金屬粉末注射成型技術常見缺陷分析

崔曉波 孟坤全

（昆山安泰美科金屬材料有限公司 江蘇蘇州 215300）

金屬粉末注射成型技術（Metal powder injection molding，MIM）誕生于20世紀70年代，是一種金屬粉末快速凈成形技術［1］。MIM技術可以成型出尺寸精度高、形狀復雜、性能優異的產品，具有生產效率高、生產成本低和可大批量生產等優點，其產品廣泛應用于汽車、電子、生物醫療、兵器及航空航天等領域［2-4］。

MIM 的基本工藝過程是：首先將金屬粉末與黏結劑進行混煉造粒，制備出喂料（注射料），然后經注射成型和脫脂工序，成型出具有一定形狀的多孔金屬零件，再經高溫燒結致密化和后處理，獲得最終產品［5-7］。在生產過程中，任何一個環節出錯都有可能致使最終產品產生缺陷。缺陷可能是由于模具的設計和制造等機械因素引起的，也可能是由于混煉造粒、成型壓力、注射速度、保壓壓力、脫脂和燒結參數不當等加工因素引起。有些缺陷可能在前期生產工序中已經產生，但當時很難識別，直到脫脂或燒結工序才表現出來。本文將簡述MIM技術每道工序中經常出現的缺陷，并闡釋其產生原因，以期為相關工作者提供借鑒。

1 混煉造粒

1.1 混煉均勻性

混煉造粒是MIM 工藝的第一步工序，注射料的質量直接影響后續的工藝過程及產品質量［8］。通常，MIM 成型選用原料粉末粒徑細小（平均粒度小于20μm），因此，粉末之間可能存在較嚴重的團聚現象。若混煉造粒工序不能破碎團聚體，則可能導致最終燒結產物組織不均勻。如果團聚體是合金元素添加劑，注射料將出現高合金化區和低合金化區，影響產品的力學性能。同時，由于燒結溫度無法使難熔金屬元素（如Mo 等）致密化，燒結后，高合金區致密度較低。此外，一些合金元素（如Ni 等）形成較大團聚體時，由于相互擴散不平衡，也可能產生柯肯達爾孔洞。

注射料成分的均勻性是混煉工序關注的重點。如果混煉時間或剪切速率不足，金屬粉末和黏結劑分布不均，在隨后的脫脂工序有機黏結劑富集區可能出現起泡現象。此外，若混煉時間過長，低溫黏結劑成分發生分解或蒸發。通過監測混料機的功率，可以確定最佳混煉造粒時間，當混料機功率減小并趨于穩定時，說明金屬粉末和黏結劑已混合均勻。生產時，使用毛細管流變儀來測定批次間金屬粉末和黏結劑的混合均勻性。

1.2 注射料的回收使用

為了降低MIM 產品的制造成本，生產時，通常對澆口料、流道料和脫脂前發現有缺陷的注射成型生坯進行回收再利用。MIM行業通常采用兩種方法使用回收料，一種方法是在新鮮注射料中添加30%～50%的回收料，另一種方法是使用100%的回收料。隨著回收循環次數的增加，回收料會發生變質。變質的主要原因是黏結劑氧化，如石蠟中C-C 鍵氧化成為C=O 鍵。變質使金屬粉末和黏結劑之間的結合強度減弱，在脫脂過程中，產品可能會出現裂縫和變形，黏結劑變質還會使粉末之間的粘度升高，批次間的尺寸精度和生坯密度將難以控制。

2 注射成型

2.1 飛邊

當注射成型模具型腔較多時，需要長流道結構和較高的成型壓力才能將注射料輸送到每個型腔內。由于模具部件的材料和形狀不同，較高的成型壓力使模具發生不同程度的彈性變形或塑性變形，導致模具各部分之間出現縫隙，較高壓力的注射料進入縫隙形成飛邊。當在小型成型機上使用帶有較多型腔的大模具時，飛邊問題更為嚴重。

2.2 殘余應力

注射成型工序中第二種容易出現的缺陷是殘余應力。殘余應力在注射成型工序很難及時發現，只能在脫脂工序和后續加工時被發現。注射成型時，靠近模具表面位置冷卻速度快，優先固結成型，殘余應力被固結到生坯內部，脫脂工序加熱過程會使殘余應力釋放，導致工件發生變形。若注射壓力較高，零件甚至在室溫下長時間放置都可能發生變形。

2.3 其他缺陷

注射成型工序易產生的其他缺陷與常規注塑成型時由于成型參數不當而產生的缺陷類似。成型過程中，溫度和壓力的控制是產品質量的兩個關鍵的環節［9］。當成型壓力或保壓壓力較低時，會出現低生坯密度區域和填充不完全，此時，若排氣設計不良及長流道結構會導致澆道處先凝固，在零件較厚界面可能出現內部空隙，經燒結工序后，這些低密度區或內部空隙的區域就會形成凹坑。

進料溫度低、模具溫度低或機筒溫度低可能產生熔合線和流痕缺陷。當低溫注射料在高壓下流過模具表面時，就會產生流痕，當分開的注射料流再次相遇時，就會形成熔合線。缺陷的產生也與模具設計不當有關，如長流道、澆口位置不當、排氣口位置不當等。這些成型缺陷的典型解決方案是提高筒體溫度、噴嘴溫度和模具溫度，并通過優化模具結構來避免在模具中流動的注射料流分開，從而防止注射料在未完全填充模具前先凝固。表1展示了注射成型工序中可能產生缺陷及這些缺陷的產生原因和補救措施。

表1 注射成型工序常見的缺陷和補救措施

3 脫脂

生坯脫除黏結劑工序是一個緩慢、精細、復雜的過程。因為在零件中心位置的黏結劑分解產生的氣體不能通過任何孔隙通道有效地逸出到大氣中，除非應用極慢的加熱速率和較長的脫脂時間（如幾天），否則經常會遇到缺陷。為了確保成型坯的形狀在整個脫脂過程中保持不變，一次成功的脫脂過程通常由2個或3個階段組成，在每個階段中會去除一種成分的黏結劑。已開發的脫脂技術有溶劑脫脂、熱脫脂、催化脫脂、虹吸脫脂等［10-11］。盡管催化脫脂可以在很短的脫脂周期內生產出高質量的脫脂部件，但出于經濟原因，生產時，廣泛應用的脫脂工藝是溶劑脫脂和熱脫脂的兩步脫脂工藝。因此，本節僅分析兩步脫脂工序易產生的缺陷。

表2總結了溶劑脫脂和熱脫脂可能產生的缺陷及這些缺陷產生的原因和補救措施。在溶劑脫脂過程中，如果過程操作不當，零件經常會出現裂紋和坍落。溶劑脫脂過程通常伴隨著加熱溶劑以提高脫脂率，加熱使石蠟等黏結劑變軟，若操作不當，經常會導致零件翹曲和塌陷，尤其是零件具有復雜形狀結構時。改善黏結劑種類、成分配比及降低溶劑脫脂溫度，有助于緩解這個問題，必要時，還可以通過修改零件形狀以更好地支撐薄截面或延伸截面。

表2 脫脂工序常見的缺陷和補救措施

熱脫脂后經常觀察到一些缺陷，但這些缺陷產生的原因不一定與熱脫脂工序本身有關，它們可能源于混煉造粒、注射成型或溶劑脫脂工序，在熱脫脂工序中被放大并表現出來。熱脫脂加熱時，應緩慢升溫，當加熱速度過快時，熱脫脂缺陷經常出現，在大多數情況下，這些缺陷是由黏結劑成分的快速分解引起的。材料吸附的水分轉化為蒸汽時也會產生缺陷，當分解的氣體分子不能足夠快地通過相互連接的孔隙通道逃逸到環境中時，如果生坯塑性較好，會導致起泡或者氣孔缺陷；當生坯較硬或顆粒間摩擦力較低時，就會發生開裂。隨著熱脫脂進行到最后，只剩下少量位于顆粒間頸部的黏結劑未去除，這些黏結劑引起的毛細力促使顆粒重新排列，從而誘發內應力引發變形。較高的粉末裝填密度可以減少顆粒的滑移，減少脫膠過程中生坯件的變形，有利于提高燒結件的性能［12］。

人們已經開發了幾種技術來緩解熱脫脂過程中出現的開裂、起泡和變形缺陷，包括在黏結劑組分分解或蒸發的溫度范圍內使用緩慢的加熱速率、高氣體流速和在溶劑脫脂過程中保持較高的粘結劑去除率，以及延伸截面和復雜零件的支架或固定裝置。使用更多不規則粉末也有助于提高生坯強度，并允許使用更快的脫脂速度，然而，這些粉末將對注射料的流動性和燒結性產生不利影響。

4 燒結

4.1 外觀變色

金屬體系對燒結氣氛的氧化能力很敏感，產品顏色是燒結氣氛問題的一個明顯預兆，尤其是對鋼而言［9］。燒結過程中，零件表面產生氧化物或氮化物等會導致外觀發生變色。為了防止氧化物、氮化物或其他反應產物的形成，燒結時，金屬表面不能與燒結氣氛發生反應。當燒結氣氛中含氧量較高時，高溫活潑金屬粉末表面會形成金屬氧化物。當燒結氣氛中含有氮氣或氨時，會與不銹鋼中的鉻發生反應，形成氮化鉻，降低不銹鋼的耐腐蝕性。當真空燒結溫度過高時，鉻也會蒸發從而降低零件耐腐蝕性。因此，高溫燒結不銹鋼時，常采用氬氣作為保護氣氛。

4.2 尺寸不合格

MIM材料在燒結工序會有10%～20%的收縮，尺寸大小會有明顯變化。與溶劑脫脂工序出現的變形問題相似，在燒結過程中，由于重力或不同位置收縮不均，也會出現扭曲變形等問題。MIM零件通常能達到理論密度的95%以上，為了提高成型件密度，通常選用細粉和高溫燒結，有時甚至液相燒結。MIM零件脫脂后致密度通常小于70%，因此，燒結過程中控型是一個較大的挑戰。例如，燒結D2工具鋼時溫度必須控制在±5℃以內。

5 結語

自MIM 誕生以來，工藝技術已顯著進步。盡管人們花費了大量的時間和精力來解決MIM 零件生產過程中遇到的問題，但在混煉造粒、注射成型、脫脂和燒結過程中，仍然經常產生缺陷。MIM 工藝仍然存在許多具有挑戰性的問題，如殘余應力、粉末/黏結劑的分離、黏結劑在成型過程中的流動行為、熱脫脂過程中的黏結劑再分布行為及液相燒結過程中的形狀保持等，有待進一步研究解決。