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粉末注射成型:制造業的革命之舉
2019-11-04 16:55:20   發布者:System

將松散的粉體變為一個完整的工件有許多途徑,其中有一種工藝被外媒尊稱為“制造業的一場革命”,那就是粉末注射成型(PowderInjectionMolding,PIM)。盡管許多人可能并不是很了解這項技術的潛力,但事實上粉末注射成型已是一個全球性行業,年銷售額超過20億美元,并且增長率相當強勁。

作為一種以較低成本生產復雜零件的近凈成形工藝,粉末注射成型綜合了粉末冶金與注塑成形工藝,適用于金屬、合金?陶瓷、復合材料等的零部件近凈成形。根據粉末的分類,可以分為金屬注射成形(MetalInjection Molding,MIM)和陶瓷注射成形(CeramicInjection Molding,CIM)兩種。

粉末注射成形工藝流程包括:固體粉末與有機粘結劑均勻混合,經制粒后在加熱狀態下通過注射機注射成形,采用化學或熱分解的方法將成形中的有機粘結劑脫除,經燒結后獲得致密的產品。

金屬注射成形

20世紀70年代,美國學者Wiech首先開發出一種對金屬粉末進行注射成形的粉末冶金工藝,之后幾十年間該工藝迅速得到發展并成功產業化,并在制備金屬與金屬基復合材料部件方面體現出了巨大的成本優勢。目前研究材料包括有難熔金屬、鈦合金、不銹鋼、和金屬間化合物等,其中難熔金屬由于其高熔點而難于熔化和鑄造,通常通過粉末冶金來成形,因此其應用局限于簡單幾何形狀的零件。

航空航天部門一直被認為是MIM的一個重要潛在市場。雖然由于缺乏基本的流程理解和嚴格的驗證需求,市場拓展的速度稍顯緩慢,但各大研發機構的開發步履并沒有停下來。比如說下圖中的IN713LC高溫合金定子葉片,它是由勞斯萊斯的EnricoDaenicke和SchunkSintermetalltechnik GmbH公司開發的新一代高性能MIM部件,現在正在勞斯萊斯航空發動機中良好運行中。

陶瓷注射成形

陶瓷注射成形源于20世紀20年代的一種熱壓鑄成形技術,成為當今國際上發展最快、應用最廣的陶瓷成形技術,具有粉末注射成形的優點,在技術和工藝上具有很多優勢,是現有陶瓷成形技術中高精度和高效率的成形方法之一。

與傳統的干壓成形技術相比,CIM具有以下優勢:

①成形過程自動化程度高,可大批量生產形狀復雜、尺寸精度高、體積小的陶瓷部件;

②成形的陶瓷生坯件結構密實,質量分布均勻,最終燒結后的性能也優于傳統成形的產品;③CIM是一種近凈尺寸成形工藝,生產出的產品具有極高的尺寸精度和表面光潔度,無需(或只需微量)后續加工,大幅降低生產成本,在傳統成形工藝中,后期的尺寸精度加工占整個陶瓷制備成本的30%左右。

隨著陶瓷注射技術的發展,其應用范圍越來越廣泛,如瑞士的陶瓷手表表殼采用陶瓷注射成形技術生產;日本采用陶瓷注射成形技術實現氧化鋯光纖接頭的產業化;美國也將陶瓷注射成形技術應用于氧化鋯理發剪和氧化硅發動機零部件的生產上。國內清華大學在上世紀80年代采用陶瓷注射成形生產氧化鋯、氧化鋁、碳化硅等精密陶瓷產品,用于通信、汽車和醫學等領域。

粉末微注射成形

粉末微注射成形技術最先由German提出,進而在全世界范圍內先后開展研究。作為從粉末注射成形技術發展出來的一種工藝,基本工序上粉末微注射成形與常規粉末注射成形是相同的。一般來說,應用于傳統粉末注射成形的材料也能應用于微注射成形,如316L、17-4PH、WC-Co、W、W-Cu、Cu和Al2O3等。相比于傳統粉末注射成形技術,粉末微注射成形制造的零部件尺寸更小、表面光潔度更高,因此要求粉末更細(約1μm)。由于細小的粉末具有更高的比表面積,因此微注射成形的粉末在混料的時候需添加更多的粘結劑,其表面能更高,更容易氧化和污染。

近幾年來,微注射成形技術在微型金屬和陶瓷元器件成形的應用上取得了很大進展。尤其是此種技術在金屬成形上的應用使微型部件獲得了高強度、良好的耐腐蝕性、高溫穩定性、優異的磁性能、耐磨性能。使用這種技術可以節約微型部件昂貴的組裝成本。國外在粉末微注射成形方面已經取得了一定成果,如德國IFAM研究所主要研究應用于化工、流體、生物醫療等的微型注射成形產品,還包括用硬質合金粉末制造耐磨微型零件和模具以及兩種或多種注射坯的共燒結、共連接等問題;Karlsruhe研究中心應用微注射成形制造齒輪、微型光具座等微型結構部件等。

結語

不過粉末注射成形技術也存在局限性,比如說雖然可以解決復雜形狀的問題,但由于大量粘結劑的添加和脫除,使得粉末注射成形局限于小尺寸、低精度、力學性能不高的產品和材料體系,不太適用于力學性能要求高、對缺陷敏感的應用如陶瓷*具和刃具等。此外,微粉末注射成形采用亞微米級粉末,粉末極易發生自燃,因此在處理過程中應避免氧化。總結起來就是,前景雖好,但還有要改進的地方呢。


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