粉末冶金知识与设计注意事项培训

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6. 粉体包覆法 美国Powdermet公司 和Advance Ce2ramics公司发展了一种粉体包覆法制备MIM粉
末。采用循环快速流化床反应器制备包覆粉末。采用粉体包覆法可以避免粉末预混合过程 中的不均匀。对于Fe - Ni低合金钢, 采用该种方法镍分布非常均匀, 能够有效减少残余奥氏 体的含量, 避免在使用过程中发生奥氏体向马氏体的转变。另外, 对于不锈钢和工具钢, 可 以包覆微量硼, 提高烧结致密化性能, 这样有可能使用较粗的不锈钢粉末进行MIM生产, 而 能保持制品的高密度。而且, 采用包覆法生产的MIM粉末在脱脂过程中保形性能较好。
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该公司还用该法生产了高速钢、工具钢粉以及磁性合金粉等。据Osprey 公司称, 这种高压 气雾化MIM粉价格主要取决于生产规模大小, 在大规模生产的情况下, 该法生产的粉末价格 甚至可以与高压水雾化法抗衡。 3. 超高压水雾化法
德国Nanoval公司开发出了一种独特的气雾化技术, 基本思路是应用自稳定的、严格 成层状的气流, 使熔化的金属平行流动。熔化了的金属从拉瓦尔喷嘴的入口到最窄处被气体 压缩而迅速加速(从几m/ s到音速) , 气体为获得稳定而呈层状流动。在最窄处以下, 气流被 快速压缩, 加速至超音速, 在气液流界面由于剪切应力, 金属熔体丝以更高的速度变形, 最终 不稳定而破裂成许多更细的丝, 最终凝结成细小粉末。该技术可直接生产许多适合于MIM的 贵金属粉, 特殊牌号的不锈钢粉和高速钢粉, 铜基合金粉和超合金粉等, 该公司产品粉末粒 度约为10μm, 其中20μm粒度以下的粉末约占90 %。
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MIM粉末制备工艺
MIM要求原料粉末很细(0.5~20µm ) , 以保证均匀的分散度、良好的流 变性能和较大的烧结速率, 因此MIM 原料粉末的价格约为传统PM 粉末价格的 10 倍, 这是目前限制MIM技术广泛应用的一个关键因素。理想的MIM 用粉末 为: 粉末粒度2～8μm ,松装密度40 %～50 % , 摇实密度50 %以上;从理论上 讲，粉末颗粒为近球形, 颗粒越细，比表面积也越大，易于成形和烧结。而传 统的粉末冶金工艺则采用大于40µm的较粗颗粒的粉末。 目前生产MIM用粉 末的方法主要有羰基法、高压气体雾化法、超高压水雾化法、等离子体雾化 法、层流雾化法和粉体包覆法等。
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MIM产业发展状况
1973年Wiech等人组建了Parmatech公司, 当时MIM还处于萌芽状态, 鲜为 人知。直到1979年, 其产品在国际粉末冶金大会产品设计大赛中获两项大奖才 引起粉末冶金工业界的注意。Parmatech转让了他们的几项专利后, MIM公司 纷纷建立起来。1980年Wiech组建Witec公司, 1982年Brunswick公司进入MIM 行业, 并收购了Witec公司, 其后又逐步注册了Omark工业、Remington军品、 Rocky牙科等子公司。1986年, 日本Nippon Seison引进了Wiech工艺。1990年 以色列Metalor 2000公司从Parmatech公司引进了MIM工艺, 建立了MIM 生产线。 中国MIM技术的研究始于80年代初期，由中国兵器工业第五三研究所、中南 工大和北京科技大学分别承担该课题；经十余年的探索，技术已基本成熟 ， 于1996年至2000年期间先后成立公司实现产业化规模。到1997年底, 全球共有 约300家以上的公司和机构从事MIM技术的研究、开发、生产和咨询业务。到 1999年底,全球MIM产业总产值将为10亿美元(目前传统粉末冶金为15亿美 元, 先进陶瓷为6亿美元) ,近几年来MIM产业年增长率约为32%。预计到2010 年，全球MIM产品总销售额将达24亿美元 。
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了粉末的球形度, 并且避免了熔融钛水包的操作困难。除了生产MIM 用钛粉外, 这两家公司 还生产Ti - 6Al - 4V、Cu、Al 、Mo 、IN718、Ni - Cu、Ni 粉等。该方法所生产的粉末流动 性能好, 填充密度高。并且该方法是目前唯一能批量生产细小球形的高活性金属粉末的方 法。但由于采用金属线材为原料, 导致生产率较低, 粉末成本较高。 5. 层流雾化法
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1. 羰基法 MIM最早使用的粉末是用羰基法生产的。德国BASF和美国ISP公司是世界上两个主要
的羰基粉末供应商。该方法以Fe (Co)5 为原料, 将其加热蒸发。在催化剂如分解氨的作用 下, 气态Fe (Co)5 分解得到铁粉, 这种方法制得的铁粉具有球形度好、接近单一粒度分布、 低孔隙度、高纯度等特点。针对MIM 铁基制品烧结中控碳问题,德国BASF 公司提供不同碳 氧含量差值的粉末, 包括OM、OS、ON 等多种规格的MIM 羰基铁粉。 2. 高压气体雾化法
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MIM粘结剂的介绍
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。其作用是粘接金 属粉末颗粒，使混合料在注射机料筒中加热成具有流变特性的物料，即成为带动粉末流动 的载体。因此粘结剂的选择是整个粉末注射成形的关键。对粘结剂要求：a 用量少，即保 证混合料有较好流变性的同时尽可能少的使用粘结剂；b 不反应，即与金属粉末不起任何 化学反应；c 易去除，在制品中不残留。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 （见表1）。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。
日本的PAMCO、Kobe Steel发展一种超高压水雾化法, 该法能够较为经济地大量生产 MIM 用金属和合金粉末。PAMCO公司有一台30t AOD 炉和一台30t SKF -ASEA 炉, 采用 1500MPa 高压水流雾化, 大量生产MIM水雾化粉末。 PAMCO 针对水雾化粉形状不规则、 摇实密度低、氧含量高等缺点, 作了很多改进。目前其316L 水雾化不锈钢粉摇实密度已达 到4131g/ m3 , 比表面积也降至0118m2 / g , 氧含量为2900 ×10-6 。Kobe Steel 则采用其 独特的V 型射流喷嘴生产MIM水雾化粉。 4. 等离子体雾化法
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表1 各种粘结剂体系的比较
体系
蜡基系
热塑性体系
油基系 塑基系
热固性体系
水溶性体系
凝胶体系
特殊体系
聚甲醛基 丙烯酸基
优点
优点
粘度低、成形源自文库强度高、注射范围宽、
成本低、装载量高，适合生产厚度小 于8mm和主光洁度的零件
几种代表性的MIM工艺
1. Wiech 工艺 Wiech工艺以Wiech于1980年发明的专利为代表, 并经过几次改进。Wiech工艺基本
粘剂体系由石蜡和热塑性树脂组成。粘结剂与粉末在“Z”或“Σ”型叶片剪切装置上混合。脱 脂最初采用二步法, 首先将MIM成形坯置于一真空容器内, 将其加热到粘结剂的的流动温度 或高于这个温度, 然后将溶剂以气态形式缓慢地加入成形坯所在的容器内。气态溶剂进入成 形坯溶解粘结剂, 溶解到一定程度, 粘结剂的溶剂溶液会从成形坯中渗出。将已脱除了大部 分粘结剂的成形坯再浸入液态溶剂中除去剩余的部分粘结剂。最后将成形坯预热以除去残 留的部分粘结剂和部分溶剂, 并进行烧结得到成品。此工艺仅气态溶剂脱脂就需3天时 间, 脱脂效率很低。且由于脱脂温度高于粘结剂流动温度,变形较严重。该工艺后来改为全 部采用热分解脱脂,脱脂时间减少很多。在MIM产业的最初发展中, 大多数公司都采用Wiech 工艺, 直到现在仍有部分公司采用Wiech工艺进行生产, 但Wiech工艺存在注射生坯应力 大, 容易开裂变形等问题, 难于生产尺寸稍大的零件。
气体雾化法生产的粉末摇实密度高, 流动性好, 所需添加粘结剂量少, 且用惰性气体雾 化所得粉末的残留气体含量比水雾化粉至少低一个数量级。但是一般气体雾化粉颗粒较 粗, 约为40～50μm , 能适合MIM要求的细粉量很少。英国Osprey公司和PSI公司为此对对 喷嘴进行改进, 采用高压气体雾化, 使得适合MIM用的细粉产出率大大提高。Osprey公司用 高压氩气和氮气(压力高达5MPa)生产的不锈钢粉末中有75%(质量分数)的粉末粒度小于2 0μm ,大大高于常规气雾化法的20%(质量分数) , 其平均粒度为14μm。
金属粉末注射成形
培训资料
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前言
金属注射成形(Metal Injection Molding ,简称MIM) 是一种从塑料注射成 形行业中引伸出来的新型粉末冶金近净成形技术, 其基本工艺过程为: 首先是 选择符合MIM 要求的金属粉末和粘结剂, 然后在一定温度下采用适当的方法 将粉末和粘结剂混合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, 获得的成形坯经过脱脂处理后烧结致密化成为最终成品。金属注射成形技 术在制备具有复杂几何形状、均匀组织结构和高性能的高精度近净形产品方 面具有独特的优势。凡可以制成粉末的任何金属或合金均可用此方法制造零 件。此外, 该技术可以完全实现自动化连续作业, 生产效率高。MIM工艺发展 的主要影响因素是MIM粉末的生产方法和MIM 工艺的发展。本文首先简单介 绍了MIM 产业的发展状况, 然后综合分析了目前MIM 粉末的生产方法和MIM 各种主要工艺的发展。
水易于蒸发、脱脂速度快、无需特殊
设备、可生产厚的产品
面形坯强度低、易变形、注射范围窄
成形坯强度高、保形性好、脱脂速度 快、可生产截面小于40mm的零件
注射范围宽、脱脂速度快、可生产厚 的产品
粘度高、需专门设备、存在酸处理问 题，属反应型粘结剂
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加拿大Pyro Genesis 公司和LTEE 公司开发了一种等离子体雾化法, 主要生产各种用 于MIM 的钛及其他各种高活性粉末。该方法采用钛金属线材为原料, 采用等离子喷嘴射出 的高速的高温等离子气体作为雾化介质。由于采用金属线材为原料, 并且采用同轴向成 0°～40°的3 个等离子喷嘴,使得金属原料的喂入和熔化、雾化在同一步骤完成,保证
混料时易发生挥发、易产生相分离、 注射料性能不稳定、保形性差
易产生相分离、成莆坯强度低
粘度低、注射范围宽
装载量稍低、脱脂慢
成形坯强度高、保形式性好
温度稳定性好、尺寸精度高
混合困难、反应副县长产物导致产品 多孔、脱脂困难
不需要有机溶剂，适合于生产截面小 装载量低、注射范围窄、易变形、对
的零件
于烧结密度很高时不适合