粉末粒径对MIM小模数齿轮质量性能的影响研究

2023年第47卷第12期
Journal of Mechanical Transmission
粉末粒径对MIM小模数齿轮质量性能的影响研究
钟志丞1,3潘春荣1林玲2任继华2,3
（1 江西理工大学机电工程学院，江西赣州341000）
（2 赣南科技学院智能制造与汽车工程学院，江西赣州341000）
（3 江苏精研科技股份有限公司，江苏常州213023）
摘要采用金属粉末注射成形（Metal powder Injection Molding，MIM）工艺研制小模数齿轮，为改
善齿轮烧结件的质量性能，采用不同粒径的粉末进行制备；采用熔体流速测定仪、孔隙率测定软件、2.5次元影像测量仪和显微维氏硬度计等分析齿轮的烧结性能，研究了粉末粒径对齿轮表面质量、孔隙率和收缩率的影响机制。

结果表明，5.0 µm粉末制备的齿轮，粉末流动性能差，烧结后粉末浓
度分布不均匀，表面存在黑线，并且尺寸收缩不均匀，影响尺寸精度；9.0 µm粉末制备的齿轮，烧
结颈形成能力差，扩散机制进程滞缓，导致烧结后孔隙率高，孔隙尺寸大；采用7.0 µm粉末制备齿
轮时，齿轮的质量性能最好，齿轮不存在表面缺陷，孔隙率降至2.9 %，维氏硬度值达到355，收缩
率均匀性高，尺寸精度高，所检项目精度等级在GB 2363—1990标准下均高于7级。

关键词金属粉末注射成形粉末粒径表面质量孔隙率收缩率
Research on Effect of Powder Particle Size on Quality Performance of MIM
Small Module Gears
Zhong Zhicheng1,3Pan Chunrong1Lin Ling2 Ren Jihua2,3
(1 School of Mechanical and Electrical Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China)
(2 School of Intelligent Manufacturing and Automotive Engineering, Gannan University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China）
(3 Jiangsu Gian Technology Co., Ltd., Changzhou 213023, China)
Abstract When using the process of metal powder injection molding (MIM) to prepare small module gears, in order to improve the quality and performance of the sintered parts of the gear, powder with different particle sizes is prepared. The sintering performance of the gear is analyzed by the melt flow meter, the porosity measurement software, the 2.5-dimensional image measuring instrument and the micro-Vickers hardness tester. The influence mechanism of particle sizes on the surface quality, porosity and shrinkage of gears is studied. The results show that due to the poor powder flow performance of the gear made of 5.0 µm powder, the powder concentration distribution is not uniform after sintering, there are black lines on the surface, and the dimensional shrinkage is not uniform, which affect the dimensional accuracy. Due to the poor sintering neck formation ability and slow diffusion process of the gear made of 9.0 µm powder, the porosity after sintering is high and the pore size is large. When the 7.0 µm powder is used to prepare the gear, the quality performance of the gear is the best. The gear has no surface defects, the porosity is reduced to 2.9%, the Vickers hardness value reaches 355, the shrinkage uniformity is high, the dimensional accuracy is high, and the accuracy of thetested items are better than class 7 according to the national standard GB 2363—1990.
Key words Metal powder injection molding（MIM）Powder particle size Surface quality Porosity Shrinkage
0 引言
作为精密减速器最基本的传动部件，小模数齿轮广泛应用于航空航天、机械传动等领域[1]，其质量优劣直接影响减速器的传动性能。

表面质量、孔隙
文章编号：1004-2539（2023）12-0146-07DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2023.12.021 146
第12期钟志丞，等：粉末粒径对MIM小模数齿轮质量性能的影响研究
率和尺寸精度是表征小模数齿轮质量性能的重要指标，反映了小模数齿轮的传动平稳性[2]。

航空航天、机械传动等领域的快速进步，对高性能小模数齿轮的加工制造提出了更高的技术要求。

但常规的加工工艺无法兼顾低成本和高性能的要求，严重制约小模数齿轮的产业化发展。

为了解决高性能小模数齿轮产量低、成本高，无法满足航空航天、机械传动等领域的重大需求问题，迫切地需要寻找到一种低成本、高效率的加工工艺，提高齿轮的质量性能，保证传动的平稳性，降低传动时振动和噪声带来的不良影响[3]。

金属粉末注射成形（Metal powder Injection Mold⁃ing，MIM）是一种净成形加工工艺[4]，既发挥了粉末冶金零件高强度高密度的优势，又具备注射成形零件大批量高效率的特长，适合生产尺寸小、精度高的产品[5]，在高性能小模数齿轮加工领域占据绝对优势。

在MIM工艺流程中，首先，将粉末和黏结剂均匀混合制成喂料；再加热喂料至熔融状态；然后，通过注射设备将喂料注入模腔中成形；最后，通过脱脂和烧结两道工序，即可加工成形小模数齿轮[6]。

由于小模数齿轮的尺寸特性，必须采用平均粒径低于20 µm的超细粉末制备。

超细粉末的自身属性，如流动性、表面能等，直接决定齿轮烧结后的质量性能[7]。

因此，国内外学者针对粉末粒径对质量性能的影响进行了广泛研究。

Chen等[8]基于黏塑性本构模型研究了不同粉末粒径下烧结品的质量性能；结果表明，随着粉末粒径的减小，收缩率、相对密度和烧结应力增大；建议采用合适的中等粒径粉末制备产品，既能提高相对密度，又能降低成本。

Mamen等[9]基于连续介质力学对烧结过程进行了数值模拟，深入研究了粉末粒径对烧结性能的影响；结果表明，粉末粒径越小，烧结应力、烧结活化能和致密化程度越高；在需要控制烧结温度的场合，需要采用粒径小的粉末制备产品。

Okubo等[10]通过控制粉末粒度，降低收缩率离散分布，提高收缩均匀性，将产品尺寸控制在预定范围，从而提高了尺寸精度。

在MIM烧结成形领域，粉末粒径对齿轮的质量性能影响尤为重要[11]。

本文通过分析不同粉末粒径下齿轮的表面质量、孔隙率和收缩率，选择表面质量更高、孔隙率更低、收缩率更加可控的粉末制备小模数齿轮，综合对比优化粒径，以提高齿轮的质量性能。

1 实验
1.1　基体材料
420不锈钢作为马氏体不锈钢的一种，具有强度高、硬度高、耐磨性好的优点，适用于精密零件的注射成形[12]。

因此，采用420不锈钢粉末作为齿轮基体材料，采用超细粉末制备小模数齿轮。

为了研究不同粒径下齿轮的质量性能，对比3种粉末烧结后齿轮的表面质量、孔隙率和收缩率。

粉末的平均粒径D50分别为5.0、7.0、9.0 µm，粒度分布如表1所示。

粉末采用水雾化方法制备而成，整体轮廓呈球形。

球形粉末黏度低，流动能力强，注射阶段成形性较为可靠。

粉末轮廓如图1所示。

1.2　注射和脱脂烧结工艺
将粉末和黏结剂均匀混合制成喂料，通过海天注射机将喂料以注射压力110 MPa、注射温度95 ℃注入齿轮模腔中，形成注射件；将注射件放入烧结
表1　粉末粒度分布
Tab. 1　Powder size distribution
粉末种类
420-1
420-2
420-3
D10/µm
2.0
2.9
2.8
D50/µm
5.0
7.0
9.0
D90/µm
10.4
16.8
23.
6
（a）5.0 µm
粉末
（b）7.0 µm
粉末
（c）9.0 µm粉末
图1　不同粒径粉末的扫描电子显微镜图Fig. 1　Scanning electron microscope images of powders with different
particle sizes
147
第47
卷
炉中，采用真空烧结方式进行烧结。

第一阶段为预烧结，升温速度为6 ℃/min ，达到稍高于黏结剂热分解区间的600 ℃后保温60 min ，目的是脱除剩余黏结剂；第二阶段为正式烧结，以6 ℃/min 的速度持续升高，达到烧结温度1 355 ℃后保温240 min 。

1.3　检测方法
采用熔体流速测定仪测量粉末的流动性，流动时间为10 min ，采用精密天平对流动粉末进行称重。

基于图像分析原理，采用Image J 软件统计各齿轮内部的孔隙率。

采用显微维氏硬度计进行硬度测量。

采用2.5次元影像测量仪测量齿顶圆、齿根圆、内孔圆烧结前后尺寸，收缩率的计算式为
η=l 0-l 1
l 0×100%
（1）
式中，η为收缩率；l 0为烧结前尺寸；l 1为烧结后
尺寸。

2 结果和讨论
2.1　粉末粒径对齿轮表面质量的影响
图2所示为不同粒径粉末烧结后齿轮的表面质量。

由图2可知，5.0 µm 粉末烧结成形的齿轮，在轮毂和齿根连接处存在表面黑线；7.0 µm 和9.0 µm 粉末制备的齿轮，表观状态良好，不存在表面缺陷。

当粉末粒径较小时，齿轮存在表面缺陷，分析认为，是注射过程中粉末流动性能差导致齿轮内部产生粉末浓度分布不均匀的现象，使光线入射后被困在粉末缝隙中无法反射，从而产生表面黑线。

采用熔体流速测定仪对不同粒径的粉末进行熔体流动速率（Melt Flow Rate ，MFR ）测量，测量熔体每10 min 流动的质量，结果如图3所示。

由图3可知，在粉末装载量均为64%的条件下，9.0 µm 粉末的MFR 为1 412 g/10 min ，7.0 µm 粉末的MFR 为1 291 g/10 min ，5.0 µm 粉末的MFR 为1 102 g/10 min 。

MFR 随着粉末粒径的减小而减小，表明粉末的粒径越小，流动能
力越差。

其原因主要有2个：①粉末粒径的减小导致颗粒数量增多，粉末之间的接触点增多，摩擦效应大幅增加，从而会阻碍粉末流动[13]；②在相互黏附力的作用下，小粒径粉末容易形成团聚现象，使粉末块呈不规则形状，流动性能明显低于球形粉末[14]。

粉末在摩擦效应和团聚现象的综合作用下最终造成流动能力大幅降低。

由侯成龙等[15]的研究可知，粉末的流动性能会影响注射阶段的充模过程。

在MIM 注射阶段，粉末-黏结剂喂料处于高温熔融状态，熔道处于相对低温状态。

在粉末充模过程中，喂料与熔道接触时，由于温差，会在熔融体前端产生黏度较高的前沿膜。

前沿膜的存在会阻碍金属粉末的充模进程，流动能
力强的粉末能够冲破前沿膜，保持粉末在系统中的均匀分布性；而流动能力差的粉末则会在前沿膜的阻碍作用下，产生高剪切速率梯度，导致金属粉末发生局部旋转，被回推向近壁面区域；黏结剂则继续在熔道内快速流动充填模腔。

因此，流动能力差的粉末易与黏结剂发生两相分离现象，进而导致粉末在注射坯中浓度分布不均匀，如图4所示。

烧结阶段无法修复注射阶段产生的缺陷，导致烧结后齿轮内部粉末浓度分布不均匀。

由Lin 等[16]的研究可知，在光线照射齿轮表面时，不同的粉末浓度会产生不同的效果。

粉末浓度
分布高的区域，表面粗糙度相对较低，在光线照射
（a ）5.0 µm 粉末齿轮 （b ）7.0 µm
粉末齿轮
（c ）9.0 µm 粉末齿轮
图2　不同粒径粉末烧结后齿轮的表面质量Fig. 2　Surface quality of gears after sintering of powders
with different particle sizes
图3　粉末粒径对MFR 的影响Fig. 3　Influence of powder sizes on MFR
148
第12期钟志丞，等：粉末粒径对MIM 小模数齿轮质量性能的影响研究
其表面后，会被表面反射，使该区域比较明亮；而粉末浓度分布低的区域，表面粗糙度相对较高，在光线照射后，会被困在粉末间的孔隙中，导致入射光无法被反射，产生表面黑线，严重影响齿轮的表面质量，如图5所示。

综上所述，粉末粒径严重影响粉末的流动性能。

采用小粒径粉末制备的喂料在注射充模过程中存在两相分离现象，使齿轮内部粉末浓度分布不均匀，光线无法反射，导致烧结后齿轮表面存在黑线。

因此，为了提高表面质量，需要选择粒径较大的粉末。

2.2　粉末粒径对齿轮内部孔隙的影响2.2.1　粉末粒径对齿轮孔隙率的影响
首先，确定孔隙率的检测范围，选择主要工作
部位轮齿进行孔隙率检测；然后，采用砂纸打磨齿轮；再在抛光机上进行抛光，直至齿轮不存在表面划痕；最后，通过Image J 软件定量分析孔隙率，分析结果如图6所示。

由图6可知，5.0 µm 粉末孔隙率为2.8%，7.0 µm 粉末孔隙率为2.9%，9.0 µm 粉末孔隙率为3.0%。

随着粉末粒径的增大，孔隙率逐渐升高；相比之下，9.0 µm 粉末孔隙尺寸明显大于5.0、7.0 µm 粉末，分析认为，其原因是大粒径粉末烧结颈形成能力弱。

烧结过程是一个填充粉末孔隙、促进孔隙收缩、提高齿轮致密化程度的过程。

在烧结初期，温度升
高，粉末在热能的作用下表面能降低，为烧结提供驱动力，在粉末相互接触的区域形成烧结颈。

在烧结中期，原子通过扩散机制从粉末表面扩散到烧结颈，烧结颈迅速生长，此阶段是烧结颈生长最快的阶段，也是收缩最快的阶段。

在烧结颈持续生长的作用下，大量孔隙被填充。

在烧结后期，烧结颈停止生长，收缩致密化进程接近尾声，孔隙基本不再收缩[17]。

基于烧结机制角度分析，烧结颈的形成机制是促进孔隙收缩、加快致密化进程的重要因素，烧结颈的形成能力影响齿轮的孔隙率。

选择粒径分别为5.0、7.0、9.0 µm 的粉末，研究粒径和烧结颈形成能力的关系。

设烧结颈直径为d ，粉末粒径为D ，采用d /D 表征烧结颈的形成能力；d /D 越大，表明烧结颈形成能力越强。

检测结果如图7所示。

由图7可知，烧结过程中，小粒径粉末的烧结颈形成速度高于大粒径粉末。

粒径小的粉末表面曲率
更大，表面能更高，烧结颈的驱动力更强，烧结颈
图5　粉末浓度不均匀时光照的不同现象
Fig. 5　Different phenomena of illumination when the powder
concentration is not uniform
（a ）5.0 µm
粉末齿轮的孔隙率
（b ）7.0 µm
粉末齿轮的孔隙率
（c ）9.0 µm 粉末齿轮的孔隙率图6　不同粒径粉末烧结后齿轮的孔隙率
Fig. 6　Porosity ratio of gears after sintering of powders with
different particle sizes
图4　注射阶段的充模过程
Fig. 4　Mold filling process at the injection stage
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形成速度更快，小粒径粉末孔隙率更低[18]。

当烧结进行到后期时，大粒径粉末的d /D 增长到0.73就停止生长，导致烧结过程中孔隙填充不彻底；并且由于曲率小、表面能低，原子无法冲破能量壁垒进行扩散。

因此，孔隙在一定时间后停止收缩，
孔隙尺寸难以缩减，造成更大的孔隙尺寸。

2.2.2　粉末粒径对内部孔隙分布的影响
由图6可知，粉末粒径为5.0 µm 和7.0 µm 齿轮的孔隙大部分集中在中心区域，靠近边缘区域的孔隙较少，边缘形成了一层致密化层，这与孔隙的形成过程有关。

在烧结阶段，黏结剂受热分解产生气体，大部分气体通过相互连接的孔隙成功排出，少部分气体滞留在样品内部形成气泡，在烧结阶段终止时形成孔隙。

烧结的热传递是一个从外向内的过程，烧结过程中，齿轮的表面粉末先熔化，与周围粉末实现冶金结合，表面形成一层致密化层。

而气体的挥发是一个从内向外的过程，表面形成的致密化层会影响气体的排出，气体滞留于齿轮中心部分，阻碍中心区域粉末颗粒的结合，在烧结完成后形成孔隙。

因此，孔隙更多地集中在齿轮中心区域。

要降低轮齿芯部的孔隙率，可以采取降低升温速度的方法。

减缓升温速度，延缓齿轮表面的致密化进程，促使气体排出得更加充分，从而减少齿轮内部的孔隙。

2.2.3　粉末粒径对齿轮硬度的影响
采用显微维氏硬度计对不同粒径的齿轮进行维
氏硬度测量。

采用136°的方形金刚石锥作为压头，对齿轮表面施加1 000 gf （1 gf=9.806 65×10-3 N ）的力值，保荷时间持续10 s ，根据金刚石压头下压的横
截面积计算硬度。

硬度测试结果如图8所示。

由图8可知，5.0、7.0、9.0 µm 的粉末齿轮硬度分别为357、355、350。

随着粒径的增大，齿轮硬度逐渐降低。

其原因是粒径大的粉末孔隙率高，对齿轮内部结构破坏得更加严重。

孔隙率是影响齿轮力学性能的关键因素，硬度是力学性能的重要表征。

孔隙率高的齿轮内部缺陷多，受力时孔隙周围区域出现应力集中效应，导致孔隙周围的应力增大，使齿轮的强度和硬度降低；同时，孔隙还会降低材料的韧性和断裂韧性，使齿轮更容易发生脆性破坏。

在硬度测试过程中，方形金刚石锥压入高孔隙率的齿轮表面，易导致齿轮表面发生塑性变形，从而减小金刚石锥的压痕硬度值。

相比之下，孔隙率较低的齿轮表面由于较少的孔隙，可以提供更均匀的硬度测试区域，硬度值相对较高。

经过学者的大量研究，普遍认为硬度和孔隙率的关系为
H d =H 0exp （-bP ）
（2）
式中，H d 为齿轮存在孔隙率情况下的硬度值；H 0为齿轮完全致密化的硬度值；b 为常数；P 为齿轮内部
孔隙率。

虽然孔隙影响齿轮的力学性能，但是存在一定量的孔隙是必要的。

齿轮啮合过程中会产生持续的冲击振动，内部孔隙在受到冲击时，可以通过变形将冲击转化为热能而耗散。

因此，孔隙具备一定的缓冲吸振能力。

7.0 µm 粉末和5.0 µm 粉末的齿轮硬度差距在1%以内，对力学性能的影响较小。

而缓冲吸振能力对于抵抗齿轮啮合冲击、提高啮合传动的平稳性有着重要作用。

因此，在硬度差距不大的条件下，选择7.0 µm 的粉末制备齿轮。

2.3　粉末粒径对齿轮收缩率的影响
烧结过程中，注射坯在烧结应力的作用下会产生收缩，导致尺寸发生变化，影响齿轮的尺寸精度。

因此，烧结阶段要严格控制齿轮的收缩率。

在设计齿轮时，根据以往研究经验，将尺寸收缩率设定为13.5%。

为了便于计算收缩率，设置齿顶圆、齿根
图7　d /D 与粉末粒径的关系
Fig. 7　Relation between d /D
and the particle size of powders
图8　不同粉末粒径下的维氏硬度对比
Fig. 8　Comparison of Vickers hardness under different particle sizes of
powders
150
第12期钟志丞，等：粉末粒径对MIM 小模数齿轮质量性能的影响研究
圆、内孔圆为主要测量部位，采用2.5次元影像测量仪测量不同粒径下齿轮主要部位烧结前后的尺寸，并用式（1）计算收缩率。

计算结果如图9所示。

由图9可知，5.0 µm 粉末齿轮各部位收缩率差距较大，收缩均匀性较差；7.0 µm 粉末收缩率均在13.5%附近，均匀性较好；9.0 µm 粉末收缩率均匀性较好，但整体收缩率低于13.5%，与原定收缩率差距较大。

采用收缩率与13.5%的标准差σ值评估齿轮的尺寸精度，σ值越小，说明收缩率越接近原定收缩率13.5%，尺寸精度越高。

σ的计算式为
σ
=
（3）
式中，σ为标准差；y i 为齿轮各部位的收缩率；N 为采样点数。

5.0 µm 粉末σ值为0.157，收缩率偏高并且均
匀性低。

收缩率偏高的原因是小粒径粉末表面能高，在烧结时具有更高的烧结应力，收缩致密化进程更快，原子扩散更加充分；收缩不均匀的原因是注射阶段粉末流动性差，烧结时齿轮内部粉末浓度分布不均匀，烧结后各部位收缩不均匀。

9.0 µm 粉末σ值为0.107，收缩率均匀性较高，原因是大粒径粉末流动性好，注射后齿轮内部粉末浓度分布均匀。

但是，其各部位收缩率均低于13.5%，因为大粒径粉末的比表面积更小，表面能更低，烧结收缩的驱动力更小，所以收缩率低于13.5%。

7.0 µm 粉末烧结后σ值为0.021，为3种粉末的最小值，各部位收缩均控制在原定的13.5%附近，表明尺寸控制较为优秀，尺寸精度较高。

齿轮测量中心对7.0 µm 粉末齿轮进行精度检测，检测项目包括最大单个齿距偏差、最大相邻齿距偏差、齿距偏差变动范围和齿距累计偏差等。

检
测结果如表2所示。

检测的所有项目在GB 2363—1990标准下均高于7级精度，尺寸精度较高，基本满足航空航天、机械传动等领域的使用需求。

3 结论
1）针对烧结后齿轮出现表面黑线的问题，分析
了注射充模过程中粉末流动性对齿轮内部粉末浓度分布的影响。

结果表明，小粒径粉末流动性差，注射过程中容易发生两相分离现象，导致齿轮内部粉末浓度分布不均匀，造成烧结后表面产生黑线。

2）基于烧结机制，研究分析了粉末粒径对孔隙
率的影响。

小粒径粉末烧结颈形成能力强，原子扩散机制速度快，烧结后致密化程度高，孔隙率低；而
大粒径粉末烧结颈形成能力差，孔隙收缩不彻底，烧结后孔隙尺寸较大。

7.0 µm 粉末齿轮与5.0 µm 粉末齿轮硬度差距为0.6%，并且具有更强的缓冲吸振能力，综合考虑，选用7.0 µm 粉末制备小模数齿轮。

3）采用2.5次元影像测量仪测量齿轮主要部位
的收缩率，分析粉末粒径对收缩率的影响。

结果表明，5.0 µm 粉末齿轮内部粉末浓度分布不均匀，烧结后收缩不均匀，尺寸精度控制差；9.0 µm 粉末的表面能低，齿轮烧结收缩率低，与原定尺寸相差较大；7.0 µm 粉末齿轮收缩率均匀性好，对其进行尺寸精度测量，所检项目精度等级均高于7级，尺寸精度较高。

参
考
文
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图9　各部位收缩率与粉末粒径的关系
Fig. 9　Relation between shrinkage ratio of each part and
particle sizes of powders
表2　7.0 µm 粉末齿轮尺寸精度检测结果
Tab. 2　Dimensional accuracy test results of 7.0 μm powder gears
标准GB 2363—1990最大单个齿距偏差最大相邻齿距偏差齿距偏差变动范围齿距累计总偏差
齿距累计偏差
左齿面
实测值/µm
5.9
10.410.4
9.46.8
等级7
56
右齿面实测值/µm
5.3
6.7
10.47.76.6等级7
56
151
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作者简介： 钟志丞(1997— )，男，江西赣州人，硕士研究生；研究方向
为齿轮的加工制造；***********************。

通信作者： 林玲(1979— )，女，福建漳平人，硕士，讲师；研究方向为
机械动力学系统仿真；*******************。

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