金屬注射成形汽車零件的應用

防空兵指揮學院 張純亮

金屬注射成形汽車零件的應用

防空兵指揮學院 張純亮

一、金屬注射成形

1.金屬注射成形。金屬注射成形是以金屬粉末為原料，借助塑料注射成形工藝制造金屬零件的一門技術。最早是氧化物粉末（如AI2O3粉）制造陶瓷零件，所以也叫做CIM（Ceramic Injection Moulding），鑒于MIM與CIM皆以金屬粉末為原料，所以也統稱為粉末注射成形（Powder Injection Moulding）。金屬注射成形是粉末冶金與現代塑料注射成形工藝相結合形成的一門新型金屬零件成形技術。金屬注射成形工藝和傳統粉末冶金技術的主要差異在于前者是采用注射成形，而后者是利用平軸向剛性模具壓制成形，前者比后者使用的原料粉末細，通常粉末的粉度不大于20μm。

2.生產工藝流程。金屬注射成形零件的生產工藝流程為：首先，將金屬粉末與黏結劑相混合，制成注射成形用的丸粒，即所謂的注射料。黏結劑一般采用熱塑性聚合物，其在混合料中占的比率為15%～50%。這種注射丸粒可以像塑料一樣，利用塑料注射成形機，注射成為各種各樣的零件生坯。用加熱與化學作用等方法，使零件生坯中所含的黏結劑分解、脫除后，經高溫燒結，即獲得接近鑄造狀態的金屬材料性能。

3.金屬注射成形技術現狀。金屬注射成形技術出現于20世紀70年代末期，最初主要用于制造輕武器零件。作為制造零件的無切削金屬零件成形工藝，可大量地節材，降低生產成本，甚至減輕零件重量，有利于汽車輕量化以及減少環境污染，從而受到了汽車產業的高度重視。從20世紀90年代初開始，MIM零件才進入汽車零件市場。據粗略統計，現在全球MIM汽車零件的銷售額約為2億美元，其中歐洲占55%、亞洲占25%、北美占20%。按照MIM零件的質量計算，在歐洲用于汽車產業的MIM零件已占MIM零件總產量的50%。

根據有關資料，現在全球生產MIM產品的廠商約有200家，大多數企業都是歷史不到的10年的小型企業，但生命力卻極強。據資料分析，2003年至2006年期間，MIM汽車零件的產量增長了33%。

二、MIM汽車零件實例

汽車產業已經在大量采用MIM工藝生產一些形狀復雜、雙金屬零件以及成組的微小型零件。

1.形狀復雜的MIM汽車零件。汽車發動機的可變配氣相位（VVT）系統中使用的搖臂零件形狀十分復雜，它就是用MIM工藝制造的一個標志性零件。VVT系統用搖臂零件如圖I、圖2所示。

圖1 日本活塞環公司生產的搖臂零件

圖2 德國Schunk Sintermetall-techniK GmbH生產的搖臂零件

關于制造這個零件的3種制造工藝——MIM、鍛造和精密鑄造，日本活塞環公司進行過詳細的對比分析，見表1。由表1中數據不難看出，除了力學性能較低外（但能滿足用途要求），其余各項指標都比鍛造與精鑄要強，在直接成形的產品中，幾何形狀的復雜程度高。表面粗糙度值小?？芍苯映尚蔚谋诤褫^薄、孔較小。和精鑄的尺寸精度±0.2mm與鍛造的±0.1mm相比，MIM為±0.05mm，有很大改進。一些幾何形狀特征可直接成形，大大減少切削加工的工作量，從而達到節能、省材的目的。和鍛造與精鑄相比，每個零件的生產成本至少可相應節省約20%。

表1 搖臂零件的MIM工藝和鍛造、精鑄的技術和經濟對比分析

用于汽車轉向系統中的形狀異常復雜的U形夾采用MIM工藝制造時可節約成本25%。發動機中渦輪增壓轉子、冷卻活塞的噴油嘴和獨立加熱系統的熱水器室等異常復雜的零件也都是用MIM工藝生產的。

2.雙金屬的MIM汽車零件。用MIM工藝能夠快捷和大量地生產復合材料零件，比如由兩種金屬材料制造的軟磁零件、耐磨和耐蝕零件及散熱零件。汽車中有許多由兩種材料制造的零件，制造這些零件常用的生產方法是將由不同材料制造的零件，利用焊接或壓配結合在一起。但是由于焊接不僅生產成本高、會產生內應力，而且可能發生冶金變化，從而使零件產生變形與耐蝕性惡化。生產實踐已證明，汽車中的一些小型雙金屬零件改用MIM工藝生產后，不但可減低生產成本，而且可以改進零件的質量。

如汽車用磁性傳感器，這個零件是由非磁性（鐵素體）不銹鋼與磁性（奧氏體）不銹鋼用MIM工藝生產復合制成。另外適于用MIM工藝制造的還有雙金屬零件有齒輪、電子零件等零件。

3.MIM工藝制造的成組零件。汽車中使用的許多小型組合件或成組零件都是MIM工藝的生產對象，這些零件采用MIM工藝生產時，不但可以節約原材料、大大提高生產率，而且產品質量穩定，可大幅度降低生產成本。

汽車安全氣囊傳感器嵌入組件由3個MIM零件組成，即D型軸、嵌入接片和點火銷。這3個零件原來都是用精鑄生產的，現已改用MIM工藝，由不銹鋼制造，經熱處理后，抗拉強度為1 170MPa、屈服強度為1 100MPa、硬度為38～41HRC、伸長率為7.0%、密度為7.60～7.68g/cm3。MIM比精鑄的零件表面粗糙度好，抗拉強度高，還能將零件進化組合，從而減少零件數量，降低生產成本。表2為MIM零件一般可達到的尺寸公差。

表2 MIM零件一般可達到的尺寸公差

除上述零件外，在汽車中使用的MIM零件還有不銹鋼支架、鈦按鈕、座椅螺桿與齒條-齒輪傳動裝備、磁性轉子、轉向管柱式變速與控制桿、發動機與制動器固定零件、閥與發動機的正時零件、減振器鋼缸套、安全換擋桿接頭等等。

由上述MIM零件可以看出，MIM工藝的明顯優勢在于制造小型和形狀復雜的零件。這些零件的燒結件密度高、力學性能優異且精度高。另外，將多個零件組合成一個組件，MIM工藝也是可行的方法之一。

三、MIM零件的材料、性能及公差

在汽車中應用的MIM零件，除個別零件由Ni基高溫合金制造外，一般都是由鐵基材料生產的。材料范圍涉及元素混合粉的Fe-Ni合金鋼、預合金化粉的Cr-Mo-C鋼、Ni-Mo-C鋼或Ni-Cr-Mo-C鋼，以及各種牌號的不銹鋼，如常用的316L、17-4PH和400系列。MIM軟磁零件使用的材料有400系列不銹鋼、Fe-Si合金和Fe-Co合金。

四、MIM零件的尺寸

MIM零件由于受原料粉末價格較貴和生產工藝特點的限制，通常都是小型的薄壁零件。據美國金屬注射成形協會（MIMA）的資料分析，在北美大部分MIM零件的重量小于20g，僅有1%的零件重量大于120g。

book=348,ebook=348