李亮，尹東海，鄧禮兵

（1.常州博瑞電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司，江蘇常州213025；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102）

金屬注射成型技術(shù)及其在不銹鋼零件成型中的應(yīng)用

李亮1，尹東海2，鄧禮兵1

（1.常州博瑞電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司，江蘇常州213025；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102）

介紹了金屬注射成型技術(shù)的工藝流程及其特點(diǎn)，對(duì)比傳統(tǒng)加工制造方法，分析金屬注射成型工藝的優(yōu)勢(shì)，并講述其在不銹鋼零件中的應(yīng)用。

金屬注射成型；不銹鋼；粉末冶金；粘結(jié)劑

金屬注射成型（簡稱MIM）是典型的學(xué)科跨界產(chǎn)物，其將兩種完全不同的加工工藝（塑料注射成型和粉末冶金）融為一體。因此MIM工藝所制得的產(chǎn)品同時(shí)具有上述兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)，不僅繼承了傳統(tǒng)粉末冶金少無切削、少無偏析、均勻結(jié)晶及節(jié)省材料等特點(diǎn)，而且可以成型形狀復(fù)雜、精度高的產(chǎn)品，與塑料注射成型相媲美，其機(jī)械、物理和化學(xué)性能也與鍛件相接近。MIM工藝非常適合生產(chǎn)大批量、形狀復(fù)雜、小型的高密度金屬或金屬化合物的制品。

自20世紀(jì)70年代MIM技術(shù)問世以來，許多國家都投入極大精力開始研究該技術(shù)，并得到迅速推廣，相關(guān)研究單位和制造企業(yè)如雨后春筍般出現(xiàn)在世界各地。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、電子產(chǎn)品、醫(yī)療器械、消費(fèi)品等諸多領(lǐng)域。有很多人認(rèn)為，MIM技術(shù)的發(fā)展將給零件加工和產(chǎn)品成型帶來一場(chǎng)革命，也引領(lǐng)著粉末冶金技術(shù)的發(fā)展。而不銹鋼粉末具有良好的耐腐蝕性，優(yōu)越的成型性及良好的流動(dòng)性，已成為注射成型、粉末冶金和涂料生產(chǎn)等行業(yè)中的重要原材料，目前已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于粉末冶金領(lǐng)域，其中在MIM零件中占50%以上。眾所周知，不銹鋼材質(zhì)較硬，機(jī)加工較困難，成本較高，而傳統(tǒng)的成型工藝也只能加工結(jié)構(gòu)較簡單的零件。MIM技術(shù)解決了不銹鋼加工難題，可成型小型復(fù)雜零件，并降低了生產(chǎn)成本[1-3]。

1 MIM工藝及其特點(diǎn)

1.1 MIM工藝流程

MIM的最終目的是制取設(shè)計(jì)所需形狀、顆粒均勻、內(nèi)外無缺陷的成型坯。它的一般工藝步驟是：

第一步選取符合MIM工藝要求的金屬粉末原料和對(duì)應(yīng)的粘結(jié)劑；

第二步利用混料機(jī)將所選粉末和粘結(jié)劑在設(shè)定溫度下進(jìn)行充分混合，并在制粒機(jī)里將混合好的原料制成顆粒狀注射料；

第三步即注射成型，首先選用合適的脫脂方法對(duì)成型坯進(jìn)行脫脂處理，其次通過氣氛爐或者真空爐進(jìn)行燒結(jié)使坯料致密，獲得設(shè)計(jì)所需性能和形狀的產(chǎn)品。圖1為金屬注射成型的工藝流程圖。

圖1 MIM工藝流程

（1）原料制備。MIM零件由粉末組成，所以粉末是最關(guān)鍵的原料成分，選擇粉末時(shí)應(yīng)綜合考慮其多種性能。原料在模具中成型，其流變性能要穩(wěn)定，并且要有一定的充模能力；脫脂時(shí)大量粘結(jié)劑脫除，尺寸應(yīng)好控制，脫脂速度應(yīng)快；燒結(jié)時(shí)線收縮率要穩(wěn)定等。MIM工藝使用的粉末顆粒直徑很小，一般不超過20 μm，這樣顆粒越細(xì)小，其比表面積越大，理論上講，更容易燒結(jié)和成型。而傳統(tǒng)粉末冶金工藝所用粉末顆粒直徑較大，一般在40 μm以上。

粘結(jié)劑也是原料的關(guān)鍵成分，它在MIM工藝過程中起著增強(qiáng)原料粉末的流動(dòng)性和保持坯塊形狀兩大作用。粘結(jié)劑的成分及性能一直被研究，因?yàn)槠涿摮俣群凸δ苡绊懼庸ぶ芷诤彤a(chǎn)品質(zhì)量。粘結(jié)劑一般由低分子組元、高分子組元和一些必要添加劑構(gòu)成。低分子組元因粘度低而流動(dòng)性好，并易脫去；高分子組元因粘度高而保證了坯料的強(qiáng)度。粘結(jié)劑應(yīng)具有無毒環(huán)保、易于脫除、流變性能穩(wěn)定和不與粉末反應(yīng)等特點(diǎn)。

MIM工藝所用原料須為固體顆粒，粉末和粘結(jié)劑選定之后，需混合充分并制成固體顆粒，這就是混煉與制粒。在混煉時(shí)，粉末與粘結(jié)劑的加入順序?yàn)檎辰Y(jié)劑的高熔點(diǎn)組元、低熔點(diǎn)組元和金屬粉末，因?yàn)楦呷埸c(diǎn)組元熔化后降溫，可以防止低熔點(diǎn)組元的分解或氣化，金屬粉末分批加入，防止溫度下降過快從而保護(hù)了設(shè)備。混煉后的原料傳送到制粒機(jī)，制成顆粒均勻的注射料。

（2）注射成型。MIM工藝注射成型過程與注塑成型原理相同，相關(guān)設(shè)備條件也基本一致。注射成型過程如下：首先將原料從進(jìn)料口加入到料筒，料筒加熱器和螺桿旋轉(zhuǎn)使原料熔化，然后螺桿將原料推進(jìn)模具型腔，冷卻成型，最后取出零件，進(jìn)入下一次注射成型。想要獲得高質(zhì)量成型坯，必須控制好成型參數(shù)，如注射壓力、模具溫度和成型周期等，否則成型后的產(chǎn)品會(huì)有內(nèi)部空隙、尺寸超差和表面粗糙等缺陷。

（3）脫脂。脫脂是將粘結(jié)劑從成型產(chǎn)品中脫除的過程。這一過程是在燒結(jié)前進(jìn)行的，脫脂后的產(chǎn)品中仍含有少量的粘結(jié)劑，以保持產(chǎn)品的形狀。若脫脂不當(dāng)，產(chǎn)品會(huì)產(chǎn)生很多缺陷，如成分污染、變形以及開裂等。常用的脫脂方法有四種，分別為熱脫脂法、溶劑脫脂法、催化脫脂法和虹吸脫脂法。表1所示為幾種常用的脫脂方法的特點(diǎn)。

表1 常用脫脂方法優(yōu)缺點(diǎn)比較

（4）燒結(jié)。燒結(jié)是成型坯在高溫加熱的情況下，脫除剩余粘結(jié)劑，金屬粉末顆粒重新排布，使成型坯致密化、強(qiáng)度增高的過程，它是MIM工藝的最后一道工序。燒結(jié)后的成型坯線收縮率很大，這給尺寸精度和變形控制增加了難度，所以要求喂料要均勻，粉末搖實(shí)密度要高。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

從MIM的工藝本質(zhì)來看，它是當(dāng)前最適合批量加工小型、形狀復(fù)雜以及高熔點(diǎn)零件的工藝，其優(yōu)勢(shì)可歸納如下：

（1）零部件幾何形狀的自由度高，能像生產(chǎn)塑料制品一樣，一次成型生產(chǎn)形狀復(fù)雜的金屬零部件。

（2）光潔度好，表面粗糙度可達(dá)到Ra0.8~16 μm，尺寸精度高，一般無后續(xù)加工。

（3）密度均勻，制品致密度可達(dá)95%~99%.組織均勻，耐疲勞，力學(xué)性能優(yōu)良。

（4）產(chǎn)品性能一致性高，特別適合大批量生產(chǎn)，大批量交付周期短。

（5）應(yīng)用領(lǐng)域廣，適用材料范圍寬。

與傳統(tǒng)加工工藝相比，MIM工藝有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。它可以加工精密、高熔點(diǎn)的零件，這是精密鑄造無法達(dá)到的；MIM設(shè)計(jì)可以節(jié)省材料、降低重量，可以將注射后的澆口料重復(fù)破碎使用，不影響產(chǎn)品性能，提高材料利用率，這是機(jī)械加工無法比擬的；MIM工藝可以制造復(fù)雜形狀的產(chǎn)品，避免更多的二次加工，這是傳統(tǒng)粉末冶金無法相比的。但MIM不是與傳統(tǒng)加工方法競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)傳統(tǒng)方法加工困難、成本過高或無法制作時(shí)，這時(shí)MIM可以發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)。其工藝特點(diǎn)與傳統(tǒng)加工工藝的比較如表2所列。

表2 MIM工藝與傳統(tǒng)加工工藝比較

2 MIM在不銹鋼零件成型中的應(yīng)用

不銹鋼是MIM用料占比最多的材料，接近于50%.其中又以奧氏體Ni-Cr鋼316L和馬氏體硬化鋼17-4PH應(yīng)用最為廣泛[4]。316L不銹鋼具有優(yōu)異的抗腐蝕能力，綜合力學(xué)性能良好。17-4PH不銹鋼強(qiáng)度、硬度高，耐蝕性良好。不銹鋼粉末在注射成型后能達(dá)到98%左右的燒結(jié)密度，研磨、拋光后可達(dá)到鏡面光亮的效果，適合用作裝飾件和功能件。

在汽車制造領(lǐng)域，MIM已經(jīng)成功開發(fā)了多種不銹鋼零件，如安全氣囊觸發(fā)的座椅傳感器、按裝前圍板的螺旋以及發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室等，簡化了零件生產(chǎn)工序；在醫(yī)療器械方面，不銹鋼材料應(yīng)用最為廣泛，采用MIM工藝生產(chǎn)的牙齒矯形托槽，成本比傳統(tǒng)加工方法降低了50%以上，此外還可做手術(shù)剪刀、手術(shù)刀柄、鑷子等；電子消費(fèi)產(chǎn)品近年來發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，并保持著較高的增長速度，產(chǎn)品中的小結(jié)構(gòu)件采用MIM工藝加工，不僅批量生產(chǎn)成本低，而且外形美觀，如手機(jī)卡托、攝像頭裝飾圈、電腦轉(zhuǎn)軸、硬盤驅(qū)動(dòng)器中的結(jié)構(gòu)件等；在電力二次設(shè)備機(jī)箱上，越來越多的小結(jié)構(gòu)件也采用MIM工藝制造，如機(jī)箱上的鉸鏈、組屏固定塊等；此外MIM不銹鋼已用于手表的表殼、表鏈，電動(dòng)牙刷齒輪以及軍工導(dǎo)彈彈頭安全裝置中的轉(zhuǎn)子等。

近年來，國家提倡智能電網(wǎng)建設(shè)，二次設(shè)備機(jī)箱的產(chǎn)量增長迅速。機(jī)箱鉸鏈（如圖2所示）是連接機(jī)箱面板和殼體的重要零部件，其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。最初采用碳鋼材質(zhì)，經(jīng)過線切割、鉆孔、倒角和去毛刺工序，表面處理制成成品，加工工序繁瑣且成本極高。目前鉸鏈材質(zhì)為17-4PH不銹鋼，采用MIM工藝加工，研磨后處理，制品表面光滑無毛刺，形狀規(guī)則精度高，并且大大降低了成本。

圖2 機(jī)箱鉸鏈

3 結(jié)束語

MIM技術(shù)的出現(xiàn)，給各行各業(yè)的設(shè)計(jì)和制造人員提供了嶄新的設(shè)思路和制造技術(shù)，可以大膽的嘗試用于精密且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)計(jì)方案中一次性成型原來由于加工困難而不得不采用組合件方法的零件。不銹鋼材質(zhì)本身具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和力學(xué)性能，并且拋光性能良好，但難于機(jī)加工，MIM良好的成型性恰好彌補(bǔ)了這一點(diǎn)，因此將MIM技術(shù)應(yīng)用在不銹鋼零件生產(chǎn)中有著樂觀的前景[5]。

MIM工藝只適用于精密小件，工件尺寸上的限制極大地制約了MIM的發(fā)展。目前加工大尺寸零件還面臨許多難題，比如金屬粉末成本過高、粘結(jié)劑脫脂時(shí)間過長以及脫脂后產(chǎn)品易產(chǎn)生缺陷等，相信隨著研究的深入和技術(shù)的發(fā)展，這些難題終將被攻克，MIM將會(huì)迎來一個(gè)新局面。

[1]熊運(yùn)昌，楊萍，丁文偉.金屬粉末注射成型技術(shù)及應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝·熱加工技術(shù)，2003（3）：34-36.

[2]茅志玉.金屬注射成形工藝及其技術(shù)要點(diǎn)[J].機(jī)械工程師，2003（7）：24-26.

[3]黃詩君，張宏超，章爭(zhēng)榮，等.金屬粉末注射成型工藝[J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2005，17（6）：58-60.

[4]張立朋.粉末注射成形的發(fā)展及其在不銹鋼零件生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].建材世界，2013，34（2）：112-119.

[5]曹家勇.金屬注射成形不銹鋼[J].粉末冶金技術(shù)，2000，18（4）：274-282.

Metal Injection Molding Technology and Its Application in the Forming of Stainless Steel Parts

LI Liang1，YIN Dong-hai2，DENG Li-bing1
（1.Changzhou Borui Electric Power Automation Equipment Co.，Ltd.，Changzhou Jiangsu 213025，China；2.Nanjing Naruijibao Electric Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu 211102，China）

This paper introduces the technological process and characteristics of metal injection molding technology，compares the traditional manufacturing methods，analyzes the advantages of metal injection molding process，and describes its application in stainless steel parts.

metal injection molding；stainless steel；powder metallurgy；binder

TG664

B

1672-545X（2017）06-0199-03

2017-03-23

李亮（1988－），男，吉林人，助理工程師，本科，從事電力二次設(shè)備結(jié)構(gòu)與工藝研究；尹東海（1965-），男，河南周口人，本科，研究員級(jí)高級(jí)工程師，從事電力設(shè)備工藝研究；鄧禮兵（1987-），男，安徽蕪湖人，本科，助理工程師，從事電力二次設(shè)備結(jié)構(gòu)與工藝研究。