喷射成型技术1

喷射成型技术
一、概述
喷射成型一般用于复合材料和金属粉末中，常用的玻璃钢喷射成型法是使用喷射机将玻璃纤维切断(通常切成25～30mm长)并与树脂一起喷到模具表面，再用辊子将沉积物压平实，同时去除气泡喷射成型是一种半机械化操作，生产效率比手糊成型高2一4倍，劳动强度低，尤其对于大制品，其优点更为突出。

采用喷射成型的制品有游艇、船舶、汽车外壳和槽罐、家具、浴缸、等。

喷射成型无搭缝，制品整体性好，可涂敷胶衣树脂。

增强材料采用了最便宜的粗纱，从而降低了材料费用。

另外，这种成型装置结构紧凑且搬运容易。

喷射成型的发展方向是代替手糊法制作玻璃钢。

在手糊成型工艺中，操作者常触及原材料，而原材料中含有一些挥发性较强的毒性化学辅助剂，若施工现场排风及个人防护条件较差，常会产生身体不适的症状。

因此从保护操作人员的身体健康方面来说，也需要开发喷射成型技术。

喷射成型中金属粉末喷射成型(Metal Powder Injection Molding，简称MIM)应用最广，它是将现代塑料喷射成形技术引入粉末冶金领域而形成的一门新型粉末冶金近净形成形技术，而最初金属粉末喷射是受塑料喷射成型的启发，美国加州Parmatech公司于1973年发明，八十年代初欧洲许多国家以及日本也都投入极大精力开始研究该技术，并得到迅速推广。

特别是八十年代中期，这项技术实现产业化以来更获得突飞猛进的发展，每年都以惊人的速度递增。

经过10多年的探索、研发，金属喷射成型技术取得了很大的进展。

到目前为止，美国、西欧、日本等十多个国家和地区有一百多家公司从事该工艺技术的产品开发、研制与销售工作。

日本在竞争上十分积极，并且表现突出，许多大型株式会社均参与金属粉末喷射成型工业的推广，这些公司包括有太平洋金属、三菱制钢、川崎制铁、神户制钢、住友矿山、精工--爱普生、大同特殊钢等。

目前日本有四十多家专业从事金属粉末喷射成型产业的公司，其金属粉末喷射成型工业产品的销售总值早已超过欧洲并直追美国。

到目前为止，全球已有百余家公司从事该项技术的产品开发、研制与销售工作，金属粉末喷射成型技术也因此成为新型制造业中最为活跃的前沿技术领域，被称作世界冶金行业的开拓性技术，代表着粉末冶金技术发展的主方向是金属粉末喷射成型技术。

金属粉末喷射成型技术是集塑料成型工艺学、高分子化学、粉末冶金工艺学和金属材料学等多学科透与交叉的产物，利用模具可喷射成型坯件并通过烧结快
速制造高密度、高精度、三维复杂形状的结构零件，能够快速准确地将设计思想物化为具有一定结构、功能特性的制品，并可直接批量生产出零件，是制造技术行业一次新的变革。

该工艺技术不仅具有常规粉末冶金工艺工序少、无切削或少切削、经济效益高等优点，而且克服了传统粉末冶金工艺制品、材质不均匀、机械性能低、不易成型薄壁、复杂结构的缺点，特别适合于大批量生产小型、复杂以及具有特殊要求的金属零件。

金属粉末喷射成型基本工艺过程是：首先将固体粉末与有机粘结剂均匀混练，经制粒后在加热塑化状态下，用喷射成形机注入模腔内固化成形，然后用化学或热分解的方法将成形坯中的粘结剂脱除，最后经烧结致密化得到最终产品。

与传统工艺相比，具有精度高、组织均匀、性能优异，生产成本低等特点，其产品广泛应用于电子信息工程、生物医疗器械、办公设备、汽车、机械、五金、体育器械、钟表业、兵器及航空航天等工业领域。

因此，国际上普遍认为该技术的发展将会导致零部件成形与加工技术的一场革命，被誉为“当今最热门的零部件成形技术”和“21世纪的成形技术”。

喷射成型的缺陷分析
1、浸渍不良产生的原因及对策
树脂含量低，需增加树脂含量;树脂粘度过大，需调节树脂粘度;树脂的触变度不够而造成树脂流失，需选择有适宜触变度的树脂，或加触变剂;粗纱质量不好，不易被树脂浸透，需更换粗纱;固化时间过短，在喷射操作中就凝胶，需调节树脂的凝胶时间(如减少促进剂量，加入阻聚剂，调节环温度)。

2.脱落产生的原因及对策
如树脂含量多，需减少树脂喷出量;如树脂的粘度、触变度低，需提高树脂的粘度和触变度;如粗纱的处理剂选择不当，需改变处理剂的种类，如模具温度高，需将模具温度降至室温左右;如喷枪与成型模面距离小，需控制喷射的距离和方向;如粗纱的切割长度不合适，需控制制品的大小和形状，改变纤维的切割长度。

3、固化不足及固化不匀产生的原因及对策
因各喷嘴的喷吐量不稳定，而造成配比失调，故需确定各喷嘴的喷吐量，必须时作相应的调整;如喷出的树脂不形成适当的雾状，需调整雾化，使之恰当;如树脂和短切粗纱喷射形状不一致，需要适当保持模面与喷枪之间的距离及方向;如初始喷出的固化剂量不足，需用空吹法调节固化剂，在达到一定喷出量后，再喷出树脂和纤维;如空压机内混入冷凝水，需将空气机内的冷凝水排尽，并定期排放。

4、粗纱切割不良产生的原因及对策
如切割刀片磨损及支持辊磨损，需及时更换;如粗纱根数太多，需减少粗纱根数，通常以切割两根粗纱为宜;如切割器的空气压力太低，需增大空压机容量，提高空气压力。

5、空洞和气泡产生的原因及对策
气泡脱除不充分，需按操作规范仔细操作;如树脂浸渍不良，需加些消泡剂，并检查树脂和纤维的质量。

6.厚度不均产生的原因及对策
未很好掌握操作和脱泡操作技术，需提高操作水平;纤维的切割性不好，需调整或更换切割器;纤维的分散性不好。

7、白化及龟裂产生的原因及对策
因树脂的反应活性高，在短时间内固化，固化时发热量大，而引起树脂和纤维的界面剥离，故需选择反应活性适宜的树脂，检查引发剂和促进剂的种类和用量以及固化条件;如纤维表面附有妨碍树脂浮润的物质(如水、油、润滑脂等)，需作适当处理，平时要注意粗纱的保管和使用;如一次喷射太厚，需采用分次喷射，边控制固化发热鼠边喷射;喷枪中各喷嘴的喷出量不均，需调整树脂的喷出量;树脂中混有水，需改善树脂保管、操作方法、使用条件，空压机中的冷凝水要经常放尽。

二、喷射成型机
喷射成型机主要由喷枪，增强材料的切割器，用于输送树脂及固化剂的泵，料桶与压缩空气源，用于控制的调节器和计量器，悬臂和支架等组成。

喷射成型机由压缩空气提供动力，输送树脂和固化剂的两个连动泵，将树脂及固化剂分别压入喷枪，并在喷枪系统内充分混合后，喷到工件模具上。

同时，增强材料通过喷枪的胶辊与刀片被切割成段，也用压缩空气喷射到模具上，尔后再用手动压辊滚压脱泡，最后经固化成产品。

在成型机工作过程中，可以通过改变固化剂泵活塞的行程来控制固化剂与树脂的比例大小;喷射量的大小由喷嘴规格控制，与压力无关。

而喷涂面的宽度则靠调节压力来实现。

压力小，喷涂面窄，反之则宽;但若压力过大，喷涂面就太宽，会产生树脂飞溅现象。

另外为了防止压缩空气中水分对机器的影响，一般在泵上配有水分离器。

喷射成型机按照喷射方式可分为如下两类:
(l)高压型:(a)用泵把树脂送入喷枪，借助泵压进行喷射。

(b)用空气压缩机将树脂罐和固化剂罐加压，在该压力下，将树脂和固化剂压入喷枪进行喷射。

(2)气动型:树脂、固化剂或它们的混合物借压缩空气喷出的力与空气雾化、喷出。

维纳斯公司(VENUS)的Hls系列是美国常用的玻璃钢喷射成型机〔工〕。

树脂的喷射量为2一3.6kg/min，纤维喷射量为1一1.8k郎min;催化剂与树脂的比例在3%到50%之间变化;玻璃纤维含量通常在25一35%之间，最高可到50%;喷射角25a一60。

;通常合适的喷射压力为40磅/英寸二;系统配料精度可达到0.1%;树脂泵与切断器的空气耗量均为o.25m3/min;若不包括气源，整套装置净重190kg，占用空间1.2x2·8义3ma。

喷射成型机的类型除喷枪外其余基本上都是类似的。

而喷射成型中的关键技术是喷射技术，喷枪是全套设备的关键部件，其特点是污染小，使用方便，质量易保证。

喷出的树脂成滴状，且树脂、催化剂、纤维切割及喷射同时动作。

喷枪按混合形式可分为:
(1).外部混合型。

喷枪具有四个喷嘴，其中两个用于树脂，两个用于固化剂。

四个喷嘴安排在正方形的四个角上，正方形的中间是短切纤维的喷嘴。

喷出的短切纤维被树脂和固化剂包围，因此，玻璃纤维不容易喷溅出来。

这种喷枪不需要溶剂冲洗，但是在每次喷射结束以后喷枪的前端应该洗干净。

(2)无空气外部混合型。

喷枪具有一个或两个树脂喷嘴，一个固化剂喷嘴。

固化剂由压力罐输送到喷嘴，在足够的压力下使固化剂雾化，不需要空气辅助。

切割器被置于喷嘴的顶部，通过适当的调节，切割器将短切纤维喷入树脂和固化剂的喷射面内。

该种喷枪不需要用溶剂冲洗，但每次喷射结束后，应该将喷嘴洗干净。

(3)空气辅助内部混合型。

喷枪在内部将空气、固化剂和树脂混合在一起。

短切纤维被喷到混合物喷射面的上面，一定量的短切纤维的喷溅是不可避免的。

空气与固化剂及树脂混合的结果，使得在制品中易产生孔隙。

需要用溶剂冲洗喷枪内部混合腔。

(4)无空气内部混合型。

树脂和固化剂被压入内部混合腔混合，在高压(至少
5.6MPa)下从喷嘴喷出，短切纤维也被喷到混合物喷射面的上面。

在每次喷射后必须用溶剂冲洗其混合腔。

(5)已混合型(无空气)。

喷腔具有两个喷嘴，事先调配好含固化剂的树脂，由喷嘴喷出。

劝割器置于喷嘴上面并可以调节，使得纤维喷嘴最小。

喷枪在每次喷射后不需要溶剂冲洗。

三、金属粉末喷射成型
1、工作原理
金属粉末的喷射成型首先需将粉末加热成熔融的金属液,然后通过喷咀进行气体雾化,即用速度高的惰性气体射流冲击金属液流,使之分散、雾化为金属液滴。

由于表面张力的作用,液滴有形成光滑球形颗粒的趋势。

在气体射流的作用下,液滴加速飞行并迅速冷却。

当高速飞行的液滴在沉积器(或模具)内碰撞时,球形颗粒受冲击作用而变为扁平状,形成溅射片,通过沉积器(或模具)的冷却作用,沉积
物中将产生合适的温度梯度,颗粒将迅速达到凝固状态。

液滴连续溅落,顺序凝固,并且在自熔性作用下聚积成形,最终得到所需尺寸和形状的刀具或模具。

2、组织结构
喷射成型金属的组织结构具有以下特点:(1)组织密度高。

由于喷射金属液滴依次溅落并冲击变形,顺序自熔和凝固,易于充分充填并封闭孔隙,因此材料组织孔洞很少且细小。

(2)材料组织孔洞之间互不贯通,相对密度可高达95%-98%,高于普通粉末冶金件的密度指标。

(3)晶粒细小均匀。

由于雾化液滴直径的分布约为100Hm,散热表面积大,冷却极快,因此可形成细小均匀的晶粒组织。

(4)金属液滴与沉积器碰撞后加速凝固、沉积、最终形成微晶组织,保留了粉末高速钢的优良性能。

(5)与传统压制成型工艺相比,材料微观组织更均匀、密度更高、性能更佳。

3、工艺特点
用金属粉末喷射成型工艺制作工件的工艺流程简单,生产周期短,可直接从制粉厂购进金属粉末,省去了配料、混粉、压制及烧结等工序。

喷射成型后的制件(刀具、模具等)组织密度高,硬度在50HRC以上,如再加以涂层处理,其效果更佳。

该工艺还省去了热处理工序和部分机械加工,且所需工艺装备少、投资省、能耗低,从而可大大降低生产成本。

4、应用
4.1 用于新产品开发
在新产品开发中,金属粉末喷射成型工艺除可用作模具的快速喷射成型外,还可用于制作新产品的计算机三维动态成型模型,从而使设计者可以充分表达设计构思,检验设计质量,进行功能检测和模拟装配试验,及时发现和弥补设计中的缺陷和不足。

4.2用于刀具制造
采用金属粉末喷射成型工艺制造刀具时,需先按照所需刀具形状尺寸制作模型,然后将模型放入沉积器中进行喷射成型。

试验结果表明,粉末高速钢喷射成型
刀具的寿命是普通高速钢刀具的2-5倍。

如用ф16mm钻头钻削调质铬锰钢(330HB)时,用M2钢制造的钻头只能加工25件,而用粉末高速钢制造的钻头可加工80件。

在加工硬度为250HB的铸铁时,粉末高速钢钻头的耐用度是M2钢钻头的2-3倍。

用粉末高速钢制造的齿轮刀具和立铣刀的工作寿命也可成倍提高。

4.3用于模具制造
在模具制造中,凸模一般采用常规工艺制作,而凹模则可采用金属粉末喷射成型。

喷射成型模具的结构取决于冲压件的几何形状,尤其适用于冲裁形状复杂的中小型精密零部件,所以喷射成型的模具外形尺寸不宜过大,只要具有足够强度即可。

模具喷射成型原理是将制作的产品样件作为母体样板,通过将金属粉末熔滴喷射到母体样板上沉积成型制成模具。

工艺方法如下:将熔融的粉末高速钢或其它合金压入喷咀喷出,与高速流动的惰性气体相遇后形成雾化溶滴,喷射并沉积到沉积器中的母体样板上,复制出母体样板的结构形状,再借助脱模剂使沉积形成的钢制模具与母体样板分离(或采用其它方法与母体样板分开),即可制成所需模具。

5.MIM技术的应用领域包括：
1.计算机及其辅助设施：如打印机零件、磁芯、撞针轴销、驱动零件.
2.工具：如钻头、刀头、喷嘴、枪钻、螺旋铣刀、冲头、套筒、扳手、电工工具，手工具等
3.家用器具：如表壳、表链、电动牙刷、剪刀、风扇、高尔夫球头、珠宝链环、圆珠笔卡箍、刃具刀头等零部件
4.医疗机械用零件：如牙矫形架、剪刀、镊子
5.军用零件：导弹尾翼、枪支零件、弹头、药型罩、引信用零件
6.电器用零件：电子封装，微型马达、电子零件、传感器件
7.机械用零件：如松棉机、纺织机、卷边机、办公机械等；
8.汽车船舶用零件：如离合器内环、拔叉套、分配器套、汽门导管、同步毂、安全气囊件等
6.最新发展与动态
可用于喷射成型的材料非常广泛，原则上任何可高温浇结的粉末材料均可由MIM工艺造成零件，包括了传统制造工艺中的难加工材料和高熔点材料。

此外，MIM也可以根据用户的要求进行材料配方研究，制造任意组合的合金材料，将复合材料成型为零件。

喷射成型制品的应用领域已遍及国民经济各领域，具有
广阔的市场前景金属喷射成型制品的市场上越来越多，各行业消费的金属粉末喷射成型的典型制品包括：机械工程行业用的主要是小齿轮、园林机械零件、手工工具以及更简易的物品等；信息行业主要是笔记本电脑、移动电话等的结构零件，磁盘驱动的组成部件，光纤连接器组成部件和热能管理组成部件；汽车制造行业的金属粉末喷射成型制品，主要是涡轮增压器系统的组成部件和其它发动机的组成部件。

在欧洲，汽车行业的衰退虽然有可能继续，但是应用金属粉末喷射成型方法制造零部件，是发展最快的行业。

医疗行业使用的金属粉末喷射成型制品有：植入人体内的植入物、外科用的各种工具、牙科用的牙托；金属粉末喷射成型技术已经成为制造上述制品的理想技术，特别是在美国，医疗行业已成为使用金属粉末喷射成型制品的重要行业。

英国的埃基德(Egide)公司业务量的25%就是向医疗行业提供医疗设备。

该公司认为，在英国健康与临床协会的指导下，医疗行业使用金属粉末喷射成型制品的势头，还会有更进一步的发展。

四、喷涂与喷焊
喷涂
利用喷枪等喷射工具把涂料雾化后，喷射在被涂工件上的涂装方法。

喷涂通过喷枪或碟式雾化器，借助于压力或离心力，分散成均匀而微细的雾滴，施涂于被涂物表面的涂装方法。

喷涂中最常用的是热喷涂，其工艺是把丝状或粉末状材料加热到近熔化或熔化状态,进而使之雾化、加速，最后喷至零件表面上形成覆盖层的工艺。

热喷涂工艺既是一种表面强化工艺，也是一种修复工艺。

可分为空气喷涂、无空气喷涂、静电喷涂以及上述基本喷涂形式的各种派生的方式，如大流量低压力雾化喷涂、热喷涂、自动喷涂、多组喷涂等
喷涂作业生产效率高,适用于手工作业及工业自动化生产,应用范围广主要有五金,塑胶,家私,军工,船舶等领域,是现今应用最普遍的一种涂装方式;喷涂作业需要环境要求有百万级到百级的无尘车间,喷涂设备有喷枪,喷漆室,供漆室,固化炉/烘干炉,喷涂工件输送作业设备,消雾及废水,废气处理设备等.
喷涂中的主要问题是高度分散的漆雾和挥发出来的溶剂，既污染环境，不利于人体健康，又浪费涂料，造成经济损失。

大流量低压力雾化喷涂是低的雾化气压和低空气射流速度，低的雾化涂料运行速度改善了涂料从被涂物表面反弹出来的情况。

使上漆率从普通空气喷涂的30%～40%，提高到了65%～85%。

在轻革涂饰中用喷枪或喷浆机将涂饰喷于革面上。

热喷涂工艺的种类和特点
㈠.热喷涂工艺的种类
通常按照熔化热喷涂材料所用的热源划分。

喷涂有电弧喷涂、等离子喷涂、火焰喷(包括爆炸喷涂、超音速喷涂)等。

喷涂材料为丝状或粉末状。

㈡.热喷涂工艺的特点
a.工艺简单，操作容易，涂层形成速度快，加工时间短，生产率高。

b. 喷涂零件受热温度低，热应力小，变形非常小。

工艺简单，操作容易，涂层
形成速度快，加工时间短，生产率高。

加工时间短，生产率高。

c.喷涂零件受热温度低，热应力小，变形非常小。

d.喷涂层与零件表面为机械结合,结合强度低，约为5-5OMPa,抗冲击性能差。

喷涂层是由金属颗粒堆积而成的，内部多孔，可存油，有利于润滑。

喷熔层则是连续致密的金属。

㈢.喷涂作业安全技术措施
1 喷涂作业人员必须经过安全技术培训，未经培训不准工作。

2 喷漆作业前必须对所有的喷漆设备及工具进行全面检查，确认无问题时方可工作。

3 喷漆作业场所的通风净化应符合GB 6415的要求。

4 作业中，企业安全技术部门应设专人定时测定密闭空间内空气中氧含量和可燃气体浓度，氧含量应在18%以上，可燃气体浓度应低于爆炸下限的10%。

5 舱内喷漆作业至少配备两人以上共同操作，若作业场所过于狭小，仅能容纳单人操作时，另外一人应负责监护。

6 高处喷漆作业应符合《船舶建造高处作业安全规程》。

7 多支喷枪同时作业，必须拉开间距（5m左右），并按一定的、同一方向进行喷涂。

8 特涂作业，其喷涂设备及软管应设专人管理，若设备出现故障或有异常情况，首先通知舱内人员撤出舱外，并由维修人员检修。

9 无气喷漆的高压射流和渗漏，会导致严重伤害事故，作业时应做到： a.任何时候不准将喷枪嘴对着别人及自身； b.不得用手指触摸喷嘴，或窥视枪口； c.清扫喷枪时，要切断泵驱动源，放掉压力，并使安全装置销往喷枪，才能进行清扫；d.喷枪停止使用时，必须把安全闩销好。

10 作业完毕后，必须及时将喷枪撤出舱外，并继续进行通风，直至漆膜完全固
化。

11 喷漆作业结束后，应及时对工作场所进行清理，将剩余的涂料和溶剂及时送回仓库，不准随便乱放。

喷焊
喷焊是对经预热的自溶性合金粉末涂层再加热至1000～1300℃，使颗粒熔化，造渣上浮到涂层表面，生成的硼化物和硅化物弥散在涂层中，使颗粒间和基体表面达到良好结合。

最终沉积物是致密的金属结晶组织并与基体形成约0.05～0.1mm 的冶金结合层，其结合强度约400MPa，抗冲击性能较好、耐磨、耐腐蚀，外观呈镜面。

喷焊的工艺程序基本与喷涂相同，所不同者在喷粉工序中增加了重熔程序。

喷焊有一步喷焊法和二步喷焊法。

施工前应注意：①工件表面有渗碳层或氮化层，在预处理时必须清除；②工件的预热温度为一般碳钢200～300℃，耐热奥氏体钢350～400℃。

预热火焰用中性或弱碳焰。

此外，喷涂层重熔后，厚度减小25％左右，喷熔后在热态测量时，应将此量考虑在内。

一步喷焊法。

一步法即喷一段后即熔一段，喷、熔交替进行，使用同一支喷枪完成。

可选用中、小型喷焊枪。

在工件预热后先喷涂0. 2mm的保护层，并将表面封严，以防氧化，喷熔从一端开始，喷距10～30mm，有顺序地对保护层局部加热到熔融开始湿润（不能流淌）时再喷粉，与熔化反复进行，直至达到预定厚度，表面出现“镜面”反光，再向前扩展，达到表面全部覆盖喷焊层。

如一次厚度不足，可重复加厚。

一步法适用于小型零件或小面积喷焊。

二步喷焊法。

二步法即先完成喷涂层再对其重熔。

喷涂与重熔均用大功率喷枪，例如SpH-E喷、焊两用枪，使合金粉末充分在火焰中熔融，在工件表面上产生塑性变形的沉积层。

喷铁基粉末时用弱碳火焰，喷镍基和钴基粉末时用中性或弱碳火焰。

喷粉每层厚度＜0.2mm，重复喷涂达到重熔厚度，一般可在0.5～0. 6 mm 时重熔。

如果喷焊层要求较厚，一次重熔达不到要求时，可分几次喷涂和重熔。

重熔是二步法的关键工序，在喷涂后立即进行。

用中性焰或弱碳化焰的大功率柔软火焰，喷距约20 ～30mm，火焰与表面夹角为60°～75°，从距涂层约30mm 处开始，适当掌握重熔速度，将涂层加热，直至涂层出现“镜面”反光为度，然后进行下一个部位的重熔。

喷涂与喷焊的工艺区别
喷涂层和喷焊层与基体金属的结合形成不同,镍包铝通过喷涂焰束加热时发生放。