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金属粉末注射成型的发展史与技术

time:2020-04-28Views:386 Author:Best Seiko

金属粉末注射成型技术 (Metal Injection Molding,简称 MIM 是近 年来粉末冶金学科和工业中发展很迅猛的领域, 是现代先 进的塑料注 射成型技术和传统粉末冶金技术相结合而形成的一项新型粉末冶金 近净型成形技术。

一、 MIM 成型技术:

MIM 基本丁艺过程是:将微细的金属或陶瓷粉末与有机黏结剂均匀混 合成为具有流变性的物质, 采用先 进的注射机注入具有零件形状的模 腔形成坯件,新技术脱除黏结剂并经烧结,使其高 度质密成为制品, 需要时还可以进行后处理。 该技术不仅具有常规粉末冶金技术生产 效率高,产品一致性好,少切削或无切削,经济高效的优点,而且克 服 传统粉末冶金制品密度低,材质不均匀,力学性能低,不易成型 薄壁复杂件的缺点,特 别适合大批量、小型、复杂以及具有特 殊要求 的金属零部件的生产加工。

该工艺技术在 20世纪 8O 年代中期实现产业化以来, 已获得突飞猛进 的发展,注射成型的产品已遍 及计算机信息产业、汽车摩托车产业、 医疗卫生器械、家用电器、仪器仪表、机械制造、化工、纺织、国防 军工等领域。到目前为止,已有 20多个国 家和地区的几百家公司从 事该工艺技术的产品开发、 研制与销售工作, 粉末注射成型工艺技术 也因此成为新型制造业中开发很为活跃的前沿技术领域, 被誉为世界 粉末冶金领域中的开拓性技术,代表着粉末冶金技术发展的主方向。 该工艺的主要特点如下:

(1)可成型复杂结构的零件该工艺技术利用注射机注射成型产品毛 坯,保 证物料充分充满模具型腔,也就保 证了零件复杂结构的实现。 这一点是传统机械加工和常规粉末冶金工艺技术所无 法 比拟的, 是注 射成型工艺发展的坚强基础。

(2)注射成型制品尺寸精度高 , 注射成型工艺可直接成型薄壁、 复杂结 构件, 制品形状已能够达 到或接近产品要求, 产品不需进行二次 加工或只少罱精加工。零件尺寸公差一般保持在±0. 1%~±0. 3%左右。 特 别对于降低难于进行机械加工的硬质合金的加工成本, 减少 贵重 金属的加工损失具有重要意义。

(3)与传统粉末压制工艺相比注射成制品微观组织均匀,密度高,性 能好。

二、连续烧结设备的需要性:

随着 MIM 技术的规模产业化, 传统粉末冶金和注塑行业的通用生产设 备以及各种专 门的金属注射成型:工业生产设备已广泛应用于金属注 射成型的产业化生产中。 企业对产业生产效率和设备自动化, 加工连 续化程度及设备性能要求的提 高促 进了金属注射成型产业化进程。 MIM 产业的全 面发展更需通过生产设备来提 高企业的生产效率。正确 选择和掌握 MIM 生产过程中的各种设备, 可提 高 产品的质量、 产量以 及劳动生产率,加速产业化发展。

目前,混合工序主要采用传统的双行星混料机、单螺杆挤出机、活塞 挤压机、双螺杆挤出机、偏心轮混料器、 z 形叶轮混料器等,能够保 证混料的均匀性与高效率。 注射工序也可以借鉴传统的注射设备, 如 双回路注射成型机、双模板注射机、无拉杆注射机、全自动注射机、 电磁动态注射成型机等,都 能够较好地满 足充填的技术要求。

对于脱脂工序, 由于脱脂是相关行业中以前从 未涉及过的领域, 其原 理为:在保 证注射成型所得的零件不变形的前提下, 运用黏结剂中各 种成分随着温度的升高不断的发生物理、 化学变化的原理, 逐渐变为 气态或液态物质, 脱离开注射成型毛坯, 以达 到把黏结剂脱出的目的。 因而,该工序在整个 MIM 技术中的地 位得尤 其的特 殊和重要。

脱脂后的零件几乎没有任 何强度, 稍微有些振动都有可能使零件遭到 破坏。 同时考虑脱脂、 烧结阶段尽町能地减少零件重复加热造成的能 源浪费,考虑将传统的脱脂、烧结、热处理等单一工序集成为综合工 序,这样可以减少生产中不确定的因素,提 高成型零件质量,也大大 提 高了生产效率。

综合工序的提出, 便诞生了连续烧结设备的概念。 为了不使我国在激 烈的同际竞争中落败,并占据国际行业的领 先 地 位,积极地发展 MIM 技术是十 分需要的, 对传统的单一工艺进行集成与综合, 以形 成有 效的综合工艺,并尽快对综合上艺设备进行研发。

三、连续烧结设备及其控制技术:

大量的热脱脂研 究 表 明, 热脱脂的关键在于控制脱脂温度在低温阶段 (150~350% 慢速升温 (1~C/min , 不产牛变形或缺陷, 所以要求真 守脱脂炉具有良好的温度稳定性和均匀性。 真空热脱脂与气氛热脱脂 相比,真空压力低,有利于黏结剂的挥发及分解物的排,所以脱脂速 率大于常压下的气氛脱脂。 由于这一特点, 使得 MIM 脱脂与其他相关 工艺存在很大的差异,介绍市面上几种品牌的连续烧结设备。 各种烧结炉从操作方式上分有立式和卧式两种, 立式烧结炉存在的缺 点为容易在气氛存在的情况下温度上非 常不均匀; 卧式烧结炉存炉体 的曲端也存在温度与内部温度偏差现象, 这样使得烧结产品质节大打 折 扣。脱脂烧结一体炉有以下六部分组成,捕集系统、真空系统、充 气系统、外循环系统、电气控制部分和真空控制部分。其炉体采用夹 层水冷结构,炉胆由内向外分别由小锈钢波纹外隔热毡、锆毡、发热 体和耐 高 温不锈钢波纹内隔热屏组成。 内隔热屏可防 止脂类物质逸散 到炉体其他部位,同时便于清理。炉采用内封门,可有 效地阻止热量 的散失和脂类物质的逸散。 捕集系统由多级水冷碟片式捕集器、 除脂 罐、多级过滤器和起动阀组成。脂类物质可顺畅地白:接流入到除脂 罐内。 真空系统由两级真空系统组成, 旋片式真空泵和罗茨泵可根据 产品材料和脱脂要求的真空度选择使用。 充气系统可通过三个玻璃转 于流量计摔制, 实现宽流量调节。 外循环系统由密封的风机和热交换 器组成,可实现快 速冷却。 电气控制系统由炉温控制系统、真空控制 系统、充气控制、 冷却循环系统组成。通过热电偶测定实际温度并与 设定温度进行比较,改变电流及设备加热功率,实现温控,使得三个加热区同时升温,真空热脱脂通过在运行时不断地通入保护性气体, 使内外炉膛形成一个较小的压力差, 实现气体单向流动, 有 效地避免 了脂类物质污染发热体和内炉膛因温差过大而变形, 实现脱脂的目的 随着金属注射成型技术的不断发展, 其技术层面也越来越广, 其中德 国研制开发一种快 速催化脱脂技术。 该技术对脱脂炉的要求较高, 需 要专 门的耐酸性的脱脂设备, 设计炉子时要考虑环 保问题。 这种技术 脱脂后的零件毛坯件强度很低,极易损坏 (实际上任 何脱脂后的毛坯 件强度都 不高 ;并且在烧结前总会有黏结刺残留住毛坯件中。这种 情况下, 减少产品的中问环节对提 高 产品成品率起到了相当重要的作 用。

为了实现脱出黏结剂、 脱除剩余黏结剂和烧结工序之问的真正连续操 作, 德国开发了 MIM — MASTER 催化脱黏和烧结系统。 此系统包括催化 脱黏部分和连续烧结部分及其附属装置, 包括废气烧除、 气体对流干 燥装置、 旁路运输带、 注酸系统、 电气控制柜和全过程控制系统 (PIC。 连续催化脱脂部分设计为马弗式网带结构, 采用 Ni-Cr 加热元件。 金 属注射成型零件被放置到传送网带上,在预热带加热到一 定的温度, 这样,在通过脱黏结剂带时,酸就不会凝结在工件。通过脱黏结剂带 时,上件在载气 (一般为氮气 和催化剂 (常用硝 酸 作用下脱出黏结 剂。炉内气氛流动方向很重要,在预热带,气氛流动方向与工件运动 方向相同,直到进入废气烧除装嚣。在脱出黏结剂带,炉内气氛流动 方向与工件运动方向相反, 保 证已基本脱除黏结剂的零件能够遇到很高浓度的酸。此炉的烧除装置尺寸可小于相同生产率的批料炉,因为 废气足在整个脱除过程中期连续产生的,不会像批料炉那样,较大量 的废气在一 定的时期内产生,其烧除废气装置设计为两段式结构:第 一阶段通人燃料气如天然气等,与甲醛(废气成分之一共同作用,在 欠氧的情况下燃烧,还原氮的氧化物和残余的硝 酸;第 二 阶段,剩余 的甲醛和燃料气与过量的空气混合充分燃烧,生成二氧化碳和水。 金属注射成型零件经过脱脂炉后, 通过一条密封的横向传送带送入连 续烧结炉。零件在脱剩余的黏结剂和烧结过程中应避免振动,因此采 用特 殊设计的步进梁传送结构。烧结部分主要分为升温、烧结、冷却 三段。升温段担负脱剩余黏结剂与预烧的作用,采用 Ni-cr 线圈作为 加热元件,一般很高温度为 800℃。烧结带承担了主要的烧结作用, 加热元件为丝,很高温度可达 l600oC。金属粉末注射成型零件在惰 性或还原性气氛中进行烧结, 生产中产生的废气由一个位于人口段的 排气烟筒经燃烧后排出。冷却带设计为双层壁式水冷结构,冷却水流 速及冷却水温度均可以手动调节。 烧结质量虽然与各个工序都有关系, 但是主要的还是由温度的均匀 性和烧结工艺的稳定性决定的。所以,要求用于金属粉末注射成型的 烧结设备具有非 常好的温度均匀性,使得 MIM 产品达 到各向同性收 缩,从而减少烧结变形和提 高 产品精度;要求烧结炉密封性能好,漏 气率小,保 证所需温度和压力及气氛,从而实现烧结质密化;要求温 度准确,控制灵敏,可实现 MIM 产品稳定的批量化生产。并且,目前 国内生产的烧结炉主要问题是温度控制精度不高, 这样在生产过程中 难 以确定稳定的生产工艺。 德国生产的连续性烧结炉在控制精度上都 是走在同行业很前沿的,同样也存在着弊端,高 度自动化的设备要求 操作十 分规范.稍有差错就会耽误整个设备的运转,造成的损失也是 很大的。另外,脱脂烧结过程中产生的脂类废弃物质很容易依附在炉 内各元部件上,对设备的性能也会造成很大的影响。从整体上看该烧 结炉尽管也实现了脱脂、 烧结的综合, 但仍存在着温度控制不够灵活, 脱脂与烧结之间的预热段压力不稳等问题, 也没有考虑与后续热处理 进行综合的口行性。 综上所述,连续烧结设备的理想目标为:(1融合传统的单一工序, 实现脱脂、烧结、热处理等工序的综合。增加热处理功能段,在烧结 后对零件直接进行热处理,可以大大节省生产成本,降低生产周期, 同时更能保 证生产质量。(2实现脱脂区域和高温烧结区域温度及产 品在区域内停留时间等的灵活控制, 这样可以满 足有不同工艺要求的 各类产品生产需要,同时也可以改善因控制不灵活而耽误生产的状 况。(3提 高设备自动化控制与自调节 能力,提 高设备运行可 靠性, 降低操作人员劳动强度,提 高生产效率。

四、结论 :
通过对 MIM 成型工艺过程的分析以及粉未注射成型零件特点的分 析,应将传统脱脂、烧结乃至后处理等单一工序融合为综合工序的需要性,并给出了连续烧结设备的结构与控制模式。

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