MIM(Metal Injection Molding)金属注射成形是将金属粉末与其粘结剂的增塑混合料注射于模型中的成形方法,是将现代塑料注射成形技术引入粉末治金领域,集合了塑料成形工艺学、高分子化学、粉末冶金工艺学和金属材料学等多学科而成的一种零部件新型“近净成形”技术。
MIM和CIM(Ceramic Injection Molding陶瓷粉末注射成形技术)同属于粉末注射成形(PIM)。MIM和金属增材制造(MAM)、等静压(IP)属于粉末冶金(Powder Metallurgy,PM)的不同工艺类型。
MIM不仅具有常规粉末冶金工艺工序少、无切削或少切削、经济效益高等优点,同时,克服了传统粉末冶金工艺制品材质不均匀、力学性能低、薄壁不易成形及结构复杂的主要缺点,适用于大批量生产小型、精密、三维形状复杂以及具有特殊要求的金属零部件的制造。从经济角度考虑MIM制品通常重量在0.1-200g左右,少于50克是最经济的,能生产像塑料制品一样成形各种复杂形状;产品表面光洁度好、尺寸精度高。小于6毫米的壁厚对于MIM是最适合的。较厚的外壁也可以,但是成本会由于处理时间长和增加额外材料而增加。另外,低于0.5m的极薄壁对MIM也是能实现,但对设计有很高的要求。
MIM几乎可使用绝大部分金属材料,考虑到经济性,主要的应用材料涵盖铁基、镍基、低合金、铜基、高速钢、不锈钢、硬质合金、钛基金属等。
MIM模具设计、制造
MIM产品制造过程中,原材料和工艺本身存在收缩率较大(15-18%左右)的特点。同时,MIM工艺常用于结构复杂的产品,在注射成形、脱脂、烧结工序过程中,在不同的产品设计特征和摆放方式的重力场作用双重影响下,产品在不同方向、不同结构的收缩率存在一定的差异,对尺寸管控造成一定难度。
MIM混合喂料
精细金属粉末和热塑性塑料、石蜡粘结剂按照精确比例进行混合,加热到一定的温度使粘结剂熔化,均匀地涂在金属粉末颗粒上,形成原料。混合料的均匀程度直接影响其流动性,从而影响注射成型工艺参数以及最终材料的密度及其它性能。质量比例大约为90%的金属粉末与10%的粘结剂混合成均质的喂料。MIM工艺所用金属粉末颗粒尺寸一般在0.5-20um。有机粘结剂的作用是粘结金属粉末颗粒,使混合料在注射机料筒中加热后具有流变性和润滑性,即粘结剂是带动粉末流动的载体。因此,粘结剂的选择是整个粉末注射成型的关键。对有机粘结剂的要求为:①用量少,用较少的粘结剂能使混合料产生较好的流变性;②不反应,在去除粘结剂的过程中与金属粉末不起任何化学反应:③易去除,在制品内不残留碳。
MIM注射成形
将专用喂料装入注射机料筒后加热到指定温度(一般为粘结剂融化温度,170-195℃之间)使其具备流动性,在适当的压力下注入定制化模具,成形出生坯。模腔尺寸设计要考虑金属部件烧结过程中产生的收缩。该工序的核心是:由于金属粉末种类繁多,各种喂料成分含量各异,注射成形过程中参数等方面的设定十分重要,操作失误则会造成产品的缺陷。公司技术人员通过对注射成形工艺的模拟、模具的设计和制造以及参数的调整等不断优化注射成形工艺,提升注射能力,保证注射的均匀性。
MIM脱脂
运用物理或者化学方法去除生坯中的粘结剂,零件由金属粉末与粘结剂的混合物变为单纯的脱脂坯件(棕坯,有微小孔隙),形状和结构不变。脱脂工艺必须在保持产品形态的情况下保证粘结剂从毛坯的不同部位沿着颗粒之间的微小通道逐渐地排出,而不降低毛坯的强度。该工序的核心是:控制坯件中粘结剂的残留量,若脱脂处理不到位,则粘结剂残留过多,高温烧结时大量粘结剂分解气化容易造成产品爆裂;若脱脂过度,则可能造成产品金属氧化、结构变形等不良后果。因此,脱脂工艺的选择与工艺参数的控制尤为重要。
MIM烧结
烧结是在通有可控气氛的烧结炉中进行的。经过脱脂的坯件被放进高温、负压控制的设备中,在气体的保护下被缓馒加热,以去除残留的粘结剂,粘结剂被完全清除后,还件被高温加热,颗粒之间的空隙会由于颗粒的融合而消失,最终定向收缩到其设计尺寸并转变为一个致密的固体,形成烧结件(银坯),形状和结构不变。对于大多数的材料,典型的烧结密度理论上大于97%。高烧结密度使得产品性能与搬造材料相似。
MIM零部件的高密度化是通过高的烧结温度和长的烧结时间来达到的,从而大大提高和改善零件材料的力学性能。该工序的核心:由于颗粒之间孔隙的存在,烧结时还件会发生收缩,不同的材料在烧结环节收缩率不同,普遍在15%-18%,通过控制烧结时间、温度等参数控制收缩率是核心。烧结工艺对最终制品的金相组织和性能有着很大甚至决定性的影响。
MIM后处理
MIM工艺下的烧结件精度一般在±0.3%。为消除产品在烧结过程中的收缩差异,均质化产品质量,同时,为满足客户对产品更高精度尺寸规格、不同用途或不同表面处理的要求,需要进行必要的后处理,包括整形、CNC、攻牙、喷砂、镭雕、抛光、研磨、清洗、PVD等工序。
MIM技术优势
(1)可成型高度复杂结构的结构零件
注射成型工艺技术利用注射机注射成型产品毛坯,保证物料充分充满模具型腔,也就保证了零件高复杂结构的实现。以往在传统加工技术中先做成个别元件再组合成组件的方式,在使用MM技术时可以考虑整合成完整的单一零件,大大减少步骤,简化加工程序。MIM与其他金属加工方法比较,制品尺寸精度高,不必进行二次加工或只需少量精加工。注射成型工艺可直接成型薄壁、复杂结构件,制品形状已接近最终产品要求,零件尺寸公差一般保持在±0.1到±0.3左右,特别对于降低难于进行机械加工的硬质合金的加工成本,减少贵重金属的加工损失尤其具有重要意义。形状设计没有限制,从而适用于几乎所有产品。MIM一次成型无法达到的公差可以借助表面处理实现。
(2)制品微观组织均匀、密度高、性能好
在压制加工过程中,由于模壁与粉末以及粉末与粉末之间的摩擦力,使得压制压力分布不均匀,也就导致了压制毛还在微观组织上不均匀,这样就会造成压制粉末冶金件在烧结过程中收缩不均匀,因此不得不降低烧结温度以减少这种效应,从而使制品孔隙度大、材料致密性差、密度低,严重影响制品的机械性能。反之,注射成型工艺是一种流体成型工艺,粘接剂的存在保障了粉末的均匀排布,从而可消除毛还微观组织上的不均匀,进而使烧结制品密度可达到其材料的理论密度。一般情况下,压制产品的密度最高只能达到理论密度的85%。制品的高致密性可使强度增加,韧性加强,
延展性、导电导热性得到改善,磁性能提高。
(3)效率高,易于实现大批量和规模化生产
MIM技术使用的金属模具,其寿命和工程塑料注射成型具模具相当。由于使用金属模具,MIM适合于零件的大批量生产。由于利用注射机成型产品毛坯,极大地提高了生产效率,降低了生产成本,而且注射成型产品的一致性、重复性好,从而为大批量和规模化工业生产提供了保证。MIM是弹性较大的工艺,年需求量几千到几百万的产量能够非常经济地实现。和铸造件、注塑件一样,MIM需要客户投资模具和工具费用,所以对小批量的产品而言,通常会影响到成本估算。
(4)适用材料范围宽,应用领域广阔
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工艺制造成零件,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,将复合材料成型为零件。MIM能处理很多材料,低合金钢、不锈钢、工具钢、镍基合金、钨合金、硬质合金、钛合金、磁性材料、KoVr合金、精细陶瓷等。虽然有色合金铝和铜在技术上是可行的,但是通常由其他更经济的方式进行处理,如压铸或机加工。
(5)MIM工艺采用微米级细粉末,粒度直径为2-15μ,而传统粉末冶金的原料粉末粒度为50-100μ。粒度小既能加速烧结收缩,有助于提高材斜的力学性能,延长材料的疲劳寿命,又能改善耐、抗应力腐蚀及磁性能。粒度细,不仅成本增高(约为传统PM粉末价格的1-10倍),而且易团聚,增加了混炼均匀的难度,而且脱脂的速率相对较慢,从而降低了MIM工艺的生产效率。与传统的粉末治金工艺相比,MIM工艺为了保证粉末粘结剂体系在注射中顺利充模,加入了约30-55%(体积分数)的有机粘结剂,所以为了得到高密度的最终产品,就必须使用具有高烧结驱动力的微细粉末。选用细粉还有另外一个好处,就是烧结产品的表面光洁度好。为了确保MIM零件的烧结性能和材料特性,所用粉末纯度越高越好,氧含量越低越好。对于复杂的零件,传统金属成形通常是先分解并制作出单个零件再组装,MIM工艺通过整体加工、简化加工程序,经济性更强。而且,传统金属成形成本随着零件复杂程度上升而上升,MIM工艺通过提升模具复杂程度保持成本不变,产品复杂程度越高,MIM工艺经济性更强,成本优势更明显。