摘要 綜合闡述了金屬注射成形的技術(shù)現(xiàn)狀和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展?fàn)顩r,并從粘結(jié)劑的選擇和優(yōu)化設(shè)計(jì)、新型粘結(jié)劑的開(kāi)發(fā)和實(shí)用化、脫脂模型和脫脂動(dòng)力學(xué)研究、尺寸精度過(guò)程控制幾個(gè)方面評(píng)述了金屬注射成形技術(shù)重要的發(fā)展動(dòng)向。
關(guān)鍵詞 金屬注射成形（MIM）；現(xiàn)狀；發(fā)展動(dòng)向
金屬注射成形(Metal Injection Molding,簡(jiǎn)稱MIM)是一種從塑料注射成形行業(yè)中引伸出來(lái)的新型
粉末冶金近凈成形技術(shù),眾所周知,塑料注射成形技術(shù)低廉的價(jià)格生產(chǎn)各種復(fù)雜形狀的制品,但塑料制品強(qiáng)度不高,為了改善其性能,可以在塑料中添加金屬或陶瓷粉末以得到強(qiáng)度較高、耐磨性好的制品，近年來(lái)，這一想法已發(fā)展演變?yōu)?大限度地提高固體粒子的含量并且在隨后的燒結(jié)過(guò)程中完全除去粘結(jié)劑并使成形坯致密化。這種新的粉末冶金成形方法稱為金屬注射成形。金屬注射成形的基本工藝步驟是：首先是選取符合MIM要求的金屬粉末和粘結(jié)劑，然后在一定溫度下采用適當(dāng)?shù)姆椒▽⒎勰┖驼辰Y(jié)劑混合成均勻的喂料，經(jīng)制粒后在注射成形，獲得的成形坯經(jīng)過(guò)脫脂處理后燒結(jié)致密化成為*終成品。
1.MIM粉末及制粉技術(shù)
MIM對(duì)原料粉末要求較高,粉末的選擇要有利于混煉、注射成形、脫脂和燒結(jié)，而這往往是相互矛盾的，對(duì)MIM原料粉末的研究包括：粉末形狀、粒度和粒度組成、比表面等，表1中列出了*適合于MIM用的原料粉末的性質(zhì)。
由于MIM原料粉末要求很細(xì)，MIM原料粉末價(jià)格一般較高，有的甚至達(dá)到傳統(tǒng)PM粉末價(jià)格的10倍，這是目前限制MIM技術(shù)廣泛應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵因素，目前生產(chǎn)MIM用原料粉末的方法主要有羰基法、超高壓水霧化法、高壓氣體霧化法等。
1.1羰基法
MIM*早使用的粉末是羰基法生產(chǎn)的，美國(guó)GAF化學(xué)公司采用較粗的海綿鐵粉作原料，制粒后在350度氫氣中退火活化，然后置于反應(yīng)器中，鐵粒暴露在循環(huán)的CO中，氣體壓力為6OPMa，溫度160度，鐵與CO發(fā)生反應(yīng)，得到氣態(tài)的Fe(CO)5,并加以冷凝收集，接下來(lái)，使Fe(CO)5蒸發(fā)通過(guò)一個(gè)垂直的反應(yīng)塔，反應(yīng)塔加熱到300度，在催化劑NH3作用下，F(xiàn)e(CO)5在塔頂部分解為Fe和CO氣體，將沉積的鐵粉聚集體球磨，得到符合要求的成品鐵粉，粉中一般含0.8%C，0.7%N和0.3%O（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。
羰基法是一種較為成熟的制備MIM用粉末的方法，所制得的粉末呈秋形，粒度小，但是羰基法只能生產(chǎn)有限的幾種粉末（如鐵粉、鎳粉），不易生產(chǎn)包含2種以上元素的合金粉，而且羰基法生產(chǎn)過(guò)程毒性大，在MIM生產(chǎn)過(guò)程中還存在碳含量控制的問(wèn)題。
1.2超高壓水霧化法
日本的PAMCO，Kawasaki Steel,Kawasaki Steel幾家公司發(fā)展了一種超高壓水霧化，該法能夠較為經(jīng)濟(jì)地大量生產(chǎn)MIM用金屬和合金粉末。其中以PAMCO公司產(chǎn)量*大，工藝也*有代表性。該公司年產(chǎn)MIM用粉末300t采用150MPa高壓水霧化，其主要產(chǎn)品為各種不銹鋼粉和低合金鋼粉，PAMCO從20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始商業(yè)生產(chǎn)MIM粉，針對(duì)水霧化粉搖實(shí)密度低，導(dǎo)致注射成形時(shí)填充密度低而需要較多的粘結(jié)劑的缺點(diǎn)，在增加粉末的球化率，提高其搖實(shí)密度方面作了許多改進(jìn)，改進(jìn)后的PAMCO新型MIM粉的搖實(shí)密度比常規(guī)MIM水霧化粉的搖實(shí)密度提高了10%，采用具有較高搖實(shí)密度的粉末，PAMCO已經(jīng)成功地將所需粘結(jié)劑減少了20%左右。
1.3采用改進(jìn)型噴嘴的高壓氣體霧化法
氣體霧化法生產(chǎn)的粉末搖實(shí)密度高，流動(dòng)性好，所需添加劑量少，且用惰性氣體，所得粉末的殘留氣體含量比水霧化粉至少低一個(gè)數(shù)量級(jí)，但是一般氣體霧化粉顆粒較粗，約為40-50um，能適應(yīng)MIM要求的細(xì)粉量很少，英國(guó)Osprey公司和PSI公司為此對(duì)噴嘴進(jìn)行改進(jìn)，采用高壓氣體霧化，使得適合MIM用的細(xì)粉產(chǎn)出率大大提高。Osprey公司用高壓氬氣和氮?dú)猓▔毫?PMa）生產(chǎn)的不銹鋼粉末中有75%的粉末粒度小于20um，大大高于常規(guī)氣霧化法的20%，其平均粒度為14um，該公司還用該法生產(chǎn)了高速鋼粉、工具鋼粉以及磁性合金粉等。據(jù)Osprey公司稱，這種高壓氣霧化MIM粉價(jià)格主要取決于生產(chǎn)規(guī)模大小，在大規(guī)模生產(chǎn)的情況下，該法生產(chǎn)的粉末價(jià)格甚至可以與高壓水霧化法抗衡。
1.4微霧化法
美國(guó)Micro Materials Technology和GTE Products公司報(bào)道了他們采用微霧化法制備MIM用細(xì)粉的情況。據(jù)稱，該法是一種有效制備小于20um 粉末的生產(chǎn)方法，其原理是基于金屬液滴撞擊不浸潤(rùn)的基片而發(fā)生破碎。原料為普通霧化法生產(chǎn)的較粗粉末（50-150um），利用等離子噴槍熔化原料粉末并加速熔融金屬液滴，被加速的金屬液滴撞擊不浸潤(rùn)的旋轉(zhuǎn)基盤而產(chǎn)生破碎，破碎的細(xì)小液滴球化，并迅速冷卻成細(xì)小粉末。
微霧化法是一種將較粗粉末有效地處理成細(xì)粉的新工藝，有以下優(yōu)點(diǎn)：無(wú)容器熔化而大大減少了粉末污染；由于高的等離子氣體的溫度，沒(méi)有熔點(diǎn)限制，可以方便地制造各種難熔金屬和合金粉末；不需要常規(guī)的龐大的爐子裝置，節(jié)約能源。
另外，美國(guó)Ultra Fine Powder Technology公司開(kāi)發(fā)了一種Tandem霧化裝置，它的基本原理是在霧化之前，將一定壓力的氣體注入金屬熔體中，這樣，霧化后每一金屬液滴內(nèi)都包含有氣體。在冷卻過(guò)程中，液滴內(nèi)部氣體壓力增大，金屬液滴產(chǎn)生破碎而得到超細(xì)球形粉末。
1.5 Nanoval層流霧化法
德國(guó) Nanoval 公司開(kāi)發(fā)出了一種獨(dú)特的氣霧化技術(shù)，基本思路是應(yīng)用自穩(wěn)定的、嚴(yán)格成層狀的氣流，使熔化的金屬平行流動(dòng)。熔化了的金屬?gòu)睦郀枃娮斓娜肟诘?窄處被氣體壓縮而迅速加速（從幾 m/s 到音速），氣體為獲得穩(wěn)定而呈層狀流動(dòng)。在*窄處以下，氣體被快速壓縮，加速至超音速，在氣液流界面由于剪切應(yīng)力，金屬熔體絲以更高的速度變形，*終不穩(wěn)定而破裂成許多更細(xì)的絲，*終凝結(jié)成細(xì)小粉末。
該技術(shù)可直接生產(chǎn)許多適合于MIM的貴金屬粉、特殊牌號(hào)的不銹鋼和高速鋼粉、銅基合金和超合金粉等，該公司產(chǎn)品粉末粒度約為10um，其中20um粒度以下的粉末約占90% 。
2 粘結(jié)劑
粘結(jié)劑是MIM技術(shù)的核心，在MIM中粘結(jié)劑具有增強(qiáng)流動(dòng)性以適合注射成菜和維持坯塊形狀這兩個(gè)*基本的職能，此外它還應(yīng)具有易于脫除、無(wú)污染、無(wú)毒性、成本合理等特點(diǎn)，為此出現(xiàn)了各種各樣的粘結(jié)劑，近年來(lái)正逐漸從單憑經(jīng)驗(yàn)選擇向根據(jù)對(duì)脫脂方法及對(duì)粘結(jié)劑功能的要求，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)粘結(jié)劑體系的方向發(fā)展。
粘結(jié)劑一般是由低分子組元與高分子組元加上一些必要的添加劑構(gòu)成。低分子組元粘度低，流動(dòng)性好，易脫去；高分子組元粘度高，強(qiáng)度高，保持成形坯強(qiáng)度。二者適當(dāng)比例搭配以獲得高的粉末裝載量，*終得到高精度和高均勻性的產(chǎn)品。通常采用的粘結(jié)劑主要有：熱塑性體系（石蠟基、油基和熱塑性聚合物基）、凝膠體系、熱固性體系和水溶性體系。
2.1 熱塑性體系
石蠟基粘結(jié)劑是*早使用，而且至今仍有競(jìng)爭(zhēng)力的粘結(jié)劑休系，特別是壁厚小于3mm的零件，主要由石蠟與聚烯烴組成。如HDPE，LDPE，PP，PS，EVA，PEEA，POM/PE等。石蠟中PW，PEW無(wú)極性，而CW，BW有弱極性，相互配合可改善粘結(jié)劑與粉末的粘合程度。石蠟高溫粘度低，與塑料相容性好，粉末裝載量高，但石蠟體系冷卻時(shí)收縮大，內(nèi)應(yīng)力大，脫脂慢。
油基粘結(jié)劑主要利用油在室溫下為液態(tài)或半固態(tài)，與石蠟基粘結(jié)劑相比，改善了內(nèi)誚力，另外采用溶劑脫脂速度快。加然German認(rèn)為若采用溶劑脫脂，應(yīng)采用氫化植物油或椰子油，然而許多文獻(xiàn)報(bào)道可用其它多種油，如日本用花生油、Sasamw油與PE，PP配成粘結(jié)劑，美國(guó)用Hunt Weseen油與PE構(gòu)成粘結(jié)束劑，石腦油可與PMMA配合。使用油基粘結(jié)劑的難點(diǎn)在于增加油含量的同時(shí)要保持生坯強(qiáng)度，防止兩相分離的產(chǎn)生，以及快速溶劑脫脂時(shí)解決溶脹和應(yīng)力開(kāi)裂的問(wèn)題。AMAX Injection Molding公司的專利技術(shù)對(duì)這些問(wèn)題解決得較好。
一般來(lái)說(shuō)，熱塑性聚合物基粘結(jié)劑由于使用較多聚合物，成形坯強(qiáng)度高，但較多的聚合物會(huì)導(dǎo)致脫脂慢、裝載量低。這一類體系也有報(bào)道，如67%PP、22%微晶蠟、1%SA，以及72%PS，15%PP，10%PE，3%SA。*成功地應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的是20世紀(jì)90年代德國(guó)BASF公司開(kāi)發(fā)的粘結(jié)劑。他們采用獨(dú)特的方法解決了這類體系的不足，該粘結(jié)劑90%以上為改性聚醛樹(shù)脂加上少量添加劑以利于高溫保形和降低粘度，不僅粉末裝載量高，而且喂料粘度與石蠟基在同一數(shù)量級(jí)，可適合很廣泛的粉末種類。公司已制成Fe,Fe/Ni,100Cr6,Fe/Co,WC/Co,Cu合金，YBa2Cu3O7等多種喂料出售。
2.2 凝膠體系
1978年美國(guó)的R.D.Rivers發(fā)明了凝膠體系，由甲基纖維素、少量水、甘油和硼酸組成。甲基纖維素與水在受熱時(shí)形成凝膠以提高生坯強(qiáng)度，特點(diǎn)是使用有機(jī)物少，脫脂快。不足之處是生壞強(qiáng)度低，脫模困難，不能連續(xù)生產(chǎn)，類似的體系還有瓊脂與水。1994年法國(guó)Impac和Metals Process System公司宣稱開(kāi)發(fā)了Quickset無(wú)粘結(jié)劑工藝，只需傳統(tǒng)MIM粘結(jié)劑含量的5%，實(shí)際上也是用極少量的有機(jī)物加液體載體以形成特殊的結(jié)構(gòu)來(lái)獲得生坯強(qiáng)度。據(jù)稱該粘結(jié)劑體系已可用來(lái)生產(chǎn)厚至20mm，重達(dá)800g的零件。目前日本PAMCO公司正和MPS公司聯(lián)
