金屬學(xué)基礎(chǔ)

鐵碳合金的基本組織

　?、賷W氏體：碳溶于r-Fe中的間隙式固溶體稱為奧氏體，常用A表示。因?yàn)槊嫘牧⒎骄Ц竦膔-Fe總的間隙量雖比a-Fe的小，但空隙半徑比較大，所以能溶較多的碳。該工藝技術(shù)不僅具有常規(guī)粉末冶金工藝工序少、無切削或少切削、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，而且克服了傳統(tǒng)粉末冶金工藝制品密度低、材質(zhì)不均勻、機(jī)械性能低、不易成型薄壁、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，特別適合于大批量生產(chǎn)小型、復(fù)雜以及具有特殊要求的金屬零件。碳在r-Fe中的溶解度隨溫度升高而增加，在727度時(shí)為0.77%，在1148度時(shí)達(dá)到峰值2.11%。

　　奧氏體塑性很好，強(qiáng)度和硬度也比鐵素體高。

　?、阼F素體：碳溶于a-Fe中的間隙式固溶體稱為鐵素體，常用F表示?！罟钊绻蟮墓罹o密時(shí)，由于需要后續(xù)加工，MIM的成本趨向于增加，燒結(jié)件的公差大概在±0。因?yàn)轶w心立方晶格的a-Fe總的間隙量雖大，但是間隙半徑卻很小，所以碳在a-Fe中的溶解度很小，室溫下不超過0.005%，隨著溫度升高，溶解度略有增加，在727度時(shí)達(dá)到峰值，也僅有0.0218%。

　　鐵素體含碳量很低，其性能接近純鐵，是一種塑性、韌性高和強(qiáng)度、硬度低的組織。

　?、壑楣怏w：鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物叫做珠光體，常用P表示。珠光體的平均含碳量為0.77%。因此，密煉機(jī)的出現(xiàn)是橡膠機(jī)械的一項(xiàng)重要成果，至今仍然是塑煉和混煉種的典型的重要設(shè)備，仍在不斷的發(fā)展和完善。其性能介于鐵素體和滲碳體之間。一般情況下，珠光體中鐵素體和滲碳體呈片狀交替分布，稱為片狀珠光體。通過熱處理可以使?jié)B碳體呈顆粒狀分布在鐵素體基體上，叫做球狀珠光體或粒狀珠光體。

　　④滲碳體：滲碳體是鐵與碳的化合物，常用Fe3C表示。滲碳體的含碳量為6.69%，熔點(diǎn)約為1227度，晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，硬度很高，脆性極大，幾乎沒有塑性。

　　一般來說，在鐵碳合金中，滲碳體越多，合金就越硬，越脆。

　　⑤馬氏體：鋼加熱到一定溫度（形成奧氏體）后經(jīng)迅速冷卻（淬火），得到的能使鋼變硬、增強(qiáng)的一種淬火組織，常用M表示,馬氏體是體心正方結(jié)構(gòu)。

　　馬氏體轉(zhuǎn)變速度極快，轉(zhuǎn)變時(shí)體積產(chǎn)生膨脹，在鋼絲內(nèi)部形成很大的內(nèi)應(yīng)力，所以淬火后的鋼絲需要及時(shí)回火，防止應(yīng)力開裂。

什么情況下合采用MIM工藝

MIM工藝的制程技術(shù)、材料和設(shè)備在國內(nèi)已經(jīng)越來越成熟，應(yīng)用范圍也非常廣。

零件形狀復(fù)雜、尺寸較小以及產(chǎn)量大，這些都是MIM工藝的優(yōu)勢(shì)。

這些強(qiáng)項(xiàng)，使其在電子數(shù)碼產(chǎn)品、手表、手工工具、牙齒矯正支架、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件、電子密封件、切削工具及運(yùn)動(dòng)器械中得到了大量的應(yīng)用。

那么，如何判定一個(gè)產(chǎn)品是否應(yīng)該選擇MIM工藝，也就是選擇MIM工藝的準(zhǔn)則是什么呢？

目前主要有下列主要事項(xiàng)，選擇MIM工藝前需要考慮清楚。

1.

質(zhì)量、切削量：對(duì)于在切削加工和磨削加工中材料損耗非常、加工非常耗時(shí)的零件，MIM在降低生產(chǎn)成本上極有優(yōu)勢(shì)；

2.

總需求量：模具費(fèi)和研發(fā)費(fèi)用對(duì)于低需求量的產(chǎn)品，分?jǐn)傁聛砗笫呛茈y以承受的。因此，當(dāng)產(chǎn)品的年需求量達(dá)到或超過2萬件時(shí)，可以考慮選擇MIM工藝。

3.

材料：MIM工藝是一種近凈成形技術(shù)，對(duì)于由鈦、不銹鋼及鎳合金之類難易切削的材料設(shè)計(jì)的零件，MIM最有吸引力。

4.

產(chǎn)品復(fù)雜性：MIM工藝最適合制造幾何形狀復(fù)雜的、在切削加工中需要變換很多次加工工位的多軸零件、多基準(zhǔn)零件。

5.

使用性能：基于MIM產(chǎn)品的高密度，如果使用性能有需求，則MIM的高密度形成的性能有競(jìng)爭(zhēng)力。

6.

表面粗糙度：表面粗糙度反映了粉末顆粒的大小。

7.

公差（精度要求）：MIM燒結(jié)件的公差大概為±0.3%，如果產(chǎn)品要求的公差很嚴(yán)格，MIM燒結(jié)件就需要二次加工，如CNC，數(shù)控車等，MIM的成本也趨向于增加，需要評(píng)估比較。

8.

組合：為了節(jié)省庫存與組裝費(fèi)用，可見多個(gè)零件固結(jié)為一個(gè)零件。

9.

缺陷：必須使MIM固有的缺陷處于非關(guān)鍵位置，或制造成型后可以除去，例如澆口印跡，頂針印跡或結(jié)合線。

10.

新型組合材料：MIM可制造出傳統(tǒng)工藝難以制造的新型組合材料，例如疊片的或兩種材料結(jié)構(gòu)的或耐磨耗用的混合的金屬-陶瓷材料。

MIM常用材料的種類很多，但有幾種是主要的。若材料難以切削加工，諸如工具鋼、鈦、鎳合金或不銹鋼，對(duì)于MIM最終成型來說，是最有利的，MIM工藝可以一次性成型復(fù)雜的幾何形狀特征。

在不同的生產(chǎn)地點(diǎn)之間，用MIM可達(dá)到的性能是不同的。我們?cè)谠O(shè)計(jì)之前，需要的許多性能參數(shù)都匯總與技術(shù)手冊(cè)中。

現(xiàn)在，我們看到了很多為MIM設(shè)計(jì)的新的材料，其中有疊片結(jié)構(gòu)的（硬磁-軟磁，磁性的-非磁性的，傳導(dǎo)性的-絕緣的）、泡沫金屬及孔新建，這些可選擇的項(xiàng)目，都將MIM推進(jìn)到了幾乎沒有工藝可替代的領(lǐng)域。

選擇MIM技術(shù)的主要準(zhǔn)則

日本、美國及歐洲的金屬注射成形協(xié)會(huì)聯(lián)合發(fā)布ISO標(biāo)準(zhǔn)-ISO22068燒結(jié)金屬注射成形材料規(guī)范，意在于為設(shè)計(jì)與材料工程師提供用MIM工藝制造的零件規(guī)定的材料所需要的資料。關(guān)于選擇MIM工藝準(zhǔn)則，確定有下列一些主要事項(xiàng)需要考慮：

☆質(zhì)量/大量

對(duì)于在切削加工或磨削加工中材料損耗大的零件，MIM在降低生產(chǎn)成本上極有效。

☆數(shù)量

模具與創(chuàng)建費(fèi)用對(duì)于低產(chǎn)量是難以承受的。因此，當(dāng)年產(chǎn)量超過20000件時(shí)，對(duì)于MIM合適。

☆材料

對(duì)于像鈦、不銹鋼及鎳合金之類難切削加工的材料設(shè)計(jì)的零件，MIM最有吸引力。

☆復(fù)雜性

MIM工藝適合制造幾何形狀復(fù)雜的以及在切削加工中需要轉(zhuǎn)換位置的多軸零件。

☆使用性能

如果使用性能很重要，則MIM的高密度形成的性能經(jīng)常都有競(jìng)爭(zhēng)力。

☆表面粗糙度

表面粗糙度反應(yīng)了粉末顆粒的大小，然而不像其他競(jìng)爭(zhēng)的工藝，可控的織構(gòu)可能對(duì)成本沒有什么影響。

☆公差

如果要求的公差緊密時(shí)，由于需要后續(xù)加工，MIM的成本趨向于增加，燒結(jié)件的公差大概在±0.3%。

☆組合

為了節(jié)省庫存與組裝費(fèi)用，當(dāng)講多個(gè)零件團(tuán)結(jié)為一個(gè)零件時(shí)，可以受益。

☆缺陷

必須使MIM固有的缺陷處于非關(guān)鍵位置，或制造成形后除去例如澆口印跡、提模桿標(biāo)記或接合線等。

☆新型組合材料

MIM可制造出用傳統(tǒng)工藝難以制造的新型組合材料，例如疊片的、兩種材料結(jié)構(gòu)的或耐磨耗用的混合的金屬-陶瓷材料。

金屬粉末顆粒狀及制造方法對(duì)mim公工藝的影響

MIM是一種將傳統(tǒng)粉末冶金和現(xiàn)代塑料注塑成形技術(shù)結(jié)合而成的新型金屬成形工藝。金屬注射成形工藝對(duì)于金屬粉末的選擇有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，這是因?yàn)榉勰╊w粒的形狀可以左右制品的質(zhì)量。

好的金屬喂料才可以成形好的產(chǎn)品，而好的粉末會(huì)成就好的金屬喂料，這也就是說金屬粉末的好壞影響著MIM制品的性能。那么怎樣才算是好的金屬粉末呢?

行業(yè)經(jīng)過多年的生產(chǎn)實(shí)踐和行業(yè)專家的理論研究發(fā)現(xiàn)，越是粒度細(xì)小、顆粒均勻、接近球狀的粉末顆粒越適合制造喂料，這樣的粉末制成的喂料在后續(xù)的制品成形過程中流動(dòng)性良好，有利于整個(gè)MIM工藝的順利完成，而且脫粘容易，脫粘后的坯件在燒結(jié)過程中收縮均勻且程度較小。濃型放熱氣氛的碳勢(shì)較高一些，可用作防止粉末冶金鐵基、銅基零件的的氧化和減少鐵基零件的脫碳。

但是在實(shí)際生產(chǎn)中，由于成本、技術(shù)等多方面因素影響，用來生產(chǎn)喂料的金屬粉末原料并不都是“很好”的。甚至是我們認(rèn)為好的粉末原料也難免因?yàn)槌尚尾考男螤畈灰妆３侄绊懙組IM成形工藝的效果。三、空氣氣氛：這種燒結(jié)氣氛主要是在燒結(jié)爐內(nèi)通過一定空氣氣體，也可以看作是在常壓狀態(tài)下燒結(jié)，一般在金屬復(fù)合材料和陶瓷材料的燒結(jié)制品中應(yīng)用。例如金屬注射成形工藝中用到的鋼粉雖然是球形的，粒度大小也符合工藝要求，但是因?yàn)轭w粒間的咬合力小，制品形狀很難維持。

于是人們就想，那把球形的粉末換成不規(guī)則形狀的會(huì)不會(huì)好一點(diǎn)呢?事實(shí)證明，這種改變雖然增加了顆粒間的咬合力，但是卻不能使金屬喂料在加熱狀態(tài)下還能保持較好的流動(dòng)性，減弱了制品的均勻性，嚴(yán)重影響到MIM坯件的脫粘和燒結(jié)環(huán)節(jié)，以致影響最終的制品性能和成品率。四、金屬熱處理的第四把火——回火：1、回火為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高于室溫而低于710℃的某一適當(dāng)溫度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的保溫，再進(jìn)行冷卻，這種工藝稱為回火。

可見想要獲得性能、形狀穩(wěn)定的制品還要另想改善措施，目前制造金屬喂料使用的金屬粉末一般分為兩種：氣霧化粉末和水霧化粉末。這兩種粉末形狀性質(zhì)迥異，單獨(dú)用哪種都不能獲得好的喂料。

氣霧化粉中加入水霧化粉可提高注射成形件的形狀保持能力,降低各向異性收縮。若混合粉的自然坡度角小,則說明顆粒間的相互作用小,所制部件在燒結(jié)后各向異性收縮較大。下表列出了幾種主要MIM粘結(jié)劑體系的優(yōu)缺點(diǎn)：熱塑性粘結(jié)劑一般由高分子聚合物、低分子物質(zhì)以及必要的添加劑組成（石蠟基粘結(jié)劑、油基粘結(jié)劑等分類是根據(jù)低分子物質(zhì)來區(qū)分的）。氣霧化粉含量大的試樣,脫粘后易于坍塌。使用水霧化粉末,可保持形狀而不損害其力學(xué)性能。顆粒的不規(guī)則形狀影響混合粉的燒結(jié)性,使用較大比例的水霧化粉可促進(jìn)致密化。

綜上所述，金屬粉末顆粒形狀對(duì)MIM工藝的影響是根源性和最終性的，選擇合適的金屬粉末制成合適的金屬喂料對(duì)成形高質(zhì)量的MIM制品至關(guān)重要。