粉末注射成形的发展及其在不锈钢零件生产中的应用

张立朋

（上海新建重型机械有限公司，上海 201405）

金属粉末注射成形技术（Metal Injection Molding，简称MIM）是将塑料成形技术引入粉末冶金领域而产生的一种新型粉末冶金净成形技术，是当前先进制造技术领域研究的热点之一［1］。应用MIM制备的具有复杂形状的高性能异形金属零部件成本较低，因此MIM技术越来越受到人们的重视。而不锈钢粉末具有良好的耐腐蚀性，优越的成型性及良好的流动性，已成为注射成形、粉末冶金和涂料生产等行业中的重要原材料，目前已经被广泛地应用于粉末冶金领域，其中在MIM零件中占50%以上［2］。而用传统的粉末冶金模压－烧结工艺也可以生产不锈钢零件，但这种方法得到的产品密度较低且分布不均匀，孔隙等缺陷的存在大大降低了力学、耐腐蚀和外观等性能，并且模压－烧结法因只能生产形状简单的零件使其发展受到限制［3］。而将MIM应用于不锈钢零件的生产中恰好可以解决上述问题，MIM不锈钢零件已经广泛应用于汽车工业、飞机机翼过滤器以及医疗器械等诸多领域。

1 粉末注射成形的概述

金属注射成型的基本工艺过程［4］是：1）将特定金属粉末与有机粘结剂充分混合均匀，利用注射成形机等机械方法成形；2）将成形零件毛坯中的粘结剂脱除；3）通过烧结使其致密化而得到最终产品。MIM能制造许多具有复杂形状特征的零件，而且MIM制造的零件一般不需要再进行机加工，从而减少了材料的消耗，并且保证了尺寸的精确性。因此在生产大批量形状复杂的零部件时，MIM就会比其他传统加工方法更为经济。图1给出了MIM零件的生产量与成本的相互关系。

MIM技术的主要特点可以进一步用图2表示，3个因素相互交迭，其公共区是粉末注射成型应用最有吸引力的领域，即通过聚合物－粉末混合料能便宜的成形近乎全致密的复杂形状零件。

1.1 粉末注射成形的技术特点

MIM技术由于采用大量的粘结剂来增强流动性，所以MIM可以任意成形各种复杂形状的金属零部件，这是传统的粉末冶金模压工艺及其它工艺所达不到的。而且，由于注射成形是一种近净成形工艺，一般不再需要继续精加工，零件的制造成本就会大大的降低。其次，注射成形时粉末流动可以均匀的填充模腔，从而使得MIM产品密度均匀，避免了其它传统加工工艺中不可避免的密度分布不均匀的缺点。另一个可与MIM竞争的工艺是精密铸造，与精密铸造相比，MIM工艺在最小直径、最小壁厚、公差、表面粗糙度等方面显示出优势。

1.2 成形剂及其脱除

粘结剂是金属注射成形技术中必不可少的原材料，它既可以在注射时为金属粉末提供具有流动性的载体，又能维持坯块的形状。这就要求粘结剂既要有良好的流变学性能，又要求其具有快速脱除的性能。现在MIM不锈钢零件的生产中多采用蜡基为主的热塑性粘结剂。不锈钢的脱脂技术分为热脱脂、溶剂脱脂、虹吸脱脂、催化脱脂等，其中应用最广泛的是溶剂脱脂。溶剂脱脂技术是指将大部分粘结剂通过溶解等方法去除，只留下连通通道。这些连通通道可使后续热脱脂过程中产生的相对分子质量低的气体迅速扩散至坯外，从而使后续热脱脂过程能够迅速地进行。

脱脂的目的是在不产生孔隙等缺陷的情况下，迅速地脱除粘结剂。粘结剂脱除后，制品会变得非常脆弱，但是我们必须要保证零部件保持形状，现在的技术通常是将最后的脱脂部分与烧结环节结合起来，在加热阶段达到烧结温度以前，粘结剂就会全部脱除。

1.3 粉末注射成形的发展

目前国际上也开始注意到现有MIM技术的局限性，并开始分别在某一方面进行研究。美国和欧洲也在开展各种工作，已取得初步成效的有以下几个方面：

1）新型脱脂技术提高脱脂速率 德国BSAF公司的Bloemacher等于90年代初一种催化脱脂方法。该方法的主要技术特点是在酸性气氛中采用聚醛树脂作为粘结剂快速催化脱脂。

2）减少粘结剂用量增大制品尺寸 法国Impac公司开发了一种称之为Quickset的无粘结剂MIM新工艺，只需传统MIM粘结剂含量的5%，这种工艺突破了传统MIM制品的质量和尺寸等限制。用该工艺可以得到大尺寸的金属零件制品。

3）优化颗粒配比提高精密度 美国Thermat公司开发了PMIM新工艺，使用不同粒度粉末搭配，有效改善各自的填充均匀性，且混合粉的堆积密度超过单尺寸颗粒的堆积密度，而堆积密度的提高必然会带来MIM产品烧结密度和力学性能的提高。因此，使用不同粒度粉末搭配用于MIM不锈钢是可以强化粗粉末烧结，并使得产品尺寸精度达到±0.1%。

4）更先进、控制更精确的装备 目前金属注射成形技术主要是朝着适用材料体系发展，开发出了满足特殊粘结剂及脱脂技术的高可靠性的生产装备。以计算机精密控制注射成形机及相关在线质量检测控制系统的研究和计算机辅助脱脂关键装备技术的开发是目前及今后关注的重点方向。

2 粉末注射成形在不锈钢零件生产中的应用

至今被MIM利用最广的是奥氏体Ni－Cr钢316L和马氏体硬化钢17－4PH。316L不锈钢在多种腐蚀介质中具有优良的耐蚀性，且综合力学性能良好，工艺性能和可焊性优良，因而得到了广泛应用，在欧洲的MIM中316L约占不锈钢的80%，日本与欧洲相似，主要是316L不锈钢。

3 结 语

MIM不锈钢零件已经应用到汽车工业，飞机机翼过滤器和建筑，交通运输，食品工业，医疗器械等领域，以其形状复杂、性能优异、成本低廉的特点占有越来越重要的地位，但作为一种新型成形技术仍有许多的不足和局限性，尤其是工件尺寸上的限制极大的制约了MIM的发展。

现在以316L钢（奥氏体）和17－4PH（沉淀硬化）为代表的不锈钢粉末注射成形占MIM零件总销售额的50%以上，涵盖了应用的主要部分。不锈钢本身具有优异的力学性能及耐腐蚀性能但难于加工，而MIM良好的成形性恰好可以弥补不锈钢成形性差的缺点，因此将MIM技术应用在不锈钢粉末零件的生产有着乐观的前景。现在应用的粘结剂还是多为石蜡基的热塑性聚合物，脱脂是最重要也是最困难的步骤之一。控制不当将引起脱脂坯变形、成分波动等，进而影响最终产品的性能。因此，研究、开发新型的粘结剂和脱脂技术具有重要意义。从正确选择粉末到成品，如果MIM工艺正确，今天可以制造的MIM不锈钢零件将会发挥更大的作用。

［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.属注射成形不锈钢［J］.粉末冶金技术，2000，18（4）：274－282.

［4］ 李益民，李云平.金属注射成形［M］.长沙：中南大学出版社，2004.