粉末注射成形的發展及其在不銹鋼零件生產中的應用

張立朋

（上海新建重型機械有限公司，上海 201405）

金屬粉末注射成形技術（Metal Injection Molding，簡稱MIM）是將塑料成形技術引入粉末冶金領域而產生的一種新型粉末冶金凈成形技術，是當前先進制造技術領域研究的熱點之一［1］。應用MIM制備的具有復雜形狀的高性能異形金屬零部件成本較低，因此MIM技術越來越受到人們的重視。而不銹鋼粉末具有良好的耐腐蝕性，優越的成型性及良好的流動性，已成為注射成形、粉末冶金和涂料生產等行業中的重要原材料，目前已經被廣泛地應用于粉末冶金領域，其中在MIM零件中占50%以上［2］。而用傳統的粉末冶金模壓－燒結工藝也可以生產不銹鋼零件，但這種方法得到的產品密度較低且分布不均勻，孔隙等缺陷的存在大大降低了力學、耐腐蝕和外觀等性能，并且模壓－燒結法因只能生產形狀簡單的零件使其發展受到限制［3］。而將MIM應用于不銹鋼零件的生產中恰好可以解決上述問題，MIM不銹鋼零件已經廣泛應用于汽車工業、飛機機翼過濾器以及醫療器械等諸多領域。

1 粉末注射成形的概述

金屬注射成型的基本工藝過程［4］是：1）將特定金屬粉末與有機粘結劑充分混合均勻，利用注射成形機等機械方法成形；2）將成形零件毛坯中的粘結劑脫除；3）通過燒結使其致密化而得到最終產品。MIM能制造許多具有復雜形狀特征的零件，而且MIM制造的零件一般不需要再進行機加工，從而減少了材料的消耗，并且保證了尺寸的精確性。因此在生產大批量形狀復雜的零部件時，MIM就會比其他傳統加工方法更為經濟。圖1給出了MIM零件的生產量與成本的相互關系。

MIM技術的主要特點可以進一步用圖2表示，3個因素相互交迭，其公共區是粉末注射成型應用最有吸引力的領域，即通過聚合物－粉末混合料能便宜的成形近乎全致密的復雜形狀零件。

1.1 粉末注射成形的技術特點

MIM技術由于采用大量的粘結劑來增強流動性，所以MIM可以任意成形各種復雜形狀的金屬零部件，這是傳統的粉末冶金模壓工藝及其它工藝所達不到的。而且，由于注射成形是一種近凈成形工藝，一般不再需要繼續精加工，零件的制造成本就會大大的降低。其次，注射成形時粉末流動可以均勻的填充模腔，從而使得MIM產品密度均勻，避免了其它傳統加工工藝中不可避免的密度分布不均勻的缺點。另一個可與MIM競爭的工藝是精密鑄造，與精密鑄造相比，MIM工藝在最小直徑、最小壁厚、公差、表面粗糙度等方面顯示出優勢。

1.2 成形劑及其脫除

粘結劑是金屬注射成形技術中必不可少的原材料，它既可以在注射時為金屬粉末提供具有流動性的載體，又能維持坯塊的形狀。這就要求粘結劑既要有良好的流變學性能，又要求其具有快速脫除的性能。現在MIM不銹鋼零件的生產中多采用蠟基為主的熱塑性粘結劑。不銹鋼的脫脂技術分為熱脫脂、溶劑脫脂、虹吸脫脂、催化脫脂等，其中應用最廣泛的是溶劑脫脂。溶劑脫脂技術是指將大部分粘結劑通過溶解等方法去除，只留下連通通道。這些連通通道可使后續熱脫脂過程中產生的相對分子質量低的氣體迅速擴散至坯外，從而使后續熱脫脂過程能夠迅速地進行。

脫脂的目的是在不產生孔隙等缺陷的情況下，迅速地脫除粘結劑。粘結劑脫除后，制品會變得非常脆弱，但是我們必須要保證零部件保持形狀，現在的技術通常是將最后的脫脂部分與燒結環節結合起來，在加熱階段達到燒結溫度以前，粘結劑就會全部脫除。

1.3 粉末注射成形的發展

目前國際上也開始注意到現有MIM技術的局限性，并開始分別在某一方面進行研究。美國和歐洲也在開展各種工作，已取得初步成效的有以下幾個方面：

1）新型脫脂技術提高脫脂速率 德國BSAF公司的Bloemacher等于90年代初一種催化脫脂方法。該方法的主要技術特點是在酸性氣氛中采用聚醛樹脂作為粘結劑快速催化脫脂。

2）減少粘結劑用量增大制品尺寸 法國Impac公司開發了一種稱之為Quickset的無粘結劑MIM新工藝，只需傳統MIM粘結劑含量的5%，這種工藝突破了傳統MIM制品的質量和尺寸等限制。用該工藝可以得到大尺寸的金屬零件制品。

3）優化顆粒配比提高精密度 美國Thermat公司開發了PMIM新工藝，使用不同粒度粉末搭配，有效改善各自的填充均勻性，且混合粉的堆積密度超過單尺寸顆粒的堆積密度，而堆積密度的提高必然會帶來MIM產品燒結密度和力學性能的提高。因此，使用不同粒度粉末搭配用于MIM不銹鋼是可以強化粗粉末燒結，并使得產品尺寸精度達到±0.1%。

4）更先進、控制更精確的裝備 目前金屬注射成形技術主要是朝著適用材料體系發展，開發出了滿足特殊粘結劑及脫脂技術的高可靠性的生產裝備。以計算機精密控制注射成形機及相關在線質量檢測控制系統的研究和計算機輔助脫脂關鍵裝備技術的開發是目前及今后關注的重點方向。

2 粉末注射成形在不銹鋼零件生產中的應用

至今被MIM利用最廣的是奧氏體Ni－Cr鋼316L和馬氏體硬化鋼17－4PH。316L不銹鋼在多種腐蝕介質中具有優良的耐蝕性，且綜合力學性能良好，工藝性能和可焊性優良，因而得到了廣泛應用，在歐洲的MIM中316L約占不銹鋼的80%，日本與歐洲相似，主要是316L不銹鋼。

3 結 語

MIM不銹鋼零件已經應用到汽車工業，飛機機翼過濾器和建筑，交通運輸，食品工業，醫療器械等領域，以其形狀復雜、性能優異、成本低廉的特點占有越來越重要的地位，但作為一種新型成形技術仍有許多的不足和局限性，尤其是工件尺寸上的限制極大的制約了MIM的發展。

現在以316L鋼（奧氏體）和17－4PH（沉淀硬化）為代表的不銹鋼粉末注射成形占MIM零件總銷售額的50%以上，涵蓋了應用的主要部分。不銹鋼本身具有優異的力學性能及耐腐蝕性能但難于加工，而MIM良好的成形性恰好可以彌補不銹鋼成形性差的缺點，因此將MIM技術應用在不銹鋼粉末零件的生產有著樂觀的前景。現在應用的粘結劑還是多為石蠟基的熱塑性聚合物，脫脂是最重要也是最困難的步驟之一。控制不當將引起脫脂坯變形、成分波動等，進而影響最終產品的性能。因此，研究、開發新型的粘結劑和脫脂技術具有重要意義。從正確選擇粉末到成品，如果MIM工藝正確，今天可以制造的MIM不銹鋼零件將會發揮更大的作用。

［1］ Eli GERMAN R M，HENS K F.Key Issues in Powder Injection Molding［J］.Ceramic Bulletin，1991，70（8）：1294－1302.

［2］ German R M，Cornwall R C.The Powder Injection Molding Industry一An Industry and Market Report［Z］.Innovative Materials Solutions Inc，1997.

［3］ 勇 家.屬注射成形不銹鋼［J］.粉末冶金技術，2000，18（4）：274－282.

［4］ 李益民，李云平.金屬注射成形［M］.長沙：中南大學出版社，2004.