金屬粉末注射成型技術(shù) (Metal Injection Molding,簡(jiǎn)稱 MIM 是近 年來粉末冶金學(xué)科和工業(yè)中發(fā)展很迅猛的領(lǐng)域, 是現(xiàn)代先 進(jìn)的塑料注 射成型技術(shù)和傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)相結(jié)合而形成的一項(xiàng)新型粉末冶金 近凈型成形技術(shù)。

一、 MIM 成型技術(shù):

MIM 基本丁藝過程是:將微細(xì)的金屬或陶瓷粉末與有機(jī)黏結(jié)劑均勻混 合成為具有流變性的物質(zhì), 采用先 進(jìn)的注射機(jī)注入具有零件形狀的模 腔形成坯件,新技術(shù)脫除黏結(jié)劑并經(jīng)燒結(jié),使其高 度質(zhì)密成為制品, 需要時(shí)還可以進(jìn)行后處理。 該技術(shù)不僅具有常規(guī)粉末冶金技術(shù)生產(chǎn) 效率高,產(chǎn)品一致性好,少切削或無切削,經(jīng)濟(jì)高效的優(yōu)點(diǎn),而且克 服 傳統(tǒng)粉末冶金制品密度低,材質(zhì)不均勻,力學(xué)性能低,不易成型 薄壁復(fù)雜件的缺點(diǎn),特 別適合大批量、小型、復(fù)雜以及具有特 殊要求 的金屬零部件的生產(chǎn)加工。

該工藝技術(shù)在 20世紀(jì) 8O 年代中期實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化以來, 已獲得突飛猛進(jìn) 的發(fā)展,注射成型的產(chǎn)品已遍 及計(jì)算機(jī)信息產(chǎn)業(yè)、汽車摩托車產(chǎn)業(yè)、 醫(yī)療衛(wèi)生器械、家用電器、儀器儀表、機(jī)械制造、化工、紡織、國防 軍工等領(lǐng)域。到目前為止,已有 20多個(gè)國 家和地區(qū)的幾百家公司從 事該工藝技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)、 研制與銷售工作, 粉末注射成型工藝技術(shù) 也因此成為新型制造業(yè)中開發(fā)很為活躍的前沿技術(shù)領(lǐng)域, 被譽(yù)為世界 粉末冶金領(lǐng)域中的開拓性技術(shù),代表著粉末冶金技術(shù)發(fā)展的主方向。 該工藝的主要特點(diǎn)如下:

(1)可成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件該工藝技術(shù)利用注射機(jī)注射成型產(chǎn)品毛 坯,保 證物料充分充滿模具型腔,也就保 證了零件復(fù)雜結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。 這一點(diǎn)是傳統(tǒng)機(jī)械加工和常規(guī)粉末冶金工藝技術(shù)所無 法 比擬的, 是注 射成型工藝發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)基礎(chǔ)。

(2)注射成型制品尺寸精度高 , 注射成型工藝可直接成型薄壁、 復(fù)雜結(jié) 構(gòu)件, 制品形狀已能夠達(dá) 到或接近產(chǎn)品要求, 產(chǎn)品不需進(jìn)行二次 加工或只少罱精加工。零件尺寸公差一般保持在±0. 1%~±0. 3%左右。 特 別對(duì)于降低難于進(jìn)行機(jī)械加工的硬質(zhì)合金的加工成本, 減少 貴重 金屬的加工損失具有重要意義。

(3)與傳統(tǒng)粉末壓制工藝相比注射成制品微觀組織均勻,密度高,性 能好。

二、連續(xù)燒結(jié)設(shè)備的需要性:

隨著 MIM 技術(shù)的規(guī)模產(chǎn)業(yè)化, 傳統(tǒng)粉末冶金和注塑行業(yè)的通用生產(chǎn)設(shè) 備以及各種專 門的金屬注射成型:工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備已廣泛應(yīng)用于金屬注 射成型的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中。 企業(yè)對(duì)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)效率和設(shè)備自動(dòng)化, 加工連 續(xù)化程度及設(shè)備性能要求的提 高促 進(jìn)了金屬注射成型產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 MIM 產(chǎn)業(yè)的全 面發(fā)展更需通過生產(chǎn)設(shè)備來提 高企業(yè)的生產(chǎn)效率。正確 選擇和掌握 MIM 生產(chǎn)過程中的各種設(shè)備, 可提 高 產(chǎn)品的質(zhì)量、 產(chǎn)量以 及勞動(dòng)生產(chǎn)率,加速產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

目前,混合工序主要采用傳統(tǒng)的雙行星混料機(jī)、單螺桿擠出機(jī)、活塞 擠壓機(jī)、雙螺桿擠出機(jī)、偏心輪混料器、 z 形葉輪混料器等,能夠保 證混料的均勻性與高效率。 注射工序也可以借鑒傳統(tǒng)的注射設(shè)備, 如 雙回路注射成型機(jī)、雙模板注射機(jī)、無拉桿注射機(jī)、全自動(dòng)注射機(jī)、 電磁動(dòng)態(tài)注射成型機(jī)等,都 能夠較好地滿 足充填的技術(shù)要求。

對(duì)于脫脂工序, 由于脫脂是相關(guān)行業(yè)中以前從 未涉及過的領(lǐng)域, 其原 理為:在保 證注射成型所得的零件不變形的前提下, 運(yùn)用黏結(jié)劑中各 種成分隨著溫度的升高不斷的發(fā)生物理、 化學(xué)變化的原理, 逐漸變?yōu)?氣態(tài)或液態(tài)物質(zhì), 脫離開注射成型毛坯, 以達(dá) 到把黏結(jié)劑脫出的目的。 因而,該工序在整個(gè) MIM 技術(shù)中的地 位得尤 其的特 殊和重要。

脫脂后的零件幾乎沒有任 何強(qiáng)度, 稍微有些振動(dòng)都有可能使零件遭到 破壞。 同時(shí)考慮脫脂、 燒結(jié)階段盡町能地減少零件重復(fù)加熱造成的能 源浪費(fèi),考慮將傳統(tǒng)的脫脂、燒結(jié)、熱處理等單一工序集成為綜合工 序,這樣可以減少生產(chǎn)中不確定的因素,提 高成型零件質(zhì)量,也大大 提 高了生產(chǎn)效率。

綜合工序的提出, 便誕生了連續(xù)燒結(jié)設(shè)備的概念。 為了不使我國在激 烈的同際競(jìng)爭(zhēng)中落敗,并占據(jù)國際行業(yè)的領(lǐng) 先 地 位,積極地發(fā)展 MIM 技術(shù)是十 分需要的, 對(duì)傳統(tǒng)的單一工藝進(jìn)行集成與綜合, 以形 成有 效的綜合工藝,并盡快對(duì)綜合上藝設(shè)備進(jìn)行研發(fā)。

三、連續(xù)燒結(jié)設(shè)備及其控制技術(shù):

大量的熱脫脂研 究 表 明, 熱脫脂的關(guān)鍵在于控制脫脂溫度在低溫階段 (150~350% 慢速升溫 (1~C/min , 不產(chǎn)牛變形或缺陷, 所以要求真 守脫脂爐具有良好的溫度穩(wěn)定性和均勻性。 真空熱脫脂與氣氛熱脫脂 相比,真空壓力低,有利于黏結(jié)劑的揮發(fā)及分解物的排,所以脫脂速 率大于常壓下的氣氛脫脂。 由于這一特點(diǎn), 使得 MIM 脫脂與其他相關(guān) 工藝存在很大的差異,介紹市面上幾種品牌的連續(xù)燒結(jié)設(shè)備。 各種燒結(jié)爐從操作方式上分有立式和臥式兩種, 立式燒結(jié)爐存在的缺 點(diǎn)為容易在氣氛存在的情況下溫度上非 常不均勻; 臥式燒結(jié)爐存爐體 的曲端也存在溫度與內(nèi)部溫度偏差現(xiàn)象, 這樣使得燒結(jié)產(chǎn)品質(zhì)節(jié)大打 折 扣。脫脂燒結(jié)一體爐有以下六部分組成,捕集系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、充 氣系統(tǒng)、外循環(huán)系統(tǒng)、電氣控制部分和真空控制部分。其爐體采用夾 層水冷結(jié)構(gòu),爐膽由內(nèi)向外分別由小銹鋼波紋外隔熱氈、鋯氈、發(fā)熱 體和耐 高 溫不銹鋼波紋內(nèi)隔熱屏組成。 內(nèi)隔熱屏可防 止脂類物質(zhì)逸散 到爐體其他部位,同時(shí)便于清理。爐采用內(nèi)封門,可有 效地阻止熱量 的散失和脂類物質(zhì)的逸散。 捕集系統(tǒng)由多級(jí)水冷碟片式捕集器、 除脂 罐、多級(jí)過濾器和起動(dòng)閥組成。脂類物質(zhì)可順暢地白:接流入到除脂 罐內(nèi)。 真空系統(tǒng)由兩級(jí)真空系統(tǒng)組成, 旋片式真空泵和羅茨泵可根據(jù) 產(chǎn)品材料和脫脂要求的真空度選擇使用。 充氣系統(tǒng)可通過三個(gè)玻璃轉(zhuǎn) 于流量計(jì)摔制, 實(shí)現(xiàn)寬流量調(diào)節(jié)。 外循環(huán)系統(tǒng)由密封的風(fēng)機(jī)和熱交換 器組成,可實(shí)現(xiàn)快 速冷卻。 電氣控制系統(tǒng)由爐溫控制系統(tǒng)、真空控制 系統(tǒng)、充氣控制、 冷卻循環(huán)系統(tǒng)組成。通過熱電偶測(cè)定實(shí)際溫度并與 設(shè)定溫度進(jìn)行比較,改變電流及設(shè)備加熱功率,實(shí)現(xiàn)溫控,使得三個(gè)加熱區(qū)同時(shí)升溫,真空熱脫脂通過在運(yùn)行時(shí)不斷地通入保護(hù)性氣體, 使內(nèi)外爐膛形成一個(gè)較小的壓力差, 實(shí)現(xiàn)氣體單向流動(dòng), 有 效地避免 了脂類物質(zhì)污染發(fā)熱體和內(nèi)爐膛因溫差過大而變形, 實(shí)現(xiàn)脫脂的目的 隨著金屬注射成型技術(shù)的不斷發(fā)展, 其技術(shù)層面也越來越廣, 其中德 國研制開發(fā)一種快 速催化脫脂技術(shù)。 該技術(shù)對(duì)脫脂爐的要求較高, 需 要專 門的耐酸性的脫脂設(shè)備, 設(shè)計(jì)爐子時(shí)要考慮環(huán) 保問題。 這種技術(shù) 脫脂后的零件毛坯件強(qiáng)度很低,極易損壞 (實(shí)際上任 何脫脂后的毛坯 件強(qiáng)度都 不高 ;并且在燒結(jié)前總會(huì)有黏結(jié)刺殘留住毛坯件中。這種 情況下, 減少產(chǎn)品的中問環(huán)節(jié)對(duì)提 高 產(chǎn)品成品率起到了相當(dāng)重要的作 用。

為了實(shí)現(xiàn)脫出黏結(jié)劑、 脫除剩余黏結(jié)劑和燒結(jié)工序之問的真正連續(xù)操 作, 德國開發(fā)了 MIM — MASTER 催化脫黏和燒結(jié)系統(tǒng)。 此系統(tǒng)包括催化 脫黏部分和連續(xù)燒結(jié)部分及其附屬裝置, 包括廢氣燒除、 氣體對(duì)流干 燥裝置、 旁路運(yùn)輸帶、 注酸系統(tǒng)、 電氣控制柜和全過程控制系統(tǒng) (PIC。 連續(xù)催化脫脂部分設(shè)計(jì)為馬弗式網(wǎng)帶結(jié)構(gòu), 采用 Ni-Cr 加熱元件。 金 屬注射成型零件被放置到傳送網(wǎng)帶上,在預(yù)熱帶加熱到一 定的溫度, 這樣,在通過脫黏結(jié)劑帶時(shí),酸就不會(huì)凝結(jié)在工件。通過脫黏結(jié)劑帶 時(shí),上件在載氣 (一般為氮?dú)?和催化劑 (常用硝 酸 作用下脫出黏結(jié) 劑。爐內(nèi)氣氛流動(dòng)方向很重要,在預(yù)熱帶,氣氛流動(dòng)方向與工件運(yùn)動(dòng) 方向相同,直到進(jìn)入廢氣燒除裝囂。在脫出黏結(jié)劑帶,爐內(nèi)氣氛流動(dòng) 方向與工件運(yùn)動(dòng)方向相反, 保 證已基本脫除黏結(jié)劑的零件能夠遇到很高濃度的酸。此爐的燒除裝置尺寸可小于相同生產(chǎn)率的批料爐，因?yàn)?廢氣足在整個(gè)脫除過程中期連續(xù)產(chǎn)生的，不會(huì)像批料爐那樣，較大量 的廢氣在一 定的時(shí)期內(nèi)產(chǎn)生，其燒除廢氣裝置設(shè)計(jì)為兩段式結(jié)構(gòu)：第 一階段通人燃料氣如天然氣等，與甲醛(廢氣成分之一共同作用，在 欠氧的情況下燃燒，還原氮的氧化物和殘余的硝 酸；第 二 階段，剩余 的甲醛和燃料氣與過量的空氣混合充分燃燒，生成二氧化碳和水。 金屬注射成型零件經(jīng)過脫脂爐后， 通過一條密封的橫向傳送帶送入連 續(xù)燒結(jié)爐。零件在脫剩余的黏結(jié)劑和燒結(jié)過程中應(yīng)避免振動(dòng)，因此采 用特 殊設(shè)計(jì)的步進(jìn)梁傳送結(jié)構(gòu)。燒結(jié)部分主要分為升溫、燒結(jié)、冷卻 三段。升溫段擔(dān)負(fù)脫剩余黏結(jié)劑與預(yù)燒的作用，采用 Ni-cr 線圈作為 加熱元件，一般很高溫度為 800℃。燒結(jié)帶承擔(dān)了主要的燒結(jié)作用， 加熱元件為絲，很高溫度可達(dá) l600oC。金屬粉末注射成型零件在惰 性或還原性氣氛中進(jìn)行燒結(jié)， 生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢氣由一個(gè)位于人口段的 排氣煙筒經(jīng)燃燒后排出。冷卻帶設(shè)計(jì)為雙層壁式水冷結(jié)構(gòu)，冷卻水流 速及冷卻水溫度均可以手動(dòng)調(diào)節(jié)。 燒結(jié)質(zhì)量雖然與各個(gè)工序都有關(guān)系， 但是主要的還是由溫度的均勻 性和燒結(jié)工藝的穩(wěn)定性決定的。所以，要求用于金屬粉末注射成型的 燒結(jié)設(shè)備具有非 常好的溫度均勻性，使得 MIM 產(chǎn)品達(dá) 到各向同性收 縮，從而減少燒結(jié)變形和提 高 產(chǎn)品精度；要求燒結(jié)爐密封性能好，漏 氣率小，保 證所需溫度和壓力及氣氛，從而實(shí)現(xiàn)燒結(jié)質(zhì)密化；要求溫 度準(zhǔn)確，控制靈敏，可實(shí)現(xiàn) MIM 產(chǎn)品穩(wěn)定的批量化生產(chǎn)。并且，目前 國內(nèi)生產(chǎn)的燒結(jié)爐主要問題是溫度控制精度不高， 這樣在生產(chǎn)過程中 難 以確定穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝。 德國生產(chǎn)的連續(xù)性燒結(jié)爐在控制精度上都 是走在同行業(yè)很前沿的，同樣也存在著弊端，高 度自動(dòng)化的設(shè)備要求 操作十 分規(guī)范．稍有差錯(cuò)就會(huì)耽誤整個(gè)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，造成的損失也是 很大的。另外，脫脂燒結(jié)過程中產(chǎn)生的脂類廢棄物質(zhì)很容易依附在爐 內(nèi)各元部件上，對(duì)設(shè)備的性能也會(huì)造成很大的影響。從整體上看該燒 結(jié)爐盡管也實(shí)現(xiàn)了脫脂、 燒結(jié)的綜合， 但仍存在著溫度控制不夠靈活， 脫脂與燒結(jié)之間的預(yù)熱段壓力不穩(wěn)等問題， 也沒有考慮與后續(xù)熱處理 進(jìn)行綜合的口行性。 綜上所述，連續(xù)燒結(jié)設(shè)備的理想目標(biāo)為：(1融合傳統(tǒng)的單一工序， 實(shí)現(xiàn)脫脂、燒結(jié)、熱處理等工序的綜合。增加熱處理功能段，在燒結(jié) 后對(duì)零件直接進(jìn)行熱處理，可以大大節(jié)省生產(chǎn)成本，降低生產(chǎn)周期， 同時(shí)更能保 證生產(chǎn)質(zhì)量。(2實(shí)現(xiàn)脫脂區(qū)域和高溫?zé)Y(jié)區(qū)域溫度及產(chǎn) 品在區(qū)域內(nèi)停留時(shí)間等的靈活控制， 這樣可以滿 足有不同工藝要求的 各類產(chǎn)品生產(chǎn)需要，同時(shí)也可以改善因控制不靈活而耽誤生產(chǎn)的狀 況。(3提 高設(shè)備自動(dòng)化控制與自調(diào)節(jié) 能力，提 高設(shè)備運(yùn)行可 靠性， 降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提 高生產(chǎn)效率。

四、結(jié)論 :
通過對(duì) MIM 成型工藝過程的分析以及粉未注射成型零件特點(diǎn)的分 析，應(yīng)將傳統(tǒng)脫脂、燒結(jié)乃至后處理等單一工序融合為綜合工序的需要性，并給出了連續(xù)燒結(jié)設(shè)備的結(jié)構(gòu)與控制模式。