金屬注射成形(MIM):

一種制造精密工程零件的競爭性工藝

DrGeorg Schlieper et al

(Consultantof EPMA)

摘要:經過30多年發(fā)展，金屬注射成形(MIM)已發(fā)展成一種生產小型、精密、復雜形狀零件的具有競爭性的生產工藝。這類零件用常規(guī)金屬工藝生產時，不但價格昂貴，而且材料利用率低與生產工藝復雜、費時。MIM工藝幾乎可用包括金屬、陶瓷、金屬間化合物及復合材料在內的所有材料，生產大量與少量的小型復雜

形狀零件?，F在。用MIM工藝生產的零件已在諸如汽車、化工、航空航天、事務機械、計算機硬件、生物一醫(yī)療器械及槍械等產業(yè)部門得到了廣泛應用。

關健詞:金屬注射成形;MIM;小型精密零件

1概述

1.1粉末冶金

MIM是傳統(tǒng)粉末冶金(PM)的發(fā)展，當然被認為是粉末冶金的一個分支。標準的粉末冶金工藝是用單軸向壓制，于剛性模具中壓制添加有潤滑劑的粉末混合物，壓坯從模具中脫出后，將之進行燒結。

用粉末冶金工藝雖然可以成形十分復雜的形狀，并經常成百萬件的進行生產，但是對于零件形狀卻受到一個重要限制，即壓制成形后，壓坯必須從陰模型腔中脫出，因此，很明顯，有根切或對壓制方向有垂直凸出部的零件，就不能壓制成形。用金屬注射成形工藝制造時，實質上，就消除了這種限制。

1.2金屬注射成形

多年來，我們已經知道用注射成形可由許多塑料生產形狀十分復雜的零件，而且，這些零件到處都是，并且和人們的日常生活密切相關。這類零件的一個重要特點是價格比較便宜?？墒?，對于許多工程應用，這些熱塑性材料都有各自的力學性能，而且，他們都較軟、強度有限及不耐高溫。

通過用在塑料中添加固體填料一陶瓷或金屬粉末，雖有一些改進，但發(fā)現只有當在混合物中金屬或陶瓷粉末占有很高體積百分率時，才能實現真正的突破。從而，研制出了用塑料一黏結的金屬或陶瓷零件。精心地除去塑料黏結劑后，遺留下的金屬或陶瓷骨架，雖然易碎，但仍然可以安全地搬運，并以和傳統(tǒng)的模壓零件大致相同的方法進行燒結。燒結后零件的密度可高達95 %(理論密度)，同時其力學性能一般都能等同或優(yōu)于傳統(tǒng)的粉末冶金零件。

2 MIM使用的原材料

在傳統(tǒng)的粉末冶金生產工藝中，一般燒結后零件的尺寸都和壓坯很相近。因此，就不難保證公差緊密。可是，金屬注射成形的情況卻十分不同。通常，將注射成形狀態(tài)的零件，叫做零件‘生坯’，其黏結劑的體積含量高達50%(體積分數)，同時燒結時收縮大。因此，對燒結工藝的主要要求是，要保證收縮是可控的。在這方面，若混合料制造的合適的話，和常規(guī)粉末冶金工藝相比，MIM的優(yōu)勢在于，壓坯中金屬的密度是均一的。在這種場合，收縮雖然大，但密度依然是均勻的。這可以消除在模壓零件中由于密度不均勻產生翹曲的可能性。

對于粉末/黏結劑混合物，即所謂的‘注射料’，流變性性能最為重要。在成形溫度下，黏度必須使混合物能平穩(wěn)地流人模具，而且，不能有任何偏析，同時，在成形溫度范圍內，要使黏度盡量保持不變?？墒?，冷卻時，混合物又必須變成剛性的。

2.1金屬粉末

幾乎任何金屬都能制成適用于MIM的‘適當粉末顆粒形狀’。但是，鋁與鎂除外，因為附著在其粉末顆粒表面的氧化物膜阻礙燒結。在金屬注射成形中使用的金屬清單中，包括有許多通用的與一些較不常用的金屬與其合金一普通鋼與低合金鋼、不銹鋼、高速鋼、銅基合金、鎳與鉆基高溫合金、鐵、金屬間化合物、難熔金屬及硬質合金。從經濟觀點來看，最有應用前景的是價格較昂貴的材料。這是因為和包括有切削加工的可替代工藝不同，MIM工藝實際上沒有廢料。而對于價格較便宜的金屬，廢料較不重要。

圖1.所示為在MIM中應用的鐵粉與鋼粉。注射料中金屬占的比例最好是盡量高，粉末顆粒最好是球形或近球形。

a).羰基鐵粉;b)氣霧化17-4 PH粉末;c)水霧化17-4PH粉末

圖1 MIM用的鐵粉與鋼粉

平均粒度與粒度分布也都是重要的。如同眾所周知，和較粗的粉末相比，細小顆粒粉末較容易燒結。表I中比較了不同的生產工藝與它們作為MIM用粉末的相對成本。

表1細小顆粒生產工藝的比較

理想的MIM粉末應如下所示:

為了充填密度高與成本低(成本較低的大顆粒與成本較高的細小顆粒)，特別配制的粒度分布;

無偏析;

主要是球形(或等軸狀)顆粒;

為避免除去黏結劑后變形要有足夠高的顆粒間摩擦;

為了快速燒結，平均粒度要小于20μm

內部孔隙中無密實顆粒;

爆炸與毒性最小;

為了適于與黏結劑相互作用，顆粒表面要清潔。

2.2 MIM粉末的特性

在粉末冶金中，一般用來表征粉末特性采用的試驗方法，諸如篩分析、流速或壓縮性都不適用于MIM粉末。這是因為MIM用的粉末的粒度至少比模壓制用的粉末的粒度小一個數量級。對于MIM用粉末適用的試驗方法有包圍一比表面面積(ISO10070)與重力沉降的測定(ISO 10076)。這些試驗都能表明顆粒的大小與形狀。

關于表征MIM粉末的粒度分布，推薦的試驗方法是激光衍射儀(圖2)。這種檢測方法的動態(tài)范圍大(在1與1000 wm之間)，其很好地覆蓋了MIM所關心的粒度范圍。圖3所示為生產MIM零件用的氣霧化316L粉末的體積粒度分布的典型曲線。

圖2激光衍射儀示意圖

圖3 MIM粉末(氣霧化316L)的典型粒度分布

2.3黏結劑

黏結劑是關鍵，也有一些人說是注射成形零件成功生產的最關鍵的因素。大部分黏結劑都是有機化合物的混合物，主要成分是天然的蠟或合成的聚合物。為了改變性能，可能添加有其它物質。

表2所示為現在MIM用的主要黏結劑系統(tǒng)。

表2現在MIM用的主要黏結劑系統(tǒng)

混合是在高溫下進行的，這時黏結劑為液體，其必須‘潤濕’粉末顆粒，形成無任何顆粒團的均一混合物。就此而論，組成中往往應該包括有表面活性劑?？墒?，在黏結劑與金屬之間不得產生化學反應。進一步的要求是，在生產過程中黏結劑不得惡化。黏結劑應容易從成形的零件中除去。

2.4混合

在常規(guī)粉末冶金中采用的滾筒混料機，對于MIM用混合料的混合不適用。對于MIM用混合料，混合時需要的是進行剪切作用。有幾種不同類型的混料機可以利用:例如Z型葉片與行星式混料機。大量生產時，為保證注射料的均一性，對于最終的注射料配制，可使用雙螺桿擠壓機。其主要目的是保證每個顆粒的整個表面都涂覆有一層黏結劑。有時，為了便于與強化顆粒表面與黏結劑之間接觸，要將粉末進行預處理。應使用盡量少的黏結劑，粉末的體積分數約為0. 5一0. 7 。

2.5 MIM注射料的特性

為了在材料性能與尺寸精度兩方面都能制造出高質量的最終產品，注射料的質量必須保持一致性。

鑒于注射料的特性，仍然是一個比較新的研究領域，將來可能會開發(fā)出新的與更好的試驗方法。

(I)收縮

可將從模具尺寸收縮到MIM零件的最終尺寸，看作是注射料的性能。圖4所示為測定收縮的試驗試樣，其測量了相互垂直的二個直徑。

(2)流變性。注射料的黏度是MIM工藝的很重要的性能，其決定了多么好的材料才能被傳送與注射到模具型腔中。

關于通過孔道或小孔流出，其是一種毛細管流變儀技術，黏度低和注射料容易流動相關。最好這種流動能反映注射料的固有性能。若就沒有出現壁一滑移性狀的均勻注射料而論，這種流動是層流。因此，若關心表觀剪切速率的范圍大會影響(表觀)黏度的話，毛細管流切速率的范圍大會影響(表觀)黏度的話，毛細管流變儀是一個重要工具。

圖4測量收縮的試樣

對于注射料適當配制特別重要的是臨界裝載量。這是粉末含量的范圍，超出了這個范圍，相對黏度將明顯增高。臨界裝載量可用在固定剪切速率下測定的作為粉末裝載量函數的黏度來確定。

在聚合物學科中，在用各種不同的其他技術研究流變性狀，例如，用控制應力與控制應變的流變儀?？墒?，他們對于MIM注射料試驗的適用性尚待確認。應該注意的是，這些比較高級的方法使著可較深人地了解粉末在注射料中的彌散狀態(tài)，即粉末在黏結劑中彌散的如何。

對于注射料供應方與MIM零件生產廠家間的聯(lián)系，實際上，最重要的是需要保證MIM注射料的規(guī)定性能的質量。為了容易評定這些質量保證，需要有可靠的、標準的測量方法。為此，可用ISO 1133中所講的熱塑性塑料的熔體一流動指數(MFI)試驗，即熔融物質一流動速率試驗(MFR)或熔體體積一流動速率(MVR)試驗。其是利用在固定的時間周期內，通過通道的一定數量注射料的平均值來推導出這個特性的。測定的MVR為。cm³/lOmin, MFR為g/lOmin?？梢员O(jiān)控自動距離一時間一測量(程序，B型)。試驗溫度與施加的負載取決于試驗的聚合物材料，即MIM注射料場合的黏結劑。對于MIM應用，報告的MFI值應包含有關于使用的裝載量或重量、溫度及試驗程序的資料。

3 MIM零件生產過程

3.1注射成形

實際上，通常用于MIM生產的注射成形機和在塑料產業(yè)中使用的一樣。MIM用的注射成形機僅只有一些特殊性能，如像耐磨、螺桿的幾何形狀或注射與排出的特殊控制。這些都取決于加工的注射料。

將注射料擠壓到模具型腔中的螺桿位于加熱的料筒中。為保證加工的條件不變，要精心控制料筒與噴咀的溫度。另外，還要控制模具的溫度，必須合適，以保證壓坯被排出時堅硬。

除了這種叫做高壓注射成形的工藝之外，還在使用中等壓力與低壓力注射成形工藝。

注射壓力較低的好處是，設備與模具的總投資額較低。注射壓力較低的主要缺點是尺寸的再現性較低。

減低零件單位成本的方法是使用多型腔模具，以使用一次注射可生產幾個零件。這種方法特別適合于需要的數量很大的個別零件。

圖5金屬注射成形(MIM )零件的生產過程

3.2黏結劑除去

除去MIM零件中的黏結劑是生產工藝的一個關鍵工序，而且是一個需要精心控制的工序。有幾個基本工步:

(1).加熱生壓坯，以使聚合物黏結劑熔化、分解及最終蒸發(fā)。為了避免成形態(tài)零件生坯碎裂，這必須很精心地進行，而且，采取在不同溫度下分解或揮發(fā)由幾種成分組成的黏結劑是有利的。這個過程一般需要許多小時。因此，脫翻要用間歇式工藝進行。除去黏結劑所需要的時間取決于零件壁厚。

(2).使用氣態(tài)硝酸或草酸催化分解甲醛( POM)注射料，可大大縮短除去黏結劑的時間和減小零件碎裂的危險。催化黏結劑除去與燒結既可采用間歇式也可采用連續(xù)式設備(圖6)進行。

圖6連續(xù)式脫鉆與燒結爐

(3).另外一個可供選擇的除去黏結劑的工藝是用適當溶劑(諸如丙酮，乙醇或己烷)溶解黏結劑。一些黏結劑的成分，甚至可溶于水。通常，需要最后用加熱蒸發(fā)除去黏結劑。

(4)在除去黏結劑的過程中，壓坯的強度顯著減低，在運送叫做‘棕色零件’零件生坯時，必須十分精心。

3.3燒結

燒結是通過加熱，將各個顆粒焊接在一起和形成最終產品所需要的強度。加熱過程是在可控氣氛爐或真空爐中進行的。

MIM零件的燒結，實質上，和傳統(tǒng)的粉末冶金零件相同。

因為主要是為了避免金屬氧化，采用的氣氛一般都是還原性的。除了保護金屬外，還原性氣氛的另外的一個好處是，可還原粉末顆粒表面的氧化物。

由于MIM使用的是較細小的粉末，這當然在MIM零件生產中比在傳統(tǒng)的粉末冶金零件生產中要重要。

使用的燒結氣氛組成取決于燒結的金屬。對于許多金屬，燒結需要的是僅只含有氫的氣氛，但是在燒結鋼的場合，碳是一個重要合金元素，氣氛必須或者是隋性的或者是含有碳化合物或化合物的，以使之與鋼相互平衡，即使鋼既不增碳也不脫碳。

實際上，在MIM中使用的粉末比在粉末冶金中使用的粉末細得多，這意味著，由于顆粒的表面能較高，比較容易燒結。

鑒于‘棕色零件’的孔隙度非常高，因此，燒結時收縮很大(見圖7)，同時為了保持形狀與防止‘坍塌’，必須嚴格控制燒結溫度。最終零件的密度接近理論密度，通常大于95%理論密度，同時力學性能和組成相同的鑄鍛金屬相近。

圖7‘生坯’、‘棕色零件’及最終MIM零件

3.4燒結后續(xù)加工

MIM零件的性能，可用許多用于鑄鍛金屬和/或粉末冶金的常用生產工藝進行改進，例如，表面硬化，電鍍等。

MIM零件的表面層往往是完全致密的(見圖8)，因此，殘余的內部孔隙度對于燒結后續(xù)加工沒有不良影響。

4 MIM產品的力學性能

4.1拉伸性能一拉伸試驗試樣

鑒于MIM零件形狀設計的特殊規(guī)則，很明顯，制造的拉伸試樣不需要進行切削加工。這在節(jié)省費用與技術兩方面都有明顯好處。因為MIM通常是一種最終形或近終形制造工藝，其技術的優(yōu)勢是試驗試樣的表面狀態(tài)和MIM零件一樣。這就是為什么MIM產業(yè)在初期階段就開發(fā)出了自己的拉伸試驗試樣的幾何形狀。這些所謂的MIMA試樣，都是由美國金屬注射成形協(xié)會最早提出與設計的，并為ISO 2740標準所采用，規(guī)定為粉末冶金的拉伸試驗試樣。

圖8 MIM零件表面區(qū)域的顯微組織

歐洲的MIM零件生產廠家發(fā)現設計的這些試驗試樣，為了便于夾緊，在其夾緊的頂端有孔，而這種孔，倘若由于模具充填不均勻形成的焊接線或裂紋，會超

向于發(fā)生在標距長度以外斷裂，為了避免發(fā)生這種問題，推薦增加的形狀和MIMA的形狀差不多相同，但是在夾緊的頂端沒有孔(見圖9)。

圖9歐洲MIM產業(yè)提出的拉伸試驗試樣

（用拉伸試驗測定的力學性能)

模具的尺寸(標距長度的直徑:5 . 0 mm)都在MIMA的大試樣(標距長度的直徑:5. 82 mm)與MIMA小試樣(標距長度的直徑:3. 8 mm)之間。

三種試樣的幾何形狀都已是公認的，并已匯集于ISO 2740中。

4.2 MIM材料的疲勞強度

歐洲MIM產業(yè)致力于按照有限元分析(FEA)與其他設計軟件提供給設計工程師以全面的材料性能數據。這些特性的測定，特別是疲勞性能，是昂貴與費時間的。因此，迄今沒有幾個數據可用，但是，這些也表明，熱處理的MIM鋼的疲勞性能潛力是大的。

4.3全球粉末冶金性能數據庫

2004年，EPMA和MPIF與JPMA一起創(chuàng)辦T網站:http ;//www. pmdatabase. com.是用于了解自己設計項目的粉末冶金材料性能的設計工程師的標準參考資料。這個數據庫匯集了2007年以后MIM材料的性能，對于注冊者可免費使用。也可用供應商的許多不同的標準與信息搜索材料。

4.4高負載應用的MIM材料

選擇了二種鋼作為可熱處理的高強度材料的代表:沉淀硬化MIM-17-4PH不銹鋼與低合金MIMr4340鋼。后者是常用的淬火一回火熱處理的代表。已經證明用MIM工藝生產的這些鋼的高強度潛力，并且，可將其結果作為開發(fā)高負載應用的基礎。

(1).熱處理

·MIM-17-4P

固溶處理:1 h/1 050℃，在真空中;時效處理:4h/480℃，在空氣中。

·MIM-4340

正火:20 min/870℃，在真空中;然后，油淬火、回火:2 h/425℃.在空氣中。

(2).疲勞強度

為了使數據具有代表性，研究了由幾個MIM零件制造廠家提供的試驗試樣。在頻率20Hz下，用r=0負載模式(拉一拉試驗)，進行了軸向疲勞試驗。按照ISO 2740，采用成形狀態(tài)的拉伸試驗試樣(即對試樣標距長度的表面不進行切削加工、磨加工或拋光)。在2x10⁶周下測定了疲勞極限。MIM-17-4PH得到的試驗結果如圖10所示。曲線表明一些生產廠家的試樣的疲勞壽命比另外一些廠家的長。預料通過使制造、表面質量及熱處理最佳化.可改進疲勞壽命。測定的疲勞強度的下限為280 MPa

圖10 MIM-17-4PH的軸向疲勞試驗曲線(R=0)

MIM-4340材料試樣的表面質量高，雖然總孔隙度約為4%，但表面或表面下的孔隙都要很小。根據文獻報告，對于鍛軋的SAE 4340材料，用同樣熱處理的和用平面彎曲進行的試驗，于106周下的疲勞強度約為“0 MPa.用MIM-4340材料得到的結果是，疲勞極限約為500 MPa(圖11)。

這些結果都證明，倘若在MIM零件制造中特別小心的話，MIM材料的疲勞強度是有希望的。為了達到適當的疲勞性能，建議要特別注意模具處理，例如，模具的分型線(因為大多數失效都是沿著這條直線發(fā)生的)與高的表面質量。

5 MIM的設計

5.1 MIM零件設計準則

一般而言，用注射成形可由熱塑性塑料生產的任何形狀，用MIM由金屬也都可以生產，但是，對于這個一般原則，在兩種情況下受到限制。

圖11 MIM-4340的軸向疲勞試驗曲線(R=0)

圖12所示為收集的一些MIM零件。這些都是MIM零件的形狀復雜的例子。表3示壓坯的設計準則。

注:this一好;Not this一不好。

圖12 MIM零件

5.2模具設計

(1)壁厚均勻，去型芯及孔

為了避免變形、內應力、孔洞、開裂及沉陷、壁厚最好是均一。壁厚的變化還可能引起燒結時的收縮改變，從而使著難以控制尺寸。圖13所示為均一與最小壁厚的設計例。用來形成均一壁厚的一個方法是去型芯(見圖13中的例子)，而且，去型芯/最小壁厚，由于可節(jié)省材料與減少加工時間，還可以減低成本。在一些零件中，用將桿伸長到模具型腔中成形的增加的孔，容易去型芯。通孔比盲孔容易成形，因為型芯桿可在兩端進行支撐。

表3壓坯設計準則

注:this一好;Not this一不好。

制成“D'型橫向孔，使著可封閉模型中的零件。

圖13相互垂直孔的設計圖

僅只用一端支撐的芯桿成形的盲孔，由于注射料流入型腔會使芯桿偏斜而偏心。因此，一般將盲孔的深度限制在芯桿直徑的兩倍。孔的相互垂直會產生使模具不能封閉或閉合的特殊問題。

改進將一個孔重新設計成‘D'型時，模具較好操作，較穩(wěn)固及飛邊最小。這種結構的一個例子見圖12薄壁零件的堅固性與強度的另外一種方法用加強肋。加強肋的厚度或寬度不得超過其連接壁的厚度，只要有可能，原則上，要盡量保持壁厚均一?？墒牵m然加強肋可增高零件的強度，改進材料流動及防止加工過程中變形，但是，他們也可能產生翹曲，沉陷及應力集中。對零件設計增加加強肋要謹慎，往往在對最初的模具試樣測定后再說較好。

在一些零件中，有不同的壁厚是難以避免的。從一種厚度逐漸轉變?yōu)榱硗庖环N厚度，可減小應力集中與表面外觀(流動線)差。圖14所示為推薦的轉變比率。另外，為了保證注射料的適當充填，模具的澆口應位于較大截面處。

圖14壁厚漸變

(2)澆口

注射料是通過一個叫做‘澆口’的開口進人模具型腔的。一般而言，澆口的位置應使注射料進人模具型腔時，從厚截面流向窄截面。最好是，從澆口開始的流程應沖擊型腔壁或型芯桿，見圖15。一般而言，從薄截面到厚截面的流程，會在零件表面形成空洞、沉陷、應力集中及流線。

許多MIM零件都是用多型腔模具生產的，其中每一個型腔都必須和其他型腔相同。為了保證零件的可再現性，對于每一個型腔的澆口與流道系統(tǒng)都必須精心測定大小與確定位置，從而使每個型腔都能以均衡的充填速率、同樣數量的注射料充填每一個型腔。鑒于澆口都會留下痕跡，要根據零件的功能與外觀，對澆口的位置進行精心選擇。

(3)減小應力集中

應避免零件內部的尖角與切口，因為他們都會導致應力集中。因此，應該考慮大的圓角或圓角半徑，他們也都可以改進成形時注射料的流動，并有助于零件的脫出。內部與外部的圓角半徑都要應盡量大，一般都不小于0. 4一0. 8mm.

對著型芯進人厚截面合適澆口

圖15 澆口位置

(4)螺紋設計

需要時內部與外部的螺紋都可自動成形在零件上，從而不需要用切削加工制作螺紋(見圖16).內螺紋一般是使用旋出裝置成形的，但這種方法往往費用高。

圖16成形外螺紋

(5)模具分型線

模具的分型線是由模型的對立面形成的，如圖16所示，是為了使著零件從模型中脫出的半模型分離平面。

(6)根切

根切分為內部的與外部的，其往往是零件功能所必須的。根切可能會增大模具的費用與延長周期，但這決定于零件根切的類型與位置。對于有‘O’型密封環(huán)的零件，往往規(guī)定有外部根切，其可用對開型腔模具成形。和有螺紋的零件一樣，在根切的表面上有二條180°分開的分離線，其可能是不適合于‘0’型一環(huán)溝槽的。用可拆分型芯可成形內部的根切。大部分MIM零件比較小，不適合使用這種方法，但其他方法可能證明是可行的，如像利用在燒結以前可以毀壞的特種塑料型芯，或甚至將二個或多個MIM零件用燒結連接在一起。因此，不推薦設計有內部根切或凹進處的MIM零件，但并不是不能生產。

(7)零件從模具型腔中脫出

為了將零件從模具型腔中脫出，零件可能需要有斜度或輕微的錐度。對于芯桿，也是一樣。而且，其需要隨著成形的孔或凹進的深度而增大。當需要(脫模)斜度時，一般角度0. 5° -2°就足夠了。對于從模型中脫出零件，通常都需要頂桿，和當為了使零件的飛邊痕跡最小時，這些頂桿的良好設計是關鍵。特別是對于較軟的注射料，頂桿與零件的接觸面積(相對于頂桿的直徑)應該足夠大，以避免零件局部破裂。

(8)模型充填設計

圖17與圖18證明用計算機模擬注射成形過程，對于模型設計是有用的。軟件包有，例如SIG-MASOFT? or MOLDFLOW?。圖17與圖18所示零件在高應力的關鍵位置有焊接線。用重新設計，可將這種焊接線移動到非關鍵部位。用減小壁厚(圖17)可變更澆口位置與使流動偏移。模具設計軟件適合于使零件設計、模型充填及一個型腔與多型腔模型的澆口最佳化。

圖17 MoldflowR模擬的模型充填的焊接線的關鍵位置

5.3 MIM零件的大小

理論上，對生產的零件的最大尺寸并沒有限制，但經濟方面的考慮限制了現在可行的零件尺寸大小。在這方面有二個重要因素:

(1).零件較大時，由于原材料(細粉)昂貴，而粉末的總成本和零件的重量呈直線性函數關系，因此，總成本的比率較高。

圖18 MoldflowR模擬的模型充填的

焊接線的非關鍵位置

(2)零件的截面越厚，脫戮的時間就越長。因此，生產的零件的成本就越高?，F在，好像是將零件厚度限定在約30 mm。

5.4 MIM零件的尺寸精度

在考慮新應用時，最常問的間題之一，是用MIM工藝可達到的公差是多大?為了對MIM零件的尺寸精度評估提供基本數據，從幾家歐洲的生產廠家收集了實際零件的數據。

表4所示為根據標準DIN ISO 2768得到的MIM的數據。在MIM中，使設計與生產工藝最佳化時，可使一些關鍵尺寸達到較好的公差。

在合適的成形條件下，只有關鍵尺寸才能達到這些公差。模型的分型線、壁厚的變化及其他因素都對零件的尺寸精度有不良影響。

表4典型尺寸公差

圖19所示為MIM零件的公差與ISO公差IT7到IT12級的比較。雖然，二者不一樣，但是在3一35mm之間，MIM零件的公差和IT10級很相似。小于3 mm時，MIM比IT10好一些，但大于35 mm時，和IT10相比差一些。除了尺寸精度外，還要考慮:

·角度的公差

·表面粗糙度

·圓角半徑。

圖19 MIM零件的尺寸公差與ISO級別

在這里，角度的公差都是± 40＇或者為了改進使用性能標準為± 30＇。表面粗糙度決定于材料類型，可能為Ra = 4一20μm。與相當粗的霧化鋼粉(例如不銹鋼粉)相比，以粉末粒度小于10μm的撥基鐵粉為基體的MIM材料趨向于表面較光滑。MIM零件的表面粗糙度明顯地比大部分精密鑄造件好。可是，表面粗糙度測定儀的讀數可能受殘留孔隙度的影響。測量表面粗糙度的方法，顧客與賣方雙方必須一致同意。MIM零件的表面粗糙度可用常規(guī)生產工藝來改進，諸如磨加工、拋光或研磨。圓角半徑一般至少為0.3 mm。在MIM設計準則中給出了和圓角半徑相關的更進一步的細節(jié)。在規(guī)定MIM零件的尺寸公差時，往往應遵守下列的一般標準。

·規(guī)定的公差絕對不應比滿足性能要求與避免后續(xù)加工更精密;

·對于壁厚變化大的零件不能規(guī)定精密公差;

·零件的幾個尺寸的精密公差，通常會導致零件成本增高(后續(xù)加工);

·不能跨過分型線或對于用可移動型芯或滑動凸控制的尺寸規(guī)定精密公差。，

5.5與競爭性工藝的比較

實際上，MIM一種大量生產復雜形狀零件的技術。倘若形狀容許利用，例如和常規(guī)的壓制一燒結工藝(及力學性能合適)生產相比的話，則在大多數情況下，MIM太昂貴?？墒?，倘若需要的復雜形狀零件的數量超過了某一數量時，則MIM工藝可能比切削加工的便宜。

其次，零件的大小影響成本，零件越大，越不利。和MIM工藝競爭的常規(guī)生產工藝是精密鑄造。表5中對用這二種工藝生產的零件特性進行了比較。就許多特性來看，是MIM領先。許多形狀可用MIM工藝生產，但是不能用其他方法生產。在需要大量小零件的場合和在需要不能鑄造的合金的情況下，和精密鑄造相比，MIM工藝占有優(yōu)勢。

表5依照成形能力零件制造工藝的比較

6 MIM零件的金相檢驗

6.1顯徽鏡檢驗MIM零件的制備

(1)目的:這個準則的目的，是為用顯微鏡檢驗制備MIM零件試樣規(guī)定所必要的操作程序。

(2)要檢驗的零件:

零件生坯一對于發(fā)現試樣的缺陷(裂紋、氣泡、收縮、孔隙度、焊接線等)，零件生坯的金相檢驗是有用的。還可以根據零件的幾何形狀與使用的粉末類型，檢驗注射成形用的粉末一黏結劑混合物的均一性，而且，必要時，若使用的粉末不均勻，可對不同的粉末(性能或形狀)進行重新配制。

棕色零件一棕色零件由于除去了黏結劑，因此，很脆弱。若零件中有缺陷，其比較容易沿著這些缺陷破裂。用這種方法，可確定缺陷的位置，和對破裂截面的檢驗可提供缺陷(裂紋、氣泡等)的性質的信息。由于表面粗糙，不需要高的放大倍數。

預燒結的零件一倘若黏結劑很軟或脆弱，就難以順利地制備零件生坯。因此，零件必須進行脫戮與燒結到顆粒之間開始形成燒結頸。零件的聲音和金屬一樣，但其尺寸大小仍然很接近零件生坯的尺寸(收縮2% - 5% )。零件生坯中的缺陷仍然和預燒結零件中的十分相同，而且，比較容易檢驗。

燒結的零件一燒結零件的金相檢驗大多用于查驗孔隙度，光潔度及顯微給織。對于MIM零件的冶金特性來說，金相檢驗是重要的。

(3)試樣制備

I)掃描電鏡(SEM )

對于SEM檢驗，往往不需要制備MIM零件。在電子顯微鏡中可使用整個或破碎的零件，同時檢驗應在外表面或破碎截面上進行。倘若需要化學分析時，特別是半一定量分析時，則應像光學顯微鏡一樣制備試樣，和分析應在拋光的表面上進行。

2)光學金相檢驗

A.概述

由于大多數零件都有薄壁，因此，若不將試樣鑲嵌在適當的聚合物樹脂中，金相檢驗幾乎就無法進行。檢驗的截面最好是試樣最重要的截面。這種截面可能是:

·有缺陷處;

·焊接線;

·偏析處;

·預計有特殊信息的任何表面。

倘若沒有特別需要檢測處，則可將試樣在中間切開，或在任何較方便處切開。

B.零件生坯制備

零件生坯的制備可能變化很大，這決于黏結劑的性質與力學性能。否則，就應將包括被檢驗的試樣部分鑲嵌在冷固定樹脂中，最好是用為金相檢驗專門設計的樹脂。在聚合反應完成后，用高速圓盤鋸進行切割。

發(fā)現下列條件是有效的:

圓鋸片高強度鋼

直徑:63 mm

厚度:0.3 mm

齒數:128

切割速度(圓周):600 m/min

直線速度:0.3 mm/min

零件生坯試樣不能拋光。在拋光成光滑表面之前，可能會除掉與破壞勃特別劑，同時可看到的金屬含有量遠比實際的含有量少。檢驗應直接在切割的表面上進行。殘留的粗糙度阻礙使用高的放大倍數，但可以檢驗與分析粉末的形狀與粉末分布。切割時，一些粉末顆?？赡鼙粡木酆衔锘w中除去，但孔洞清楚地呈黑色，并可用于圖象分析。

C.預燒結的與燒結的零件制備

a.試樣切割

為了防止試樣在切割時擠壓，變形或損壞，對于零件的固定要特別小心?？梢杂蒙拜喦懈顧C，用薄砂輪或輪緣鑲有金剛石的砂輪進行切割。切割時，要充分冷卻，以防止由于過熱結構發(fā)生變化與損壞。

也可用鋸切割。使用標準的鋼鋸，會留下毛邊和粗糙的與變態(tài)的表面，因此，在以后研磨時，以除去零點幾毫米。和珠寶商使用的類似精細片鋸，可能適用于切割MIM試樣。

倘若零件比鑲樣的模具小，可能不需要切割。倘若沒有特定的截面要檢驗，可以鑲嵌整個零件;可是，這需要進行充分地研磨加工。

b.鑲樣

對于金相試樣，最常用的鑲樣方法是熱壓鑲樣。若熱塑性與熱固性樹脂的硬度足夠高與收縮小，則二者都可以用于試樣鑲嵌?？墒牵慵?，預燒結

的零件及一些很脆弱的零件都需要冷鑲樣。在真空或加壓氣氛中使鑲樣的樹脂固化可以改進預燒結試樣的浸透性，從而使MIM零件較好地強化，同時，由于孔隙度低或孔隙度為零，較容易拋光。

倘若零件要用光學與電子顯微鏡二種方法進行檢驗，適于用導電性的樹脂(例如含有碳粉，銀粉或銅粉)。這種導電性鑲樣也用于試樣的電解浸蝕。

試樣在鑲樣樹脂中的位置必須完全固定與記錄。倘若鑲樣的樹脂是透明的，則位置就可以驗證，而且，必要時在完全聚合之前可以校正。倘若樹脂不透明，則最重要的是，在澆注樹脂之前，要確保試樣的位置正確，和保證其仍保持在正確的位置上。為此，可使用特制的穩(wěn)定器。

c.研磨

為了消除掉切割造成的毛邊與結構變化，在最終拋光之前，要將切割表面相當厚度的一層用研磨加工除掉。經驗對于確定應除掉多么厚會有一些幫助。在世界上研磨后，于低的放大倍數下檢驗表面，對于結果的鑒定，有時是有用的。也可一直研磨到試樣的特定區(qū)域或缺陷。

研磨是試樣制備的關鍵作業(yè)。研磨不正確，可能會導致由于塑性變形部分孔隙被封存閉或孔隙被研磨的碎屑充填。

在每一道作業(yè)之后，特別是研研磨之后，對試樣都要進行徹底清清洗。用自來水清洗之后，再用異丙基醇超聲清洗是適宜的。

d.最后拋光

光學顯微鏡金相需要扁平的鏡面對面般拋光表面。每一個金相試樣都要要進行拋光，和最后要用粒度6.3μm的金剛石粉粉膏研磨。為防止污染拋光盤，要特別小心。倘若磨料顆粒較小時，則可能遺留在孔隙中，和落在下一個盤上。倘若顆粒比孔隙大，則可能堵塞孔隙和將之除掉時會擦傷試術表面。研磨時，在每一次操作之間都徹底清理試樣是重要的。不能采用電解拋光，因為其會影響孔隙邊沿。

(4).檢驗

1)光學顯微鏡

首先，于低的放大倍數下檢驗未浸蝕的試樣，以選擇進一步檢驗的表面。試樣應首先檢驗孔隙大小。應指出基體中孔隙大小與孔隙分布的均一性。然后，應檢驗試樣的清潔度。在其他資料中將規(guī)定有孔隙與夾雜的分級。

檢驗是在放大100倍下進行的。特別是當懷疑金相試樣制備不正確時，為了在孔隙與夾雜之間進行識別和為了較好地觀察孔隙，可采用較高的放大倍數。為了確定孔隙大小是否正確，也可另外用金剛石粉進行拋光。

為了不同的目的，可采用不同的浸蝕，例如:

·顯示顯微組織;

·識別特定的相;

·識別夾雜;

·核驗孔隙沒有包藏毛邊或無關顆粒。

浸蝕是用化學的或電化學的方法及化學試劑進行的，這和常規(guī)金相檢驗用的相同。表6中列出了這些試劑的清單。

表6最常用的浸蝕劑

2)掃描電鏡

作出了為一種輔助的檢驗工具，SEM是很有用的。其可給出關于零件表面的補充規(guī)充資料，而且是確定夾雜組成的重要工具?？煽紤]用其鑒定腐蝕的副產品與進行材料的化學分析。

3)圖象分析

特別是對于說明孔隙(大小測量，每一單位表面的孔隙數，大小分布等)，極力推薦圖象分析軟件。在與孔隙分級相關的資料中規(guī)定其應用。

6.2 MIM零件顯微組織分析

(1)概述

為了進行金相檢驗，對于用注射成形(MIM)生產的試樣制備和通常用的金相試樣制備有一些不同。見上面的6.l。

(2)光學顯微鏡檢驗

1)設備

一臺能放大約x 50 , x I00 , x 200及x 500倍的，高質量的光學顯微鏡。其需要有測定尺寸的顯微鏡標尺。為了人工測量尺寸與記錄需要有攝影設備。使用圖象分析時，能獲得來自照相機的數字圖象和在計算機中用專用軟件進行處理(見圖20)。

圖20金相檢驗用的光學顯微鏡

2)孔隙度

首先在未浸蝕的試樣上，檢驗孔隙度;必要的話，然后，再在浸蝕的試樣上進行一次。

A.孔隙分布的檢驗

在低的放大倍數(x 50)下校驗孔隙分布。倘若，孔隙度相當均勻，則可在表面的部分進行檢驗與測量。倘若，在表面某些部分孔隙的密度不同，則應分別在每一代表性部分進行進一步檢驗?？紫斗植嫉囊话阏髡锥家涗?例如在試樣的0. 6 mm厚度表面附近的較低孔隙度)。

B.孔隙度的表征

孔隙度的表征應在x 100倍下進行。要對檢驗的表面進行選擇，其要具有典型的代表性，光學質量要好(平滑性、拋光狀態(tài)、沒有劃痕等)。為了確保在制備試樣時，沒有封閉孔隙，在補充拋光之后，對同一區(qū)域進行檢驗，可能是有益的。

孔隙度的表征應包括下列數據:

孔隙形狀一孔隙形狀是用大多數孔隙的形狀進行評定的?；蛘哒f是“圓形或球形孔隙”或者是“不規(guī)則孔隙”。當孔隙是不規(guī)則形狀時，需要時，可增加對實際孔隙形狀較多的具體描述。

孔隙的平均大小一平均孔隙直徑是用圖象分析或用足夠多數量的可見孔隙(>10%總數)的尺寸測量與計算平均值得到出的。

孔隙的豐度-一孔隙的豐度是以測量面積中的孔隙數量與測量的總面積間的比率確定的。若用圖象分析時，這個值一般叫做“計數/面積”。另外，孔隙的面積除以測量的面積可能是重要的。

a)研究的區(qū)域;b)計算的較小的區(qū)域;c)非救形孔隙

圖21研究孔隙大小的顯微照片表面

C.人工測量與計算的例子。

倘若，研究的面積如圖21(a)所示，則計算與測量的實際方法是，將表面面積劃分為幾個較小的面積，如像(b)中，然后計算一個或幾個面積中的孔隙數量。當孔隙是二個不同面積的一部分時，則應僅只計算面積中的位于其下部右邊的部分。在(c)中，以最小尺寸(a)與最大尺寸(b)間的平均值得出的非球形孔隙的平均直徑。

D.孔隙度的校驗

為了顯示材料的顯微組織，需要浸蝕試樣。和以前一樣，用同樣的放大倍數檢驗試樣時，其應顯示出同樣形狀的孔隙、尺寸與變形。

3)清潔度

清潔度是用夾雜的性能、數量及范圍來表征的。夾雜本質上是組成與基體材料不同的、無關的金屬或非金屬雜質。用顯微鏡往往不能區(qū)別夾雜與孔隙。有時，用放大倍數高于x 500 倍或更高的放大倍數可以表明孔隙是真正孔隙還是夾雜。在懷疑的情況下，可采取的第一個措施是用乙醇與超聲攪拌澈底清洗試樣。使用一些專用的試劑，涂到夾雜上，會形成和孔隙與基體不同的顏色。

確定夾雜最合適的方法是使用掃描電鏡( SEM )。這個準則在下面有一部分專門講到了SEM的應用。

在確定夾雜之后，和用對于孔隙同樣的方法進行表征。有的時候，由于孔隙與夾雜之間的形狀、顏色及外觀差異很小，難以用圖象分析。倘若夾雜的數量不太大，人工選擇夾雜可能是解決這個問題的一個可行的辦法。

4)顯微組織

MIM零件的顯微組織檢驗只能用燒結的零件進行。程序和用于其他來源的材料相同，其唯一差別是大部分MIM材料中有小的與均勻的孔隙度(見圖22)。

5)浸蝕

浸蝕用化學試劑見表7，可從其中選用。因為會浸蝕材料的孔隙度，要特別小心。倘若，液體存留在孔隙中，其可能會在檢驗時逸出，影響圖象的質量，甚至會浸蝕設備，特別翻轉的顯微鏡上。

6)檢驗

為了校驗孔隙度(見上文)，在于x 100倍下第一次檢驗后，為了識別不同的相與為了進行金相觀察，要選擇合適的放大倍數。

7)測量晶粒大小

需要的話，可測定晶粒大小。對于MIM材料，標準ISO 643中描述的程序也是適用的。

圖22用glyceregia試劑浸蝕的MIM316L

不銹鋼的顯微組織

8)a一鐵素體

對于s一鐵素體要特別注意。這種相在MIM工藝中廣泛應用于不銹鋼(例如316L)中。當將不銹鋼加熱到足夠高的溫度時，其會出現在晶界上。這種相呈很淡的淺藍色。應報告鐵素體的存在，可以測定這種相的相對豐度。

9).缺陷

A.缺陷是一種事故，可能影響零件的外觀，形狀或性能。這包括有注射成形的缺陷(焊接線，充填不完全，沉陷等)，材料的多相性，孔洞及裂紋?？锥幢瓤紫洞蟮枚?，和其較長的尺寸有的大于100 μm缺陷是系統(tǒng)的或偶然的。系統(tǒng)的比遠比偶然的缺陷容易檢驗與識別。

B.缺陷的檢驗與表征一零件生坯或燒結零件表面的缺陷都是可用目測的。最后，可用放大鏡或顯微鏡進行檢驗。依據缺陷的性質與大小，可用幾種無損檢驗方法進行檢驗。對于磁性材料中的表面裂紋的顯像，透視試驗與磁性探傷法都是有效的。

當缺陷位于內部時，較難發(fā)現，除非是懷疑有缺陷或者內部的缺陷使外觀產生外部變形。若內部的空洞與裂紋足夠大時，則他們可用X一射線或超聲音響測深自動記錄儀定位。小于1 mm的較小缺陷，可用X一射線顯微層析攝影法檢測。

對于零件生坯與棕色零件的缺陷，可用破壞或切斷零件進行缺陷的破壞性檢驗。對破壞與切割的截面進行檢驗，以獲得缺陷的部位與信息。也可用顯微鏡檢驗缺陷。除非缺陷的部位是推測的和缺陷的大小很大或在零內伸長的，試樣通過缺陷斷裂是不可靠的。

(3)掃描電鏡(SEM )

1)設備

SEM對于檢驗材料是一種很有用的設備。其是用電子束激發(fā)被檢驗的材料，利用材料發(fā)射的二次電子來產生表面的視頻圖象。由于焦距深，通過放大，能很好地確定這種圖象與表明表面的輪廓。SEM一般的放大倍數為，從x 20到x20000倍。

利用SEM附備的能譜儀(EDS )，利用材料發(fā)射的X一射線的能量，可以分析局部材料的組成。

2)檢驗與分析

為了用電子束能誘發(fā)排出電荷，SEM檢驗的試樣必須是導電的。倘若，試樣本身不能導電(零件生坯或鑲樣的聚合物)，則必須在檢驗以前，將其金屬化。通常使用的是碳或金的一薄層真空鍍層。

和光學顯微鏡一樣，可在零件表面與截面進行檢驗。也可以檢驗斷裂表面，而且很有用。在將試樣正確插人顯微鏡和將試樣室抽真空后，檢驗的程序和光學顯微鏡很相似?？墒?，SEM的檢驗比光學顯微鏡簡便。

孔隙可直接檢測，并且容易和夾雜進行區(qū)別?？斩纯芍苯涌吹剑?，倘若拋光使孔隙邊緣發(fā)生了變化或變形，也可以看出。用EDS可以檢驗夾雜與相。電子發(fā)射圖的檢驗可給出局部化學組成的定性信息。也能進行定性或半定量化學分析。設備標定后，和用光學顯微鏡同樣的方法，進行定量圖象分析。

7 MIM工藝的最近發(fā)展

7.1 2C-MIM

作為制造雙金屬零件的方法，開發(fā)出了2C-MIM ( Two-Component MIM)工藝。2C-MIM工藝的主要優(yōu)勢是，在一道生產工序中，可將具有不同性能的二種材料直接接合在一起，從而不再需要以后的連接作業(yè)。其可制造的零件范圍包括，從具有復雜的內部結構的中空零件一直到柔性的能拆卸的組件。

所有研事例的目的都是，在有利的成本下，制造出功能性增強的工程零件。對于遭受磨損的零件，例如僅只在關鍵部位，可用較硬或較耐磨的材料來增強，從而對于一個別應用，就有了一種特制的零件。

設想有許多重要材料與生產工藝都需要用這種方法生產好的零件。但這并非僅只需要簡單地了解二種注射料的注射成形性狀。關鍵是二種材料必須能在同樣的爐子中并在同樣的燒結氣氛下進行燒結。這是因為燒結時二個零件的收縮速率不同，可能會導致分層與開裂。還有當形成有害的相時，合金化元素也會沿著邊界擴散，這會減低材料的性能。

通過協(xié)調加工因素，可使2C-MIM零件的質量最佳化。由于其獨特能力，可使不用任何組裝作業(yè)，就能夠使一個零件中具有不同的材料性能，因此，2C-MIM工藝一定會擴大MIM產業(yè)的潛在市場。

7.2 μ-MIM

產品與系統(tǒng)都在趨向于微小型化，這意味著復雜系統(tǒng)中的結構與功能性零件將變得越來越小。不但要使用具有適當物理性能的先進材料，而且要有微小型化的幾何形狀特征，才能使集成的功能數量增多。因此，需要開發(fā)制造微型零件或微型結構零件的高度有效的與可靠的方法。用μ-MIM制造的微型結構零件，特別是可用來替代塑料零件，以發(fā)揮諸如力學強度、耐蝕性或高溫性能等金屬材料的優(yōu)勢。

這種新制造工藝的成功是基于缺少可替代的μ-MIM。所謂的LIGA技術(光刻與電鑄的結合)，通常，僅只適用于2D幾何形狀，而且，在材料選擇方面受到電鑄的限制。其他技術，如像電化學微型一制造方法、微型一銑削與微型一磨削技術都來自硅基的微電子產業(yè)，都具有解決小到1 μm特征的能力。但是，都不大適合于大量生產3D零件。

的確，這些制造工藝大多都太昂貴，現在，用μ-MIM生產的微型零件，其特征大小已可小到5 μm。

為了使性能最佳化，例如依照流動性狀或零件保持形狀，開發(fā)出了完全可能用于μ-MIM所需要的亞微米或納米的合用注射料。

一般而言，對于微型零件來說，MIM可復制約為平均粒度10倍的特征，這對于微型零件是特別適用的，倘若要制造較小的特征，就需要使用更細小的粉末?，F在，可利用的金屬粉末粒度小于1μm。一些粉末的活性太大，以致不能生產該粒度范圍的粉末(例如Ti)，而其他金屬粉末，可用特殊的氣霧化法較容易生產(例如不銹鋼)。

倘若粉末的粒度范圍都在1 wm以下，就應使用特殊的注射料組成，以適應粉末的大表面面積注射成形與脫黏時產生的問題。

現在μ-MIM仍然處于研發(fā)階段，大體上在與2C-MIM工藝平行發(fā)展。首先，這二種工藝現在都已用于生產，但形勢的特點是，都在進行技術推銷和在對各種各樣的微型零件或微型結構零件進行可行性研究。

在其成功地進人市場的路上，初步的競爭性研究與開發(fā)目標都是關鍵性工作，但是，只有通過在產業(yè)中圍繞著μ-MIM的可能性，開發(fā)材料與生產工藝，再加上對工程技術人員的教育，才能實現真正的突破。

8總結

歐洲MIM產業(yè)長期以來就認識到需要開發(fā)國際標準。歐洲的標準草案就是來自MIMNET的一個計劃的產品，EuroMIM組接著將工作集中在了開發(fā)一項MIM材料的ISO標準。經過和北美(MPIF)與日本(JPMA)的商業(yè)協(xié)會以及相關的ISO分會的一系列會議與討論，產生了2012年發(fā)布的ISO標準一2012ISO 22068燒結金屬注射成形材料一規(guī)范。這個規(guī)范包括有，對于燒結金屬注射成形材料的化學組成和力學與物理性能的要求。意在于，為設計與材料工程師提供只能用金屬注射成形(MIM)工藝制造的零件規(guī)定的材料所需要的資料，但其不能用于用其他粉末冶金工藝(諸如，壓制一燒結或粉末-鍛造)制造的結構零件。

有許多已有的ISO與EN標準都和MIM相關，其中包括有:

ISO 2740:燒結金屬材料(不包括硬質合金)一拉伸試樣;

ISO 3369:非滲透性的燒結金屬材料與硬質合金一密度測定;

ISO 4498:標準草案，燒結金屬材料(不包括硬質合金)一表觀硬度與顯微硬度的測定(ISO 4498的修定本一1990與ISO 4498一:1981);

ISO 6892:金屬材料一在室溫下的拉伸試驗;

EN 23954:粉末冶金用的粉末一取樣;

EN 23 369:非滲透性的燒結金屬材料與硬質合金一密度測定。