材料加工新技术与新工艺-11-2

粉末注射成形技术由于采用了大量的黏结剂作为粉末 流动填充模腔的载体，所以可以像成形塑料那样制备出各 种任意形状的粉末冶金零部件，这是传统粉末冶金模压工 艺不可能达到的。
由于射成形是一种近净形成形工艺，产品基本上不需 要后续加工，有些需要几十道机加工工序才能完成的产品 采用PIM可以一次成形，制造成本相对较低。PIM技术还 可以实现零部件一体化。由于加工技术或者材料性能的原 因，有些部件采用传统技术制造时，需要加工成几个零件 来组装，有时几个零件的材料还不一样。
在零件达到同等力学性能和加工精度的前提下，温压 工艺的生产成本比现行热、冷机械加工工艺低50％~80%， 生产效率提高10~30倍。
温压成形因其成本低、密度高、模具寿命长、效率高、 工艺简单、易精密成形和可完全连续化、自动化等一系列 优点而受到关注，被认为是20世纪90年代粉末冶金零件致 密化技术的一项重大突破，被誉为“开创粉末冶金零件应 用新纪元的一项新型制造技术”。
第11章 粉末冶金新技术新工艺
§11.5 粉末注射成形技术
粉末注射成形(powder injection molding，简称 PIM)是将现代塑料注射 成形技术引入粉末冶金领 域而形成的一门近净形成 形新技术。
它的基本工艺过程如 图11-14所示。
粉末注射成形的基本工艺过程是：首先将固体粉末与 有机黏结剂均匀混合并制成粒状喂料，在加热状态下用注 射成形机将其注入模腔内冷凝成形，然后用化学溶解或热 分解的方法将成形坯中的黏结剂脱除，最后经烧结致密化 得到最终产品。
表11-2列举了一些已公开的黏结剂配方 ：
传统的黏结剂在热脱脂过程中，由于几乎是在成形坯内 外同时分解，脱脂速率极慢，往往需要数十小时甚至数天， 加快热脱脂速度往往会造成鼓泡和开裂等无法弥补的缺陷。 采用液／固或气／固界面反应脱脂(即溶剂脱脂和气相脱脂)， 可以使脱脂过程由外及里推进，可以有效地提高脱脂速率， 已成为黏结剂开发的主要发展方向。
由于水的价格低廉、无毒，有利于环保，开发水溶性黏 结剂体系是溶剂脱脂技术研究的重点。由德国BASF公司开发 的黏结剂及其催化脱脂技术是目前应用于工业化生产中最先 进的脱脂技术之一，并可为粉末注射成形厂家直接供应喂料 和提供后续生产工艺。德国CREMER公司已开发出了适应该 技术的连续脱脂和烧结一体化炉，该技术的脱脂速率可达到 1～4mm／h。
图11-16是一些典型的粉末往射成形产品的照片。
§11.6 温压成形技术
温压成形的基本工艺过程是：将专用金属或合金粉和 聚合物润滑剂混合后，采用特制的粉末加热系统、粉末输 送系统和模具加热系统，升温到75～150℃，压制成压坯， 再经预烧、烧结、整形等工序。
采用温压成形技术可获得密度高达7.2～7.5g／cm3的 铁基粉末冶金零件。
采用PIM技术则可以直接制成一个整体复合部件如图 11-15所示。
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由于注射成形的原料是以流态状均匀充填模腔，成形 坯粉术密度分布均匀，避免了粉 冶金模压工艺中由于模壁 摩擦压力损失所造成的成形坯密度分布不均匀问题，这样 可以大大减少烧结变形。此外，由于PIM技术所用的粉来 一般较细，产品烧结后可以达到很高的密度，因此，PIM 产品的力学性能一般优于粉末冶金模压和精密铸造产品。
低分子量组元黏度低，流动性好，易脱去；高分子量组 元黏度高，强度高，保证成形坯具有一定的强度。添加剂和 表面活性剂主要用以增强黏结刺的流动性和与粉末的相容性。 各组元以适当比例搭配以获得高的粉末装载量，最终得到高 精度和高均匀性的产品。
通常采用的黏结剂体系主要有：热塑性体系(石蜡基、汕 基和聚合物基)、热固性体系、热固-热塑性体系，凝胶体系 和水溶性体系等。表11-2列举了一些已公开的黏结剂配方。
该技术的最大特点是可以直接制造出具有最终形状的 零部件，产品不仅精度高、组织均匀、性能优异，而且生 产成本只有传统成形工艺的20％~60％。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，已成为国际上“当今最热门的零部件成形技术”。
粉末注射成形技术的原型起源于20世纪20年代，最早是 应用于制造陶瓷火花塞。第二次世界大战期间，在美国的曼 哈顿计划中，美国橡树岭国家实验室采用粉末注射成形方法 制备了用于原子弹核燃料铀同位素分离的镍管。1976年，第 一项金属粉末注射成形技术的专利授权给River。由于当时粉 末原料成本高、脱脂时间长、产品易变形等问题没有解决， 其发展非常缓慢。
直道1979年，美国Parmatech公司有两件PIM产品在国际 粉末冶金大会的产品设计大赛中获奖后，PIM技术才开始受 到粉术冶金界的关注。
20世纪80年代由于美国政府研究机构和大学的介入， 使研究工作向深层次发展，从完全凭经验进入到在一定理 论指导下工作，这一时期PIM技术得到了迅速的发展。这 一方面归于在流体力学和气体动力学研究成果基础上开发 出的超高压水雾化和高压惰性气体雾化技术的发展，使细 粉率大大提高，原材料成本下降。另一方面，在黏结剂设 计理论和脱脂机理等研究成果的指导下，新一代黏结剂及 其脱除技术的开发成功，不仅使原来的脱脂时间从数十小 时缩到几个小时，而且其保形性得到明显的改善，大规模 生产的产品的尺寸精度从±0.5％提高到了±0.3％。
温压成形的工艺路线如图11-17所示。
温压可以显著提高压坯密度的机理一般归于在加热状 态下粉末的屈服强度降低(如图11-18所示)和润滑剂作用增 强。
温压成形技术由 Hoeganaes公司于1994年 正式工业化应用，并推出 了Ancordense和Densemix 两种牌号的温压成形专用 粉末。在材料达到同等密 度的前提下，温压工艺的 生产成本比粉末锻造低75 ％，比复压／复烧低25％， 比渗铜低15％。
进入20世纪90年代，一方面，是PIM 工艺进一步改进， 新材料、新工艺不断涌现，另一方面，产业化发展非常迅 速。
黏结剂是PIM技术的核心，在PIM中黏结剂具有增强粉体 流动性和维持坯块形状的两个基本职能，此外它还应具有易 于脱除、无污染、无毒性、成本合理等特点。
黏结剂一般是由低分子量组元与高分子量组元加上一些 必要的添加剂和表面活性剂构成。