現(xiàn)代粉末冶金技術(shù) 第8章 金屬粉末注射成形

1、第8章 金屬粉末注射成形8.1 金屬粉末注射成形概論8.1.1 金屬粉末注射成形技術(shù)的發(fā)展歷程(mim，metal powder injection molding)近年來(lái)，粉末冶金注射成形（pim，powder injection molding）的發(fā)展非常引人注目。注射成形用于陶瓷和塑料工業(yè)已有多年的歷史，只是最近來(lái)才開(kāi)始用于粉末冶金工業(yè)。雖然目前金屬粉末注射成形產(chǎn)品的市場(chǎng)還十分有限，卻具有巨大的潛在市場(chǎng)。注射成形是一種兼有模塑的成形方法，因此又稱為注塑成形。通常注射成形的工藝過(guò)程是：將混合的粒料或粉料放入注塑機(jī)的料筒內(nèi)，經(jīng)過(guò)加熱、壓縮、剪切、混合和輸送作用，使物料達(dá)到均勻化和塑化的效果，

2、然后借助于柱塞或螺桿向塑化好的混合物施加壓力，高溫流體便通過(guò)料筒前面的噴嘴和模具的澆道系統(tǒng)注入預(yù)先閉合好的低溫模腔中，經(jīng)過(guò)冷卻定型后，開(kāi)啟模具、頂出制品，得到一定幾何形狀和精度的制品。注射成形最早應(yīng)用于塑料成形，早在1862年，英國(guó)的亞歷山大·柏士（alexander parkes）提出了注塑成形法制造塑料梳子、傘柄和一些其它制品。柏士塑料的主要成分是硝酸纖維素（cn）加上少量的其它物質(zhì)，使其具有塑性和其它一些物理性能。1869年，英國(guó)的一位印刷商海特（hytt）改良了柏士塑料，制成了賽璐璐，但仍以硝酸纖維素為主。1878年，他將賽璐璐注入一個(gè)多腔模具中，這個(gè)模具已具有主澆道、分流道

3、和澆口。1879年，gray在英國(guó)發(fā)明了世界上第一臺(tái)螺旋擠出機(jī)，差不多在同一時(shí)期，其他很多人也設(shè)計(jì)了各種機(jī)型。由于賽璐璐可燃性強(qiáng)，不是很適合注塑成形。直到1919年eichengrum 推出了醋酸纖維素（ca）后，注塑技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展。1920年，注塑成形已成為工業(yè)化的加工方法，這種方法可以把熱塑性聚合物加工成形狀復(fù)雜的制品。料筒是注塑機(jī)的心臟，德國(guó)的hans gastrovl在1932年發(fā)明了具有分流梭的料筒，增大了聚合物的加熱面積，克服了塑料導(dǎo)熱性差、受熱不均勻等缺點(diǎn)，但分流梭占去了料筒的一部分容積，并增加了阻力，使熔體注入模腔難度增加。1930年，美國(guó)賽璐璐公司發(fā)明了螺桿熔料式注塑法

4、。1940年，德國(guó)basf公司又發(fā)明了螺桿直射注塑法。20世紀(jì)70年代，是整個(gè)塑料工業(yè)發(fā)展的重要變革時(shí)期，使得注塑成形得到巨大發(fā)展。有關(guān)陶瓷注射成形技術(shù)的最早報(bào)道出現(xiàn)在1949年申請(qǐng)的專利中。實(shí)際上，早在1937年就有人開(kāi)始用注塑機(jī)生產(chǎn)陶瓷制品。二戰(zhàn)以后，隨著塑料工業(yè)的迅速發(fā)展，注射成形技術(shù)發(fā)展步伐大大加快，無(wú)論是生產(chǎn)設(shè)備、材料，還是制造工藝都發(fā)生了質(zhì)的變化。但是在上世紀(jì)70年代以前，金屬注射成形技術(shù)還鮮為人知。美國(guó)學(xué)者韋奇（wiech ）在nasa任職期間，主要從事火箭固體燃料用的微細(xì)粉末方面的研究，他結(jié)合自己10多年積累的研究成果和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)，形成了一種對(duì)金屬粉末進(jìn)行注射成形

5、、生產(chǎn)燒結(jié)制品的粉末冶金工藝。韋奇為了使他的研究成果產(chǎn)業(yè)化，1973年組建了parmatech公司，并為洛克威勒公司研制了火箭噴嘴部件，為波音公司研制了飛機(jī)主翼的輔助擋板的沖擊吸收環(huán)，并于1979年獲得了國(guó)際粉末冶金大會(huì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)，引起了國(guó)際粉末冶金界的重視。parmatech公司轉(zhuǎn)讓了幾項(xiàng)專利后，形成了多家mim公司。1979年butluconhas研究所是在世界范圍內(nèi)募集“利用注射成形制造的復(fù)雜形狀的金屬零件”課題共同研究的發(fā)起人，歐美和日本等國(guó)家紛紛應(yīng)募，使得金屬粉末的注射成形研究日益興旺。但韋奇為了使其制造技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化而沒(méi)有參加共同研究，而在1979年組建了witec（維泰克）公司。

6、1981年神鋼商事株式會(huì)社為了引進(jìn)韋奇開(kāi)發(fā)的技術(shù)，在日本聯(lián)合設(shè)立了日本維泰克株式會(huì)社，該社從美國(guó)引進(jìn)了小型試驗(yàn)設(shè)備，并以此為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)了大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)備和一些其它技術(shù)，該公司現(xiàn)在已經(jīng)有能力開(kāi)發(fā)對(duì)注射成形制品進(jìn)行批量生產(chǎn)的技術(shù)和設(shè)備。到1987年，該公司在日本國(guó)內(nèi)已經(jīng)有了7家子公司，海外有一家子公司。采用維泰克工藝生產(chǎn)的燒結(jié)零件以maltialloy injecalloy，sumatal finmalut命名的商品出現(xiàn)在市場(chǎng)上。1982年brunswick進(jìn)入了mim行業(yè)后收購(gòu)了witec公司，并逐步注冊(cè)了omark工業(yè)、remington軍品、rocky牙科等子公司。20世紀(jì)80年代初期，美國(guó)倫塞

7、爾理工學(xué)院開(kāi)始開(kāi)展pim技術(shù)基礎(chǔ)理論和應(yīng)用基礎(chǔ)的研究工作。20世紀(jì)80年代中期，美國(guó)又在賓州大學(xué)建立了pim專業(yè)實(shí)驗(yàn)基地，同時(shí)一些與國(guó)防軍工新材料相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室也相繼開(kāi)展了該技術(shù)的研究和評(píng)價(jià)工作。由于政府研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)的介入，使研究工作向深層次發(fā)展，pim的理論框架日益完善，pim技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。這一方面歸因于在流體力學(xué)和氣體動(dòng)力學(xué)研究成果基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出的超高壓水霧化和高壓惰性氣體霧化技術(shù)的發(fā)展，使細(xì)粉產(chǎn)率大大提高，原材料成本下降。另一方面，在粘結(jié)劑設(shè)計(jì)理論和脫脂機(jī)理等研究成果的指導(dǎo)下，以美國(guó)injectamax公司和德國(guó)basf（巴斯夫）公司為代表的新一代pim工藝的開(kāi)發(fā)成功，不僅使原來(lái)的

8、脫脂時(shí)間從數(shù)十小時(shí)縮短到幾個(gè)小時(shí)，而且其保形性得到明顯的改善，大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品的尺寸精度從±0.5%提高到±0.3%1。進(jìn)入上世紀(jì)90年代，一方面是pim工藝進(jìn)一步改進(jìn)，新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)；另一方面，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展非常迅速。1990年，以色列metalor公司從parmatch公司引進(jìn)了mim工藝技術(shù)，并建立了mim生產(chǎn)線。在美國(guó)，采用witch工藝的公司有witec cayman services l.t.d、maltimaterial molding inc、r&w products l.t.d等等。維泰克工藝在美國(guó)擁有“生坯除去粘結(jié)劑方法”，“合金和化合物粉末

9、制備合金零件方法”等10多項(xiàng)專利，并在日本、加拿大申請(qǐng)了專利。進(jìn)入21世紀(jì)，由于信息和生物產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，工業(yè)和研究領(lǐng)域?qū)ξ⑿筒考男枨罅咳找嬖龃?，并且?duì)部件的結(jié)構(gòu)和功能要求越來(lái)越復(fù)雜。金屬粉末微注射成形技術(shù)以其生產(chǎn)成本低、成形周期短、工藝過(guò)程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，成為微型部件工業(yè)化批量生產(chǎn)研究的熱點(diǎn)之一。成品質(zhì)量以毫克為計(jì)算單位，成品幾何尺寸以微米為度量單位的微注射成形技術(shù)是一門新興先進(jìn)制造技術(shù)，同傳統(tǒng)的、常規(guī)的注射成形技術(shù)相比，其對(duì)成形材料、成形工藝及成形設(shè)備等方面提出了不同的要求。許多現(xiàn)有的、成熟的注射成形技術(shù)和理論并不適用于微注射成形技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的金屬注射成形技術(shù)，微注射成形制造的零部件尺寸

10、更小、表面光潔度要求更高。因此，對(duì)粉末粒度要求更細(xì)(約1m)。由于細(xì)小的粉末具有更高的比表面積，微注射成形的粉末在混料的時(shí)侯需添加更多的粘結(jié)劑。只有粘結(jié)劑完全包覆粉末表面才能保證喂料完全充模，并使成形坯具有一定的強(qiáng)度。8.1.2 金屬粉末注射成形的特點(diǎn)金屬粉末注射成形是一種從塑料注射成形行業(yè)中發(fā)展而來(lái)的新型粉末冶金成形技術(shù)，它是傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)和現(xiàn)代注塑成形技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。金屬注射成形的基本工藝步驟是：首先選取符合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)制粒后再注射成形，將獲得的成形坯經(jīng)過(guò)脫脂處理后燒結(jié)致密化成為最終成品。金屬注射成形基本

11、工藝流程如圖8-1所示。圖8-1金屬注射成形基本工藝流程1作為一種金屬粉末致密化的特殊工藝，金屬注射成形技術(shù)與傳統(tǒng)的粉末冶金技術(shù)存在很大的差別。金屬粉末注射成形技術(shù)是一種新型的粉末冶金技術(shù)，它可以批量生產(chǎn)高精度三維立體復(fù)雜形狀的金屬制品。與使用傳統(tǒng)壓力機(jī)成形的傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)相比，其特點(diǎn)如下2：mim技術(shù)比傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)使用的粉末更細(xì)，它采用粒度約10m以下的微細(xì)粉末，而不是一般粉末冶金采用的約100m粒度的粉末；使用的粉體材料范圍更廣，包括：fe、ni、co、w、wc、ti及各種牌號(hào)的不銹鋼粉末等。粉末注射成形坯燒結(jié)以后有15%以上的線收縮率，能達(dá)到95%以上的理論密度，并具有足夠的使用強(qiáng)

12、度。因此，在產(chǎn)品和模具的設(shè)計(jì)中要充分考慮其燒結(jié)收縮量。生產(chǎn)的制品尺寸精度能達(dá)到±0.3%，對(duì)于小型的形狀簡(jiǎn)單的制品來(lái)說(shuō)，則能達(dá)到±35m/mm；表面光潔度能夠達(dá)到(粗糙度15m) 。制品可以通過(guò)熱等靜壓進(jìn)一步致密化，還可以進(jìn)行滲碳、電鍍等工藝進(jìn)行表面處理。注射廢料可以回收重復(fù)使用；此技術(shù)既可以進(jìn)行大批量工業(yè)化生產(chǎn)，也可以多品種小批量生產(chǎn)。8.1.3 金屬粉末注射成形產(chǎn)品的應(yīng)用70年代末，ibm（國(guó)際商用機(jī)器公司）從parmatech公司購(gòu)買了金屬粉末注射成形專利，并和parmatech公司一起研制了電動(dòng)打字機(jī)上的鎳鋼升降環(huán)，至今已生產(chǎn)了一百萬(wàn)件以上這種結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜難于生產(chǎn)的

13、零件3。使用注射成形技術(shù)后，只需要三道輔助工序，即攻絲、拋光和滲碳硬化，代替了原來(lái)需要18道工藝的精密鑄造，ibm開(kāi)發(fā)了約30種注射成形零件，其中五種正在生產(chǎn)，最大零件長(zhǎng)76mm，最大截面厚度12.5mm，零件公差±0.34%±0.5%，小孔直徑公差0.0025mm。engineered sinterings and plastics 公司于1985年開(kāi)始出售注射成形零件。第一批為三種槍械零件，第二批為辦公機(jī)械零件，其截面積尺寸19.05mm4。from pysics 公司至少生產(chǎn)了20種注射成形零件，其用途包括牙齒矯形和照相機(jī)領(lǐng)域，零件公差可在±0.1%，表面光

14、潔度為8，零件包括不銹鋼牙齒矯形器、碳化鎢旋轉(zhuǎn)磨面、各種模子和型板、符號(hào)字模計(jì)算印刷錘、擠壓氧化鋁陶瓷噴射管、碳化鎢齒輪、各種支架、殼和磁帶導(dǎo)向等4,5。cabot公司研究生產(chǎn)了鐵基高溫合金、鎳基高溫合金、工具鋼、316和17-4ph不銹鋼、碳化鎢-鈷等材料，產(chǎn)品有薄壁鎳基高溫合金筒、錐體、螺母、螺栓等，其內(nèi)外螺紋都是直接注射成形而成6。注射成形也用于電磁領(lǐng)域中若干零件的制造，如使用硅鋼的變壓器鐵芯、電樞、磁極片、繼電器等。高磁導(dǎo)率合金（hy-mu 80）以前不能用粉末冶金方法制備，但是由于注射成形改善了最終密度，就能使用此技術(shù)制取如變壓器磁芯等產(chǎn)品，并得到較好的磁性能，在使用中還能提高工作效

15、率和降低能耗7。金屬成形工藝由于采用注射成形，可生產(chǎn)各種合金材料形狀十分復(fù)雜的零件，其復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其他粉末冶金工藝在內(nèi)的任何一種金屬成形工藝，包括：各種外部切槽、外螺紋、錐形外表面、交叉孔和盲孔、凹臺(tái)與鍵銷、加強(qiáng)筋板、表面滾花等等。因此采用該技術(shù)可以免除繁瑣的多道加工工序，減少材料消耗，這正是注射成形的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿?。而且在流動(dòng)狀態(tài)下，液相均勻填充模腔成形，模腔內(nèi)各點(diǎn)壓力一致，消除了傳統(tǒng)粉末冶金壓制成形不可避免的沿壓制方向的密度梯度，可以獲得組織結(jié)構(gòu)均勻、力學(xué)性能優(yōu)異的近凈成形零部件。此外金屬粉末注射成形技術(shù)還有材料適應(yīng)性廣、自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)成本低、材料利用率幾乎達(dá)到100%等優(yōu)

16、點(diǎn)9。目前全球范圍內(nèi)已有數(shù)百個(gè)為金屬注射成形技術(shù)服務(wù)或直接從事金屬注射成形的公司，其產(chǎn)品從傳統(tǒng)工業(yè)用的硬質(zhì)工具、機(jī)械產(chǎn)品到高溫發(fā)動(dòng)機(jī)部件，從計(jì)算機(jī)用的磁盤驅(qū)動(dòng)器到手表業(yè)用產(chǎn)品、醫(yī)用產(chǎn)品、甚至軍工產(chǎn)品等近百種。因此，mim技術(shù)被譽(yù)為“當(dāng)今最熱門的零部件成形技術(shù)”。表8-1列出金屬注射成形和傳統(tǒng)的精密鑄造成形能力的比較。據(jù)初步調(diào)查，單在輕武器行業(yè)中，金屬注射成形技術(shù)就有著巨大的潛在市場(chǎng)，有近25%的零部件適合于用粉末冶金注射成形技術(shù)來(lái)生產(chǎn)。表8-1 mim和精密鑄造成形能力的比較8特點(diǎn)精密鑄造mim最小孔直徑2mm0.4mm2mm直徑的盲孔最大深度2mm20mm最小壁厚2mm<1mm最大壁厚

17、無(wú)限制10mm4mm直徑的公差±0.2mm±0.06mm表面粗糙度（ra）5m1m當(dāng)然，任何一種制造工藝都有其不利的方面，金屬注射成形目前主要存在以下兩方面的問(wèn)題：粉末冶金注射成形采用粒度為10m以下的極細(xì)粉末，這種粉末難于生產(chǎn)，成本高；加入和脫除粘結(jié)劑的過(guò)程比較復(fù)雜，因此此種技術(shù)生產(chǎn)成本較高。因此，目前注射成形技術(shù)不能完全取代傳統(tǒng)粉末冶金成形技術(shù)，只是在生產(chǎn)要求高強(qiáng)度、高均勻性、形狀復(fù)雜的粉末冶金零件時(shí)使用，從而充實(shí)了粉末冶金技術(shù)和擴(kuò)大粉末冶金制品的使用范圍。許多公司和研究機(jī)構(gòu)都在設(shè)法克服注射成形的不利因素。已取得的進(jìn)展表明，注射成形發(fā)展的潛力是令人鼓舞的，但要成為在各方

18、面都有競(jìng)爭(zhēng)力的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的工藝，還需時(shí)日。8.2 混合物的流變特性8.2.1基本理論8.2.1.1 材料的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系材料在外應(yīng)力的作用下要產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，理想的彈性固體服從虎克定律。應(yīng)力正比于應(yīng)變，應(yīng)力恒定時(shí)，應(yīng)變是一個(gè)常數(shù)，撤掉外力后，應(yīng)變立即回復(fù)到零。虎克定律表述如下： = （8-1）式中為應(yīng)力、為應(yīng)變，為彈性模量。另外，理想的粘性液體服從牛頓粘性定律：應(yīng)力正比于應(yīng)變速率，在恒定的外力作用下，應(yīng)變的數(shù)值隨時(shí)間的延續(xù)而線性增加，撤掉外力后，應(yīng)變不再回復(fù)，即產(chǎn)生永久變形。牛頓粘性流定律為： （8-2）式中為應(yīng)變速率，為粘滯系數(shù)。實(shí)際上，物體的力學(xué)性能大都偏離這兩個(gè)定律，粉末體、高分子

19、聚合物等多種材料強(qiáng)烈地依賴溫度和外力的作用時(shí)間。在外力的作用下，其應(yīng)變行為可同時(shí)兼有彈性材料和粘性材料的特征。應(yīng)力大小既依賴應(yīng)變又依賴于應(yīng)變速率；應(yīng)變既含有不可回復(fù)的永久變形，又含有可回復(fù)的彈性變形，可回復(fù)的彈性變形又分為依賴于時(shí)間的高彈性形變和瞬時(shí)回復(fù)的普彈性形變，這種兼具粘性和彈性的性質(zhì)的特性稱為粘彈性。8.2.1.2 材料的粘彈性材料最基本的粘彈性現(xiàn)象有蠕變、應(yīng)力松弛和內(nèi)耗。材料的蠕變特征蠕變是在一定的溫度和一定的外力作用下，材料的形變隨時(shí)間的推移而逐漸發(fā)展的現(xiàn)象。外部作用可以是拉伸、壓縮或者剪切，相應(yīng)的應(yīng)變則為伸長(zhǎng)、收縮或者剪切變形。粘彈性材料的形變和外力作用的時(shí)間有關(guān)，描述這種關(guān)系的

20、應(yīng)變時(shí)間曲線稱為蠕變曲線，也可以稱之為應(yīng)變弛豫曲線。如圖8-2所示，在t1時(shí)刻給材料加一定的負(fù)荷0，拉伸應(yīng)變隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加。在t2時(shí)刻除去負(fù)荷，=0，又逐漸減少。 圖8-2蠕變示意圖 圖8-3應(yīng)力松弛示意圖10(a) 應(yīng)力(t)隨時(shí)間的變化 (b) 應(yīng)變(t)隨時(shí)間的變化材料的應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛是指溫度恒定、應(yīng)變保持不變時(shí)，材料的應(yīng)力隨時(shí)間的延續(xù)而逐漸下降的現(xiàn)象。應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線稱為應(yīng)力松弛曲線。如圖8-3所示，在形變剛發(fā)生的瞬間應(yīng)力最大，然后降低。在應(yīng)力松弛過(guò)程中，隨著時(shí)間的延續(xù)，體系的應(yīng)力可衰減到零或者衰減到一定值。多數(shù)材料的松弛性質(zhì)也與溫度有明顯的關(guān)系。例如，玻璃、鑄鐵等材料在常溫下

21、是彈性體，不發(fā)生松弛，但在高溫下呈現(xiàn)明顯的松弛現(xiàn)象。工業(yè)生產(chǎn)中就是利用玻璃和鑄鐵的這一性質(zhì)對(duì)玻璃制品和鑄鐵件進(jìn)行退火處理的。研究材料在溫度變化時(shí)的松弛規(guī)律，有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。8.2.1.3 動(dòng)態(tài)粘彈性10彈簧和粘壺在流變模型中，彈簧是最簡(jiǎn)單的彈性模型，粘壺是最簡(jiǎn)單的流體模型，如圖8-4所示。在理論上人們通常用彈簧和粘壺的組合來(lái)模擬物體的粘彈性。圖8-4 彈簧和粘壺模型這里的彈簧滿足線性彈性體的三個(gè)條件：a.應(yīng)力與應(yīng)變的響應(yīng)是瞬時(shí)的；b.它嚴(yán)格符合胡克定律，即應(yīng)力與應(yīng)變成正比；c.應(yīng)力和應(yīng)變都不隨時(shí)間而改變。這里的粘壺遵循牛頓粘性定律，在突加應(yīng)力的作用下，粘壺不能產(chǎn)生突加應(yīng)變，呈一種穩(wěn)

22、態(tài)流動(dòng)，即不能使粘壺產(chǎn)生瞬時(shí)的應(yīng)變。maxwell模型一個(gè)彈簧和一個(gè)粘壺串聯(lián)稱為maxwell模型，如圖8-5。maxwell模型在恒應(yīng)力作用下有瞬時(shí)的彈性變形，此后，變形隨時(shí)間線性無(wú)限增長(zhǎng)。在一定的應(yīng)力作用下，材料可以無(wú)限地變形，這是粘性流體的特征。maxwell模型的瞬時(shí)響應(yīng)呈現(xiàn)彈性體的特征，而時(shí)間效應(yīng)呈現(xiàn)粘性流體的特征。因此，常稱maxwell模型所表示的材料為maxwell流體。maxwell模型在突加恒應(yīng)變作用下有瞬時(shí)的彈性應(yīng)力效應(yīng)，此后，應(yīng)力隨時(shí)間逐漸減小。 ， 圖8-5 maxwell模型kelvin模型一個(gè)彈簧和一個(gè)粘壺并聯(lián)稱為kelvin模型，如圖8-6，kelvin模型由于

23、并聯(lián)了一個(gè)粘壺，不能對(duì)應(yīng)力或應(yīng)變產(chǎn)生瞬時(shí)彈性效應(yīng)。kelvin模型在時(shí)間趨于無(wú)窮大時(shí)，蠕變趨于恒定應(yīng)力0和彈性模量e的比值，這是粘彈性物體在穩(wěn)定蠕變時(shí)的特征。載荷卸載后，應(yīng)變滯后回復(fù)。由于粘壺的存在，kelvin模型不能產(chǎn)生瞬時(shí)應(yīng)變，所以不能表示材料的應(yīng)力松弛。 ， =+ 圖8-6 kelvin模型單獨(dú)一個(gè)maxwell模型或kelvin模型都不能表達(dá)粘彈性固體的基本特征：瞬時(shí)彈性、蠕變和松弛。為了表達(dá)粘彈性固體的以上基本特征，需要更多彈簧和粘壺或者maxwell模型和kelvin模型的復(fù)雜的串并聯(lián)，例如三元件模型、burgers模型、廣義maxwell模型和廣義kelvin模型等。賓漢體模型

24、如圖8-7所示，采用表示塑性的組件和粘壺并聯(lián)再和彈性組元串聯(lián)組成賓漢體。圖中表明只有剪切應(yīng)力超過(guò)屈服應(yīng)力(0)，才可能發(fā)生粘性流動(dòng)。圖8-7 bingham模型8.2.2金屬注射成形喂料流變學(xué)流變學(xué)是研究外力作用下體系變形和流動(dòng)特性的學(xué)科，從力學(xué)角度分析，注射成形過(guò)程中一個(gè)非常重要的方面就是喂料的流動(dòng)和變形。有關(guān)的變形和流動(dòng)過(guò)程是相當(dāng)復(fù)雜的，可能既有瞬時(shí)的變形，也有與時(shí)間存在的依存關(guān)系的變形。變形既可能是永久性的，也可能是在外力作用去除后可以完全恢復(fù)或部分恢復(fù)的。因此流變學(xué)研究對(duì)于mim工藝有極為重要的理論與實(shí)際意義。在mim工藝過(guò)程中，喂料的流變學(xué)性能是影響穩(wěn)定流動(dòng)均勻充填模腔成形的關(guān)鍵因素

25、，評(píng)價(jià)喂料流變學(xué)性能的主要指標(biāo)是喂料的粘度及粘度對(duì)應(yīng)變和溫度的敏感性。這些指標(biāo)可統(tǒng)一用mim喂料綜合流變學(xué)因子來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。8.2.2.1 粘結(jié)劑的選擇許多聚合物的流變行為隨流動(dòng)條件而變化，像水那樣分子量小的液體粘度取決于溫度及壓力，而不取決于剪切速率，這種液體稱為牛頓流體。牛頓流體通常不用作粉末注射成形的喂料。絕大多數(shù)聚合物的粘度既取決剪切速率又取決于溫度和壓力。許多聚合物及低溫下的大多數(shù)粉末注射成形喂料都有一屈服點(diǎn)，這些體系稱作賓漢(bingham)流體，粘性流動(dòng)只有在剪切應(yīng)力超過(guò)屈服應(yīng)力才開(kāi)始。另一種常見(jiàn)行為是觸變行為，在屈服開(kāi)始時(shí)，當(dāng)剪切速率增加，粘度減小的流體稱假塑性流體，而隨剪切速率

26、增大，粘度變大的流體稱為脹流型流體，在粉末注射成形中不希望出現(xiàn)后者，圖8-8給出了三種流體的剪切應(yīng)力與剪切速率關(guān)系圖。圖8-9給出了各流體類型的粘度-剪切速率對(duì)應(yīng)曲線。圖8-8 依據(jù)剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化表明流體主要類型行為差異的3種曲線圖圖8-9 各流體類型的粘度-剪切速率對(duì)數(shù)曲線（牛頓流體其粘度與剪切速率無(wú)關(guān)，威南特體為粘度與剪切速率成反比）喂料的流變性直接影響到注射成形工藝。喂料的流變性的評(píng)價(jià)因子包括：流動(dòng)性和流動(dòng)穩(wěn)定性。流動(dòng)性通過(guò)粘度體現(xiàn)。粘度過(guò)高，流動(dòng)性變差，模具充填性變差，而且出現(xiàn)充填不均勻，充填不滿等現(xiàn)象。粘結(jié)劑粘度過(guò)低，注射坯強(qiáng)度會(huì)很低，不易于脫模，且易于產(chǎn)生相分離。流動(dòng)穩(wěn)定

27、性通過(guò)粘度對(duì)剪切速率和溫度的敏感性來(lái)體現(xiàn)。粘度對(duì)剪切速率和溫度過(guò)于敏感，則流動(dòng)穩(wěn)定性會(huì)變差，從而引起注射工藝參數(shù)的不穩(wěn)定，影響注射成形產(chǎn)品質(zhì)量和尺寸精度的一致性。此外，粘度對(duì)剪切速率和溫度過(guò)于敏感，容易導(dǎo)致產(chǎn)生粘結(jié)劑與粉末的相分離的現(xiàn)象。粘結(jié)劑體系中油和改性劑的使用對(duì)喂料的流變性能有明顯影響。前者使喂料粘度下降,假塑性行為變?nèi)?粘度對(duì)溫度的敏感性降低；后者使喂料粘度增加，粘流活化能略有下降。利用有機(jī)粘結(jié)劑的流動(dòng)性和流變性，可以成形各種形狀復(fù)雜、尺寸精度高和性能高的粉末冶金零件。但對(duì)于形狀異常復(fù)雜的零件，注射時(shí)會(huì)存在很大的困難。對(duì)于形狀異常復(fù)雜的零部件來(lái)說(shuō)，粘結(jié)劑粘度過(guò)低或過(guò)高而難以脫模，粘度過(guò)

28、高會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)性不好和欠注缺陷；對(duì)于厚度較大的零部件，在注射時(shí)會(huì)產(chǎn)生注射孔洞和欠注缺陷。粘結(jié)劑的組成對(duì)喂料粘度和喂料的流變行為有很大的影響，從而決定了喂料的成形性。目前廣泛使用的mim粘結(jié)劑主要是蠟基和油基粘結(jié)劑11。蠟基粘結(jié)劑無(wú)毒、穩(wěn)定，在混煉及注射時(shí)易于處理，粉末裝載量高，但其內(nèi)應(yīng)力較大，釋放較慢，因而需在高溫下長(zhǎng)時(shí)間脫脂，且在脫脂過(guò)程中成形坯易產(chǎn)生塌陷和變形等。油基粘結(jié)劑具有較好的流動(dòng)性，在注射成形時(shí)可使內(nèi)應(yīng)力松馳，因而避免了微裂紋的產(chǎn)生；此外，油基粘結(jié)劑能方便地用溶劑溶解而脫去，脫脂時(shí)間短，能較好地保持成形坯的形狀，但油基粘結(jié)劑裝載量低，油的加入影響成形坯強(qiáng)度，燒結(jié)收縮大，影響產(chǎn)品的精度

29、和力學(xué)性能，不利于制造高性能產(chǎn)品。8.2.2.2 混合狀態(tài)的流變學(xué)性質(zhì)粉末和粘結(jié)劑混合狀態(tài)不一樣，如表8-2所示，其流變學(xué)特性也不一樣。表8-2粉末/粘結(jié)劑充填狀態(tài)2系統(tǒng)模式圖固相狀態(tài)連續(xù)連續(xù)連續(xù)不連續(xù)不連續(xù)液相狀態(tài)連續(xù)連續(xù)連續(xù)連續(xù)連續(xù)氣相狀態(tài)連續(xù)連續(xù)不連續(xù)無(wú)無(wú)系統(tǒng)名稱混合物混合物混合物可塑物泥漿流變學(xué)性質(zhì)彈性體彈性體彈性體彈塑性體粘彈性體8.2.2.3 mim喂料的粘度材料對(duì)其組分體積單元位置的不可逆變化的反抗，即對(duì)流動(dòng)的反抗，以及所伴隨的機(jī)械能到熱能的轉(zhuǎn)化，可以用粘度來(lái)表示。粘度為剪切應(yīng)力 和剪切速率之比。mim喂料的粘度一般采用毛細(xì)管流變儀測(cè)定。其工作原理是在活塞上施加一定壓力將流體從毛

30、細(xì)孔中擠出，在穩(wěn)定流動(dòng)的條件下，測(cè)量沿毛細(xì)管的壓強(qiáng)或流量即可獲得該溫度條件下的剪切應(yīng)力和剪切速率值，也就得到了粘度值。mim喂料的粘度可用下面一組公式確定12,13： （8-3） （8-4） （8-5） （8-6）式中為管壁處的剪切應(yīng)力，為沿毛細(xì)管的壓強(qiáng)降，l 和r 分別為毛細(xì)管的長(zhǎng)度和半徑，為表觀剪切速率，q為流量，為管壁處剪切速率，為粘度。粘度值代表了mim喂料的流動(dòng)性能，粘度值越低，流動(dòng)性能越好。8.2.2.4 剪切速率對(duì)mim喂料粘度的影響mim喂料為一種粉末粘結(jié)劑分散體系，一般呈現(xiàn)假塑性體流變行為，其粘度與剪切速率的關(guān)系可用下式表示14,15： （8-7）式中k為系數(shù)，n為流動(dòng)性指數(shù)

31、，又稱之為應(yīng)變敏感性因子， n<1。n值的大小代表了流體對(duì)剪切速率的敏感性。n值越小， 喂料粘度隨剪切速率的變化而上升或下降的速度就越快。注射成形過(guò)程是在溫度和壓力的作用下進(jìn)行的，喂料粘度隨剪切速率上升而迅速下降，對(duì)注射成形是非常有利的。這種高的應(yīng)變敏感性對(duì)于成形精巧復(fù)雜形狀的產(chǎn)品尤其重要，而這些精巧復(fù)雜形狀產(chǎn)品正是mim產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品。8.2.2.5 溫度對(duì)mim喂料粘度的影響喂料粘度(t)與溫度(t)的關(guān)系可用arrhenius公式表示： （8-8）式中為參考粘度，e是粘流活化能，r是氣體常數(shù)。式中的粘流活化能值代表了溫度對(duì)mim喂料粘度的影響。e值小時(shí)，喂料粘度對(duì)溫度變化的敏感性小

32、，注射時(shí)溫度的波動(dòng)就不會(huì)對(duì)注射成形件的質(zhì)量造成太大的影響，對(duì)mim是很有利的。8.2.2.6 mim喂料綜合流變學(xué)因子weir曾提出了一個(gè)流動(dòng)性指數(shù)用來(lái)評(píng)價(jià)聚合物的綜合流變學(xué)性能，這個(gè)指數(shù)包括了流體粘度、粘度對(duì)溫度的敏感性、粘度對(duì)應(yīng)變速率的敏感性這幾個(gè)流變學(xué)主要參數(shù)的影響。 （8-9）式中為粘度，為參考粘度，為剪切速率，t為溫度，n為應(yīng)變敏感性因子，e為粘流活化能，r是氣體常數(shù)。對(duì)流體要求粘度小，應(yīng)變敏感性因子小，粘流活化能小。式中的值越大，綜合流變學(xué)性能越好。通過(guò)綜合流變學(xué)因子的比較，就能預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)mim喂料在注射成形過(guò)程中的流變學(xué)行為，指導(dǎo)注射成形模具設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)的設(shè)定16。 8.3金屬

33、粉末注射成形原理及設(shè)備簡(jiǎn)介8.3.1 過(guò)程原理金屬粉末注射成形工藝流程包括：金屬粉末+有機(jī)粘結(jié)劑混料成形脫脂燒結(jié) 后處理成品，如圖8-1所示1。金屬粉末的選擇：根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)要求和使用條件選擇適當(dāng)?shù)姆勰┓N類，并決定粉末顆粒的尺寸。金屬粉末注射成形所用的粉末尺寸一般在0.520m。有機(jī)粘結(jié)劑的選擇：a.用量少，即使用少量的粘結(jié)劑就能使混料具有良好的流變性；b.不反應(yīng)，在脫除粘結(jié)劑的過(guò)程中，粘結(jié)劑和其分解產(chǎn)物不和主體粉末起任何化學(xué)反應(yīng)；c.易脫除，在成形坯中不殘留并且不產(chǎn)生過(guò)多的碳。通常粘結(jié)劑一般選用由樹(shù)脂、增潤(rùn)劑和潤(rùn)滑劑組成的有機(jī)粘結(jié)劑?；炝希夯炝腺|(zhì)量的好壞直接關(guān)系到原料的流動(dòng)性能，從而影響注射

34、成形性能，乃至成品的密度和使用性能。粘結(jié)劑在成形坯中占有的比重非常大，一般高達(dá)4070%，粉末顆粒必須被有機(jī)粘結(jié)劑均勻包裹，并且均勻地分散開(kāi)來(lái)，這樣混料才會(huì)有良好的流變性，注射成形坯的密度在微觀上均勻一致，從而使制品在隨后的燒結(jié)的過(guò)程中均勻地收縮。注射成形：在注射成形過(guò)程中，注射機(jī)料筒內(nèi)的混合料被加熱成具有流變性的增塑熔膠，在螺桿形成的壓力下，產(chǎn)生高的剪切速率，其粘度隨溫度的升高而急劇下降。因此首先選擇適當(dāng)?shù)哪＞邷囟燃傲贤矞囟纫哉{(diào)節(jié)流動(dòng)性。還要選擇最佳的注射壓力、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間等工藝參數(shù)。粉末注射成形所用模具的主澆道、分澆道、澆口比塑料模具大，設(shè)計(jì)頂出系統(tǒng)應(yīng)考慮到頂出面積17。脫脂：成形坯

35、在燒結(jié)前必須去除體內(nèi)所含有的粘接劑，該過(guò)程稱為脫脂。目前主要的脫脂工藝有：熱脫脂、溶劑脫脂、催化脫脂等。熱脫脂是最簡(jiǎn)單的一種脫脂方法，它通過(guò)緩慢加熱使有機(jī)粘結(jié)劑分解并脫除；溶劑脫脂的原理是：先把成形坯置于特制的脫粘溶劑中以溶解部分粘結(jié)劑組分，剩余的粘結(jié)劑組元在燒結(jié)升溫過(guò)程中達(dá)到燒結(jié)溫度之前已經(jīng)全部脫除。無(wú)論哪種脫脂工藝都必須保證粘結(jié)劑從坯塊的不同部位沿著顆粒之間的微小通道逐漸地排出，而不損害成型坯的形狀和強(qiáng)度。燒結(jié)：脫脂后的成形坯在燒結(jié)中進(jìn)行致密化和合金成分的均勻化。在燒結(jié)過(guò)程中成形坯在各個(gè)方向上尺寸均勻收縮達(dá)到預(yù)先的設(shè)計(jì)尺寸。對(duì)于許多金屬材料而言，在真空或者保護(hù)氛圍中燒結(jié)有利于脫脂后留下的空

36、隙快速閉合。鋼和不銹鋼材料通常的燒結(jié)參數(shù)為：在1397k到1623k燒結(jié)30到120min。燒結(jié)后有1218%的體積收縮率1。雖然燒結(jié)性能和許多因素有關(guān)，但是燒結(jié)對(duì)注射成形的產(chǎn)品的合格率和使用性能起著決定的作用。在實(shí)際過(guò)程中，強(qiáng)化燒結(jié)有助于成形坯的致密化，最常用的方法有：相的穩(wěn)定化、活化燒結(jié)和液相燒結(jié)18。后處理：金屬粉末后處理一般有致密化、熱處理和表面處理。致密化的通常方法有：熔浸和壓力加工。熱處理一般包括：去應(yīng)力退火、回火和淬火。表面處理包括：表面硬化、表面精整和表面噴砂處理。這些工藝都是為了成品在使用過(guò)程中具有合格的服役性能和使用壽命。8.3.2設(shè)備簡(jiǎn)介8.3.2.1 混煉設(shè)備 目前廣泛

37、采用的混煉設(shè)備有：雙行星混料機(jī)、單螺桿擠出機(jī)、活塞擠壓機(jī)、雙螺桿擠出機(jī)、雙偏心輪混料器、z型葉輪混料器19。其中雙螺桿擠出機(jī)由兩根相互嚙合且旋轉(zhuǎn)方向相反的錐形螺桿組成，采用高壓油泵恒溫加熱，可使混合料沿加熱了的擠壓管形成均勻、薄的料筒狀喂料。雙行星混料機(jī)由兩個(gè)相互垂直作行星運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子組成，高溫?zé)嵊捅眉訜峋鶆颍焖贉?zhǔn)確。裝填容積可按比例擴(kuò)大，清理方便。在實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常被應(yīng)用于粘結(jié)劑和金屬粉末的最初高精度混煉。對(duì)于亞微米級(jí)的細(xì)粉末來(lái)說(shuō)，雙行星混料機(jī)很難得到均勻的喂料。z型葉片混料器為臥式結(jié)構(gòu)，由一對(duì)z型葉片組成，主要有拌缸、拌槳、加熱棒組成。拌槳通過(guò)浸泡在夾套內(nèi)導(dǎo)熱油中的加熱棒加熱，熱效高、耐腐蝕

38、，能保證原料化學(xué)性能。雙偏心輪混料適用于金屬粉末與粘結(jié)劑的密煉。雙偏心輪混料的螺旋形轉(zhuǎn)子是2cr13不銹鋼鑄件，硬度高、耐磨、耐腐蝕。特制的扭矩傳感器裝置和扭矩測(cè)試記錄儀和物料溫度20。由于mim工藝對(duì)注射喂料的特殊需要，混煉設(shè)備應(yīng)能滿足mim均勻一致、無(wú)團(tuán)聚、不改變化學(xué)成分、不產(chǎn)生后續(xù)工藝無(wú)法消除的缺陷。mim產(chǎn)業(yè)化還要求能在線檢測(cè)和評(píng)估注射料的混合均勻程度。因此，根據(jù)喂料在混煉設(shè)備當(dāng)中的擴(kuò)散，層流和分散運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)出特定形狀的混合轉(zhuǎn)子以獲得適當(dāng)?shù)目臻g分布，高剪切力成為了混煉設(shè)備研制的主要方向21。8.3.2.2 注射成形設(shè)備mim技術(shù)與塑料注射成形技術(shù)最大的相同點(diǎn)就是注射成形工序及其設(shè)備。

39、即mim技術(shù)可借用注塑機(jī)或?qū)ζ浼右约夹g(shù)改造就可用來(lái)進(jìn)行金屬粉末和粘結(jié)劑注射料的注射成形。注塑機(jī)最初是柱塞式的，1956年世界上第一臺(tái)螺桿往復(fù)式注塑機(jī)的研制成功是塑料注塑機(jī)發(fā)展史上的一次重大突破。自此以后新型的注射工藝和相應(yīng)的注射設(shè)備不斷涌現(xiàn)，如雙回路注射成形機(jī)、雙模板注射機(jī)、無(wú)拉桿注射機(jī)、全自動(dòng)注射機(jī)、電磁動(dòng)態(tài)注射成形機(jī)等。其中雙模板注射機(jī)把塑化和注射分開(kāi)，塑化由擠出機(jī)穩(wěn)定塑化。柱塞注射機(jī)穩(wěn)定均勻，計(jì)量準(zhǔn)確。雙模板、無(wú)拉桿注射機(jī)大大簡(jiǎn)化了注射機(jī)鎖模系統(tǒng)。全電動(dòng)注射機(jī)以電動(dòng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)代替液壓動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，扭矩提高，傳動(dòng)速度和行程控制準(zhǔn)確，具有很大的前景19。由于螺桿注射機(jī)柱塞到射嘴的壓力幾乎保

40、持一致，注射參數(shù)能得到準(zhǔn)確的控制，在mim生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。對(duì)螺桿幾何形狀進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和進(jìn)行特殊的表面涂覆可以有效地提高螺桿的耐磨性和使用壽命。如通過(guò)多個(gè)分布均勻的加熱器來(lái)控制料筒溫度；單獨(dú)控制注射壓力和保持壓力；通過(guò)液壓定時(shí)或流量控制閥來(lái)控制螺桿的速度；通過(guò)反饋調(diào)節(jié)裝置能準(zhǔn)確的控制注射周期和螺桿前進(jìn)時(shí)間以及閉模時(shí)間等。此外，通過(guò)微處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、不同的注射回程、速度、回轉(zhuǎn)次數(shù)以及輸入能量的監(jiān)測(cè)和在線控制，可進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)，減少產(chǎn)品在注射過(guò)程產(chǎn)生的缺陷，提高產(chǎn)品的精度和性能22。8.3.2.3 脫脂設(shè)備考慮到各種生產(chǎn)規(guī)模的需要及其實(shí)際的生產(chǎn)情況，可按照脫除粘結(jié)劑的方法將脫脂設(shè)備分為熱脫脂

41、爐、溶劑脫脂爐、虹吸脫脂爐、催化脫脂爐；也可根據(jù)設(shè)備的工作方式：把脫脂設(shè)備分為批料式和連續(xù)式兩種。其中催化脫脂是最新的脫脂方法，連續(xù)式脫脂燒結(jié)一體爐被廣泛應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)中20。真空熱脫脂裝置真空熱脫脂的原理是：將注射坯在真空中加熱至粘結(jié)劑組分揮發(fā)或分解溫度，使得粘結(jié)劑受熱分解發(fā)生物態(tài)變化，轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)物質(zhì)，達(dá)到脫除目的。溶劑脫脂裝置溶劑脫脂是將制品浸入至少可溶解一種粘結(jié)劑組元的液體中，形成連通孔隙結(jié)構(gòu)以促進(jìn)后續(xù)的粘結(jié)劑脫除。溶劑脫脂適用于有兩種或兩種以上組元的粘結(jié)劑，脫脂時(shí)先溶解其中一種組元，形成初始孔隙通道，不溶性組元不溶解，保持 mim 零件的形狀，再利用熱脫脂脫除剩余粘結(jié)劑。圖8-10為

42、新型冷凝蒸汽脫脂裝置，預(yù)成形坯放在溫度較低的容器中，溶劑蒸氣從蒸氣壓高的容器進(jìn)入蒸氣壓低的容器則會(huì)很快冷凝在預(yù)成形坯表面，脫脂坯中熔化的粘結(jié)劑與坯料表面的溶劑相互擴(kuò)散，最終達(dá)到脫除粘結(jié)劑的目的。它的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠始終保持成形坯表面粘結(jié)劑的低濃度23。圖8-10蒸汽冷凝裝置脫脂示意圖23連續(xù)式催化脫脂裝置催化脫脂爐的工作原理是：采用氣相脫脂工藝即在 383423 k 之間，以氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)性氣氛，向采用聚醛樹(shù)脂做粘結(jié)劑的注射坯吹入硝酸，使得聚醛樹(shù)脂發(fā)生催化分解，并將生成的氣態(tài)有害氣體甲醛在高溫的二段燃燒室充分燒除，從而快速脫除粘結(jié)劑9。8.3.2.4 燒結(jié)設(shè)備對(duì)于燒結(jié)的設(shè)備，按燒結(jié)壓力可分為常壓燒結(jié)

43、爐和加壓燒結(jié)爐；按工作方式分為間斷式(每次裝卸料須停爐)和連續(xù)式(裝卸料可在不降溫的情況下進(jìn)行)兩類。按加熱方式大體上可分為電阻加熱電爐和感應(yīng)加熱電爐,它們又可分為對(duì)燒結(jié)體直接通電加熱和間接通電加熱兩種形式；按燒結(jié)溫度不同，可將燒結(jié)設(shè)備分為中溫?zé)Y(jié)爐(11731223k)和高溫?zé)Y(jié)爐(13731973k)；按保護(hù)氣氛的不同又可分為空氣燒結(jié)爐、氫氣燒結(jié)爐(如鉬絲爐、不銹鋼管式氫氣爐)和真空燒結(jié)爐等。鐘罩式真空燒結(jié)爐鐘罩式真空燒結(jié)爐一般由鐘罩式爐膛、真空系統(tǒng)、程控裝置、粘結(jié)劑捕集系統(tǒng)、氣氛控制系統(tǒng)、水冷熱交換系統(tǒng)等組成。整個(gè)爐膛包括爐蓋都采用雙層水冷夾層結(jié)構(gòu)。加熱設(shè)備根據(jù)所要加工的材料的熔點(diǎn)溫度，

44、可選用鐵鉻鋁絲、鎢絲、石墨管等。鐘罩式真空燒結(jié)爐良好的溫度均勻性和控制精度，可較好滿足mim鐵基合金和不銹鋼產(chǎn)品的批量生產(chǎn)9。真空加壓燒結(jié)爐真空加壓燒結(jié)爐運(yùn)轉(zhuǎn)方式如圖8-11所示。工藝分為排氣、脫脂、燒結(jié)和冷卻四種形式，注射成形坯先進(jìn)行排氣、脫脂。脫脂時(shí)要防止脹大、產(chǎn)生裂紋等缺陷。此設(shè)備還可以進(jìn)行加壓脫脂；燒結(jié)可進(jìn)行加壓、真空或大氣下燒結(jié)，在燒結(jié)的過(guò)程中要防止金屬元素的蒸發(fā)、變形和開(kāi)裂。冷卻要快速進(jìn)行，縮短燒結(jié)時(shí)間。圖8-11 真空加壓式燒結(jié)爐運(yùn)轉(zhuǎn)方式示意圖28.3.2.5 產(chǎn)品后續(xù)處理設(shè)備在金屬注射成形產(chǎn)品生產(chǎn)工藝中，部分產(chǎn)品在燒結(jié)后還需進(jìn)行后續(xù)處理，以進(jìn)一步提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量。大多數(shù)設(shè)備與

45、粉末冶金常用的后處理設(shè)備相同，但在實(shí)際的mim產(chǎn)品的后續(xù)處理工序中，依據(jù)要達(dá)到的性能要求，所采用的后處理方式和設(shè)備也各不相同。實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常用到的有：研磨、噴砂、表面處理 (蒸汽處理、滲碳、碳氮共滲)、浸油及熱處理等。研磨可去除mim零件中小型、異型復(fù)雜的型孔、型腔、薄壁和成形表面的毛刺。噴砂對(duì)燒結(jié)或熱處理過(guò)的mim零件表面進(jìn)行粗糙表皮和氧化皮清理。蒸汽處理也稱發(fā)藍(lán)處理，多用于鐵基mim及粉末冶金產(chǎn)品中，可進(jìn)一步提高致密度和防銹性能。熱處理可修整高溫?zé)Y(jié)后的mim零件氧化表面，進(jìn)一步消除空隙和燒結(jié)應(yīng)力。mim產(chǎn)品所用的熱處理設(shè)備與鋼鐵熱處理設(shè)備稍有不同。如退火、回火、正火熱處理可在有保護(hù)氣氛

46、的燒結(jié)爐進(jìn)行。結(jié)構(gòu)上能滿足工作從高溫狀態(tài)快速轉(zhuǎn)入到冷卻介質(zhì)中要求的淬火爐是mim熱處理工藝研究的熱點(diǎn)24。8.4 幾種主要的注射成形工藝8.4.1 維泰克工藝28.4.1.1 維泰克工藝的定義維泰克工藝是采用微米級(jí)（一般為5-10µm）的金屬、非金屬、氧化物、碳化物等微細(xì)粉末加入熱塑性樹(shù)脂和石蠟并在圓盤剪切混料機(jī)上混合，將混合物調(diào)制成可塑性狀態(tài)，然后注射成形，脫脂和燒結(jié)制備高密度、高精度粉末冶金零件的工藝。8.4.1.2 維泰克工藝的工藝概要說(shuō)明原料的混合：在維泰克工藝中一般把原料混合物稱之為專用喂料，它是由60mass%的微米級(jí)金屬粉末和40mass%粘結(jié)劑（典型的配方為50vol

47、.%石蠟+50vol.%低密度聚乙烯），經(jīng)“”或“”葉片剪切裝置上充分混合，然后粉碎成顆粒狀。注射成形：喂料裝入注射成形裝置上進(jìn)行注射成形，采用注射工藝條件為：溫度423473k，射出壓力為100/2，位移速度103104s-1。脫脂：維泰克工藝最初采用溶劑提取和預(yù)熱兩步法進(jìn)行脫脂。并將mim成形坯置于真空容器中，加熱到粘結(jié)劑的流動(dòng)溫度或者高于這個(gè)溫度，溶劑以氣態(tài)形式緩慢加入盛坯的真空容器，氣態(tài)溶劑進(jìn)入成形坯中溶解粘結(jié)劑，溶解的粘結(jié)劑從成形坯中流出。將已脫出大部分的成形坯浸入液態(tài)溶劑中除去剩余的粘結(jié)劑，最后將成形坯預(yù)熱以除去殘存的粘結(jié)劑和部分溶劑，并進(jìn)行燒結(jié)得到成品。此法僅氣態(tài)溶劑脫脂就需要3

48、天時(shí)間左右，脫脂效率低，且由于脫脂溫度高于粘結(jié)劑的流動(dòng)溫度，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重變形。維泰克工藝目前采用常壓熱分解脫脂，加溫速度緩慢，脫脂率為90%，為了保持成形坯的防變形能力，在448k的空氣中加熱2428h。然后移至封閉容器在h2或者ar氣氛中進(jìn)一步脫脂和燒結(jié)。燒結(jié)：脫脂工藝終結(jié)后，放入燒結(jié)爐進(jìn)行燒結(jié)，殘存的粘結(jié)劑隨氫氣排出，材料收縮高達(dá)18%。8.4.1.3 維泰克工藝的特點(diǎn)：采用維泰克工藝可以大量生產(chǎn)形狀非常復(fù)雜的高密度、高精度零件；采用維泰克工藝可以生產(chǎn)高密度（相對(duì)密度為理論密度的95%以上）和高精度（±0.3%以內(nèi)）的粉末冶金零件，粉末冶金零件性能大幅提高；采用維泰克工藝可以提

49、高勞動(dòng)生產(chǎn)率；原料的回收率高，注射成形工序中形成的澆道等原料的廢料100%可以回收，并可再次注射使用。8.4.1.4 維泰克工藝的缺點(diǎn)：維泰克是mim最初發(fā)展工藝，雖然維泰克工藝目前仍有不少公司采用進(jìn)行生產(chǎn)，但維泰克工藝存在注射生坯應(yīng)力大，容易變形開(kāi)裂，難以生產(chǎn)尺寸稍大零件等缺點(diǎn)。8.4.2 rivers工藝haynes國(guó)際公司rivers25發(fā)明了以熱固性有機(jī)化合物作為粘結(jié)劑的rivers工藝。并在1978年申請(qǐng)了專利。rivers工藝的典型配方為2mass%的甲基纖維素、1 mass%甘油、0.5mass%硼酸和4.5 mass%水。 rivers工藝采用有機(jī)粘結(jié)劑-溶劑系列，即水中的甲基

50、纖維素。不一定需要專門的脫除粘結(jié)劑工序。經(jīng)烘箱干燥以后的零件在燒結(jié)過(guò)程中即可有效地除去粘結(jié)劑。 rivers工藝的工序如下：在普通“v”型混料機(jī)內(nèi)將金屬或合金粉末與甲基纖維素混合。隨后加入水、甘油和硼酸進(jìn)行混合。再用混料機(jī)把配料揉和成油灰狀物料。物料在室溫下裝入模壓機(jī)的注射筒內(nèi)并進(jìn)行注射。模具保持在較高的溫度下。注射成形的材料因熱凝膠化而部分固結(jié)，零件經(jīng)烘箱干燥。在干燥階段，水溶劑汽化，留下大量貫通孔，使有機(jī)粘結(jié)劑的氣態(tài)分解產(chǎn)物在隨后加熱時(shí)逸出。燒結(jié)氣氛與溫度周期取決于所使用的材料、原始粉末的形狀和粒度，以及性能所要求達(dá)到的密度。 rivers注射成形工藝已在多種材料，其中包括鐵、銅、鎳等純金

51、屬、各種鋼（低合金鋼、不銹鋼、工具鋼）以及鎳基、鈷基合金等合金中進(jìn)行了試驗(yàn)。采用rivers工藝時(shí)，由于有粘結(jié)劑殘留物，燒結(jié)過(guò)程中碳含量可能增加。盡管對(duì)于工業(yè)用途的316不銹鋼的碳含量必須控制在0.03mass%以下，然而rivers工藝是能夠控制低碳成分。雖然注射成形的時(shí)間只需幾秒鐘，但一般脫除粘結(jié)劑和燒結(jié)卻需要若干小時(shí)，甚至數(shù)日。這是整個(gè)生產(chǎn)成本較高的原因之一。第一種脫除粘結(jié)劑工藝是用化學(xué)方法浸出，此過(guò)程是有效的，但卻很緩慢。第二種工藝是，零件埋入細(xì)陶瓷粉末內(nèi)，通過(guò)加熱使粘結(jié)劑材料熔化。粉末支撐著零件，并起虹吸作用以脫除粘結(jié)劑。這種工藝雖然是成功的，但也相當(dāng)緩慢，因?yàn)檎辰Y(jié)劑約占零件體積的4

52、0%。迄今，最切實(shí)可行的工藝是熱分解脫除粘結(jié)劑。其實(shí)質(zhì)是在爐中將粘結(jié)劑燒除，通常用空氣流把分解的產(chǎn)物帶走，但是零件卻氧化嚴(yán)重。而后，將被氧化的零件放在控制氣氛的爐內(nèi)，進(jìn)行脫氧和燒結(jié)。所有的這些老技術(shù)都包括兩步脫除粘結(jié)劑和燒結(jié)。利用真空爐工藝可以將兩道工序在一個(gè)連續(xù)周期內(nèi)完成。裝有成形零件的燒舟放入爐中，并自動(dòng)進(jìn)行處理直到燒結(jié)完成和冷卻，以備出爐和進(jìn)行任何所需的后續(xù)工序。不需要操作者介入，脫除了粘結(jié)劑的零件即不需要挪動(dòng)也不需要轉(zhuǎn)到燒結(jié)工序。脫脂與燒結(jié)工藝制取的零件體積收縮率為1820%，而且準(zhǔn)確的收縮率是可重復(fù)的，通常的公差是每mm長(zhǎng)度為0.003mm。設(shè)計(jì)了容量為10立方英尺的新型工業(yè)爐。由注

53、射成形機(jī)生產(chǎn)的單個(gè)零件放在燒舟內(nèi)，燒舟放在盒內(nèi)，整個(gè)盒子裝入爐內(nèi)。這種專門的真空爐的裝備可以在低壓下使粘結(jié)劑材料汽化、冷凝和收集廢粘結(jié)劑，而后在一個(gè)周期內(nèi)完成燒結(jié)。在負(fù)壓下粘結(jié)劑汽化容易得多，因?yàn)橹挥泻苌俚目諝夂蜌怏w分子阻礙粘結(jié)劑汽化。加熱釋出的粘結(jié)劑蒸汽直接流向溫度受控的表面，廢粘結(jié)劑聚集其上，便于在周期結(jié)束時(shí)清除。脫除粘結(jié)劑后，爐溫迅速上升至材料所需的燒結(jié)溫度。這種新型工業(yè)爐可自動(dòng)控制溫度、壓力、夾帶蒸汽的氣體流量和金屬蒸汽等。與以前的工藝比較，真空工藝生產(chǎn)注射成形金屬零件有許多優(yōu)點(diǎn)。一是周期時(shí)間較短。與任何其它老方法比較，總的周期時(shí)間縮短2/3以上。二是能處理的材料包括低碳鎳-鐵、高碳鎳

54、-鐵、316l不銹鋼、高速鋼和硬質(zhì)合金。在密封容器內(nèi)處理所特有的總環(huán)境控制保證了對(duì)成品零件尺寸、畸變、硬度、裂紋發(fā)生、含碳量和其它有關(guān)參數(shù)的控制。實(shí)際上，大批量生產(chǎn)時(shí)，能滿足軍用qa規(guī)范要求。三是真空工藝能夠在低于達(dá)到通氣孔閉塞的燒結(jié)溫度前全部脫除粘結(jié)劑，不論氧化物或粘結(jié)劑的殘留物均不會(huì)阻塞孔隙?？梢园磭?yán)格控制的量導(dǎo)入對(duì)爐子無(wú)害的氣體，并在對(duì)零件的每個(gè)顆粒起作用后，再由泵抽出?？梢钥刂屏慵奶己?。例如，實(shí)際可控制316l不銹鋼的碳含量低于0.01%（這改善了耐蝕性）和熱處理鋼的碳含量高于1%。在這兩個(gè)極端之間，批量生產(chǎn)零件的碳含量偏差可以控制在±0.03%。發(fā)展到目前階段，脫脂與燒

55、結(jié)工藝有一些要求和局限性：(1) 一個(gè)周期的時(shí)間決定于每一零件的脫除粘結(jié)劑和燒結(jié)的時(shí)間，而不取決于被脫除粘結(jié)劑和冷凝粘結(jié)劑的總量。所以增大批量就意味著縮短每個(gè)零件的處理時(shí)間。例如，在生產(chǎn)爐內(nèi)處理一批1400件和在較小爐內(nèi)處理60件一批地周期時(shí)間是相同的。(2)選擇粘結(jié)劑材料時(shí)，要仔細(xì)考慮其對(duì)成形操作的適用性，也要仔細(xì)考慮其脫除性。在真空下分解為腐蝕性氣體或者不能冷凝的氣體的粘結(jié)劑要危及真空泵系統(tǒng)，因此必須避免采用。(3)還不能用于如鈦、鋯等高活性基體材料，因?yàn)樗鼈儗?duì)于氧和氫的敏感性高，所以，還有待開(kāi)發(fā)新的粘結(jié)劑材料。8.4.3 粉末鑄造（pc）工藝瑞典asea公司冶金部研究成功新的粉末鑄造（

56、pc）工藝。pc工藝采用的粉末包括全部粒度分布的工業(yè)氣霧化粉末，其平均粒度為0.525m。首先在332k下將粉末與少量的粘結(jié)劑混合。此溫度高于所采用的粘結(jié)劑硬脂酰醇的熔點(diǎn)（59）。與一般注射成形不同，pc的混合目的并不是制備塑性原料，而只是在填充模具前使粉末均勻濕潤(rùn)。這樣防止了不同粒度的粉末在運(yùn)輸時(shí)的偏析。由于沒(méi)有偏析，成形坯中沒(méi)有密度差別。在裝填濕粉時(shí)，借助橫向振蕩促使其在模內(nèi)側(cè)向擴(kuò)散。再進(jìn)行輕擊以確保最佳填實(shí)密度，對(duì)于一般氣霧化粉末可達(dá)理論密度的73%，而一般注射成形坯的密度約為60%。當(dāng)模子完全裝滿，將粘結(jié)劑滲入成形坯中，浸滲粘結(jié)劑在真空中進(jìn)行。當(dāng)粉末的平均粒度約為250m時(shí)，浸滲僅需幾分鐘，但浸滲時(shí)間隨粒度減小而迅速增加。然而，如對(duì)粘結(jié)劑施加壓力，則時(shí)間能縮短。模子必須冷卻下來(lái)，以使粘結(jié)劑固化和便于取出成形坯。根據(jù)試驗(yàn)，模子不應(yīng)冷卻過(guò)度。因?yàn)橛捎谀Ｗ雍统尚闻鞯臒崤蛎浵禂?shù)不同而引起應(yīng)力增高，使脫模困難。在采用橡膠模時(shí)候，用壓縮空氣可成功地將成形坯與模子分開(kāi)。pc成形坯的強(qiáng)度與石蠟一樣，搬運(yùn)大尺寸成形坯時(shí)應(yīng)加小心，以防止損壞。簡(jiǎn)單pc成形坯可以組裝成復(fù)雜的形狀。用此法生產(chǎn)的薄壁彎管（90度）。這些單個(gè)成形坯通過(guò)界面熔化而焊合在一起。粘結(jié)劑在脫除時(shí)完全氣化，不留下任何能起粉末顆粒粘