金属注射成形技术在汽车领域的应用

好人

金属注射成形（Metal Powder Injection Molding,简称MIM）是传统粉末冶金技术和塑料注射成形技术相结合的一种高新技术。MIM始于20世纪70年代末，过去由于缺少合适的粉末及原料价格太高、知识平台不完善、技术不成熟、人们了解和市场接受时间不长、生产（包括模具制造）周期太长、投资不够等原因，其发展和应用较为缓慢。为解决MIM技术的难点，促进MIM技术实用化，80年代中期美国制定了一个高级粉末加工计划，研究内容涵括了与注射成形有关的18个课题。随后日本、德国等也积极开展MIM的开发研究。随着MIM研究的不断深入以及新型粘结剂的开发、制粉技术和脱脂工艺的不断进步，到90年代初已实现产业化。经过20多年的努力，目前MIM已成为国际粉末冶金领域发展迅速、最有前途的一种新型近净成形技术，被誉为“国际最热门的金属零部件成形技术”之一。
      目前，各国汽车工业之间的竞争日趋激烈，在激烈的竞争中获胜的前提条件是利用低成本的技术生产出高质量的产品，这就对汽车工业中的近净成形加工生产提出了更高的要求。金属粉末注射成形(MIM)技术的发展极大地促进了汽车工业的发展。
       发达国家汽车工业中的金属粉末注射成形技术日趋成熟，产品数量不断增加，产品形状也越来越复杂。而我国汽车工业中的金属粉末注射成形等近净成形技术还比较落后，因此应该在金属粉末注射成形的理论和工艺两方面开展深入的研究。
       MIM技术由于采用大量的粘结剂作为增强流动的手段，所以可以像塑料工业一样任意成形各种复杂的金属零件，这是传统粉末冶金模压工艺所不能达到的。而且由于注射成形是一种近净成形工艺，基本上不需要后续加工，使得零件制造成本大大降低，以前需几十道机加工序的零件可以一次成形获得。另外，由于注射成形时流动充填模腔的均匀性，使得MIM产品各处密度均匀，避免了PM模压工艺中不可避免的密度不均匀性。且由于采用细粉，产品烧结后可达到很高的密度，因而MIM产品的力学性能优于模压和精密铸造产品。目前，MIM技术在汽车工业中主要用于汽车供油系统的喷油嘴、安全带配件、汽车座椅电动调节装置配件、安全气囊传感装置配件及汽车内饰零件的生产上。
汽车制造业是MIM 零件的最大用户，约占MIM零件总销售额的6o％以 根据对美国金属市场统计，1990年美国每辆轿车用MIM零件10．9 kg，1999年用l5．9 kg．增加了46％ 用M1M技术生产汽车零件的材料通常是Fe一2Ni、Fe-0．4C一1cr一0．75Mn一0．2Mo Fe一0 2C_0．5Cr一0．6Mn一0 5Ni等低合金钢，也用少量不锈钢。
        20世纪90年代以来，粉末注射成形产品的全球销售量一直以30％以上的年增长率发展。在2000年，全世界粉末注射成形产品的全球销售量估计超过7亿美元，2003年超过10亿美元，到2008年全球MIM产品销售量预测将达到20亿美元。随着汽车工业的持续发展，MIM技术在汽车工业中的应用也逐年稳步增长，MIM汽车产品约占市场的l0％。
     轻量化、智能化、节能、安全和环保是当今汽车技术的重要发展方向。轻量化材料技术与汽车产品设计、制造工艺的结合将更为密切，汽车车身结构材料将趋向多材料设计方向。材料的制备、成形与加工技术是制备高质量、低成本产品的关键。粉末注射成形技术不仅保持了粉末冶金技术的优点，而且还可越大，易于成形和烧结。可以直接制造出接近或具有最终形状和尺寸的零部件，是一种典型的集材料设计、制备、成形与加工于一体的新技术。采用MIM技术，可以将以前的细小复杂的汽车部件设计为一个整体，一次整体成形，使汽车零部件达到微型化、功能集成化、轻量化、低成本化。如可成形各种外部切槽、外螺纹、锥形外表面、交叉孔、盲孔、凹槽与键销、加强筋板、面滚花等。正是这种独特的复合特点使粉末注射成形技术具有极强的竞争力，因此在世界范围内发展十分迅速。例如，日本Nippon Piston Ring公司采用MIM技术批量生产调速阀摇臂；美国Injectamax公司采用MIM技术已批量生产美洲豹汽车上巡航控制机构FeNi合金传感器；美国AFT公司从1998年来已批量生产了3千万件合格的汽车燃油喷射阀盘形件，并且最近又与汽车厂家签了3年的供应合同供应6千万件MIM 超耐热合金涡轮增压器叶片。
      MIM技术的应用对产品的高质量化、小型化、功能集成化、轻量化特别是低成本化等方面起到了重大作用，在汽车工业将得到巨大的发展。我国在这方面才刚刚起步，其市场前景十分广阔。

3、 MIM工艺和技术特点
（1）工艺和特点
     MIM的基本工艺首先是选择符合MIM要求和金属粉末和粘结剂，然后在一定温度下采用适当的方法将粉末和粘结剂混炼成均匀的注射成形喂料，经制粒后在注射成形机上注射成形，获得的成形坯经脱脂处理后烧结致密化最终产品。MIM工艺包括产品设计、模具设计、质量检测、混炼、注射、脱脂、烧结、二次加工等8个重要环节。
      MIM结合了粉末冶金和塑料注射成形2种技术的优点，突破了传统金属粉末模压成形工艺在产品形状上的限制。MIM利用金属粉末技术特点能烧结出致密、具良好机械性能及表面质量的机械零件。同时，利用塑料注射成形技术能大批量、高效率地生产形状复杂的零件。利用优于常规的粉末冶金、精密铸造等工艺。MIM的优势主要表现在如下几个方面：1）可以生产开头十分复杂的零件；2）烧结的密度化程度高，怕能可与锻造材料相比；3）可最大限度地制得最终形状的零件而无须后续机加工或只需少量的机加工；4）材料利用率高，适合大批量生产；5）设备投资较小，并能自动控制整个工艺，生产效率高。
（2）粉末和材料
      粉末的种类、特点和选用对MIM制品的性能及其应用范围的拓展起着十分重要的作用。MIM要求粉末粒度为微米级以下，形状近球形。此外对粉末的松装密度、摇实密度、粉末长径比、自然坡度角、粒度分布也有一定的要求。目前生产MIM用粉末的主要方法有：水雾化法、气体雾化法、羰基法。每种方法各有其优缺点：水雾化法是主要的制粉工艺，其效率高、大规模生产比较经济，可使粉末细微化，但形状不规则，这有利于保形，但所用粘结剂较多，影响精度。此外，水与金属高温反应形成的氧化膜妨碍烧结。气体雾化法是生产MIM用粉的主要方法，它生产的粉末为球形，氧化程度低，所需粘结剂少，成形性好，但极细粉收率低，价格高，保形性差，且粘结剂中的C，N，H，O对烧结体有影响。羰基法生产的粉末纯度高、开头稳定、粒度极细，它最适合于MIM，但仅限于Fe,Ni等粉体，不能满足品种的要求。为了满足MIM用粉的要求，许多制粉公司对上述方法进行了改进，还发展了微雾化、层流雾化等制粉方法。先用粉末要从MIM技术、产品形状、性能、价格等多方面综合考虑，现在通常是水雾化粉和气雾化粉混合使用，前者提高振实密度后者维持保形性。目前采用水雾化粉也可生产相对宙度大于99%的烧结体，因此较大型零件只使用水雾化粉，较小型零件使用雾化粉。为降低粉末价格，有些公司已转向生产粗颗粒和宽粒径分布的粉末。开发利用较粗的复合粉、合金粉是MIM工工一个发展方向。
随着科学技术的进步，各行各业对材料的要求也越来越高，每一种材料和粉末都对MIM技术提出了新的挑战。常用的MIM材料体系包括：低合金钢（Fe-2Ni,Fe-8Ni），不锈钢（304L，316L，317L，410L，430L，434L，440A，440C，17-4PH）、工具钢（CrMo4,MZ）、硬质合金（WC-6Co）、重合金（W-Ni-Fe,W-Ni-Cu,W-Cu）、高强度钢、Ti及Ti合金（TiAl,Ti-6Al-4V,TiMo）、磁性材料（Nd-Fe-B,NiCuZn,Fe-50Ni/Co,SmCo5,FeSi）、高温合金、难熔合金等。目前已开发出一系列新的合金材料体系，如Fe-Al-Si、无Ni奥氏体不锈钢、SiN陶瓷甚至超合金等，目前正向陶瓷粉末注射成形方向发展，ZrO2,Si3N4,AlN,Al2O3等都能利用注射成形技术生产开头复杂、产品精度高的产品。虽然MIM方法能制出许多不同材料和形状的产品，但它仍是一种小型零件的制备方法，一般产品的厚度在1/2英寸以下，质量在300g以下。尤其是硬质合金的注射成形和钛合金等更难制造出较大的零件，通过对MIM工艺的优化来加大MIM产品的尺寸仍然是当今MIM工艺的一个发展方向。
（3）粘结剂和混炼
      在MIM中，粘结剂起着十分重要的作用，它直接影响着混合、注射成形、脱脂等工序，对注射成形坯的质量、脱脂及尺寸精度、合金成分等有很大的影响。粘结剂是MIM技术的灵魂，其加入和脱除是MIM的关键技术，粘结剂体系所采用的脱脂工艺是国内外重点研究的课题。MIM所使用的粘结剂包括热塑性体系、热固性体系、水溶性体系、凝胶体系及特殊体系，它们各有其优缺点。热塑性粘结剂体系是MIM粘结剂的主流和先导，人们围绕改善喂粒流变性能、减少脱脂变形及缩短脱脂时间等进行了大量的研究，开发出了一些包括聚缩醛粘结剂的特殊体系，使热塑性粘结剂体系有了进一步的发展。但是粘结剂的研究和开发缺乏与粉末的亲和性能、粉末与粘结剂的混合、粘结剂和喂料在各种条件下的流变性能及热力学性能、粘结剂对脱脂及产品性能的影响等，为粘结剂的选择提供普适性原则和理论基础，无疑具有十分积极的意义。开发新型高效的粘结剂体系，也是MIM技术需要重点研究的内容之一。
       混炼是一个复杂的改善粉末流动性和完成分散的过程。常用的混炼装置有双螺杆挤出机、Z形叶轮混料机、双行星混炼机等，目前正在发展连续混炼工艺。混炼时的加料速率、混炼温度、转速等都会影响混炼的效果。混炼工艺步骤目前一直停留在依靠经验的水平上，最终评价混炼工艺好坏的一个重要指标是所得喂料的均匀性和一致性程度。尽管喂料的质量测试方法、喂料的设计原理都已建立，并且用MIM技术已生产出较大尺寸的产品，也出现了新的专门的喂料供应商，但是混炼技术缺少工艺模型、效率低。今后应更多地研究如何建立起喂料的状态方程，并将其和注射充模模拟起来，并继续研究压力-密度-温度-剪切速率-粘度的关系。

（4）注射成形
       注射成形关键问题之一是有关成形的各项设计，其中包括产品设计、模具设计。尽管目前生产的产品可从0.003g到17g，而且在改进精度方面已取得了重要进步，然而大多数设计特别是模具设计是凭经验，缺少可靠的设计知识，CAD系统难以很好地应用于MIM。现已运用塑料模具的原理逐步将MIM的模具标准化，随着经验的积累，模具设计和制作的时间将会大大减少，尽可能多地使用多模腔模具以提高注射效率。MIM目前无需使用特殊的注射机，只将普通的注射机稍加以改进即可。对于许多产品的注射成形现已实现自动化，但是目前超小型零件的注射成形仍然存在问题。
注射成形的目的是获得所需形状的无缺陷成形坯，注射缺陷在后续工艺中不可消除，因此这个步骤要严格控制。注射产生缺陷的原因已查明，采用超声检测技术可检测出注射成形坯的内部缺陷。注射阶段的缺陷控制目前主要还是凭经验操作。随着科学技术的进步，采用计算机模拟喂料的注射充模过程，并将其和喂料性能等相联系，优化注射条件参数，消除注射缺陷是目前先进的实验手段，也是未来的发展趋势。

（5） 脱脂和烧结
      目前流行的MIM工艺，其独特之处是粘结剂体系和脱脂技术。粘结剂的脱除最费时、最难控制，是MIM中最困难和最重要的环节，脱脂一直是阻碍MIM技术发展的难题。一般粘结剂占成形坯体积的40%以上，在脱脂过稆成形坯极易出现宏观和微观缺陷，脱脂工艺对于保证产品质量极为重要。常用的脱脂方法有热脱脂、溶剂脱脂、虹吸脱脂及超临界流体萃取等，每种税脂方法各有其优缺点，具体选用何种脱脂方法要根据粘结剂组成和粉料的化学性质而定。具有代表性制造种脱脂工艺是Wiech(Ⅰ)法、Wiech(Ⅱ)法、Wiech(Ⅲ)法。Injectamax法是一种两面三刀步法脱脂工艺，是目前广泛使用的脱脂方法。水溶解法的最大优点是可以用普通溶剂来选择性地萃取SPS（固态聚合物溶液）中的低分子物质，克服了使用有机溶剂的缺点。为了克服有机溶剂脱脂带来的环保问题人们还开发了超临界流体萃取脱脂工艺。Metamold法是20世纪90年代初开发的一种催化脱脂方法，它综合了热脱脂和溶剂脱脂的优点，是目前最先进的脱脂的方法。以上脱脂方法各有不足，需要开发更加先进的脱脂工艺，使脱脂时间进一步缩短并减肥少脱脂缺陷，以降低成本。
     烧结是MIM工艺中最后一道工序，它起到使产品致密和化学性质均匀，提高其机械、物理性能的作用。虽然MIM的烧结方法、原理与传统粉末冶金一样，但是由于金属粉末注射成形中采用了大量的粘结剂，烧结时收缩非常大，线收缩率一般达到12%—18%，这样就存在一个变形控制和尺寸控制的问题，尤其是因为MIM产品大多数是开头复杂的异形件，这个问题就显得更加突出。现在有的产品尺寸精度可达0.2%，有效地控制工艺过程可使MIM产品的尺寸精度进一步提高。为了扩大MIM的应用领域，对MIM烧结做了许多研究以提高产品的性能和尺寸精度。产品性能和尺寸精度是MIM的最终控制指标，尺寸精度的高低与原料、混炼、注射、脱脂、烧结等都有密切的关系，烧结条件如温度、气氛、升温速度等影响产吕精度，对于某些材质的产品，烧结还有一个碳热控制问题。现在人们已将注意力转向加热过程中的气体反应，特别是残留聚合物和粉末杂质反应，滞后的反应引起气体填充在孔隙中影响产品的致密化问题。连续烧结已转达向N2气氛以降低成本。由于目前细粉末的价格较高，研究粗粉末坯块的强化烧结技术是降低粉末注射成形生产成本的重要途径之一。