金屬粉末注射成型:成型工藝中燒結變形的測試評價技術需求

2020-12-07 上海依陽熱分析儀器

金屬粉末注射成型技術（Metal Powder Injection Molding Technology，簡稱MIM）是將現代塑料注射成型技術引入粉末冶金領域而形成的一門新型粉末冶金近淨形成型技術。注射成型過程中將微細粉末與有機粘結劑均勻混合為具有流變性的餵料，採用注射機注入模腔, 形成坯件，再脫除粘結劑和燒結，使其高度緻密成為製品，如圖1所示。

圖1 金屬粉末注射成型的金屬零部件

金屬粉末注射成型工藝流程如圖2所示。該工藝技術適合大批量生產小型、精密、形狀複雜以及具有特殊性能要求的金屬和陶瓷零部件，具有廣闊的應用前景和經濟價值。

圖2 粉末注射成型工藝流程示意圖

粉末注射成型工藝中採用了大量粉末這就意味著最終成型部件內會含有細小的孔穴，圖3所示為粉末注射成型件的典型內部微觀結構。粉末顆粒的尺寸會明顯影響部件的內部結構性能，如空隙率和晶粒尺寸大小。減小粉末顆粒尺寸可以改善燒結性能，但隨之會使得比表面積增大並最終導致氧濃度趨勢的增大。

圖3 粉末注射成型件典型微觀結構圖

在粉末注射成型後要進行排膠和燒結工藝處理，在這些處理工藝中散布在粉體顆粒空隙之間的膠粘劑會引起成型件外形的改變，圖4所示為粉末注射成型件試樣在排膠和燒結前後的外形變化。另外，由於緻密性要求燒結要在高溫下進行，燒結溫度接近熔點，這時就需要考慮重力所帶來的蠕變，越是大尺寸的成型部件越是會產生較大的變形，結果就是最終部件所需的尺寸精度就很難保證。在實際生產中，這種高溫下蠕變變形所帶來的結果就是粉末注射成型工藝僅能用於重量100g以內輕質小尺寸部件的生產。因此，對於較重的大尺寸部件生產中採用粉末注射成型工藝就需要設法抑制這種變形，這是目前粉末注射成型工藝所面臨的巨大挑戰。

圖4 排膠和燒結前後的形變

對於輕質小尺寸部件的生產，為得到高精度和高質量的產品，也需要精確掌握這種變形行為的規律，並根據產品最終的特性，來確定燒結工藝參數以及燒結前坯件的幾何尺寸。排膠和燒結過程中產品部件收縮規律的獲得主要涉及以下兩方面內容：

（1）燒結過程中產品部件的收縮並不能僅僅靠取樣形式測試的熱膨脹係數來準確獲得，這主要是由於取樣測試熱膨脹過程中樣品內部傳熱與產品部件完全不同，通過測試得到的熱膨脹係數要預計部件變形量會存在較大誤差。最好的方式是在模擬燒結工藝過程中實時測試產品部件的整體變形量，採用準確、可靠、高效的測試以及數值模擬方法，來代替目前熱膨脹係數變形計算和基於經驗的反覆試驗法，從而縮短產品的開發周期和費用。（2）燒結過程中一些產品部件的無支撐部位到一定溫度後會由於材料軟化受到重力影響而發生下彎變形，如圖5所示。針對框狀類的產品部件，在燒結後往往會出現部件的側邊會有一定程度內凹或外凸。由此可見重力的影響會使產品部件的收縮產生各向異性並影響到產品部件的最終形狀，文獻1-10對各種燒結中的重力影響進行了詳細描述。總之，所有這些變形是在燒結升溫過程中發生的還是在冷卻過程中發生，以及發生變形的具體溫度和變形量大小是燒結工藝需要了解的重要參數，但這些變形參數則是通過熱膨脹係數測試無法獲得，只有通過部件的整體測量才能準確了解。

圖5 燒結過程中重力效應帶來的變形

綜上所述，針對注射成型燒結過程中產品部件的收縮變形，需要解決以下問題：

直接觀測產品部件在燒結過程中的整體尺寸變化規律以及重力影響部件局部下彎變形規律；採用非接觸測量方式，避免接觸式測量頂杆加載力對排膠和燒結變形的影響；採用大面積測量方式，直接測試成型件變形，避免制樣的代表性不足；實現成型件或試樣的二維變形同時測量，並具有多點位置變化同時測量功能；在不同升溫制度（如不同升降溫速度和不同恆定溫度）下觀測部件尺寸變化規律；觀測不同氣氛（真空、氬氣、氮氣、氫氣等）和不同氣壓條件對部件尺寸變化規律的影響，以及不同溫度區間切換氣氛條件和氣壓恆定對部件尺寸變化規律的影響；同時具備高精度高溫熱膨脹係數測試功能。

參考文獻

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