金粉末注射成形工艺
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金属粉末注射成形 -MIM工艺、设计
浙江一火科技股份有限公司 研发中心 张怀龙
金属成形工艺
金属成形制 程
第五代的金属成形工艺
Powder Metallurgy 粉末冶金
Pressure Molding, PM 粉末压结成形法
Powder Injection Molding, PIM 粉末注射成形法
材料 成本 模具排布 分型线 模具 浇口/充填 脱模 工艺流程
生产工艺
关键控制点
1.6倍梭架
• • • • • • • • • • • • • • 应用：工业缝纫机 功能要求：形位尺寸满足后续加工、装配；表面耐磨且基体韧性良好； 整体尺寸：φ32*15.7mm 零件质量；12.1 材质：MIM4605（改） 关键特性： 1、表面硬度高，基体韧性好；满足高速旋转耐磨和强度要求； 2、形位尺寸精度要求高； MIM成形难点： 1、变形 镂空的外形，注射应力和烧结收缩不一致会导致产品变形较大，需要多道精整保证质 量一致性； 2、注射成形缺陷 产品为运动结构件，对内部缺陷敏感，成形缺陷位置易断裂； 3、模具 外观要求不可见顶针印，采用整体顶出方式；模具材质选择，结构设计难以保证模具 寿命，模具成本高
手术刀柄
• • • • • • • • • • • • • 应用：医疗器械 功能要求：外观件；装配无问题； 整体尺寸：127*11.4*5.4mm 零件质量；34g 材质：17-4PH不锈钢 关键特性： 1、产品细长； 2、手持外观面，对外观要求较高； MIM成形难点： 1、变形 无烧结支撑面，烧结变形大；17-4PH不锈钢材质强度高，后续精整矫正困难； 2、装配尺寸一致性 头部要装配手术刀片，需顺滑；变形大，尺寸稳定性不好可能导致装配不畅； 3、外观
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微细粉末
左图为德国BASF出品的羰基铁粉 (Carbonyl iron powder), 这是 一种利用高温通过CO以及后续加 热得到的铁粉，球状的粉铁像一 层层的壳状包附，类似糖果般。 这样的粉体非常适合固态烧结作 业。 左图为MIM常用的两种粉体， 圆形和不规则形状，根据制 程的特性，圆形粉末的费用 较高，也具有比较好的堆积 率；多角状的粉体则必须有 技巧的使用，方可得到比较 好的烧结体密度，也具有好 的保形性(Conformal)
MIM工艺适用材料范围
类型
低合金钢 20CrMo
奥氏体
材质
Fe-2Ni, Fe8Ni 高强度
特性
应用
结构件，凹凸轮
SUS – 304 SUS – 316 / 316L
耐腐蚀
眼镜、手表零件、装饰件、锁具
不锈钢
奥氏体
310S SUS – 630 (17 – 4 PH) SUS – 420J2/440C
±0.05
±0.06 ±0.08 ±0.15 ±0.25 ±0.5 ±0.12 ±0.15
最小壁厚
最大壁厚 ±0.20 ±0.30
2mm
无限制 ±0.2mm
0.3mm
30mm ±0.75mm
14mm直径孔 的公差 表面粗糙度Ra
5um
4-20um
MIM工艺-可制造性分析
关键点 项目 说明
尺寸公差
特征 产品
• 质量小于100g；
• 烧结支撑面是平面； • 订单量大，批次订单量50000件以上。
典型尺寸公差与成形能力对比
金属注射成形 公称尺寸 一般
精密铸造
特征 最小孔孔径 2mm直径盲孔 最大深度
精密铸造 2mm 2mm
金属注射成形 0.4mm 20mm
＜3
3-6 6-15 15-30 30-60 ＞60
MIM工艺流程
MIM工艺特点
• 微细粉末 – 粉末粒度D90小于40um – 粉末粒度分布窄 高体积比例的粘结剂 – 粘结剂体积占比高达45% – 多种粘结剂体系，满足不同的成形特性要求 – 喂料，金属粉末与粘结剂混炼制得 高速率成形 – 模具精度高 – 专用注塑成型机 烧结技术 – 固相烧结/液相烧结 – 不同类型的烧结设备 – 金属相图 – 材料科学知识
方法
热 （一段脱脂） 溶剂 （二段脱脂）
脱脂时间
生坯厚度<10mm, 16 ~ 22 hr 生坯厚度<10mm, 4 ~ 8 hr (第二段热脱需要约6小时追加) 1mm of a Green Part /hr , (第二段热脱需要约6小时追加)
介质
真空 溶剂 硝酸
催化 （二段脱脂）
MIM工艺主要设备
密炼机 金属粉末和有机粘结剂混合均匀
批次脱脂炉 塑基注射生坯催化脱脂使用
造粒机 混炼好的喂料破碎制成均匀的 小颗粒
脱脂真空烧结一体路 在真空环境中，控制炉内特定压力、流量 （3-30kPa）的惰性气氛，脱脂后MIM生坯 进一步热脱脂并进行烧结收缩
注塑机 喂料通过注塑机注入成形模具中， 制得预定形状的生坯
• 金属材料熔点高，高于1100℃以上，如铁、镍、钛、钴、铜、钨、钼基合金；材料切 削加工困难；
• 零件结构设计复杂，难以用冲压、精密冲裁、冷镦、车加工或传统粉末冶金成形；
• 结构或微小特征难以用铸造成形；（印花、logo） • 尺寸精度采用标准的注塑模具和MIM工艺可达成，如果需要可以采用二次加工；一般 可达成GB1804-2011 线性尺寸公差M级要求。 • 较高的表面外观要求，MIM零件表面粗糙度一般可达到Ra3.2um，可后续处理； • 壁厚大于0.2mm，小于8mm；壁厚逐渐变化； • 尺寸小于100mm，长径比不大于10；
Metal –powder Injection Molding, MIM 金属粉末注射成形
Ceramic –powder Injection Molding, CIM 陶瓷粉末注射成形 Cermet –powder Injection Molding, Co-MIM 陶瓷-金属粉末注射成形
MIM工艺优势
步进梁连续脱脂烧结炉 惰性或氢气气氛正压环境下连续脱脂烧结
MIM-催化脱脂工艺流程
金属粉末与粘结剂
剪切力下混炼注射用喂料
造粒后的喂料
Brown part 棕坯
Green part 生坯
热脱脂与烧结
催化脱脂
注射成形
烧结零件
喂料混炼
密炼机中加热至170-200℃，在 强力的Z形搅拌轴作用下通过剪 切力进行混炼
尺寸大小、公差精度
壁厚、烧结支撑、螺纹孔、装配面
材料性能
外观要求 后处理要求 材料选择
硬度、强度、耐蚀性、疲劳寿命、功能特性
外观面 机加工、抛光、电镀、PVD、烤漆、喷砂 一般客户指定，推荐MPIF-35 容易获得，低成本 1出1,2,4，8……?不推荐更多，不均匀 分型线位置，披锋毛刺容易控制 浇口位置、形状、大小，熔接线位置，黑纹 拔模斜度/倒扣/顶针 考虑工艺局限性，增加整形、机加工、后处理工序，从技 术要求、产品质量、工序成本等几方面进行综合考虑。 过程控制特性，CPK要求
表壳
• • • • • • • • • • • • • • 应用：智能手表表壳 功能要求：后续加工尺寸一致性；外观件； 整体尺寸：32*22*8.2mm 零件质量；11g 材质：316L不锈钢 关键特性： 1、加工尺寸一致性和批次稳定性； 2、外观件； MIM成形难点： 1、变形 悬空烧结，增加烧结支撑面；改善原料保形性；后续精整矫正； 2、尺寸一致性 后续NC加工对MIM素材尺寸稳定性和一致性要求高； 3、外观 电子产品外观件要求高，过程控制尽量减少注塑、烧结、整形产品不良，外观良率低。
粘结剂 配方比例 金属粉末
典型的混炼后的喂料，类似于面团 挤出机、风刀作用下制成颗粒状
MIM工艺—注射生坯脱脂
生坯
棕坯
只有二阶段的溶剂脱黏 和酸化脱黏才有此坯体
Initial
Middle
Final
De-binding stage 1. Binder be removed after de-binding stage. “Brown” This is to say the traditional powder metallurgy. (Color of oxide iron powder) 2. After de-binding, the brown part like a foam sponge with a lot of internal channels. 3. Air and/or nitrogen remaining in these channels.
真空烧结
14
金属注射成形之烧结致密化过程
尺寸收缩从（ 1.165、1.216）到1wenku.baidu.com
脱脂坯
烧结坯
松散的 粉末堆 积体
Necking
残留闭 孔的烧 结坯 闭孔
A closed pore with gas from sintering atmosphere.
金属粉末成形零件设计
适合MIM工艺的金属零件特点
自锁托槽
• • • • • • • • • • • • • • • 应用：医疗器械牙齿矫正器 功能要求：容易组装，不能打滑、卡滞；耐腐蚀； 整体尺寸：2.8*3.8*3.4mm 零件质量；0.12g 材质：17-4PH不锈钢 关键特性： 1、零件装配尺寸； 2、实用转配功能尺寸；外观； 3、材料性能要求； MIM成形难点： 1、变形 1套成品40个产品，生产可控的冗余度小；需要成套交货。 2、后续处理 医疗器械产品，对装配尺寸、外观和性能要求高； 3、模具 产品尺寸小，结构复杂，模具上有很多小零件碰穿；模具设计和制作困难。
马氏体
工具钢 磁性材料 高比重合金 硬质合金 特殊合金
MIM工艺分类-根据脱脂方式不同
脱脂方式 脱脂环境 有机溶剂 溶剂脱脂 水 硝酸气体 热气氛下进行脱脂 真空 加热(25~600C) 热脱脂 脱脂工艺 浸泡在溶剂中并加热 (50~70) 浸泡在溶剂中并加热 (40~50) 暴露于硝酸气体中并加热 (120~170C) 名称 萃取脱脂 水解脱脂 催化脱脂
• 医疗器械外观件要求高，表面有字符，后续表面只喷砂处理，外观不良难以弥补。过 程控制尽量减少注塑、烧结、整形产品不良。
转轴
• • • • • • • • • • • • • • 应用：笔电 功能要求：疲劳测试；扭力强度；装配尺寸； 整体尺寸：51.3*11*5mm 零件质量；3.6g 材质：Fe8Ni 关键特性： 1、尺寸一致性和批次稳定性； 2、结构件，内部缺陷控制，强度和疲劳测试，不能断裂； MIM成形难点： 1、变形 支撑烧结，仿形烧结支撑面；注塑应力释放会有变形；增加1道精校整形。 2、尺寸一致性 装配检具对尺寸稳定性和一致性要求高； 3、疲劳强度 过程控制尽量减少注塑缺陷、杂质，避免内部缺陷，提高疲劳强度。
M2 Fe3Si，Fe50Ni WNiCu，WNiFe WC-Co,YG3,YG6 钛合金、高温合金等
耐热耐腐蚀 防腐蚀 高强度
高强度 高饱和磁感应强度，高 磁导率 高密度、高硬度 高硬、耐磨
涡轮发动机叶片
轴、套筒、手机结构件、医疗器 械 耐磨工具,凹凸轮与特用螺丝 电动工具、无人机 手机震子 刀片
浙江一火科技股份有限公司 研发中心 张怀龙
金属成形工艺
金属成形制 程
第五代的金属成形工艺
Powder Metallurgy 粉末冶金
Pressure Molding, PM 粉末压结成形法
Powder Injection Molding, PIM 粉末注射成形法
材料 成本 模具排布 分型线 模具 浇口/充填 脱模 工艺流程
生产工艺
关键控制点
1.6倍梭架
• • • • • • • • • • • • • • 应用：工业缝纫机 功能要求：形位尺寸满足后续加工、装配；表面耐磨且基体韧性良好； 整体尺寸：φ32*15.7mm 零件质量；12.1 材质：MIM4605（改） 关键特性： 1、表面硬度高，基体韧性好；满足高速旋转耐磨和强度要求； 2、形位尺寸精度要求高； MIM成形难点： 1、变形 镂空的外形，注射应力和烧结收缩不一致会导致产品变形较大，需要多道精整保证质 量一致性； 2、注射成形缺陷 产品为运动结构件，对内部缺陷敏感，成形缺陷位置易断裂； 3、模具 外观要求不可见顶针印，采用整体顶出方式；模具材质选择，结构设计难以保证模具 寿命，模具成本高
手术刀柄
• • • • • • • • • • • • • 应用：医疗器械 功能要求：外观件；装配无问题； 整体尺寸：127*11.4*5.4mm 零件质量；34g 材质：17-4PH不锈钢 关键特性： 1、产品细长； 2、手持外观面，对外观要求较高； MIM成形难点： 1、变形 无烧结支撑面，烧结变形大；17-4PH不锈钢材质强度高，后续精整矫正困难； 2、装配尺寸一致性 头部要装配手术刀片，需顺滑；变形大，尺寸稳定性不好可能导致装配不畅； 3、外观
Thanks!
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微细粉末
左图为德国BASF出品的羰基铁粉 (Carbonyl iron powder), 这是 一种利用高温通过CO以及后续加 热得到的铁粉，球状的粉铁像一 层层的壳状包附，类似糖果般。 这样的粉体非常适合固态烧结作 业。 左图为MIM常用的两种粉体， 圆形和不规则形状，根据制 程的特性，圆形粉末的费用 较高，也具有比较好的堆积 率；多角状的粉体则必须有 技巧的使用，方可得到比较 好的烧结体密度，也具有好 的保形性(Conformal)
MIM工艺适用材料范围
类型
低合金钢 20CrMo
奥氏体
材质
Fe-2Ni, Fe8Ni 高强度
特性
应用
结构件，凹凸轮
SUS – 304 SUS – 316 / 316L
耐腐蚀
眼镜、手表零件、装饰件、锁具
不锈钢
奥氏体
310S SUS – 630 (17 – 4 PH) SUS – 420J2/440C
±0.05
±0.06 ±0.08 ±0.15 ±0.25 ±0.5 ±0.12 ±0.15
最小壁厚
最大壁厚 ±0.20 ±0.30
2mm
无限制 ±0.2mm
0.3mm
30mm ±0.75mm
14mm直径孔 的公差 表面粗糙度Ra
5um
4-20um
MIM工艺-可制造性分析
关键点 项目 说明
尺寸公差
特征 产品
• 质量小于100g；
• 烧结支撑面是平面； • 订单量大，批次订单量50000件以上。
典型尺寸公差与成形能力对比
金属注射成形 公称尺寸 一般
精密铸造
特征 最小孔孔径 2mm直径盲孔 最大深度
精密铸造 2mm 2mm
金属注射成形 0.4mm 20mm
＜3
3-6 6-15 15-30 30-60 ＞60
MIM工艺流程
MIM工艺特点
• 微细粉末 – 粉末粒度D90小于40um – 粉末粒度分布窄 高体积比例的粘结剂 – 粘结剂体积占比高达45% – 多种粘结剂体系，满足不同的成形特性要求 – 喂料，金属粉末与粘结剂混炼制得 高速率成形 – 模具精度高 – 专用注塑成型机 烧结技术 – 固相烧结/液相烧结 – 不同类型的烧结设备 – 金属相图 – 材料科学知识
方法
热 （一段脱脂） 溶剂 （二段脱脂）
脱脂时间
生坯厚度<10mm, 16 ~ 22 hr 生坯厚度<10mm, 4 ~ 8 hr (第二段热脱需要约6小时追加) 1mm of a Green Part /hr , (第二段热脱需要约6小时追加)
介质
真空 溶剂 硝酸
催化 （二段脱脂）
MIM工艺主要设备
密炼机 金属粉末和有机粘结剂混合均匀
批次脱脂炉 塑基注射生坯催化脱脂使用
造粒机 混炼好的喂料破碎制成均匀的 小颗粒
脱脂真空烧结一体路 在真空环境中，控制炉内特定压力、流量 （3-30kPa）的惰性气氛，脱脂后MIM生坯 进一步热脱脂并进行烧结收缩
注塑机 喂料通过注塑机注入成形模具中， 制得预定形状的生坯
• 金属材料熔点高，高于1100℃以上，如铁、镍、钛、钴、铜、钨、钼基合金；材料切 削加工困难；
• 零件结构设计复杂，难以用冲压、精密冲裁、冷镦、车加工或传统粉末冶金成形；
• 结构或微小特征难以用铸造成形；（印花、logo） • 尺寸精度采用标准的注塑模具和MIM工艺可达成，如果需要可以采用二次加工；一般 可达成GB1804-2011 线性尺寸公差M级要求。 • 较高的表面外观要求，MIM零件表面粗糙度一般可达到Ra3.2um，可后续处理； • 壁厚大于0.2mm，小于8mm；壁厚逐渐变化； • 尺寸小于100mm，长径比不大于10；
Metal –powder Injection Molding, MIM 金属粉末注射成形
Ceramic –powder Injection Molding, CIM 陶瓷粉末注射成形 Cermet –powder Injection Molding, Co-MIM 陶瓷-金属粉末注射成形
MIM工艺优势
步进梁连续脱脂烧结炉 惰性或氢气气氛正压环境下连续脱脂烧结
MIM-催化脱脂工艺流程
金属粉末与粘结剂
剪切力下混炼注射用喂料
造粒后的喂料
Brown part 棕坯
Green part 生坯
热脱脂与烧结
催化脱脂
注射成形
烧结零件
喂料混炼
密炼机中加热至170-200℃，在 强力的Z形搅拌轴作用下通过剪 切力进行混炼
尺寸大小、公差精度
壁厚、烧结支撑、螺纹孔、装配面
材料性能
外观要求 后处理要求 材料选择
硬度、强度、耐蚀性、疲劳寿命、功能特性
外观面 机加工、抛光、电镀、PVD、烤漆、喷砂 一般客户指定，推荐MPIF-35 容易获得，低成本 1出1,2,4，8……?不推荐更多，不均匀 分型线位置，披锋毛刺容易控制 浇口位置、形状、大小，熔接线位置，黑纹 拔模斜度/倒扣/顶针 考虑工艺局限性，增加整形、机加工、后处理工序，从技 术要求、产品质量、工序成本等几方面进行综合考虑。 过程控制特性，CPK要求
表壳
• • • • • • • • • • • • • • 应用：智能手表表壳 功能要求：后续加工尺寸一致性；外观件； 整体尺寸：32*22*8.2mm 零件质量；11g 材质：316L不锈钢 关键特性： 1、加工尺寸一致性和批次稳定性； 2、外观件； MIM成形难点： 1、变形 悬空烧结，增加烧结支撑面；改善原料保形性；后续精整矫正； 2、尺寸一致性 后续NC加工对MIM素材尺寸稳定性和一致性要求高； 3、外观 电子产品外观件要求高，过程控制尽量减少注塑、烧结、整形产品不良，外观良率低。
粘结剂 配方比例 金属粉末
典型的混炼后的喂料，类似于面团 挤出机、风刀作用下制成颗粒状
MIM工艺—注射生坯脱脂
生坯
棕坯
只有二阶段的溶剂脱黏 和酸化脱黏才有此坯体
Initial
Middle
Final
De-binding stage 1. Binder be removed after de-binding stage. “Brown” This is to say the traditional powder metallurgy. (Color of oxide iron powder) 2. After de-binding, the brown part like a foam sponge with a lot of internal channels. 3. Air and/or nitrogen remaining in these channels.
真空烧结
14
金属注射成形之烧结致密化过程
尺寸收缩从（ 1.165、1.216）到1wenku.baidu.com
脱脂坯
烧结坯
松散的 粉末堆 积体
Necking
残留闭 孔的烧 结坯 闭孔
A closed pore with gas from sintering atmosphere.
金属粉末成形零件设计
适合MIM工艺的金属零件特点
自锁托槽
• • • • • • • • • • • • • • • 应用：医疗器械牙齿矫正器 功能要求：容易组装，不能打滑、卡滞；耐腐蚀； 整体尺寸：2.8*3.8*3.4mm 零件质量；0.12g 材质：17-4PH不锈钢 关键特性： 1、零件装配尺寸； 2、实用转配功能尺寸；外观； 3、材料性能要求； MIM成形难点： 1、变形 1套成品40个产品，生产可控的冗余度小；需要成套交货。 2、后续处理 医疗器械产品，对装配尺寸、外观和性能要求高； 3、模具 产品尺寸小，结构复杂，模具上有很多小零件碰穿；模具设计和制作困难。
马氏体
工具钢 磁性材料 高比重合金 硬质合金 特殊合金
MIM工艺分类-根据脱脂方式不同
脱脂方式 脱脂环境 有机溶剂 溶剂脱脂 水 硝酸气体 热气氛下进行脱脂 真空 加热(25~600C) 热脱脂 脱脂工艺 浸泡在溶剂中并加热 (50~70) 浸泡在溶剂中并加热 (40~50) 暴露于硝酸气体中并加热 (120~170C) 名称 萃取脱脂 水解脱脂 催化脱脂
• 医疗器械外观件要求高，表面有字符，后续表面只喷砂处理，外观不良难以弥补。过 程控制尽量减少注塑、烧结、整形产品不良。
转轴
• • • • • • • • • • • • • • 应用：笔电 功能要求：疲劳测试；扭力强度；装配尺寸； 整体尺寸：51.3*11*5mm 零件质量；3.6g 材质：Fe8Ni 关键特性： 1、尺寸一致性和批次稳定性； 2、结构件，内部缺陷控制，强度和疲劳测试，不能断裂； MIM成形难点： 1、变形 支撑烧结，仿形烧结支撑面；注塑应力释放会有变形；增加1道精校整形。 2、尺寸一致性 装配检具对尺寸稳定性和一致性要求高； 3、疲劳强度 过程控制尽量减少注塑缺陷、杂质，避免内部缺陷，提高疲劳强度。
M2 Fe3Si，Fe50Ni WNiCu，WNiFe WC-Co,YG3,YG6 钛合金、高温合金等
耐热耐腐蚀 防腐蚀 高强度
高强度 高饱和磁感应强度，高 磁导率 高密度、高硬度 高硬、耐磨
涡轮发动机叶片
轴、套筒、手机结构件、医疗器 械 耐磨工具,凹凸轮与特用螺丝 电动工具、无人机 手机震子 刀片