金屬注射成形汽車零件的應(yīng)用

防空兵指揮學(xué)院 張純亮

金屬注射成形汽車零件的應(yīng)用

防空兵指揮學(xué)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(shù)。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(tǒng)稱為粉末注射成形（Powder Injection Moulding）。金屬注射成形是粉末冶金與現(xiàn)代塑料注射成形工藝相結(jié)合形成的一門新型金屬零件成形技術(shù)。金屬注射成形工藝和傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)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(xì)，通常粉末的粉度不大于20μm。

2.生產(chǎn)工藝流程。金屬注射成形零件的生產(chǎn)工藝流程為：首先，將金屬粉末與黏結(jié)劑相混合，制成注射成形用的丸粒，即所謂的注射料。黏結(jié)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(jī)，注射成為各種各樣的零件生坯。用加熱與化學(xué)作用等方法，使零件生坯中所含的黏結(jié)劑分解、脫除后，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)，即獲得接近鑄造狀態(tài)的金屬材料性能。

3.金屬注射成形技術(shù)現(xiàn)狀。金屬注射成形技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)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(jié)材，降低生產(chǎn)成本，甚至減輕零件重量，有利于汽車輕量化以及減少環(huán)境污染，從而受到了汽車產(chǎn)業(yè)的高度重視。從20世紀(jì)90年代初開始，MIM零件才進(jìn)入汽車零件市場。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)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(zhì)量計(jì)算，在歐洲用于汽車產(chǎn)業(yè)的MIM零件已占MIM零件總產(chǎn)量的50%。

根據(jù)有關(guān)資料，現(xiàn)在全球生產(chǎn)MIM產(chǎn)品的廠商約有200家，大多數(shù)企業(yè)都是歷史不到的10年的小型企業(yè)，但生命力卻極強(qiáng)。據(jù)資料分析，2003年至2006年期間，MIM汽車零件的產(chǎn)量增長了33%。

二、MIM汽車零件實(shí)例

汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)在大量采用MIM工藝生產(chǎn)一些形狀復(fù)雜、雙金屬零件以及成組的微小型零件。

1.形狀復(fù)雜的MIM汽車零件。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的可變配氣相位（VVT）系統(tǒng)中使用的搖臂零件形狀十分復(fù)雜，它就是用MIM工藝制造的一個(gè)標(biāo)志性零件。VVT系統(tǒng)用搖臂零件如圖I、圖2所示。

圖1 日本活塞環(huán)公司生產(chǎn)的搖臂零件

圖2 德國Schunk Sintermetall-techniK GmbH生產(chǎn)的搖臂零件

關(guān)于制造這個(gè)零件的3種制造工藝——MIM、鍛造和精密鑄造，日本活塞環(huán)公司進(jìn)行過詳細(xì)的對比分析，見表1。由表1中數(shù)據(jù)不難看出，除了力學(xué)性能較低外（但能滿足用途要求），其余各項(xiàng)指標(biāo)都比鍛造與精鑄要強(qiáng)，在直接成形的產(chǎn)品中，幾何形狀的復(fù)雜程度高。表面粗糙度值小。可直接成形的壁厚較薄、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(jìn)。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(dá)到節(jié)能、省材的目的。和鍛造與精鑄相比，每個(gè)零件的生產(chǎn)成本至少可相應(yīng)節(jié)省約20%。

表1 搖臂零件的MIM工藝和鍛造、精鑄的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)對比分析

用于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的形狀異常復(fù)雜的U形夾采用MIM工藝制造時(shí)可節(jié)約成本25%。發(fā)動(dòng)機(jī)中渦輪增壓轉(zhuǎn)子、冷卻活塞的噴油嘴和獨(dú)立加熱系統(tǒng)的熱水器室等異常復(fù)雜的零件也都是用MIM工藝生產(chǎn)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(chǎn)復(fù)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(chǎn)方法是將由不同材料制造的零件，利用焊接或壓配結(jié)合在一起。但是由于焊接不僅生產(chǎn)成本高、會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，而且可能發(fā)生冶金變化，從而使零件產(chǎn)生變形與耐蝕性惡化。生產(chǎn)實(shí)踐已證明，汽車中的一些小型雙金屬零件改用MIM工藝生產(chǎn)后，不但可減低生產(chǎn)成本，而且可以改進(jìn)零件的質(zhì)量。

如汽車用磁性傳感器，這個(gè)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(chǎn)復(fù)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(chǎn)對象，這些零件采用MIM工藝生產(chǎn)時(shí)，不但可以節(jié)約原材料、大大提高生產(chǎn)率，而且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，可大幅度降低生產(chǎn)成本。

汽車安全氣囊傳感器嵌入組件由3個(gè)MIM零件組成，即D型軸、嵌入接片和點(diǎn)火銷。這3個(gè)零件原來都是用精鑄生產(chǎn)的，現(xiàn)已改用MIM工藝，由不銹鋼制造，經(jīng)熱處理后，抗拉強(qiáng)度為1 170MPa、屈服強(qiáng)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(qiáng)度高，還能將零件進(jìn)化組合，從而減少零件數(shù)量，降低生產(chǎn)成本。表2為MIM零件一般可達(dá)到的尺寸公差。

表2 MIM零件一般可達(dá)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(dòng)裝備、磁性轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)向管柱式變速與控制桿、發(fā)動(dòng)機(jī)與制動(dòng)器固定零件、閥與發(fā)動(dòng)機(jī)的正時(shí)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(yōu)勢在于制造小型和形狀復(fù)雜的零件。這些零件的燒結(jié)件密度高、力學(xué)性能優(yōu)異且精度高。另外，將多個(gè)零件組合成一個(gè)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(yīng)用的MIM零件，除個(gè)別零件由Ni基高溫合金制造外，一般都是由鐵基材料生產(chǎn)的。材料范圍涉及元素混合粉的Fe-Ni合金鋼、預(yù)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(hào)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(jià)格較貴和生產(chǎn)工藝特點(diǎn)的限制，通常都是小型的薄壁零件。據(jù)美國金屬注射成形協(xié)會(huì)（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。

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