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粉末注射成型:制造业的革命之举
2019年10月30日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:403
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将松散的粉体变为一个完整的工件有许多途径,其中有一种工艺被外媒尊称为“制造业的一场革命”,那就是粉末注射成型(PowderInjectionMolding,PIM)。尽管许多人可能并不是很了解这项技术的潜力,但事实上粉末注射成型已是一个全球性行业,年销售额超过20亿美元,并且增长率相当强劲。

作为一种以较低成本生产复杂零件的近净成形工艺,粉末注射成型综合了粉末冶金与注塑成形工艺,适用于金属、合金、陶瓷、复合材料等的零部件近净成形。根据粉末的分类,可以分为金属注射成形Metal Injection Molding,MIM)和陶瓷注射成形Ceramic Injection Molding,CIM)两种。

粉末注射成型示意图

如上图所示,粉末注射成形工艺流程包括:固体粉末与有机粘结剂均匀混合,经制粒后在加热状态下通过注射机注射成形,采用化学或热分解的方法将成形中的有机粘结剂脱除,经烧结后获得致密的产品。

金属注射成形

20世纪70年代,美国学者Wiech首先开发出一种对金属粉末进行注射成形的粉末冶金工艺,之后几十年间工艺迅速得到发展并成功产业化,并在制备金属与金属基复合材料部件方面体现出了巨大的成本优势。目前研究材料包括有难熔金属、钛合金、不锈钢、和金属间化合物等,其中难熔金属由于其高熔点而难于熔化和铸造,通常通过粉末冶金来成形,因此其应用局限于简单几何形状的零件。

航空航天部门一直被认为是MIM的一个重要潜在市场。虽然由于缺乏基本的流程理解和严格的验证需求,市场拓展的速度稍显缓慢,但各大研发机构的开发步履并没有停下来。比如说下图中的IN713LC高温合金定子叶片,它是由劳斯莱斯的Enrico Daenicke和Schunk Sintermetalltechnik GmbH公司开发的新一代高性能MIM部件,现在正在劳斯莱斯航空发动机中良好运行中。

从右到左依次为产品的成型、脱脂、烧结状态

陶瓷注射成形

陶瓷注射成形源于20世纪20年代的一种热压铸成形技术,成为当今国际上发展最快、应用最广的陶瓷成形技术,具有粉末注射成形的优点,在技术和工艺上具有很多优势,是现有陶瓷成形技术中高精度和高效率的成形方法之一。

与传统的干压成形技术相比,CIM具有以下优势:

①成形过程自动化程度高,可大批量生产形状复杂、尺寸精度高、体积小的陶瓷部件;

②成形的陶瓷生坯件结构密实,质量分布均匀,最终烧结后的性能也优于传统成形的产品;③CIM是一种近净尺寸成形工艺,生产出的产品具有极高的尺寸精度和表面光洁度,无需(或只需微量)后续加工,大幅降低生产成本,在传统成形工艺中,后期的尺寸精度加工占整个陶瓷制备成本的30%左右。

随着陶瓷注射技术的发展,其应用范围越来越广泛,如瑞士的陶瓷手表表壳采用陶瓷注射成形技术生产;日本采用陶瓷注射成形技术实现氧化锆光纤接头的产业化;美国也将陶瓷注射成形技术应用于氧化锆理发剪和氧化硅发动机零部件的生产上。国内清华大学在上世纪80年代采用陶瓷注射成形生产氧化锆、氧化铝、碳化硅等精密陶瓷产品,用于通信、汽车和医学等领域。

粉末微注射成形

粉末微注射成形技术最先由German提出,进而在全世界范围内先后开展研究。作为从粉末注射成形技术发展出来的一种工艺,基本工序上粉末微注射成形与常规粉末注射成形是相同的。一般来说,应用于传统粉末注射成形的材料也能应用于微注射成形,如316L、17-4PH、WC-Co、W、W-Cu、Cu和Al2O3等。相比于传统粉末注射成形技术,粉末微注射成形制造的零部件尺寸更小、表面光洁度更高,因此要求粉末更细(约1μm)。由于细小的粉末具有更高的比表面积,因此微注射成形的粉末在混料的时候需添加更多的粘结剂,其表面能更高,更容易氧化和污染。

微注射成形产品

近几年来,微注射成形技术在微型金属和陶瓷元器件成形的应用上取得了很大进展。尤其是此种技术在金属成形上的应用使微型部件获得了高强度、良好的耐腐蚀性、高温稳定性、优异的磁性能、耐磨性能。使用这种技术可以节约微型部件昂贵的组装成本。国外在粉末微注射成形方面已经取得了一定成果,如德国IFAM研究所主要研究应用于化工、流体、生物医疗等的微型注射成形产品,还包括用硬质合金粉末制造耐磨微型零件和模具以及两种或多种注射坯的共烧结、共连接等问题;Karlsruhe研究中心应用微注射成形制造齿轮、微型光具座等微型结构部件等。

结语

不过粉末注射成形技术也存在局限性,比如说虽然可以解决复杂形状的问题,但由于大量粘结剂的添加和脱除,使得粉末注射成形局限于小尺寸、低精度、力学性能不高的产品和材料体系,不太适用于力学性能要求高、对缺陷敏感的应用如陶瓷刀具和刃具等。此外,微粉末注射成形采用亚微米级粉末,粉末极易发生自燃,因此在处理过程中应避免氧化。总结起来就是,前景虽好,但还有要改进的地方呢。

资料参考:

陶瓷注射成形技术及其研究进展,胡鹏程。

粉末注射成形的成形原理与发展趋势,贺毅强,胡建斌,张奕,陈振华,乔斌。

金属粉末注射成形的原理与发展趋势,贺毅强,陈振华,陈志钢,乔斌。

pim-international.com

粉体圈 作者:河西


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