEN 等人認為鈦MIM（Ti-MIM）自20 世紀80年代末開展［8］，在成型原理方面，Ti-MIM 實踐符合金屬和陶瓷等材料成型工藝。黏結劑在脫脂及燒結中對空氣的污染問題一直存在，有一些粉末供應商和原料供應商能做出環保原料，但大多數黏結劑配方都受到公司保護，所獲取的黏結劑配方信息非常有限，這是很多人不采用該工藝的原因。此外，還討論了Ti-MIM 黏結劑體系，為Ti-MIM 從業者選擇合適的粉末原料提供了指導。

在一種新型的金屬注塑用淀粉基黏結劑中，H.Abolhasani 等人制備了淀粉和線性低密度聚乙烯（LLDPE）作為黏結劑，用該黏結劑與316L 不銹鋼粉末混合后，得到固含量57%的原料［9］。用毛細管流變儀觀察了黏結劑和原料的流變學指標。通過合理的流動表征試驗，研究了黏結劑和原料在MIM（MIM）中的重要性，并在一定范圍內獲得了最合適的流動性。對原料進行了熱重分析（TGA），分析了黏結劑組分的分解行為。順利地進行了注射成型，通過三點彎曲試驗測試了成型后試樣的力學性能，結果表明，試樣的力學強度滿足預期值。

3.2 MIM計算機模擬技術的運用及其重要性

MIM因具有近凈尺寸成型、可批量化連續生產的顯著優點，被廣泛應用于各行業。但同時也受到前期摸索階段成本高昂，開發周期長等因素制約。通過計算機輔助模擬，可以有效解決這類問題。

在MIM的計算機模擬理論與應用進展綜述中，趙彩藝等人對MIM 原理和制造過程中的優缺點做出研究和分析。通過進行計算機數值模擬快速確定最佳工藝參數，分析了計算機模擬理論基礎、發展動態與現狀，提出了快速發展計算機模擬技術的必要性［10］。

高建祥等人分析了金屬粉末的注射成型過程計算機模擬技術的現狀及發展［11］，強調了快速開發MIM模擬軟件的必要性。

在金屬粉末的注射成型技術及數值模擬中，侯成龍等人分析了金屬粉末的注射成型工藝流程，包括喂料制備、黏結劑的選取、混料、注射成型、脫脂、燒結等工藝，分析了金屬粉末的注射成型的發展現狀及新工藝，并進行了注射成型的數值模擬［12］。

在照門座MIM數值模擬及試驗研究中，張弛等人對照門座零件進行數值模擬研究并對模擬結果進行驗證，生產出符合產品質量要求的零件［13］。照門座零件的數值模擬過程包括產品的網格劃分、澆口位置的確定、冷卻水路的設計等。喂料注射過程模擬研究涉及流動波前、翹曲變形。當注射溫度190 ℃，注射壓力28 MPa，澆口流速20 cm3/s時，數值模擬結果最佳。根據模擬結果進行模具設計與制造，得到燒結后的產品的尺寸公差達到±0.06%，零件硬度達到21～23 HRC，相對密度可以達到96.9%。

Th.Barriere 等人通過實驗和數值模擬確定了MIM的最佳工藝參數［14］，在實驗和數值模擬的基礎上，討論并確定了無缺陷、機械性能達標零件的最佳工藝參數。實驗采用專門設計的多腔模具，測量和記錄注射階段的不同參數。對脫脂和燒結進行了優化，使部件沒有缺陷?；陔p相流公式和新開發的顯式算法，實現了通過數值模擬來預測注射過程中的偏析效應。這種新的分步算法和相關的有限元軟件有效地實現了實驗和仿真之間的精確關聯。

盡管國內目前在努力發展MIM 計算機模擬的研究，但是技術依然不夠成熟。金屬粉末成型技術與塑料注射成型相比，是一個新興工藝，粉末流變性是非常值得深入探討和驗證的問題。目前國外的計算機模擬軟件已經做得十分成熟，相比國內取得了很大成就，且對外壟斷價格昂貴，我國迫切需要開發出屬于自己的MIM模擬軟件。

3.3 MIM工藝的國內外研究現狀

劉瑞洋等人通過實驗把電磁振動場引入到金屬粉末的注射成型中［15］。為了準確觀察到生坯組織和燒結后樣品內的各種微觀組織，采用SEM分析和金相顯微鏡進行分析比較，對生坯燒成和再燒成型后的樣品材料的外表微觀晶相、體密性能和表面力學性能進行系統的評價。實驗中可以適當調整電磁振動場的振動頻率，觀察其對各種生坯性能的影響，進而可以篩選出最佳的振動參數。實驗結果表明，當MIM 中引入振動場，生坯和燒結后樣品的致密度和成型性能相比同于靜態的注射成型方法均有顯著提高。

高春萍等人運用MIM技術成功制備出高精度、高性能的異形鈦合金零器件［16］。在整個實驗操作過程中，通過顆粒級配，多次試驗，篩選出最合適的多組元黏結劑，制備喂料，通過真空燒結法獲得燒結制品，最終確定了主組元均為二聚甲醛的多組元復合黏結劑，同時驗證了脫脂方式和喂料時間配比對燒結后產品性能的影響。結果表明：當大顆粒（D50=25.28 μm）、中微粒（D50=16.75 μm）中、小粒子（D50=12.66 μm）3種顆粒類別，質量大小比為17∶6∶2 時，鈦合金混合粉末可以獲得最大相對振實比密度為55%。同時，通過多次分離試驗研究，采用脫脂分離工藝，在確保高效及低成本的脫脂工藝下，黏結劑脫除率可達85%。雜質含量得到有效控制，制備的鈦合金產品經燒結后，產品性能穩定，相對金屬密度達到95.9%，拉伸強度達到933 MPa，拉伸率為7.5%，抗彎強度為1 282 MPa，金屬C的平均質量分數為0.10%，O的平均質量分數為0.21%。

在粉末裝載對MIM 不銹鋼的影響中，Yimin Li等人認為粉末裝載是影響MIM 工藝的最關鍵因素之一［17］。選用氣體霧化成球狀的不銹鋼粉末和含有大約65%的PW、30%的EVA、5%的SA 的黏結劑，分別在含有約為60%、64%、68%和72%的粉末裝載情況下連續制備并得到使用4 種原料。研究結果表明，粉末裝載特性對喂料熱流變性、致密度和精度控制有很大關系。分析了粉末裝載對粉末力學性能、微觀結構的影響，結果表明，68%的粉末負荷是最優填裝量。粉末裝載量大于68%時燒成帶寬，溫度范圍內黏度也較低。從產品收縮率考慮，68%時的粉末裝載量最佳，同時致密度的提高，有利于燒結致密化，獲得良好的力學性能和微觀結構。

在鈦金屬注射成型技術的研究進展中，F.H.（Sam）Froes 綜述了鈦粉注射成型件的生產方法［18］。通常氧含量過高，無法滿足結構使用需求（特別是Ti-6Al-4V 合金）。然而，隨著在粉末、黏結劑和燒結設備方面的進展，Ti-6Al-4V 合金中的氧含量可以控制到0.2%，這將導致鈦PIM市場的快速打開，應用到航空航天、汽車、外科器械、牙科、通信設備（如電腦和手機）、刀具和槍支等領域。

在用金屬注射成型法制備金屬基體復合材料的綜述中，Hezhou Ye 等人認為金屬注塑（MIM）是一種接近網型的制造技術，可生產三維結構復雜零件、近凈尺寸、可批量化的特點是其制造金屬基體復合材料的有利條件［19］。

4 MIM技術的應用

MIM 可用于加工制造光通信連接器、汽車發動機馬達軸承、手機外殼、醫用和外科器械零件以及建筑陶瓷結構部件等各種精密、形狀結構復雜的產品［20］。

蔣香草等人對超細鎢粉顆粒粉末原料制備、喂料的制備、注射成型、燒結工藝和熱等靜壓處理幾個工序分別展開實驗，研究了超細純鎢粉工藝以及超細鎢粉稀土氧化物及彌散增強鎢粉材料在鎢MIM技術上的應用，并率先利用該技術制備出可用于聚變反應裝置的鎢零部件［21］。所用的鎢粉純度可達99.998 8%，有害雜質含量＜0.05%。對制備的超細高純鎢零件中的主要元素、微觀組織和熱力學性能進行了系統的測量分析。經分析，超細高純鎢零件中的鎢平均相對含碳密度系數不低于98%，鎢平均晶粒尺寸分布在10～15 μm，熱導率500 ℃及以上，與鍛造出來的純鎢零件的基本性能一致。通過使用超細稀土氧化物粉末進行分散及提純加工后，鎢粉零件密度可以得到進一步增強，相對密度不低于99%，平均晶粒尺寸在3～5 μm。

MIM技術在汽車零件加工及應用方面，喬斌等人介紹了MIM工藝的發展現狀和應用領域，分析了該工藝在軍工、醫療、工業、汽車等行業的應用［22］；介紹了金屬粉末成型零件在汽車領域的幾個典型應用，主要產品包括汽車動力信號傳輸單元零件、渦輪增壓器、燃油噴油器、安全氣囊傳感器嵌入單元件、壓力傳感器、電動門鎖及組合鎖零件等。通過MIM 的零件，其尺寸精度、強度、剛度、耐磨性等性能相比鑄造零件都有顯著提升。重點對當下金屬粉末成型加工技術在汽車生產線上得到的最新應用實例進行分析和展望，為金屬粉末加工成型技術在更廣泛領域的應用提供了參考。

龐午驥等人針對MIM 工藝在口腔外科手術工具、牙齒正畸托槽、助聽器聲管、膝蓋軟骨植入零件的應用展開研究和分析［23］。德國的Forestadent 公司運用該技術通過一次成型，制得雙向倒勾式正畸形托槽，再經過后期拋光加工獲得低摩擦力零件，產品機械性能得到大幅度提高。同時該系列產品已經多次被醫生BjornLudwig 證實，在兒童正畸和手術過程中具有十分積極的輔助作用，實現了一次性的新型外科手術工具的大量生產。史密斯金屬產品公司利用金屬粉末成型技術生產出一種軸組件，可應用于一次性外科器械中，大幅度降低了其生產成本。通過使用瑞士的數控機床，加工成本可節約20%～25%，密度可達到7.5 g/cm3，極限抗拉強度達到1 190 MPa，伸長率6.0%，最大硬度33 HRC。目前通過該成型工藝使用Ti 合金為原料已經可以制備出生物關節和球頭，并可實現量產。

陳良建等人通過MIM工藝制備出納米多孔鈦，其孔隙孔率可達60%。表面涂覆通過改良的冷凝聚合交聯法制備的明膠和緩釋納米微球［24］。實驗研究結果表明，通過MIM制備成的納米產品無細胞毒性，適用于納米醫療植入物填充。加拿大MaettaSciencesInc 公司利用Ti-6Al-4V 技術成功研制出了一種可用于人體植入的膝蓋樣品零件，該產品在植入人體范圍內主要起承受關節壓力及潤滑作用，同時它需要和正常人體膝關節有著很好的生物相容性。采用沖壓成型處理后再進行熱塑等靜壓，以得到較好的表面性能，降低了金屬與人體間的機械摩擦，進一步提高金屬相容性和金屬使用壽命。美國Indo-MIM公司利用該技術分別為德國與Phonak公司成功設計生產出一種助聽器聲管，對患者聽力的輔助效果十分顯著。通過MIM 成型后再經過二次燒結加工就可直接得到這種結構形狀復雜的精密助聽器聲管，再通過玻璃珠表面噴砂處理使聲管表面粗糙度更低。該聲管材料的相對密度可達7.65 g/cm3，抗拉強度可達480 MPa，屈服強度150 MPa，伸長率45%，表面硬度可達100 HRB。

5 結 語

主要介紹了MIM 工藝（包括原料、設備和工藝流程）、國內外發展現狀、MIM 應用領域以及發展MIM 計算機模擬技術的重要性。金屬粉末成型技術因其產品近凈尺寸、精度高、可批量化生產等優點在冶金行業大受關注，但因前期開發成本高昂、開發周期長，使其推廣應用受到制約，而計算機模擬技術剛好能解決這一類問題。因此，快速發展國內MIM計算機模擬技術，打破國外計算機模擬軟件行業壟斷的桎梏是面臨并需要攻克的主要問題。