MIM技术

金属注射（喷射）成型与粉末冶金、粉末注射成型的关系
金属注射成形(Metal Injection Molding, 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，众所周知，塑料注射成形技术低廉的价格生产各种复杂形状的制品，但塑料制品强度不高，为了改善其性能，可以在塑料中添加金属或陶瓷粉末以得到强度较高、耐磨性好的制品。

近年来，这一想法已发展演变为最大限度地提高固体粒子的含量并且在随后的烧结过程中完全除去粘结剂并使成形坯致密化。

这种新的粉末冶金成形方法称为金属注射成形。

金属注射成形的基本工艺步骤是：首先是选取符合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喂料，经制粒后在注射成形，获得的成形坯经过脱脂处理后烧结致密化成为最终成品。

粉末冶金 (Powder Metallurgy)
是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合以及各种类型制品的工艺技术。

粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技术也可用于陶瓷材料的制备。

由于粉末冶金技术的优点，它已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料的发展中起着举足轻重的作用。

粉末冶金的工艺：
等静压成型粉末冶金
金属喷射成型粉末冶金（金属注射成型）
粉末锻造粉末冶金
压力烧结粉末冶金
粉末注射成型(Powder Injection Molding, PIM)
金属、陶瓷粉末注射成形（PIM）是一种新的金属、陶瓷零部件制备技术。

它是将聚合物注射成形技术引入粉末冶金领域而生成的一种全新零部件加工技术。

该技术应用塑料工业中注射成形的原理，将金属、陶瓷粉末和聚合物粘结剂混炼成均匀的具有粘塑性的流体，经注射机注入模具成型再脱除粘结剂后烧结全致密化而制得各种零部件。

由此可见，金属注射（喷射）成型技术，属于粉末冶金范畴，又属于粉末注射成
型的工艺类型。

1、MIM技术概述
金属（陶瓷）粉末注射成型技术（Metal Injection Molding，简称MIM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相互渗透与交叉的产物，利用模具可注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，能够快速准确的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密度低、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。

2、MIM工艺过程
2.1 工艺流程
2.2 过程简介
2.2.1 金属粉末
MIM工艺所用金属粉末颗粒尺寸一般在0.5~20μm，从理论上讲，颗粒越细，比表面积也越大，易于成型和烧结。

而传统的粉末冶金工艺则采用大于40μm的较粗的粉末。

2.2.2 有机胶粘剂
有机粘接剂作用是粘接金属粉末颗粒，使混合料在注射机料筒中加热具有流变性和润滑性，也就是说带动粉末流动的载体。

因此，粘接剂的选择是整个粉末注射成型的关键。

对有机粘接剂要求：①用量少，即用较少的粘接剂能使混合料产生较好的流变性；②不反应，在去除粘接剂的过程中与金属粉末不起任何化学反应；③易去除，在制品内不残留碳。

2.2.3 混炼与制粒
混炼时把金属粉末与有机粘接剂均匀掺混在一起，将其流变性调整到适于注射成型状态的作用，混合料的均匀程度直接影响其流动性，因而影响注射成型工艺参数乃至最终材料的密度及其它性能，注射成型过程中产生的下角料、废品都可重新破碎、制粒，回收再用。

2.3.4 注射成型
本步工艺过程与塑料注射成型工艺过程在原理上是一致的，其设备条件也基本相同。

在注射成型过程中，混合料在注射机料筒内被加热成具有流变性的塑性物料，并在适当的注射压力下注入模具中，成型出毛坯。

注射成型的毛坯的密度在微观上应均匀一致，从而使制品在烧结过程中均匀收缩。

控制注射温度、模具温度、注射压力、保压时间等成型参数对获得稳定的生坯重量至关重要。

要防止注射料中各组分的分离和偏析，否则将导致尺寸失控和畸变而报废。

2.2.5 脱粘
成型毛坯在烧结前必须去除毛坯内所含有的有机粘接剂，该过程称为脱粘。

脱粘工艺必须保证粘接剂从毛坯的不同部位沿着颗粒之间的微小通道逐渐地排出，而不降低毛坯的强度。

溶剂萃取部分粘接剂后，还要经过热脱粘除去剩余的粘接剂。

脱粘时要控制坯件中的碳含量和减少氧含量。

2.2.6 烧结
烧结是在通有可控气氛的烧结炉中进行的。

MIM零件的高密度化是通过高的烧结温度和长的烧结时间来达到的，从而大大提高和改善零件材料的力学性能。

2.2.7 后处理
对于尺寸要求较为精密及有特殊性能要求的零件，需要进行必要的后处理。

本工序与常规金属制品的热处理工序相同。

3、MIM工艺特点
3.1 MIM工艺与其它加工工艺的对比
3.1.1 MIM与传统的粉末冶金（PM）的比较
MIM使用的原料粉末粒径在2—15μm，而传统粉末冶金的原料粉末粒径大多在50—100μm。

MIM工艺的成品密度高，原因是使用微细粉末。

形状上自由度高是传统粉末冶金所不能达到的，表1为两工艺的比较。

3.1.2 MIM与精密铸造的比较
在金属成型工艺中，压铸和精密铸造是可以成型三维复杂形状的零件，但压铸仅限于低熔点金属，而精密铸造（IC）限于合金钢、不锈钢、高温合金等高熔点金属及有色金属，对于难熔合金如硬质合金、高密度合金、金属陶瓷等却无能为力，这是IC的
本质局限性，而且IC对于很小、很薄、大批量的零件生产是十分困难或不可行的。

IC产业化已成熟，发展的潜力有限。

MIM是新兴的工艺，将挤入IC大批量小零件的市场。

3.1.3 MIM与传统机械加工的比较
传统机械加工法，近来靠自动化而提升其加工能力，在效率和精度上有极大的进步，但是基本的程序上仍脱不开逐步加工（车削、刨、铣、磨、钻孔、抛光等）完成零件形状的方式。

机械加工方法的加工精度远优于其他加工方法，但是因为材料的有效利用率低，且其形状的完成受限于设备与刀具，有些零件无法用机械加工完成。

相反的，MIM可以有效利用材料，形状自由度不受限制。

对于小型、高难度形状的精密零件的制造，MIM工艺比较机械加工而言，其成本较低且效率高，具有很强的竞争力。

MIM技术弥补了传统加工方法在技术上的不足或无法制作的缺憾，并非只与传统加工方法竞争，MIM技术可以在传统加工方法无法制作的零件领域发挥其特长。

其工艺特点与其它工艺的比较如下图：
3.2 MIM的优点
从MIM的工艺本质分析，是目前最适合于大批量生产高熔点材料，高强度、复杂形状零件的工艺，其优点可归纳如下：
（1）MIM可以成型三维形状复杂的各种金属材料零件（只要这种材料能被制成细粉）。

零件各部位的密度和性能一致，既各向同性。

为零件设计提供了较大的自由度。

（2）MIM能最大限度制得接近最终形状的零件，尺寸精度较高。

（3）即使是固相烧结，MIM制品的相对密度可达95%以上，其性能可与锻造材料相媲美。

特别是动力学性能优良。

（4）粉末冶金（PM）的自动模压机的价格比注射成型机要高数倍。

MIM可方便地采用一模多腔模具，成型效率高，模具使用寿
命长，更换调整模具方便快捷。

（5）注射料可反复使用，材料利用率达98%以上。

（6）产品转向快。

生产灵活性大，新产品从设计到投产时间短。

（7）MIM特别适合于大批量生产，产品性能一致性好。

如果生产的零件选择适当，数量大，可取得较高的经济效益。

（8）MIM所用材料范围宽，应用领域广阔。

可用于注射成型的材料非常广泛，如碳钢、合金钢、工具钢、难熔合金、硬质合金、高比重合金等。

MIM制品的应用领域已经遍及国民经济各领域。

选择何种金属成型工艺，零件的复杂性和生产产量是两个主要决定因素。

MIM工艺在零件生产量大和复杂程度高时独占优势。

对于零件设计者，应着重设计三维形状复杂的生产量大的零件，以充分发挥MIM工艺的特点，取得降低生产成本和提高产品性能的效果。

4、注射成型制品材料性能与成本分析
MIM工艺采用微米级细粉末，既能加速烧结收缩，有助于提高材料的力学性能，延长材料的疲劳寿命，又能改善耐磨性、抗应力腐蚀及磁性能。

MIM适用的材料主要有：Fe合金、Fe-Ni合金、不锈钢、W合金、Ti合金、Si-Fe合金、硬质合金、永磁合金及氧化铝、氮化硅、氧化锆等陶瓷材料。

表2列出了一些MIM材料的基本性能。

对于过硬、过脆难以切削的材料或几何形状复杂、铸造时原料有偏析或污染的零件，采用MIM工艺可大幅度节约成本。

以加工打字机印刷元件导杆为例：通常需14道以上工序，而采用MIM工艺只需6道工序，可节约成本一半左右。

当材料成本/制造成本的比率增加时，潜在的成本更能降低，因此零件越小越复杂，经济效益将越好。

通过以上分析，可以看出MIM成型的潜力是很大的。

5、应用领域
MIM技术的应用领域：
1、汽车用零件：安全气囊用零件、汽车锁用零件、安全带用零件、汽车车门升降系统、小齿轮、汽车用空调系统小零件、刹车系统中齿条等，供油系统中的传感器中的小零件；
2、军用零件：枪支零件、弹用零件、引信用零件；
3、计算机及IT行业：如打印机零件、磁芯、撞针轴销、驱动零件、光通信陶瓷插头；
4、工具：如钻头、刀头、喷嘴、螺旋铣刀、汽动工具、渔具用的零件等；
5、家用器具：如表壳、表链、电动牙刷、剪刀、高尔夫球头、珠宝链环、刃具刀头等零部件；
6、医疗机械用零件：如牙矫形架、剪刀、镊子；
7、电气用零件：微型马达、传感器件；
8、机械用零件：如纺织机、卷边机、办公机械用零件等；
射成型制品的性能与成本分析
MIM工艺采用微米级细粉末，既能加速烧结收缩，有助于提高材料的力学性能，延长材料的疲劳寿命，又能改善耐、抗应力腐蚀及磁性能。

表1中列出一些MIM材料的基本性能。

材料密度g/cm3硬度拉伸强度MPa弯曲强度MPa延伸率%矫顽力(A/cm)铁基合金98Fe2Ni7.4187HRB552----5.5----92Fe8Ni7.5088HRB560----8----95.5Fe2NiCu0.5Mo7.4099HRB682----3.3----不锈钢3047.4242HRB520----20----3167.6042HRB520----20----硬质合金YG614.60--------1460----173YG814.50--------1680----124YT1510.45--------1140----117钨合金90%W17.90320HV30920----6----93%W18.30310HV30900----10----97%W18.50350HV30880----6----
注：*该数据为相对密度MIM工艺成本分析对于过硬，过脆难以切削的材料或几何形状复杂、铸造时原料有偏析或污染的零件，采用MIM工艺可大幅度节约成本。

以加工打字机印刷元件导杆为例，通常需14道能上能下上工序；而采用MIM工艺只需6道工序，可节约一半左右的成本。

当材料成本/制造成本的比率增加时，潜在的成本更能降低。

因此零件越小越复杂，经济效益将越好。

通过以上分析，可以看出MIM成型的潜力是很大的。

MIM技术的应用领域.
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。