MIM工藝中的固相燒結(jié)和液相燒結(jié)

在金屬注射成形工藝中，燒結(jié)是一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，它是將脫脂后的多孔坯件進(jìn)行致密化的過(guò)程。施加壓力使接觸面積增大，不管顆粒形狀和表面粗糙度如何，這種接觸面積大體上正比于施加的壓力。燒結(jié)過(guò)程中溫度和時(shí)間的把握直接影響到最終成品的性能，在該工藝中，名副其實(shí)需要掌握好火候的就是這個(gè)環(huán)節(jié)。脫脂后的坯件在進(jìn)行燒結(jié)時(shí)粉末在低于其主要組成成分的溫度下通過(guò)原子前一來(lái)完成粉末顆粒間的聯(lián)結(jié)，減少顆粒間的空隙，從而達(dá)到致密化的目的。在MIM工藝中，致密化后的坯件還是會(huì)具有人們事先設(shè)計(jì)好的與注射模具相符的形狀，只是經(jīng)過(guò)燒結(jié)變得具有了一定強(qiáng)度和性能，可以承受一定的外力，不會(huì)像剛脫完脂的坯件那樣多孔易碎。

曾經(jīng)有人從兩個(gè)方面總結(jié)MIM燒結(jié)的特點(diǎn)，從宏觀來(lái)看，坯件整體的氣孔率下降、坯件的致密度提高，從微觀來(lái)看，粉末顆粒的原子發(fā)生里質(zhì)點(diǎn)轉(zhuǎn)移，使粉末不需要粘結(jié)劑的作用便可產(chǎn)生顆粒間的粘結(jié)來(lái)保持一定的形狀和性能。

燒結(jié)的原理就是在一定的溫度下，利用熱的力量刺激粉末的原子使其發(fā)生物理位置的遷移，將粉體狀的坯件變成顆粒聯(lián)結(jié)緊密的塊狀的坯件。壓機(jī)一般都幾噸到幾百噸壓力，直徑基本是在110MM以內(nèi)都可以制作成粉末冶金。由此可以看出溫度對(duì)于燒結(jié)的重要性，從理論上來(lái)講，溫度越高，燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的原子遷移運(yùn)動(dòng)越迅速，從一個(gè)位置到另一個(gè)位置的原子的量也就越多，燒結(jié)過(guò)程也就進(jìn)行得越快。

在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中，人們會(huì)經(jīng)常提到兩個(gè)詞：固相燒結(jié)和液相燒結(jié)，其實(shí)這沒(méi)有什么費(fèi)解的，關(guān)于二者的區(qū)別，簡(jiǎn)單一點(diǎn)說(shuō)就是根據(jù)燒結(jié)溫度不同，固相燒結(jié)就是燒結(jié)溫度低于所有組成成分的熔點(diǎn)，而液相燒結(jié)則是燒結(jié)溫度低于主要組成成分的熔點(diǎn)。粘結(jié)劑的主要作用是充當(dāng)粘結(jié)金屬粉末顆粒流動(dòng)的載體以及成型后保持工件形狀。同時(shí)這兩種燒結(jié)方法又有一個(gè)共同點(diǎn)：都是不施加外部壓力的情況下進(jìn)行的。

因此，固相燒結(jié)和液相燒結(jié)又被成為無(wú)壓燒結(jié)，這主要是相對(duì)于熱壓、熱鍛、熱等靜壓等加壓燒結(jié)方法而言的。在MIM工藝中一般都是采用無(wú)壓燒結(jié)的方法進(jìn)行坯件的燒結(jié)。

AIM(鋁合金粉末注射成形)工藝簡(jiǎn)介

鋁合金粉末注射成形(Aluminium alloy injection moulding，簡(jiǎn)稱AIM)是一種新型的鋁合金成形技術(shù)。

它類(lèi)似于金屬粉末注射成形技術(shù)(MIM)，是粉末注射成形(PIM)技術(shù)的主要分支，都是從注射成形技術(shù)上發(fā)展而來(lái)的，是目前國(guó)際上發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的鋁合金零部件加工技術(shù)。

AIM是先將粉末與粘結(jié)劑進(jìn)行均勻混煉，然后將混合物料經(jīng)造粒機(jī)造粒，再注射到成形模具腔完成所需要的形狀。金屬粉末冶金是一種利用金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)作為原料，經(jīng)過(guò)成形和燒結(jié)制成金屬或合金零部件的技術(shù)。混合的熔體經(jīng)過(guò)加溫有良好的流動(dòng)性，這樣在注射時(shí)有助于制品成形，而且能充分保持產(chǎn)品的密度均勻性。經(jīng)過(guò)成形的制品還需要脫脂再經(jīng)燒結(jié)爐燒結(jié)，有的產(chǎn)品還要進(jìn)行一些后處理。

這種先進(jìn)的技術(shù)適合大批量、各種形狀復(fù)雜的零件生產(chǎn)，包括一些極其復(fù)雜的三維立體形狀，且生產(chǎn)的產(chǎn)品無(wú)需機(jī)加工或僅少量加工，大大降低了生產(chǎn)成本，而且使工作效率大大提高。

因注射過(guò)程都是經(jīng)過(guò)精細(xì)的溫度和壓力進(jìn)行注射，所以成形的制品具有極高的精度和非常均勻的密度。

AIM鋁合金注射成形技術(shù)能加工生產(chǎn)形狀極其復(fù)雜的零件，zui小可以加工0.1g的微小型零件;生產(chǎn)的產(chǎn)品組織均勻、精準(zhǔn)度極高，表面光潔;而且生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，適于大批量生產(chǎn)。

由于AIM在精度和工作效率上表現(xiàn)出機(jī)加工無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，目前已應(yīng)用到航海航空、機(jī)械、汽車(chē)、精密儀器等多個(gè)行業(yè)。隨著機(jī)械工業(yè)的不斷發(fā)展，目前AIM已成為世界上鋁合金零部件加工領(lǐng)域發(fā)展最快的鋁合金加工技術(shù)，得到越來(lái)越多行業(yè)的青睞。

AIM工藝簡(jiǎn)介及AIM生產(chǎn)設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀

MIM和CIM是粉末注射成形工藝的兩大分支。在金屬粉末冶金制品燒結(jié)中，燒結(jié)氣氛是影響燒結(jié)制品性能的重要因素之一。其中MIM是發(fā)展最早也最成熟的一個(gè)分支，被稱為21世界最熱門(mén)的零部件成形技術(shù)，它也的確沒(méi)有辜負(fù)這樣一個(gè)榮譽(yù)，其產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展和壯大，并擁有了專門(mén)的金屬注射成形生產(chǎn)設(shè)備?，F(xiàn)在粉末注射成型工藝一出現(xiàn)第三大分支：AIM，即鋁合金注射成型。近年來(lái)，隨著金屬注射成形工藝的不斷成熟和普及，人們也越來(lái)越關(guān)注鋁合金這種具有優(yōu)異功能的特殊復(fù)合金屬，因鋁合金種類(lèi)繁多，性質(zhì)差異較大，表面極易被氧化的特點(diǎn)，其在注射成形方面與普通金屬或合金要求是不同的，于是才會(huì)出現(xiàn)專門(mén)的AIM——鋁合金注射成形。

任何一個(gè)工藝要想發(fā)展，形成一種產(chǎn)業(yè)，必須要通過(guò)生產(chǎn)設(shè)備的改進(jìn)和升級(jí)來(lái)為企業(yè)提高生產(chǎn)效率，AIM也不例外，zui初它是沒(méi)有專用的設(shè)備的，傳統(tǒng)粉末冶金和注塑行業(yè)通用生產(chǎn)設(shè)備以及金屬注射成形專用設(shè)備的都曾被用于該工藝中。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。但是它有其獨(dú)特的原料特點(diǎn)，那些非專用生產(chǎn)設(shè)備都無(wú)法很好滿足其正常生產(chǎn)需要，即使勉強(qiáng)可以使用制品的質(zhì)量也大打折扣。

AIM生產(chǎn)設(shè)備(主要是混煉造粒設(shè)備和注射設(shè)備)的研究是近幾年才開(kāi)始的，因?yàn)殇X合金注射成形技術(shù)是非常先進(jìn)的一門(mén)技術(shù)，國(guó)內(nèi)對(duì)其研究也是剛剛開(kāi)始，目前南京科技大學(xué)對(duì)此領(lǐng)域研究較早較多并已經(jīng)取得一定研究成果，在領(lǐng)域的水平可以達(dá)到世界前三。步驟如下﹕1使表面粗糙度達(dá)到一定要求﹐可通過(guò)表面磨光﹐拋光等工藝方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于鋁合金粉末的摩擦系數(shù)比普通金屬粉末和陶瓷粉末都要小，因此就混煉設(shè)備和注射設(shè)備來(lái)講，原則上是可以與其共用的。

隨著AIM企業(yè)對(duì)生產(chǎn)效率和設(shè)備自動(dòng)化，加工連續(xù)化程度以及設(shè)備性能等要求的提高，專業(yè)的鋁合金注射成形混煉機(jī)、造粒機(jī)及注射機(jī)的研究開(kāi)始被眾多機(jī)械設(shè)備制造商提上日程。

目前國(guó)內(nèi)已有少數(shù)幾家機(jī)械設(shè)備制造商通過(guò)與高等院校合作的方式，在AIM專用生產(chǎn)設(shè)備的研發(fā)生產(chǎn)方面取得了初步的成效，并在一些企業(yè)開(kāi)始試用，其功能和特性還有待在以后的生產(chǎn)實(shí)踐中不斷摸索和改進(jìn)，相信隨著科技不斷進(jìn)步，這些生產(chǎn)設(shè)備也會(huì)朝著智能化、環(huán)?；?、自動(dòng)化發(fā)展。發(fā)黑時(shí)所需溫度的寬容度較大，大概在135攝氏度到155攝氏度之間都可以得到不錯(cuò)的表面，只是所需時(shí)間有些長(zhǎng)短而已。

我國(guó)近十年來(lái)粉末冶金成形新技術(shù)綜述

粉末冶金是一項(xiàng)集材料制備與零件成形于一體，節(jié)能、節(jié)材、高效、最終成形、少污染的先進(jìn)制造技術(shù)，在材料和零件制造業(yè)中具有不可替代的地位和作用，已經(jīng)進(jìn)入當(dāng)代材料科學(xué)的發(fā)展前沿。

   目前粉末冶金技術(shù)正向著高致密化、高性能化、低成本方向發(fā)展，本文著重介紹幾種近十年來(lái)粉末冶金零件的成形新技術(shù)。

   一、溫壓技術(shù)

   溫壓技術(shù)是粉末冶金領(lǐng)域近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，可生產(chǎn)出高密度、高強(qiáng)度，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。不過(guò)，可以通過(guò)后處理或復(fù)合涂層獲得不同的顏色，以提高載重汽車(chē)零部件的裝飾性和匹配性。所謂溫壓技術(shù)就是采用te制的粉末加溫、粉末輸送和模具加熱系統(tǒng)，將加有特殊潤(rùn)滑劑的預(yù)合金粉末和模具等加熱至130～150℃，并將溫度波動(dòng)控制在±2．5℃以內(nèi)，然后和傳統(tǒng)粉末冶金工藝一樣進(jìn)行壓制、燒結(jié)而制得粉末冶金零件的技術(shù)。其技術(shù)關(guān)鍵：一是溫壓粉末制備，二是溫壓系統(tǒng)。

   與傳統(tǒng)工藝相比，溫壓成形的壓坯密度約有0.15～0.30g／cm3的增幅，其密度可達(dá)7.45g／cm3。2、能清理工件表面的微小毛刺，并使工件表面更加平整，消除了毛刺的危害，提高了工件的檔次。在相同的壓制壓力下，溫壓材料的屈服強(qiáng)度比傳統(tǒng)工藝平均高11％，極限拉伸強(qiáng)度平均高13．5％，沖擊韌性可提高33％。另外，溫壓零件的生坯強(qiáng)度高，可達(dá)2O～30MPa，比傳統(tǒng)方法提高50—100％，不僅降低生坯搬運(yùn)過(guò)程中的破損率而且能對(duì)生坯進(jìn)行機(jī)加工，表面光潔度好。此外，溫壓工藝的壓制壓力低和脫模力小，同時(shí)零件性能均一，產(chǎn)品精度高，材料利用率高。

   溫壓工藝還有一個(gè)特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，成本低廉?；瘜W(xué)拋光是讓材料在化學(xué)介質(zhì)中外表宏觀凸出的部分較凹部分優(yōu)先溶解,從而得到平滑面。研究表明，假如一次壓制、燒結(jié)的普通粉末冶金工藝的成本為1.0，則粉末鍛造的相對(duì)成本為2.0，復(fù)壓復(fù)燒的相對(duì)成本為1.5，滲銅的相對(duì)成本為1.4，而溫壓技術(shù)的相對(duì)成本為1．25。目前，采用溫壓技術(shù)生產(chǎn)的粉末冶金零件已達(dá)200多種，零件重量在5—1200g。例如，德國(guó)SinterstahlGmbH公司用溫壓技術(shù)生產(chǎn)復(fù)雜的摩擦傳動(dòng)用同步齒環(huán)，在美國(guó)新奧爾蘭舉行的PM2TEC2001國(guó)際會(huì)議上獲獎(jiǎng)。該零件的齒部密度超過(guò)7.3g／cm，環(huán)體密度超過(guò)7.1g／cm，生坯強(qiáng)度達(dá)到28MPa。采用了擴(kuò)散合金化的燒結(jié)硬壓粉末，zui低抗拉強(qiáng)度為850MPa。由于使用了溫壓技術(shù)和采用粉末冶金零件，使得綜合成本降低了38％。

   二、流動(dòng)溫壓技術(shù)

   流動(dòng)溫壓技術(shù)(Warm Flow Compaction，簡(jiǎn)稱WFC)是在粉末壓制、溫壓成形工藝的基礎(chǔ)上，結(jié)合了金屬粉末注射成形工藝的優(yōu)點(diǎn)而提出來(lái)的一種新型粉末冶金零部件近凈成形技術(shù)。很好的耐蝕性能：達(dá)克羅膜層的厚度僅為4-8μm，但其防銹效果卻是傳統(tǒng)電鍍鋅、熱鍍鋅或涂料涂覆法的7-10倍以上。其關(guān)鍵技術(shù)是提高混合粉末的流動(dòng)性。它通過(guò)提高了混合粉末的流動(dòng)性、填充能力和成形性，從而可以在8O～130~C溫度下，在傳統(tǒng)壓機(jī)上精密成形具有復(fù)雜幾何外形的零件，如帶有與壓制方向垂直的凹槽、孔和螺紋孔等零件，而不需要其后的二次機(jī)加工。WFC技術(shù)既克服了傳統(tǒng)粉末冶金在成形復(fù)雜幾何形狀方面的不足，又避免了金屬注射成形技術(shù)的高成本，是一項(xiàng)極具潛力的新技術(shù)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

   WFC技術(shù)作為一種新型的粉末冶金零部件近凈成形技術(shù)，其主要特點(diǎn)如下：(1)可成形具有復(fù)雜幾何形狀的零件；(2)壓坯密度高、密度均勻；(3)對(duì)材料的適應(yīng)性較好；(4)工藝簡(jiǎn)單，成本低。