摘  要  金屬粉末注射成形（MIM）是一種新型近凈成形技術，近幾年在國內發展迅速。由于缺乏行業標準，市售MIM用喂料的性能穩定性不夠好，由此導致產品質量波動等問題。為了穩定喂料性能、提高產品質量，項目組自主研發了316L不銹鋼粉末塑基喂料。生產實踐表明，自研喂料具有粉末裝載量大、流動性好、重量偏差小、脫脂時間短、脫脂率高等優點，自研喂料的開發取得初步成功，但在高分子材料的選用以及無殘留少殘留方面還需進一步開展研發工作。

關鍵詞  金屬粉末注射成形、塑基喂料

1  前言

    金屬注射成形（Metal Injection Molding簡稱MIM）是一種從塑料注射成形行業中引入粉末冶金領域而形成的新型粉末冶金近凈成形新技術，特別適用于制作體積小、形狀復雜、機加工難度大的零部件。因此被廣泛應用于3C產品、汽車、醫療等行業。^[1]金屬粉末注射成形（MIM）工藝所用的原料稱作“喂料”。早期的金屬喂料主要依靠進口，但隨著我國MIM產業的快速發展，行業內的專家、學者在喂料制備方面開展了大量卓有成效的工作，目前已實現國產。市售喂料分為“塑基”、“蠟基”，由于“塑基”喂料流動性好、注射坯強度高、脫脂簡便易行，近幾年發展迅速，被大量用于MIM生產^[2]。但在實際使用過程中我們發現市售塑基喂料產品質量參差不齊，各個廠家喂料性能不同，同一廠家不同批次產品的性能也有不同，不利于精密器械零件的尺寸控制。為了穩定原料質量，提高MIM零件產品的尺寸精度，云南楚豐新材料集團自主開發了316L粉末喂料，并獲得成功。自研喂料在年產500萬件MIM生產線上進行零件試制，獲得了產品品質提升、質量穩定的實際效果。

2  喂料制備

2.1 主要原料及配比

（1）金屬粉末

本次喂料開發的目標是316L不銹鋼粉末塑基喂料。316L不銹鋼粉末由市場采購，粒度組成D50為10.0?，顆粒形貌為球形詳見圖1，主要成分見表1。

圖1  316L不銹鋼粉末顆粒形貌

表1  316L不銹鋼粉末主要成分(%)

從圖1可以看出，所用316L不銹鋼粉末呈球狀，但部分顆粒球形度不好，且有衛星球存在，不利于喂料流動性的改善。

（2）聚甲醛

聚甲醛簡寫為POM，是分子主鏈鏈節中含有-CH₂-O-的線性高分子化合物，是沒有側鏈的高熔點、高密度、高結晶性熱塑性工程塑料。聚甲醛在酸性條件下會發生酸催化解聚反應，能滿足催化脫脂性能要求。聚甲醛酸解機理詳見式（1）。

O-CH₂OH + H⁺       O-CH₂⁺ + H₂O -21千卡/克分子           式（1）

POM是制備喂料的主要材料，作用是分散金屬粉末，提高喂料流動性。POM在注射坯脫脂環節將被全部脫除。

（3）高密度聚乙烯

高密度聚乙烯簡稱HDPE，是一種結晶度高、非極性熱塑性樹脂，具有優異的化學穩定性，在酸性脫脂環境下能夠穩定存在，確保脫脂坯具有良好外形尺寸。但HDPE燒結初期能迅速熱解脫除，做到無殘留或少殘留。

（4）共聚物

POM、HDPE兩種材料性質不同，相容性不好，難以做到共混均勻。為了解決這一問題加入乙烯-乙酸乙烯共聚物，簡稱EVA。以提高粘結劑混合的均勻性，減少喂料相分離的可能性^[1]。

（5）潤滑劑

石蠟簡稱PW，用于填充粉末孔隙，降低粘結劑粘度，提高流動性。

硬脂酸鋅簡稱ZS，用于減少聚合物分子間的作用力，起到潤滑作用，提高流動性。此外，在粘結劑和金屬顆粒之間起橋接作用防止兩相分離^[2]。

（6）配比

項目組研制的喂料配比詳見表2。按照此配比配制的喂料金屬粉末的體積比達到65.0～70.0 %，金屬粉末裝載量較大。

表2  喂料配比 (%)

2.2  喂料制備的工藝流程

為了確保原料混合均勻，不銹鋼粉末先與高分子材料先通過合批機干混，確保充分混勻。再把混勻料裝入密煉機，加入石蠟，升溫至180～200 ℃，恒溫密煉30 min。密煉好的喂料，從密煉機出料口擠出，同時剪切成1～3 mm的顆粒，自然冷卻后即可用于注射成形產品生產。喂料制備工藝流程詳見圖2，自研喂料外觀見圖3、主要化學成分見表3。

圖2  喂料制備工藝流程

圖3  自研喂料外觀

表3  喂料主要化學成分(%)

為了說明情況，項目組試制自研喂料產品時與市售主流喂料（1^#喂料）進行了對比檢測。喂料電鏡分析詳見圖4、圖5。

從圖4、圖5可以看出：（1）與市售喂料相比，自研喂料金屬粉末顆粒比較粗，不利于流動性改善，有待于進一步改進；（2）自研喂料金屬粉末中間填充著大量高分子材料，對金屬粉末顆粒形成了包覆、包鑲組織結構，分散性、潤濕性均好于1^#喂料。

3  產品試制

3.1  月牙零件情況及注射成形工藝流程

為了驗證自研喂料的適用性，項目組采用自研喂料對月牙零件進行了試制。月牙零件材質是316L，主要尺寸要求見圖6。月牙模具為“一模四個”，模具設計圖見圖7。

注射成形工藝簡述：喂料裝入注射機料筒，在注射機炮筒中加熱至180～200 ℃，在此溫度下喂料軟化，并具有很好的流動性。注射機炮筒中的喂料在110～130 MPa壓力下通過射嘴、模具流道等注入模具型腔。同時在模具中成形、冷卻后得到注射坯。注射坯轉入脫脂爐，在H⁺的作用下聚甲醛POM逐步分解并脫除，脫脂速度約1.0 mm/min，脫脂結束后得到脫脂坯。脫脂坯轉入真空燒結爐，按照一定的燒成曲線升溫，進一步脫除殘余高分子材料，完成金屬粉末的燒結、致密化過程后得到成品金屬零件。注射成形工藝流程見圖8。

圖8  注射成形工藝流程

3.2  注射工序

（1）注射工藝參數執行情況

為了驗證自研喂料的適用性，項目組采購了兩種市售主流喂料進行對比試驗，兩種喂料分別編為1^#喂料、2^#喂料。注射機主要工藝控制參數執行情況見表4。

表4  注射工藝參數

從表4可以看出：(1)自研喂料注射溫度略高、但壓力略低、注射速度較快，說明高溫下喂料流動性較好；(2)模具溫度低5 ℃，自研喂料降溫速度略慢。

自研喂料注射時各項控制參數和市售喂料相差不大，沒有對注射機參數進行特殊調整，即可滿足注射坯尺寸精度和穩定性要求，可實現直接替代市售喂料。

（2）注射坯外觀

項目組自研喂料獲得的注射坯，外觀檢測飽滿，無流紋、氣泡、打不滿等缺陷，說明喂料流動性較好、保形性較好。注射坯具有一定強度，說明喂料降溫后定型性能較好，有利于加快生產節奏、提高生產效率。注射坯外觀詳見圖9，脫脂坯照片詳見圖10。

（3）注射坯主要指標對比

項目組對三種喂料生產的注射坯主要尺寸、密度完成情況進行統計對比，結果見表5。

表5  各種喂料注射坯尺寸、密度對比

    從表5可以看出：(1)自研喂料生產的注射坯，長度尺寸極差較小、寬度尺寸極差不大，厚度尺寸極差最小,注射坯尺寸精度控制達到或超過市售喂料；(2)自研喂料注射坯重量極差僅0.009 g，遠遠低于市售喂料的重量極差，說明自研喂料穩定性、均勻性好于市售喂料。

3.3  脫脂工序

（1）脫脂工藝控制參數

脫脂是將注射成形坯中的高分子材料除去，如果脫脂不完全，將導致器件尺寸超標、變形、開裂等問題。脫脂工序分三個階段，第一階段主要是為了形成孔隙方便高分子材料、粘結劑的脫出；第二階段是大量的粘結劑脫出；第三階段殘余粘結劑的脫出。脫脂前的沖洗主要作用是用氮氣排除爐內空氣，避免酸霧對零件造成氧化，同時確保脫脂過程設備安全。脫脂后沖洗主要作用是是脫脂完后，保持通入氮氣排除爐內殘留的硝酸和粘結劑。各種喂料脫脂工藝參數執行情況詳見表6。

表6  脫脂工藝參數對比

從表6可以看出：(1)與市售主流喂料相比，自研喂料脫脂時間最短，僅180 min，有利于提高生產效率；(2)自研喂料脫脂溫度高10 ℃，說明項目組選用的高分子材料、粘結劑需要在較高溫度下才能快速脫除，需要進一步優化。自研喂料的脫脂性能總體好于市售主流喂料。

（2）脫脂效果

項目組對各種喂料的脫脂率進行檢測分析。脫脂率按式（2）進行計算。

脫脂率=（脫脂前重量-脫脂后重量）÷脫脂前重量×100 %               式（2）

各種喂料的脫脂率完成情況詳見表7。

表7  脫脂率對比

    從表7可以看出：自研喂料的脫脂率平均達到7.51 %，脫脂率較高。再保障了較高脫脂率的同時也能確保零件完好的外形尺寸。脫脂前后的零件外觀對比詳見圖9、圖10。

3.3  燒結工序

（1）燒成曲線

由于高分子材料、粘結劑大部分被脫除，脫脂坯只能保持外形尺寸，機械強度非常低。燒結工序就是在真空或者惰性氣氛下，按照既定的燒成曲線，把疏松的脫脂坯逐步加熱到高溫。在高溫作用下使脫脂坯中的金屬粉末顆粒逐步擴散、形成燒結頸、連接、融合、收縮，最后燒結成一個整體，形成致密的組織結構。使燒成品具有足夠的機械強度。與此同時，把殘留脫脂坯的、起到保形定型作用的高分子材料進一步脫除，確保燒成品內部無殘留和好的機械性能。三種喂料的燒結曲線執行情況詳見圖11。

圖11  各種喂料的燒成曲線

各種喂料的燒成曲線大致相同，燒成時間由長到短順序為：自研喂料（1 000 min）→2^#喂料（990 min）→1^#喂料（970 min）。自研喂料的燒成時間最長，在燒成性能方面還需進一步改進。

（2）燒成品質量

項目組對各種喂料燒成品尺寸完成情況檢測、統計如表8。

表8  各種喂料燒成品尺寸完成情況(mm)

從表8可以看出：(1)與市售主流喂料相比，自研喂料燒成品主要尺寸精度控制較好，滿足圖紙要求；(2)自研喂料在長度、寬度、厚度尺寸極差控制方面比2^#喂料好，但與1^#喂料還有一定差距；(3)自研喂料收縮率與市售喂料相當。

項目組對1^#喂料和自研喂料的燒成品進行了金相分析（金相組織圖見圖12、圖13）。1^#喂料、自研喂料燒成品具有相同的組織結構。奧氏體晶粒粗大晶粒度級別為4級，說明金屬粉末經過燒結后已經重熔形成致密的金相結構。晶界、奧氏體內部均勻分布有石墨碳顆粒，這些石墨碳顆粒是脫脂殘留物燒結形成的，喂料在無殘留、少殘留方面還需進一步開展工作。

4  分析與討論

4.1 金屬粉末裝載量的控制

喂料中的高分子材料、粘結劑組份主要是為了改善金屬粉末流動性，這些組份最終要全部或絕大部分脫除。按脫脂工藝要求，成分比重高，會造成脫脂困難，且在脫脂過程中注射坯容易出現塌陷和變形等缺陷，直接影響到產品的尺寸精度，要盡可能減少高分子材料、粘結劑配入量，提高金屬粉末配入量。同時提高金屬粉末裝載量有利于減少喂料的收縮率，從而提高燒成品尺寸精度。但是金屬粉末裝載量過高會導致喂料流動性降低，出現注射坯打不滿、缺角、流紋、重量偏差等問題。因此，金屬粉末裝載量按65.0～70.0 %控制。

4.2喂料的穩定性控制

精密器械對零件尺寸的控制要求較高，因此對喂料質量的穩定性提出更高的要求，特別是不同批次之間的穩定性。生產喂料的金屬粉末原料、高分子材料、粘結劑、分散劑、潤滑劑等原輔料要做好分級質量管理。同時為了防止喂料生產過程中發生偏析的情況，各種原料要先進行預混，再進行密煉。密煉時間要適中，時間短了容易混不勻發生偏析，時間長了容易造成有效組份揮發，影響產品質量。密煉時間按20～30 min控制較為合適。另外，水口料、返回料的使用也要進行分級管理，配用量不能超過20 %。

4.3自研喂料的后續開發

本期自研喂料開發工作存在的主要問題是：（1）所選用的金屬粉末顆粒為粒度D50為10.0?粒度偏粗，球形度偏差，影響喂料流動性；（2）高分子材料、粘結劑對金屬粉末顆粒的潤濕性一般，金屬粉末顆粒的鑲嵌、包覆組織數量還不夠多，有待提高；（3）高分子材料脫脂溫度比市售喂料脫脂溫度高10 ℃，偏高。

因此自研喂料的后續開發需從以下幾個方面開展工作：（1）加強金屬粉末質量控制，選擇粒度更細、球形度更好的金屬粉末；（2）加強高分子材料的基礎特性研究，改善金屬粉末與高分子材料的潤濕性、潤滑性、分散性；（3）減少高分子材料在燒成品中的殘留。

5  結 論

（1）本期自研喂料開發試驗獲得初步成功，采用自研喂料試制月牙零件時項目組對現有生產工序的主要控制參數進行了小幅調整，并生產出質量較好的月牙零件。充分說明自研喂料可以直接替代市售喂料。

（2）自研喂料在質量穩定性、均勻性方面控制較好，為后續生產零件過程中的尺寸控制、重量偏差控制、收縮率控制奠定了基礎。

（3）自研喂料在原輔料的選用方面還需進一步改善。尤其是要選用品質較好、雜質較低的高分子材料產品，以確保金屬粉末的高度分散，以及脫脂后無殘留、少殘留。

參考文獻

[1]鄭禮清.粉末注射成形催化脫脂研究[D].湖南：中南大學，2009.

[2] 李篤信，曲選輝等.新型PEG基粘結劑的開發[J].粉末冶金材料科學與工程，2000.5（2）：122