粉末注射成形的研究進展

曲選輝

(北京科技大學新材料技術研究院,北京100083)

粉末注射成形的研究進展

曲選輝

(北京科技大學新材料技術研究院,北京100083)

曲選輝教授

概述了粉末注射成形的主要技術特點及優勢,簡要介紹了粉末注射成形工藝的主要應用領域和市場發展狀況,總結了目前的研究熱點,并在此基礎上提出了今后的發展趨勢和研究方向。

注射成形;粉末;近凈成形;金屬;陶瓷

前 言

粉末注射成形(Powder Injection Molding,PIM)是傳統粉末冶金技術與現代塑料注射成形工藝相結合而形成的一種零部件新型成形技術。根據粉末的化學性質不同,分為陶瓷注射成形(Ceramic Injection Molding,CIM)和金屬注射成形(Metal Injection Molding,MIM)。CIM技術于1920年被發明用于制備陶瓷火花塞,MIM技術由美國加州Parmatech公司于1973年發明。二者的基本工藝相同,即:首先將固體粉末與一定的聚合物及添加劑組元(稱為有機粘接劑)均勻混合,經制粒后,在加熱狀態用注射成形機將粒狀料注入模腔內冷凝成形,然后用化學或熱分解的方法將成形坯中的粘結劑脫除,最后經燒結致密化得到最終產品。具體的工藝流程如圖1所示。該技術的最大特點是可以直接制造出具有最終形狀的零部件,最大限度地減少機加工量和節省原材料,解決了多年來一直困擾粉末冶金領域的復雜形狀制品成形難的問題。而且該技術的材料適應性廣,凡是可以制成粉末的金屬、合金、陶瓷等均可用此技術制成零部件。此外,該技術還可以實現全自動化連續生產,生產效率高,材料性能優異,產品尺寸精度高,因此被譽為“當今最熱門的零部件成形技術”[1-3]。

圖1 粉末注射成形的主要工藝步驟Fig.1 The process flow diagram of powder injection molding

的技術特點

PIM工藝中,喂料是在流動狀態下均勻填充模腔成形,模腔內各點壓力一致,消除了傳統粉末冶金壓制成形中不可避免的沿壓制方向的密度梯度。因此PIM工藝可以獲得組織結構均勻、力學性能優異的近凈成形零部件。并且,PIM還可以實現不同材料零部件的一體化制備,如圖2所示[4]。PIM的主要工藝特點有:

圖2 PIM微型齒輪(由2種不同陶瓷材料組成)Fig.2 Microgears made from two different ceramics

(1)優異的成形能力。PIM能實現一次成形形狀復雜或薄壁的小型制品,無需或只需少量后續加工。

大多數工業零件通常帶有各種外部切槽、外螺紋、錐形外表面、交叉孔和盲孔、凹臺與鍵銷、加強筋板、表面滾花等等,如圖3所示[5],這些零件的生產往往難以通過傳統的粉末冶金成形實現。而采用注射成形工藝則可低成本實現凈成形或近凈成形,免除了繁瑣的多道機加工工序,減少了材料的消耗。

圖3 形狀高度復雜的PIM零件Fig.3 Highly complex injection-molded metal parts

目前采用PIM技術進行商業生產時,零件的最大尺寸小于100 mm,厚度小于20 mm,零件質量介于0.2～200 g,在此范圍內,所制備的零件具有較高的性價比[5]。

(2)優良的材料性能。由于采用均勻散裝的細粉、燒結件可接近全致密,PIM產品的顯微結構均勻精細且各向同性,所以性能一般優于其他工藝制得的產品。圖4為幾種典型的PIM合金的性能,可以看出,PIM制品的綜合性能(延伸率和屈服強度)可達到甚至優于精密鑄件及鍛件的性能。

圖4 PIM合金的主要性能Fig.4 Properties(ductility-strength)of PI Malloymaterials

圖5展示了PIM技術與目前幾種主要的成形工藝如粉末冶金、精密鑄造以及機加工等在年生產能力以及所加工零件的復雜程度方面的特點。綜合比較可以看出,PIM具有很強的技術優勢。

圖5 PIM工藝的技術優勢圖Fig.5 Technological advantages diagram for PIM process

(3)制品尺寸精度高,表面粗糙度小,且批量零件的一致性好。PIM工藝通常所達到的尺寸精度為±0.003 mm/mm(±0.3%)。當零件尺寸減小時,可以獲得更窄的尺寸公差。零件的公差除了與零件的尺寸有關外,還取決于原材料、零件形狀和工藝要求。對于某些小尺寸產品,為使模具能很好地動作,通常將工件尺寸控制在±0.1%的公差。PIM零件的表面粗糙度大約為Ra=0.80～1.6μm,明顯優于大部分精密鑄件。

(4)材料的適應性廣,并且生產成本低。PIM不但可應用于基于粉末冶金工藝的傳統材料,如鋼、不銹鋼、硬質合金和鎢基高密度合金等,也可以生產金屬間化合物、鈷基合金或金屬基復合材料,凡是能制成粉末的材料,都可以采用PIM工藝進行成形。而且,材料可以反復使用,利用率接近100%,除此之外,PIM可以完全實現自動化連續作業,生產效率高,生產成本低。

的應用領域及市場發展

現代PIM技術的研究開始于20世紀70年代初期。1973年美國組建了Parmatech公司,專門從事PIM技術的研究和產品開發,但當時該項技術還鮮為人知。直到1979年,Parmatech公司的兩件PIM產品在國際粉末冶金大會的產品設計大賽中獲獎后,PIM技術才開始受到粉末冶金界的關注。但由于這一階段的研究工作都是在少數幾家公司中進行、彼此技術保密,而且因為粉末原料成本高、脫脂工藝時間長、產品易變形等問題沒有解決,PIM技術的發展一度曾處于停滯狀態。20世紀80年代初期,MIM每年的市場份額僅200萬美元,CIM的市場份額則更少。為了加快PIM技術的發展,美國政府先后撥款數百萬美元,在倫塞爾理工學院(Rensselaer Polytechnic Institute)開展了PIM技術基礎理論和應用基礎的研究。之后,又在賓州大學(Pennsylvania State University)建立了PIM專業實驗基地,并成立了全美PIM協會,每年都定期舉辦專門的國際研討會,以促進該技術的發展。由于政府研究機構和大學的介入,PIM技術的研究向深層次邁進,從完全憑經驗發展到在一定理論指導下工作。因此,自上世紀80年代中期,粉末注射成形技術得到了迅猛的發展。瓶頸的突破一方面歸功于在流體力學和氣體動力學研究成果基礎上開發出的超高壓水霧化和高壓惰性氣體霧化技術,該技術使細粉產出率大大提高,因此PIM工藝的原材料生產成本大大下降;另一方面,在粘結劑設計理論和脫脂機理等研究成果的指導下,以美國Injectamax公司和德國BASF公司為代表的研究機構的努力,使新一代PIM工藝開發成功,不僅將脫脂時間從數十小時縮到幾個小時,而且其保形性得到明顯的改善,大約為±0.3%。進入90年代,一方面是PIM工藝進一步改進,新材料、新工藝不斷涌現,另一方面,產業化發展非常迅速。因此,在過去20～30年間,PIM的產值每年都以兩位數的速度迅速增長。根據美國BCC-Research最新的市場技術研究報告,2009年金屬注射成型的全球市場值約9.849億美元,預計到2014年將增加到19億美元,平均年增長率達到14%[6]。其主要市場分布如圖6所示。可以看出,全球MIM市場主要分布在北美洲、亞洲、歐洲地區,其中亞洲的市場份額最大。

圖6 2009年世界MIM市場統計及2014年的市場預測Fig.6 WorldMarket ofMIMin 2009 and forecast for 2014

同時,2009年全球陶瓷注射成形市場值預計將達到3.945億美元,到2014年將達到8.01億美元,年增長率約為15.2%。其主要市場分布如圖7所示。從圖中可見,北美地區所占的市場份額最大,超過50%;亞洲所占CIM市場份額遠低于其它MIM市場份額,僅為10%～15%。

圖7 2009年世界CIM市場統計及2014年的市場預測Fig.7 World Market of CIMin 2009 and forecast for 2014

現在PIM制品的主要材料有純鐵、低合金鋼、不銹鋼、工具鋼、高溫合金、鈦合金、有色金屬、難熔合金、低膨脹系數合金、磁性材料、硬質合金、金屬陶瓷、金屬間化合物、氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、氧化鋯等。按工業生產產品的材料所占百分比劃分,大致為鐵和鋼21%,不銹鋼21%,工具鋼3%,難熔金屬3%,硬質合金10%,氧化鋁和氧化硅22%,共價陶瓷7%,精美陶瓷2%,氧化鋯3%,其他特殊材料9%。這些產品廣泛應用于航空航天、軍用以及汽車、機械等民用領域,主要的代表性產品如航空航天領域的無人駕駛設備、低應力用把手、掛鉤、制動零件、火箭推進器、飛機機翼鉸鏈、陶瓷渦輪芯片芯子;軍用的導彈和炮彈尾翼、碎裂武器、戰斗裝置定子、導彈運輸容器的緊固件,槍械用瞄準器、瞄準器座、槍體、保險桿、懸帶附件、掣子、發火控針、彈匣、扳機和扳機保險、滑塊等;汽車用的點火鑰匙、磁傳感器座、氣囊致動器、汽車敞蓬頂夾、燃料噴射壓力流量控制零件、巡航傳感器座、發動機自動控制氧傳感器、駕駛操縱系統掛鉤、高性能發動機搖臂;精密鑄造和熔煉行業用的氧化鋁、氧化硅、氧化鋯精密鑄造陶瓷芯,各種流道口、過濾件、液體金屬導流等;微電子、計算機和通訊行業用的柯伐合金、因瓦合金和W/Cu合金,計算機硬盤驅動用磁體、平衡塊和插口,鎢高密度合金手機振子;醫療器械用的正畸牙托、外科手術工具、鎢高密度合金注射器的防輻射屏蔽、顯微外科機械手以及體育裝備用的高爾夫球頭、運動鞋的抓齒和鞋釘等。

圖8為2007年北美地區PIM在不同領域所占的比例,可見PIM在航空、軍用以及醫療器械和工業等領域應用較為廣泛[3]。

圖8 2007年北美地區PIM在不同領域所占的比例Fig.8 Approximate partition of applications for PIMin North America for 2007

的研究熱點及發展趨勢

. 粉末微注射成形

近年來,微系統技術在各個領域的研發與應用顯示出越來越重要的意義,同時也對應用于微型工程中的三維微型復雜元器件的制造提出了要求,希望微型器件在具備滿足使用要求性能的同時,能夠實現規模化生產[7-8]。微系統中主要的元器件包括微型模具、用于傳感器和加速器上的微型機械結構、生物傳感器、微型流體元件、微型反應器等。這些元器件形狀復雜、體積微小,采用現有的微型加工技術如微型切削(Micro Cutting)、激光切削(Laser Ablation)、硅刻蝕技術(Silicon Etching)等,往往會局限于加工材料少而無法同時滿足技術可行性和高性價比的雙重要求,生產效率低,無法開展大規模生產。而在粉末注射成形基礎上發展的粉末微注射成形工藝成為近幾年來實現微型元器件規模化生產最具潛力的制備技術。如采用微注射成形工藝將兩個或多個注射生坯疊放在一起,通過脫粘后燒結粘結起來,可制造連通孔道的結構,可用于微觀流體與微觀化學工程反應器、熱交換器或混合器等。

粉末微注射成形技術是德國IFAM研究所針對尺寸小于1μm的零件在傳統粉末注射成形的技術上所開發的一種成形技術,主要應用于連續制造具有微觀結構表面與微型結構的零件,其基本工藝步驟與傳統的粉末注射成形基本相同,所制備零件的表面質量與孔隙度可通過選擇原始粉末與適宜的燒結條件來控制。與傳統粉末注射成形不同的是,粉末微注射成形為了便于制造微小結構,所選擇的粉末平均粒徑一般小于1～2μm;其次,由于粉末比表面積增大,需要粘度較低但有足夠強度的粘結劑,以利于微注射成形并避免生坯件脫模時損壞。另外,為了防止變形、裂紋及氣泡的產生,微注射成形技術對脫脂和燒結工藝條件更加苛刻。例如:溶劑脫脂時溶液細微的濃度差別就可能使注射坯體產生裂紋,熱脫脂過程和燒結過程中保護氣體的流通速度過快可能造成零件外形變化。

目前,微注射成形技術的研究主要集中于微型注射產品和帶有微結構的注射產品,開展該技術研究的主要國家有德國、日本、新加坡、美國、英國和中國。其中,德國率先開展并取得了突出的成果,其主要的研究機構有Karlsruhe的 IMR(Institute for Materials ResearchⅢ)和Fraunhofer的IFAM(Fraunhofer Institute for Manufacturing and Advanced Materials)兩大研究所,研究的材料涉及多種金屬材料和陶瓷材料。圖9為微注射成形工藝制備的316L不銹鋼微型臺階齒輪,齒輪高約480μm,最小的齒寬約50μm[9]。

繼德國之后,新加坡的南洋理工大學、日本、美國也陸續報導了這方面的研究結果,國內的北京科技大學、中南大學以及大連理工大學也在該領域進行了一系列的研究工作。如北京科技大學研制了具有自主知識產權、適用于傳統注射成形機的粉末微注射成形用模具,同時以羰基鐵粉和鐵鎳合金粉為原料,在傳統注射成形機上成功實現了粉末微注射成形齒頂圓直徑小于1 mm的微型齒輪[10]。

圖9 微注射成形的316不銹鋼臺階齒輪Fig.9 Stepped gearwheels made of 316L stainless steel byμ-PIM

盡管采用微注射成形工藝已經實現微型零件的近凈成形并得到了應用,但由于微注射成形技術的研究涉及到很多技術領域如微流變學、微傳熱學、微流體學以及聚合物的微觀形態學等相關技術領域,而且這些相關領域的理論及技術研究本身不是太成熟,導致微注射成形的基礎理論和工藝都不完善,尚未形成能夠指導制定微注射成形工藝參數的理論和方法。因此,微注射成形的進一步發展還面臨許多挑戰,主要有幾下幾個方面。

(1)粉末微注射成形所使用的原料粉末過細,這對于粉末生產行業提出了較高的要求。尤其是金屬粉,要滿足這樣的粒度要求尚有一定難度。

(2)微型模具的制造手段還需要不斷改善。由于微注射成型的模腔尺寸很小,往往比傳統的加工工具小幾倍,因此適用于粉末微注射成形的模具無法沿用傳統模具加工方法來制備,必須采用微加工技術制造模腔,而目前該技術還不夠成熟,所制造模腔的精度、耐磨程度、脫模機構以及光潔度不夠高。

(3)粉末喂料在微型模腔中的流動充模過程還需進一步研究。目前有關喂料流動充模的許多理論和模型都是基于傳統粉末注射工藝提出的,而在微注射成形過程中,粉末喂料在微型模腔中的流動和填充環境及邊界條件有所改變,因此需要進一步明確其流動充模過程以對實際注射工藝參數的調整起指導作用。

. 新型粘結劑及脫脂工藝的開發

粉末注射成形工藝中,粘結劑作為粉末流動的載體對于整個注射成形工藝的成敗具有至關重要的作用。一方面,要求粘結劑具有良好的流動充模性以及與固體粉末較好的潤濕性;另一方面,粘結劑在注射坯體中必須容易脫除。目前,注射成形工藝廣泛采用的粘結劑體系為熱塑性石蠟基多元聚合物粘結劑體系,該粘結劑體系雖具有好的流變性能,脫除也較為容易,但存在一個明顯的缺點——脫脂時間長,并且一些尺寸較大的零件容易在脫脂過程中產生裂紋和開裂等缺陷,這就大大降低了生產效率,提高了生產成本。因此開發新的粘結劑體系和相應的脫脂工藝,以提高粉末注射成形工藝的生產效率、降低生產成本,具有非常重要的意義。

催化脫脂工藝作為近幾年發展的一種新型快速脫脂工藝。該工藝綜合了熱脫脂工藝和溶劑脫脂工藝的優點,克服了傳統脫脂方式的時間長、缺陷多、能耗高等缺點,被認為是目前最先進的脫脂工藝而受到廣泛的重視。自20世紀90年代,德國的BASF公司即開展了這方面研究,并成功開發了一種新的催化脫脂工藝——Metamold脫脂技術[11]。該工藝以聚醛樹脂作為粘結劑,利用聚醛樹脂的極性連接金屬粉末,并在酸性氣氛中進行快速催化脫脂。在氣態酸性氣氛下(N2+HNO3),聚醛樹脂催化分解為甲醛。該分解反應在100℃以上快速發生,是一種直接的氣-固反應。脫脂從外圍區域向內部區域進行,因此脫脂時產生的氣體可以順利逸出,避免了像熱脫脂一樣由于缺乏氣體通道而造成的缺陷;另外,這種催化脫脂在低于聚醛樹脂的軟化溫度下進行,避免了液相的生成,從而避免了變形、坍塌等脫脂缺陷的產生,有力控制了注射成形坯變形,保證了燒結后的尺寸精度。該工藝脫脂速度為1～4 mm/h,是傳統脫脂工藝速率的10～20倍。催化脫脂所具有這些優異的脫脂特性非常適合于現代化的注射成形連續化工業生產。BASF公司已為Metamold脫脂技術申請了專利保護,并注冊了Catamold商標的催化脫脂喂料,生產了從金屬到陶瓷的一系列喂料產品[12]。他們生產的催化脫脂喂料產品憑借著快速穩定的脫脂特性及適用于連續批量的專業化生產特點,較快地占據了世界粉末注射成形的市場。

國內對于催化脫脂工藝的研究起步較晚。目前開展此項研究的單位主要有清華大學、中南大學、北京科技大學等少數幾家,盡管也開發出了一些催化脫脂工藝,但還僅停留在實驗室階段,尚未實現大規模生產和應用。在實際工業生產中,國內的許多公司還只能通過高價購買BASF公司的Catamold系列催化脫脂喂料進行生產,這勢必造成成本居高不下、產品失去競爭力。因此針對催化脫脂工藝進行深入研究已是迫在眉睫,對于國內PIM產業發展的推進及國際競爭力的提高具有重要的戰略意義。

[1]Cao Yongjia(曹勇家).金屬注射成形發展的機遇和挑戰[J].powder metallurgy Industry(粉末冶金工業),2001,11(3):7-17.

[2]He Xinbo(何新波),Qu Xuanhui(曲選輝),Huang Zuyao(黃祖堯).金屬粉末注射成形技術及其在數控機床功能部件中的應用[J].Function Units(功能部件),2007(8):136-139.

[3]German R M.Powder Injection Moulding in North America-Upbeat Again[J].PIM International,2007,1(3):25-31.

[4]Frank P.Micro Powder Injection Moulding-Challenges and Opportunities[J].Powder Injection Moulding International,2008,2(1):37-42.

[5]German R M.Powder Injection Molding——Design and Applications[M].Pennsylvania State:Innovative Material Solutions Inc,Pennsylvania State Univesity,2003:55-57.

[6]Doug Smock.Global Market for Metal and Ceramic Injection Molding[EB/OL].[2008-10-01].http://www.bccresearch.com/Pressroom/AVM049B.html.

[7]PiotterV,Benzler T,Gietzelt T.Micro Powder Injection Molding[J].Advanced Engineering Materials,2002,2(10):639-642.

[8]Rota A.New Features in Material Issues for Metallic Micro Components by MIM[C]//Proceedings of PM2TEC,Florida:[s.n.],2002:10-49.

[9]Volker P,Thomas G,Lothar M.Micro Powder-Injection Moulding of Metals and Ceramics[J].Sadhana,2003,28(1/2):299-306.

[10]Yin Haiqing(尹海清),Jia Chengchang(賈成廠),Qu Xuanhui(曲選輝).粉末微注射成形技術現狀[J].powder metallurgy Technology(粉末冶金技術),2007,25(5):382-386.

[11]Bloemacher M,Weinand D.Metamold BASF's New Powder Injection Molding System[J].MPR,1992,47(5):43-49.

[12]Zheng Liqing(鄭禮清),Li Kun(李 昆),Jiang Zhongbing(蔣忠兵).粉末注射成形新型快速脫脂工藝——催化脫脂[J].Journal of Materials Science&Engineering(材料科學與工程),2008,26(6):980-989.

Advance in Research of Power Injection Molding

QU Xuanhui

(Institute of New Material Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

An overview of the main technical features and advantages of powder injection molding(PIM)was provided.Application fields and market development of PIM processwere briefly introduced,and hot topics of current PIM research were also summarized.Development trends and research directions for PIM technology in the future were brought for ward on the basis.

injection molding;powder;near-net shape;metal;ceramics

TF124

A

1674-3962(2010)05-0042-06

2010-02-23

曲選輝,男,1960年生,教授,博士生導師