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MIM工艺
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金属粉末注塑成型工艺解析
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技术概述
金属粉末注射成型技术(Metal Injection Molding,简称MIM技术)是集塑料成型工艺学、高分子化学、粉末冶金工艺学和金属材料学等多学科相互渗透与交叉的产物,利用模具可注射成型坯件并通过烧结快速制造高密度、高精度、三维复杂形状的结构零件,能够快速准确的将设计思想物化为具有一定结构、功能特性的制品并可直接批量生产出零件,是制造技术行业一次新的变革。该工艺技术不仅具有常规粉未冶金工艺工序少、无切削或少切削、经济效益高等优点,而且克服了传统粉末冶金工艺制品密度低、材质不均匀、机械性能低、不易成型薄壁、复杂结构的缺点,特别适合于大批量生产小型、复杂以及具有特殊要求的金属零件。
MIM是台湾大学黄坤祥教授在1985年自美国伦斯勒理工学院(RPI)的German教授的粉末冶金实验室开始引入华人圈的技术,终于在2008年,苹果公司开始注意到MIM技术,然后2011年开始使用MIM零件取代传统压铸件作为苹果手机和笔记本计算机的内外部零件MIM产业在近五年(2011~2015)呈现爆炸式的成长。
产品特点
1)、零部件几何形状的自由度高,能像生产塑料制品一样,一次成形生产形状复杂的金属零部件;
2)、MIM产品密度均匀、光洁度好,表面粗糙度可达到Ra 0.80~1.6um,重量范围在0.1-200g。尺寸精度高(±0.1%-±0.3%),一般无需后续加工;
3)、适用材料范围宽,应用领域广,原材料利用率高,生产自动化程度高,工序简单,可实现连续大批量生产;
4)、产品质量稳定、性能可靠,制品的相对密度可达95%~99%,可进行渗碳、淬火、回火等热处理。产品强度、硬度、延伸率等力学性能高,耐磨性好,耐疲劳,组织均匀;
国际上普遍认为 MIM 技术的发展将会导致零部件成形与加工技术的一场革命,被誉为“21世纪最热门的零部件的成形技术”;
工艺过程
MIM的工艺步骤是:首先选取符合MIM要求的金属粉末与有机粘结剂在一定温度条件下采用适当的方法混合成均匀的喂料,然后经制粒后在加热塑化状态下用注射成形机注入模具型腔内获得成形坯,再经过化学或溶剂萃取的方法脱脂处理,最后经烧结致密化得到最终产品。
1)金属粉末
MIM工艺所用金属粉末颗粒尺寸一般在0.5~20um,从理论上讲,颗粒越细,比表面积也越大,易于成型和烧结。而传统的粉末冶金工艺则采用大于40um的较粗的粉末。
2)有机胶粘剂
有机粘接剂作用是粘接金属粉末颗粒,使混合料在注射机料筒中加热具有流变性和润滑性也就是说带动粉末流动的载体。因此,粘接剂的选择是整个粉末注射成型的关键。对有机粘接剂要求:①用量少,即用较少的粘接剂能使混合料产生较好的流变性;②不反应,在去除粘接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。
3)混炼与制粒
混炼时把金属粉末与有机粘接剂均匀掺混在一起,将其流变性调整到适于注射成型状态的作用,混合料的均匀程度直接影响其流动性,因而影响注射成型工艺参数乃至最终材料的密度及其它性能,注射成型过程中产生的下角料、废品都可重新破碎、制粒,回收再用。
4)注射成型
本步工艺过程与塑料注射成型工艺过程在原理上是一致的,其设备条件也基本相同。
在注射成型过程中,混合料在注射机料筒内被加热成具有流变性的塑性物料,并在适当的注射压力下注入模具中,成型出毛坯。注射成型的毛坯的密度在微观上应均匀一致,从而使制品在烧结过程中均匀收缩。控制注射温度、模具温度、注射压力、保压时间等成型参数对获得稳定的生坯重量至关重要。要防止注射料中各组分的分离和偏析,否则将导致尺寸失控和畸变而报废。
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5)脱粘
成型毛坯在烧结前必须去除毛坯内所含有的有机粘接剂,该过程称为脱粘。脱粘工艺必须保证粘接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。溶剂萃取部分粘接剂后,还要经过热脱粘除去剩余的粘接剂。脱粘时要控制坯件中的碳含量和减少氧含量。
6)烧结
烧结是在通有可控气氛的烧结炉中进行的。MIM零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。
后处理对于尺寸要求较为精密及有特殊性能要求的零件,需要进行必要的后处理。本工序与常规金属制品的热处理工序相同。