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摘 要 金屬粉末注射成形（MIM）是一種新型近凈成形技術(shù)，近幾年在國內(nèi)發(fā)展迅速。由于缺乏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，市售MIM用喂料的性能穩(wěn)定性不夠好，由此導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)等問題。為了穩(wěn)定喂料性能、提高產(chǎn)品質(zhì)量，項(xiàng)目組自主研發(fā)了316L不銹鋼粉末塑基喂料。生產(chǎn)實(shí)踐表明，自研喂料具有粉末裝載量大、流動(dòng)性好、重量偏差小、脫脂時(shí)間短、脫脂率高等優(yōu)點(diǎn)，自研喂料的開發(fā)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(jìn)一步開展研發(fā)工作。
關(guān)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(jiǎn)稱MIM）是一種從塑料注射成形行業(yè)中引入粉末冶金領(lǐng)域而形成的新型粉末冶金近凈成形新技術(shù)，特別適用于制作體積小、形狀復(fù)雜、機(jī)加工難度大的零部件。因此被廣泛應(yīng)用于3C產(chǎn)品、汽車、醫(yī)療等行業(yè)。[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(jìn)口，但隨著我國MIM產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，行業(yè)內(nèi)的專家、學(xué)者在喂料制備方面開展了大量卓有成效的工作，目前已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)。市售喂料分為“塑基”、“蠟基”，由于“塑基”喂料流動(dòng)性好、注射坯強(qiáng)度高、脫脂簡(jiǎn)便易行，近幾年發(fā)展迅速，被大量用于MIM生產(chǎn)[2]。但在實(shí)際使用過程中我們發(fā)現(xiàn)市售塑基喂料產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，各個(gè)廠家喂料性能不同，同一廠家不同批次產(chǎn)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(wěn)定原料質(zhì)量，提高MIM零件產(chǎn)品的尺寸精度，云南楚豐新材料集團(tuán)自主開發(fā)了316L粉末喂料，并獲得成功。自研喂料在年產(chǎn)500萬件MIM生產(chǎn)線上進(jìn)行零件試制，獲得了產(chǎn)品品質(zhì)提升、質(zhì)量穩(wěn)定的實(shí)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(fā)的目標(biāo)是316L不銹鋼粉末塑基喂料。316L不銹鋼粉末由市場(chǎng)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(%)
序號(hào)
Cr
Fe
Ni
1
18.28
71.52
10.20
2
16.94
72.04
11.02
3
17.69
71.37
10.94
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(wèi)星球存在，不利于喂料流動(dòng)性的改善。
（2）聚甲醛
聚甲醛簡(jiǎn)寫為POM，是分子主鏈鏈節(jié)中含有-CH2-O-的線性高分子化合物，是沒有側(cè)鏈的高熔點(diǎn)、高密度、高結(jié)晶性熱塑性工程塑料。聚甲醛在酸性條件下會(huì)發(fā)生酸催化解聚反應(yīng)，能滿足催化脫脂性能要求。聚甲醛酸解機(jī)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(dòng)性。POM在注射坯脫脂環(huán)節(jié)將被全部脫除。
（3）高密度聚乙烯
高密度聚乙烯簡(jiǎn)稱HDPE，是一種結(jié)晶度高、非極性熱塑性樹脂，具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，在酸性脫脂環(huán)境下能夠穩(wěn)定存在，確保脫脂坯具有良好外形尺寸。但HDPE燒結(jié)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(zhì)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(jiǎn)稱EVA。以提高粘結(jié)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(jiǎn)稱PW，用于填充粉末孔隙，降低粘結(jié)劑粘度，提高流動(dòng)性。
硬脂酸鋅簡(jiǎn)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(dòng)性。此外，在粘結(jié)劑和金屬顆粒之間起橋接作用防止兩相分離[2]。
（6）配比
項(xiàng)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(dá)到65.0～70.0 %，金屬粉末裝載量較大。
表2 喂料配比 (%)
316L粉末
POM
HDPE
EVA、PW、ZS
88.0～92.0
7.9～8.6
0.8～1.5
0.6～2.0
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(jī)干混，確保充分混勻。再把混勻料裝入密煉機(jī)，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(jī)出料口擠出，同時(shí)剪切成1～3 mm的顆粒，自然冷卻后即可用于注射成形產(chǎn)品生產(chǎn)。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(xué)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(xué)成分(%)
序號(hào)
C
O
Cr
Mn
Fe
Ni
1
0.45
8.37
17.58
1.41
62.88
9.32
2
0.62
10.42
16.83
1.18
61.77
9.18
3
0.61
11.00
16.85
1.17
61.35
9.03
為了說明情況，項(xiàng)目組試制自研喂料產(chǎn)品時(shí)與市售主流喂料（1#喂料）進(jìn)行了對(duì)比檢測(cè)。喂料電鏡分析詳見圖4、圖5。
圖4 1#喂料
圖5 自研喂料
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(dòng)性改善，有待于進(jìn)一步改進(jìn)；（2）自研喂料金屬粉末中間填充著大量高分子材料，對(duì)金屬粉末顆粒形成了包覆、包鑲組織結(jié)構(gòu)，分散性、潤濕性均好于1#喂料。
3 產(chǎn)品試制
3.1 月牙零件情況及注射成形工藝流程
為了驗(yàn)證自研喂料的適用性，項(xiàng)目組采用自研喂料對(duì)月牙零件進(jìn)行了試制。月牙零件材質(zhì)是316L，主要尺寸要求見圖6。月牙模具為“一模四個(gè)”，模具設(shè)計(jì)圖見圖7。
圖6 月牙CAD效果圖
圖7 月牙模具效果圖
注射成形工藝簡(jiǎn)述：喂料裝入注射機(jī)料筒，在注射機(jī)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(dòng)性。注射機(jī)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(shí)在模具中成形、冷卻后得到注射坯。注射坯轉(zhuǎn)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(jié)束后得到脫脂坯。脫脂坯轉(zhuǎn)入真空燒結(jié)爐，按照一定的燒成曲線升溫，進(jìn)一步脫除殘余高分子材料，完成金屬粉末的燒結(jié)、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(shù)執(zhí)行情況
為了驗(yàn)證自研喂料的適用性，項(xiàng)目組采購了兩種市售主流喂料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，兩種喂料分別編為1#喂料、2#喂料。注射機(jī)主要工藝控制參數(shù)執(zhí)行情況見表4。
表4 注射工藝參數(shù)
項(xiàng)目
注射壓力
MPa
注射速度
mm/s
注射溫度
℃
模具溫度
℃
保壓時(shí)間
s
1#喂料
125
55
195
125
2
2#喂料
120
50
190
125
2
自研
118
57
195
120
2
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(dòng)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(shí)各項(xiàng)控制參數(shù)和市售喂料相差不大，沒有對(duì)注射機(jī)參數(shù)進(jìn)行特殊調(diào)整，即可滿足注射坯尺寸精度和穩(wěn)定性要求，可實(shí)現(xiàn)直接替代市售喂料。
（2）注射坯外觀
項(xiàng)目組自研喂料獲得的注射坯，外觀檢測(cè)飽滿，無流紋、氣泡、打不滿等缺陷，說明喂料流動(dòng)性較好、保形性較好。注射坯具有一定強(qiáng)度，說明喂料降溫后定型性能較好，有利于加快生產(chǎn)節(jié)奏、提高生產(chǎn)效率。注射坯外觀詳見圖9，脫脂坯照片詳見圖10。
圖9 注射坯照片
圖10 脫脂坯照片
（3）注射坯主要指標(biāo)對(duì)比
項(xiàng)目組對(duì)三種喂料生產(chǎn)的注射坯主要尺寸、密度完成情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，結(jié)果見表5。
表5 各種喂料注射坯尺寸、密度對(duì)比
序號(hào)
1#喂料
2#喂料
自研喂料
長
mm
寬
mm
厚
mm
重量
g
長
mm
寬
mm
厚
mm
重量
g
長
mm
寬
mm
厚
mm
重量
g
1
35.32
5.05
3.03
1.5612
35.25
5.03
3.02
1.5628
35.34
5.03
3.03
1.5584
2
35.3
5.04
3.03
1.559
35.25
5.03
3.04
1.5709
35.33
5.04
3.05
1.5611
3
35.31
5.05
3.04
1.5591
35.25
5.03
3.03
1.5584
35.32
5.05
3.04
1.5660
4
35.3
5.04
3.04
1.5608
35.24
5.03
3.03
1.5651
35.34
5.04
3.05
1.5598
5
35.33
5.04
3.03
1.5581
35.26
5.03
3.03
1.5633
35.32
5.05
3.04
1.5591
6
35.33
5.04
3.04
1.5582
35.25
5.04
3.03
1.558
35.33
5.04
3.03
1.5595
7
35.32
5.04
3.05
1.5674
35.25
5.03
3.04
1.571
35.32
5.03
3.04
1.5605
8
35.33
5.04
3.04
1.5663
35.24
5.04
3.03
1.5651
35.33
5.04
3.03
1.5590
9
35.33
5.05
3.04
1.5663
35.25
5.04
3.06
1.5706
35.32
5.04
3.05
1.5672
10
35.32
5.05
3.02
1.5554
35.26
5.05
3.05
1.5628
35.34
5.04
3.05
1.5582
平均值
35.319
5.044
3.036
1.5612
35.25
5.035
3.036
1.5648
35.328
5.04
3.041
1.5609
最大
35.33
5.05
3.05
1.5674
35.26
5.05
3.06
1.571
35.34
5.05
3.05
1.5672
最小
35.3
5.04
3.02
1.5554
35.24
5.03
3.02
1.558
35.32
5.03
3.03
1.5582
極差
0.03
0.01
0.03
0.012
0.02
0.02
0.04
0.013
0.02
0．02
0.02
0．009
從表5可以看出：(1)自研喂料生產(chǎn)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(dá)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于市售喂料的重量極差，說明自研喂料穩(wěn)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(shù)
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(dǎo)致器件尺寸超標(biāo)、變形、開裂等問題。脫脂工序分三個(gè)階段，第一階段主要是為了形成孔隙方便高分子材料、粘結(jié)劑的脫出；第二階段是大量的粘結(jié)劑脫出；第三階段殘余粘結(jié)劑的脫出。脫脂前的沖洗主要作用是用氮?dú)馀懦隣t內(nèi)空氣，避免酸霧對(duì)零件造成氧化，同時(shí)確保脫脂過程設(shè)備安全。脫脂后沖洗主要作用是是脫脂完后，保持通入氮?dú)馀懦隣t內(nèi)殘留的硝酸和粘結(jié)劑。各種喂料脫脂工藝參數(shù)執(zhí)行情況詳見表6。
表6 脫脂工藝參數(shù)對(duì)比
類別
前沖洗
min
脫脂1
min
脫脂2
min
脫脂3
min
后沖洗
min
爐內(nèi)溫度℃
氮?dú)鉁囟?/span>℃
煙管溫度℃
1#喂料
60
30
30
270
60
115
90
150
2#喂料
60
30
30
360
60
115
90
150
自研喂料
60
30
30
180
60
125
90
150
從表6可以看出：(1)與市售主流喂料相比，自研喂料脫脂時(shí)間最短，僅180 min，有利于提高生產(chǎn)效率；(2)自研喂料脫脂溫度高10 ℃，說明項(xiàng)目組選用的高分子材料、粘結(jié)劑需要在較高溫度下才能快速脫除，需要進(jìn)一步優(yōu)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(xiàng)目組對(duì)各種喂料的脫脂率進(jìn)行檢測(cè)分析。脫脂率按式（2）進(jìn)行計(jì)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(duì)比
序號(hào)
1#喂料
2#喂料
自研喂料
脫脂前
g
脫脂后
g
脫脂率
%
脫脂前
g
脫脂后
g
脫脂率
%
脫脂前
g
脫脂后
g
脫脂率
%
1
1.5675
1.4492
7.06
1.5809
1.4628
7.47
1.4122
1.3052
7.57
2
1.575
1.4568
7.50
1.5749
1.4569
7.49
1.4112
1.3053
7.50
3
1.5674
1.4489
7.56
1.5913
1.4756
7.27
1.4118
1.3053
7.54
4
1.559
1.4407
7.59
1.5864
1.4698
7.35
1.4239
1.3169
7.51
5
1.5672
1.449
7.54
1.5905
1.4716
7.31
1.4238
1.3175
7.46
6
1.5601
1.4417
7.59
1.5905
1.4749
7.30
1.4117
1.3058
7.50
7
1.5601
1.4418
7.58
1.5755
1.4596
7.36
1.4122
1.3062
7.50
8
1.5768
1.4571
7.59
1.5936
1.4761
7.37
1.4146
1.3087
7.48
平均值
1.5666
1.4482
7.56
1.5855
1.4684
7.365
1.4152
1.3089
7.51
從表7可以看出：自研喂料的脫脂率平均達(dá)到7.51 %，脫脂率較高。再保障了較高脫脂率的同時(shí)也能確保零件完好的外形尺寸。脫脂前后的零件外觀對(duì)比詳見圖9、圖10。
3.3 燒結(jié)工序
（1）燒成曲線
由于高分子材料、粘結(jié)劑大部分被脫除，脫脂坯只能保持外形尺寸，機(jī)械強(qiáng)度非常低。燒結(jié)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(kuò)散、形成燒結(jié)頸、連接、融合、收縮，最后燒結(jié)成一個(gè)整體，形成致密的組織結(jié)構(gòu)。使燒成品具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。與此同時(shí)，把殘留脫脂坯的、起到保形定型作用的高分子材料進(jìn)一步脫除，確保燒成品內(nèi)部無殘留和好的機(jī)械性能。三種喂料的燒結(jié)曲線執(zhí)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(shí)間由長到短順序?yàn)椋鹤匝形沽希?/span>1 000 min）→2#喂料（990 min）→1#喂料（970 min）。自研喂料的燒成時(shí)間最長，在燒成性能方面還需進(jìn)一步改進(jìn)。
（2）燒成品質(zhì)量
項(xiàng)目組對(duì)各種喂料燒成品尺寸完成情況檢測(cè)、統(tǒng)計(jì)如表8。
表8 各種喂料燒成品尺寸完成情況(mm)
項(xiàng)目
1#喂料
2#喂料
自研喂料
長
寬
厚
長
寬
厚
長
寬
厚
1
30.43
4.35
2.62
30.47
4.37
2.62
30.45
4.38
2.62
2
30.47
4.35
2.62
30.45
4.37
2.63
30.47
4.36
2.61
3
30.46
4.35
2.63
30.45
4.36
2.63
30.44
4.37
2.62
4
30.43
4.35
2.62
30.46
4.37
2.62
30.43
4.36
2.61
5
30.46
4.35
2.61
30.47
4.37
2.62
30.42
4.37
2.61
6
30.43
4.35
2.63
30.49
4.37
2.63
30.40
4.37
2.63
7
30.47
4.35
2.61
30.42
4.37
2.68
30.42
4.36
2.62
8
30.46
4.35
2.62
30.47
4.37
2.63
30.43
4.35
2.63
9
30.44
4.35
2.61
30.39
4.37
2.63
30.43
4.37
2.61
10
30.45
4.35
2.62
30.55
4.38
2.64
30.42
4.36
2.63
平均值
30.45
4.35
2.62
30.46
4.37
2.66
30.43
4.37
2.62
最大
30.47
4.35
2.63
30.55
4.38
2.68
30.47
4.38
2.63
最小
30.43
4.35
2.61
30.39
4.36
2.62
30.4
4.35
2.61
極差
0.04
0.00
0.02
0.16
0.02
0.06
0.07
0.03
0.02
收縮率%
13.79
13.76
13.74
13.77
13.29
13.42
13.67
13.31
13.74
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(dāng)。
項(xiàng)目組對(duì)1#喂料和自研喂料的燒成品進(jìn)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(jié)構(gòu)。奧氏體晶粒粗大晶粒度級(jí)別為4級(jí)，說明金屬粉末經(jīng)過燒結(jié)后已經(jīng)重熔形成致密的金相結(jié)構(gòu)。晶界、奧氏體內(nèi)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(jié)形成的，喂料在無殘留、少殘留方面還需進(jìn)一步開展工作。
圖12 1#喂料燒成品金相組織
圖13 自研喂料燒成品金相組織
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(jié)劑組份主要是為了改善金屬粉末流動(dòng)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(huì)造成脫脂困難，且在脫脂過程中注射坯容易出現(xiàn)塌陷和變形等缺陷，直接影響到產(chǎn)品的尺寸精度，要盡可能減少高分子材料、粘結(jié)劑配入量，提高金屬粉末配入量。同時(shí)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(huì)導(dǎo)致喂料流動(dòng)性降低，出現(xiàn)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(wěn)定性控制
精密器械對(duì)零件尺寸的控制要求較高，因此對(duì)喂料質(zhì)量的穩(wěn)定性提出更高的要求，特別是不同批次之間的穩(wěn)定性。生產(chǎn)喂料的金屬粉末原料、高分子材料、粘結(jié)劑、分散劑、潤滑劑等原輔料要做好分級(jí)質(zhì)量管理。同時(shí)為了防止喂料生產(chǎn)過程中發(fā)生偏析的情況，各種原料要先進(jìn)行預(yù)混，再進(jìn)行密煉。密煉時(shí)間要適中，時(shí)間短了容易混不勻發(fā)生偏析，時(shí)間長了容易造成有效組份揮發(fā)，影響產(chǎn)品質(zhì)量。密煉時(shí)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(jìn)行分級(jí)管理，配用量不能超過20 %。
4.3自研喂料的后續(xù)開發(fā)
本期自研喂料開發(fā)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(dòng)性；（2）高分子材料、粘結(jié)劑對(duì)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(shù)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(xù)開發(fā)需從以下幾個(gè)方面開展工作：（1）加強(qiáng)金屬粉末質(zhì)量控制，選擇粒度更細(xì)、球形度更好的金屬粉末；（2）加強(qiáng)高分子材料的基礎(chǔ)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(jié) 論
（1）本期自研喂料開發(fā)試驗(yàn)獲得初步成功，采用自研喂料試制月牙零件時(shí)項(xiàng)目組對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)工序的主要控制參數(shù)進(jìn)行了小幅調(diào)整，并生產(chǎn)出質(zhì)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(zhì)量穩(wěn)定性、均勻性方面控制較好，為后續(xù)生產(chǎn)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(chǔ)。
（3）自研喂料在原輔料的選用方面還需進(jìn)一步改善。尤其是要選用品質(zhì)較好、雜質(zhì)較低的高分子材料產(chǎn)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(xiàn)
[1]鄭禮清.粉末注射成形催化脫脂研究[D].湖南：中南大學(xué)，2009.
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