MIM技术(培训资料)

MIM技术培训资料
粉末冶金是将金属粉末制成产品的雏形，在通过烧结来实现产品的过程。

粉末冶金包含金属压制成型(PM)和金属注射成型(MIM)。

这里重点介绍粉末注射成型（MIM）
01、MIM概述
MIM即（Metal Injection Molding）是金属注射成型的简称。

是将金属粉末与粘结剂的增塑混合料注射于模型中的成形方法。

它是先将所选粉末与粘结剂进行混合，然后将混合料进行制粒再注射成形所需要的形状。

MIM流程结合了注塑成型设计的灵活性和精密金属的高强度和整体性，来实现极度复杂几何部件的低成本解决方案。

MIM流程分为四个独特加工步骤（混合造粒、注射成型、脱脂和烧结）来实现零部件的生产，针对产品特性决定是否需要进行表面处理。

▲MIM加工流程图
02、MIM生产工艺与应用概要
MIM制造流程一般包括：混料造粒、注塑成型、脱脂、烧结以及后续处理等。

（1）MIM工艺主要技术特点：
1）适合各种粉末材料的成形，产品应用十分广泛；2）原材料利用率高，生产自动化程度高，适合连续大批量生产。

3）能直接成形几何形状复杂的小型零件（0.03g～200g）；4）零件尺寸精度高（±0.01%～±0.5%），表面光洁度好（粗糙度1～5μm）；5）产品相对密度高（95～98%），组织均匀，性能优异；
（2）MIM的应用极其广泛，包括日常生活用品，诸如汽车、航空航天工业、军工业、手机、手表、医疗、家用器具、照相机及装有MIM零件的电动工具等。

MIM技术可适用于任何能制成粉末的材料，目前应用的MIM材料体系主要有：
不锈钢、铁基合金、磁性材料、钨合金、硬质合金、精细陶瓷等系列。

03、MIM与其他加工工艺的比较
（1）MIM与传统的粉末冶金（PM）的比较
（2）MIM与精密铸造的比较
压铸和精密铸造是可以成形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。

04、MIM粘结剂
MIM工艺，离不开粘结剂，目前行业应用的粘结剂有多种：
常见MIM粘结剂主要成份
由于各个厂家生产工艺不一样，所以所用的粘结剂成分也不一样。

常见MIM表面活化剂和成形添加剂
粘结剂不同类型，各有差异，因此在MIM成型过程的不同环节会有不同的特性，下面我们从塑料基、蜡基粘结剂入手，分析粘结剂在混炼、注塑、脱脂和烧结制程上的差异：
混炼阶段：
注塑阶段：
脱脂阶段：
烧结阶段：
05 MIM全制程各工序成本分析
降低成本的主要方向有：
1）自己配料、混炼得到喂料，但技术壁垒较高；2）提高产品的良品率，最大限度的利用喂料；3）改进工艺诱导粘结剂加速脱除，可能会大幅度降低烧结成本；4）加强培训，培养一支经验丰富、工作熟练的员工队伍，以减少员工数量。

（原因是，后处理包括：喷砂、去披锋、整形和检测，大部分为人工检测。

人工检测占很大的费用比例）
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。

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。

MIM加工工序较长，能加工的材料众多，在实际生产中，如果通过科学的分析能知道哪几个工序成本最高，对这些工序重点改进以提高效率、良率，就能有效增加利润，从而提高企业自身的竞争力，尤其在当下中国经济进入新常态下的形势下，对企业显得尤为重要。

通常，最耗成本的地方是：喂料、烧结、后处理。

优化生产工艺、标准化作业、回收废料等措施节省成本。

第二部分：注射和烧结工艺详解
（一）粉末混合操作规程
1.粉末的保存：必须在干燥，阴凉、通风处；粉末包装必须完好密闭，防止吸潮变重，
影响配料时称取重量，粉末应放在装有去湿机的千燥房内。

2.配料前的准备
①混合所用的原辅材料应符合所规定的技术标准要求,经检验员检验合格,盖章后方可
使用。

②辅料(添加剂)必须按当天用量领取,使用余下的辅料仍应放在装有去湿机的干燥房
内。

③混料机、配料筒、盛粉筒必须清理干净,不允许有积粉、铁锈、杂物等。

④混料工在每次称量前,应对所使用的称量器具校正零位,并保证称量器具的清洁。

3.配料操作
①混料工应按所用原材料(铁粉等)的氧含量,确定配用石墨的量。

按“粉末混合工序
卡”或“混合粉重量配比表”进行配料。

②混料工应认真检查配料所用的称量器具精度是否符合工序卡要求,对过了有效期的
器具应送计量室鉴定。

③各种称量好的原辅材料用量,应有检验员复验,严防差错。

混料工应正确填写混料记
录。

3.混料操作
①混料工应严格按工序卡上规定的混料方法及时间操作。

②在混料过程中，混料机旁必须放置与混合粉一致的粉号牌。

③在装料及存放混合粉的过程中,禁止使用风扇对着吹,以免混合粉成分比例失调。

④混合粉装入容器后,应加盖密封。

容器外应挂上粉号牌。

粉号牌上应标明:粉号、
批号。

⑤混料必须严格按照工艺规定时间，不能小于工艺时间。

（二）注射工艺及其设备：
一、注射注意事项：首件关注注射坯密度，严格按照工艺卡片设定的密度，在密度合格的前提下，通过测量单重来保证注射过程的稳定；过程按照每二小时检测密度一次，连续生产中，新加混料后需要重新测量密度。

如果密度与加粉前相差较大，通过调整注射工艺来保持加粉前后密度一致。

密度的高低会影响到烧结坯的尺寸。

影响产品的密度的几个因素：粉末的粒度、混料的均匀性，注射枪的温度，模具温度。

二、注射工艺（略）
（三）烧结工艺及其设备
烧结是粉末冶金最基本的工序之- ,对粉末冶金零件最终的物理和力学性能起着决定性的作烧结是.种高温热处理,涉及到烧结炉、烧结气钒烧结条件的选择和控制等方面的知识,因此烧结是-一个非常复杂的过程。

同时,烧结又是能源消耗大、设备投资高产品质量特性不能充分测定的特殊工序,所以它是影响粉末冶金零件质量和成本最重要的环节之一。

烧结工序非常关键必须严格把关,确保烧结零件的质量。

因此，操作人员需要进行专门的技能培训。

全面了解和掌握烧结的基本原理,烧结工艺(如材料温度、时间烧结气氛环境等),烧结“气氛的作用,以及影响烧结产品质量的因素等方面的知识,以便熟练掌握娆结操作技能和提高分析问题的能力。

第二节基本概念
(一)烧结的定义及其目的
1.烧结的定义
烧结是将粉末或注射坯在低于主要组分熔点的温度下进行的热处理。

目的是使粉末颗粒间产生冶金结合,即使粉末颗粒之间由机械啮合转变成原子之间的晶界结合。

粉末冶金材料在压制和烧结两种情况下的结合状态如图7-1所示。

2.烧结的目的
由注射所获得的毛坯虽然有了机械零件的外形和尺寸,但是它的强度非常低,无法满足使用的要求。

由图7-1a可知,注射坯只是粉末颗粒界面接触的混合体，而非真正意义上原子结合的材料。

因此必须要通过烧结,使压坯成为冶金意义上的材料,赋予粉末冶金零件所需要的力学性能和物理性能。

(二)烧结的要求
粉末冶金机械零件为达到设计和使用要求,烧结是关键工艺。

通过烧结的零件必须达到如下要求:
1.尺寸和形状的精度要求
由于注射坯密度分布不均匀以及炉子温度的不均匀，烧结体还会发生变形，因此通过烧结，烧结产品的尺寸和形状会发生变化。

这就需要严格的控制烧结条件,才能保证绕结产品的尺寸和形状精度要求。

2.密度的要求
在烧结中，由于发生了粉末颗粒之间的烧结,以及烧结产品的收缩或膨胀,因此烧结产品的密度、孔隙度和孔隙连通状态会发生变化。

相对密度和孔隙度表征粉末冶金零件密度的高低，作为自润滑的粉末冶金含油轴承还有连通孔隙的要求。

3. 组织结构的要求
粉末冶金零件与其他材料一样,其内在性能取决于组织结构。

表征粉末冶金零件的组织结
构因子的有:晶粒度.相结构、相的分布、合金成分的分布以及孔隙度、孔隙大小和孔腺形状。

粉末冶金零件组织结构的形成和变化主要发生在烧结过程中。

4.力学性能和物理性能的要求
最终的烧结零件要达到所需要的力学性能和物理性能。

力学性能包括强度硬度、伸长率和冲击韧性等;物理性能包括密度导电性导热性和磁性等。

第三节烧结基本原理
(一)烧结过程
图7-3是粉末的烧结过程示意图。

图7-3a是烧结前压坯中粉末的接触状态,从图7-1a我们已经了解到,这种结合只是机械结合，粉末颗粒的界面仍然可以区分并可以分离。

图7-3b 是烧结时的状态,这时粉末颗粒接触点的结合状态发生了转变,即如图7-1b所示的冶金结合,颗粒界面为晶界面所取代。

随着烧结的进行,结合面增加,直至颗粒界面完全转变成晶界面,最后成为图7-3c所示的状态。

从粉末颗粒的烧结过程,我们还可以观察到，颗粒之间的孔隙由不规则的形状转变成球形的孔隙。

第四节真空烧结工艺
一、真空烧结工艺及其操作规程
(一)真空烧结工艺的制定
粉末冶金零件烧结工艺的制定,是根据零件的材料.密度、性能等要求,确定工艺条件及各项参数。

烧结工艺参数包括两个方面:①烧结温度、保温时间、加热和冷却速度;②合适的烧结气氛并控制气氛中各成分的比例。

烧结气氛气体,应控制其中的CO2/CO比、H2O/H2比等。

粉末冶金零件压坯完成一-次烧结需要不同的温度和时间。

通常,烧结分3个阶段,分别是预烧、烧结和冷却。

第一部分、预烧
在为了保证润滑剂的充分排除以及氧化膜的彻底还原,预烧应有一定的时间,其时间长
短视润滑剂的添加量以及压坯的大小而定。

1.真空度的概念
所谓真空是指其压力较常压小的任一气态空间。

_般用“真空度”来衡量所获得的真空状态，所表示的是气体的稀薄程度,也就是气体压强的高低。

因此真空度的单位也就是压强单位,压强愈低表示真空度愈高。

真空度有以下，几种表示方法。

①mmHg即毫米汞柱,是指0心时,1 mmHg作用在单位面积上的力。

纯Hg在0C时的密度为13.591g/cm3 ,所以1 mmHg=13. 591g/cm3.一个标准大气压为760mmHg.
②Torr即乇,1Torr= 1/760标准大气压= 1mmHg.③Pa即
帕,1Pa= 1N/m2 ,1Torr= 1332Pa。

其中①和②为非法定计量单位,应换算为第③种表示方法。

真空度划分为3个等级:低真空度133~1. 33Pa(10~ 10-2Torr)
中等真空 1. 33~0.0133Pa(10-2~10-4 Torr)
高真空度1. 33X(10-3~10-5)Pa(10-5~10-7Torr)
2.真空度的获得和测量
粉末冶金真空烧结炉都配有真空系统。

依据真空度的要求,低真空度的真空系统由单一的机械泵组成,中等真空度的真空系统由机械泵和罗茨泵组成,高真空度的真空系统由机械泵、罗茨泵和扩散泵组成。

真空的测量可以采用:
①真空压力表,测量范围:0~760mmHg;
②麦式真空计,测量范围:10-1~10-5Torr;
③热偶电离复式真空计,测量范围:10-5Torr以下。

3.真空烧结的特点
(1)真空烧结的优点
①有保护气氛的作用。

可以用作保护气氛的有H2、Ar、N2等体,0.133Pa( 10-3 mmHg)的真空度相当于纯度为99.998%的Ar气,而获得纯度如此高的Ar气非常困难,而获得10-1Pa 的真空度却非常容易。

而且在使用过程中炉子和烧结体中含有大量的吸附水,若使用保护气氛,其纯度会大大降低,而真空(负压)可以不断地将这些水分抽出,因此可以消除这些水分的有害作用。

②有还原性作用。

很多金属的烧结需要纯度很高的还原性气体,如镍、铬.钛.错等金属表面的氧化物需要很纯的H2(水含量不得大于- 40C的露点)才能被还原,这一要求很难达到。

而-40C 的露点相当于真空10-2Pa,却很容易达到。

而且,在真空中各种金属氧化物的饱和蒸气压低,可以促使氧化物的分解和排除。

③脱气作用。

烧结体中吸附的气体、水分和溶解的低熔点杂质在烧结过程中很容易通过真空泵抽出排除。

④促进液相对固相的润湿。

很多金属零件烧结体系的测定表明,在真空下液相对固相的润湿角最小,因此真空烧结可以促进液相的烧结作用。

⑤活化烧结。

在烧结体系中如果存在氢化物、卤化物和易还原的金属氧化物,在真空中这些物质很容易分解,所获得的金属具有很强的活性,所以可起到活化烧结的作用。

⑥适用于忌避气体作保护气体的场合。

由于钛、镍锆等金属和H2、N2等气体发生反应,故必须忌避使用这些气体作为保护气氛而改用真空烧结。

(2)真空烧结的缺点
蒸气压过高的金属不能采用高的真空度,否则会造成金属的损失。

真空烧结难实现自动化连续生产,对炉子的气密性要求高,所以炉子造价高。

4、真空烧结工艺
真空烧结目前多为间歇式的烧结。

烧结零件随炉升脱润滑剂烧结冷却温烧结和冷却。

烧结过程中产品的位置不发生变化,因或成形剂 I此烧结的各个阶段只能通过调节升温速度、温度和时间 D|来进行。

因此必须要按照烧结要求进行设定,一般可采用图7-22所示的升温曲线:
1.脱脂阶段时间
第一阶段是脱润滑剂或成形剂阶段也可称为预烧阶图7-22真空烧结的升温曲线段。

在这一阶段应缓慢升温,不管是润滑剂还是成形剂的分解温度多为300C左右,所以在300C左右升温应尽量缓慢,并有足够长的时间以使润滑剂脱除干净。

第一阶段在某一温度要保温- -段时间,其目的:一是使润滑剂充分排除,二是进行自身的氧化还原反应。

如烧结零件中含有碳,在700C以上将会发生碳氧反应。

第-阶段所需要的时间视零件润滑剂加入量的高低和零件的大小而定。

通过第-阶段的预烧应使润滑剂或成形剂分解气体以及氧气充分排除。

这些气体是否充分排除可以通过真空度来观察,若真空度稳定在某一值下，则说明已经排除。

2.烧结阶段
烧结阶段设定的温度即是烧结所需要的温度。

由于真空烧结具有活化烧结的作用，其烧结温度比气氛烧结要低50~100C。

如果是进行液相烧结,烧结温度应指定在比液相金属熔点稍高的温度。

在这一阶段将发生粉末颗粒之间的烧结以及合金元素之间的合金化。

同时这一
阶段不应采用过高的真空度,因为真空度越高,液体金属损失越大。

为了减少金属的挥发损失,烧结中往往充入某些气体,如氮气、氩气和氢气等。

3.冷却阶段
真空烧结的冷却有直接断电冷却或阶段式降低电流的冷却,这视冷却要求而定。

由于是随炉冷却,与气氛烧结相比冷却速度较慢。

充入保护性气体,则可以提高冷却速度。

二、真空烧结的应用
由于真空烧结具有很多的优点,现在越来越多的粉末冶金零件采用真空烧结。

除了硬质合金广泛的采用真空烧结外,像粉末不锈钢高速钢磁性材料、难熔金属也越来越多的采用真空烧结。

因为上述材料中含有很多活性元素,如铬、钛、钒等。

这些元素的金属氧化物难于用
H2和CO还原。

而采用真空烧结可以利用真空下氧化物分解压低的特点以及自身的碳氧反应的脱氧能力,因此真空烧结可以提高烧结零件的性能。

1.不锈钢的烧结
真空烧结奥氏体不锈钢，可以避免气氛烧结中的碳、氮、氧对烧结零件的污染,从而提高材料的耐腐蚀性能以及力学性能。

不锈钢真空烧结的温度在1200℃左右。

如合金中添加有硅和硼,在烧结中会有液相出现,有利于烧结体的致密化，据研究添加5%Si在1300℃进行烧结可以大幅度提高烧结零件的密度。

添加硼在1161℃会发生共晶反应FerB+Fe- L,产生液相，有利于烧结致密化,其作用比硅大，可以达到完全致密。

但真空烧结液相存在有缺点，即金属易蒸发损失尤其是低熔点金属,这可以在高温阶段充入某些气体降低真空度,来减少金属挥发的损失。

（三）烧结气氛对产品的影响
粉末冶金零件的烧结，大多数采用保护气氛，以防止烧结时的氧化、还原金属氧化物，维持烧结零件的成分或增加某一成分。

因此烧结气氛关系关系到烧结能否顺利进行和烧结零件的质量。

一、烧结气氛的作用和分类
（一）烧结气氛的作用
①有利于润滑剂的快速排除并防止润滑剂排出物污染炉子
②防止烧结产品的氧化，并将氧化物还原，从而保证产品烧结的进行。

③避免脱碳和渗碳，保持烧结零件中的碳含量。

④避免冷却过程发生氧化。