浅谈金属粉末注射成型工艺
粉末注射成形（PIM）是由金属粉末注射成形（MIM）与陶瓷粉末注射成形(CIM)两部分组成，它是一种新的金属、陶瓷零部件制备技术，它是将塑料注射成形技术引入到粉末冶金领域而形成的一种全新的零部件加工技术。
陶瓷粉末注射成型(CIM)是近代粉末注射成型(PIM)技术的一个分支，具有很多特殊的技术和工艺优势:可快速而自动地进行批量生产，且对其工艺过程可以进行精确的控制;由于流动充模，使生坯密度均匀;由于高压注射，使得混料中粉末含量大幅提高，减少烧结产品的收缩，使产品尺寸精确可控，公差可达±0.1%～0.2%，性能优越;无须机械加工或只需微量加工，降低制备成本;可成型复杂形状的，带有横孔、斜孔、凹凸面、螺纹、薄壁、难以切削加工的陶瓷异形件，有着广泛的应用前景。
金属粉末注射成型技术是集塑料成型工艺学、高分子化学、粉末冶金工艺学和金属材料学等多学科透与交叉的产物，利用模具可注射成型坯件并通过烧结快速制造高密度、高精度、三维复杂形状的结构零件，能够快速准确地将设计思想物化为具有一定结构、功能特性的制品，并可直接批量生产出零件，是制造技术行业一次新的变革。应用场景如下：
此章我们主要讲金属粉末注射成型。
一、粉末注射成型工艺
◆定义
金属粉末注射成形是选择符合要求的金属粉末和树脂粘结剂，在一定温度下将粉末和树脂混合成均匀的注射粒料，造粒后在注射机上成形，获得的成形坯经脱脂处理后烧结致密化，获得最终产品。
这与传统注射成形最大区别在于用金属或陶瓷粉末作原料。由于粉末本身流动性不好，需加入大量粘结剂在一定温度下混炼成均匀的、具有流动性的喂料、然后制成大小均一的粒料。
◆工艺流程
◆应用特点
1、模具成本很高，尤其对于大批量生产，模具需要用高硬耐磨材料制造，材料成本很高;
2、配料成本高，工艺步骤多、过程要求高;
3、主要应用于形状复杂、用其他方法很难加工甚至根本无法加工的产品。
二、各工艺对比
三、粒料
◆粒料制备包括
※粉末金属粉末
MIM工艺所用金属粉末颗粒尺寸一般在0.5~20μm；从理论上讲，颗粒越细，比表面积也越大，易于成型和烧结。而传统的粉末冶金工艺则采用大于40μm的较粗的粉末。
※有机胶粘剂
有机胶粘剂作用是粘接金属粉末颗粒，使混合料在注射机料筒中加热具有流变性和润滑性，也就是说带动粉末流动的载体。因此，粘接剂的选择是整个粉末的载体。因此，粘拉选择是整个粉末注射成型的关键。对有机粘接剂要求：
1.用量少，用较少的粘接剂能使混合料产生较好的流变性；
2.不反应，在去除粘接剂的过程中与金属粉末不起任何化学反应；
3.易去除，在制品内不残留碳。
※粒料表示粉末与粘结剂之间的一种平衡关系，两者之间适当的比例是决定注射成形成败的关键。使用低分子量的粘结剂可减少粘度，易于成形。合格的粒料应该是粉末在粘结剂中均匀分布，不能团聚或有孔隙;粉末分布不均匀会导致粒料粘性不一致。不利于成形和烧结
a）粘结剂过多，粒料粘度小，金属颗粒间不能充分接触，脱脂后变形严重，甚至导致产品塌陷;
b）粘结剂太少，粒料粘度高，注射十分困难，脱脂后容易生成孔隙，烧结后易导致产品开裂;
c）加入标准:粉末颗粒间发生点接触，粉末颗粒在没外压情况下粘在一起，中间的空隙被粘接剂填充;
四、粒料---混炼
混炼是将金属粉末与粘结剂混合得到均匀粒料的过程。由于粒料性质决定最终注射成形产品的性能，所以混炼步骤非常重要。
◆混合过程
a)将表面处理过的金属或陶瓷粉末加入粘结剂中，两者实现均匀混合，得到复合粉末体系;
b)将复合粉末加热，使粘结剂熔化;
c)液态粘结剂通过毛细作用进入粉末颗粒团聚体中，润滑粉末颗粒，在螺杆剪切力作用下使颗粒团聚得到持块分解，保持混合均匀。
d)如果合金粉末氧化，导致混炼失败。
e)在保证粒料均粉末颗粒小或形状不规则，混合时间需相应增加，以实现均匀混合。混炼时间增加，混合料均匀性增加，但树脂易氧化分解，部分金属或匀性的前提下，混炼时间尽量缩短。
f)混炼后的粒料经过破碎机或者切粒机加工后(一般制成3mm左右的颗粒)成为注塑用喂料。
五、注射成型
注射成型是在一定压力和温度下，通过柱塞或螺杆推动，将具有流动性和温度均匀性的粒料熔体注入模腔充满，熔体在控制条件下凝固冷却成形，直至注射坯从模腔中脱出，形成三维复杂形状和结构。·该阶段完全不同于传统冶金中的压制成形，类似于塑料工业中的成形工艺。
1、注射时，喷嘴紧靠流道，螺杆向前推进，喂料受压后挤出料筒，填充模腔;当有足够喂料填充到模腔中时，螺杆停止转动。理想充模是喂料沿模壁逐渐填充模腔，厚坯件要求螺杆推进速度快，薄件则反之。
充模速率太大导致喷射，出现气泡、焊纹或不完全填充(空气无法逃逸)等现象产生。(大的注射压力和充模速率、喂料粘度低都是导致喷射产生的原因)
充模速度太慢会导致喂料冷却过早，产生不完全填允，出现短射。(粒料注射温度控制不当也会产生此类现象)
2、当螺杆到达顶端喷嘴处后，对喂料进行施压的过程为保压过程。·注射成形最后是将成形坯从模具中取出。
开模温度应低于坯件脱模时维持其形状所需临界温度。
开模压力须小于成形坯脱模而不粘模所需的最大压力。
开模压力和温度应有一定范围，不能使制品出现变形、粘模、划伤模具或在制品表面形成缩孔或凹陷。
六、脱脂
脱脂属于金属粉末注射成形独有的步骤，需从坯体中脱除约30%-50%(体积分数)的粘结剂，完全不同于传统粉末冶金中极少量表面活性剂的脱除。
◆两个基本过程
1）粘结剂的热分解→化学反应过程;
2）分解气体传输到坯块表面进入外部气氛→物理传热、传质的过程。
◆三个阶段
1）初始阶段→初始孔隙的形成。粉末颗粒在粘结剂毛细管力作用下产生的颗粒重排;·
2）中间阶段→坯块内贯通孔隙通道的产生和形成，以及贯通孔隙通道形成后剩余粘结剂的脱除;
3）最终阶段→粘结剂完全脱除后粉末颗粒之间发生点接触实现预烧结。
七、烧结
传统粉末冶金压坯在烧结前一般已有90%以上的相对密度，完全致密化只需消除约10%的孔隙;粉末注射成形坯在脱脂后，烧结前只有60%的相对密度，其烧结本质是松装粉末烧结，难度大增。金属粉末注射成形产品烧结成功标准:在保证产品精度和性能具有可控性和重复性前提下，使其密度达到要求。
烧结中会发生较大收缩，虽然这种收缩是烧结的主要目的，但同时也导致变形。→烧结整形工序保证产品精度
◆控制加热速度可促进坯件致密化。
1）缓慢加热使在低温烧结阶段表面扩散占主导地位，消耗烧结驱动力却很难使坯件致密化。
2）快速加热到一定温度范围，在此温度范围内体扩散变得活跃，而且快速加热可控制晶粒长大，同时孔隙也在演化缩小。
◆烧结中产生液相以有助于坯件的致密化。
1）液相提高物质的传输速率，引起更快的烧结;
2）液相对颗粒施加毛细管力，等同一种大的外压;
3）预期的液相可通过一种组元熔化而形成。
◆烧结过程
1）最初阶段:烧结颈形成并长大;
2）中间阶段:烧结颈长大，形成晶界相连的孔隙网络;
3）最终阶段:孔隙几何外形变成圆柱状，只剩很少的小孔隙位于晶界上。
END
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