摘  要  金属粉末注射成形（MIM）是一种新型近净成形技术，近几年在国内发展迅速。由于缺乏行业标准，市售MIM用喂料的性能稳定性不够好，由此导致产品质量波动等问题。为了稳定喂料性能、提高产品质量，项目组自主研发了316L不锈钢粉末塑基喂料。生产实践表明，自研喂料具有粉末装载量大、流动性好、重量偏差小、脱脂时间短、脱脂率高等优点，自研喂料的开发取得初步成功，但在高分子材料的选用以及无残留少残留方面还需进一步开展研发工作。

关键词  金属粉末注射成形、塑基喂料

1  前言

    金属注射成形（Metal Injection Molding简称MIM）是一种从塑料注射成形行业中引入粉末冶金领域而形成的新型粉末冶金近净成形新技术，特别适用于制作体积小、形状复杂、机加工难度大的零部件。因此被广泛应用于3C产品、汽车、医疗等行业。^[1]金属粉末注射成形（MIM）工艺所用的原料称作“喂料”。早期的金属喂料主要依靠进口，但随着我国MIM产业的快速发展，行业内的专家、学者在喂料制备方面开展了大量卓有成效的工作，目前已实现国产。市售喂料分为“塑基”、“蜡基”，由于“塑基”喂料流动性好、注射坯强度高、脱脂简便易行，近几年发展迅速，被大量用于MIM生产^[2]。但在实际使用过程中我们发现市售塑基喂料产品质量参差不齐，各个厂家喂料性能不同，同一厂家不同批次产品的性能也有不同，不利于精密器械零件的尺寸控制。为了稳定原料质量，提高MIM零件产品的尺寸精度，云南楚丰新材料集团自主开发了316L粉末喂料，并获得成功。自研喂料在年产500万件MIM生产线上进行零件试制，获得了产品品质提升、质量稳定的实际效果。

2  喂料制备

2.1 主要原料及配比

（1）金属粉末

本次喂料开发的目标是316L不锈钢粉末塑基喂料。316L不锈钢粉末由市场采购，粒度组成D50为10.0㎛，颗粒形貌为球形详见图1，主要成分见表1。

图1  316L不锈钢粉末颗粒形貌

表1  316L不锈钢粉末主要成分(%)

从图1可以看出，所用316L不锈钢粉末呈球状，但部分颗粒球形度不好，且有卫星球存在，不利于喂料流动性的改善。

（2）聚甲醛

聚甲醛简写为POM，是分子主链链节中含有-CH₂-O-的线性高分子化合物，是没有侧链的高熔点、高密度、高结晶性热塑性工程塑料。聚甲醛在酸性条件下会发生酸催化解聚反应，能满足催化脱脂性能要求。聚甲醛酸解机理详见式（1）。

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

POM是制备喂料的主要材料，作用是分散金属粉末，提高喂料流动性。POM在注射坯脱脂环节将被全部脱除。

（3）高密度聚乙烯

高密度聚乙烯简称HDPE，是一种结晶度高、非极性热塑性树脂，具有优异的化学稳定性，在酸性脱脂环境下能够稳定存在，确保脱脂坯具有良好外形尺寸。但HDPE烧结初期能迅速热解脱除，做到无残留或少残留。

（4）共聚物

POM、HDPE两种材料性质不同，相容性不好，难以做到共混均匀。为了解决这一问题加入乙烯-乙酸乙烯共聚物，简称EVA。以提高粘结剂混合的均匀性，减少喂料相分离的可能性^[1]。

（5）润滑剂

石蜡简称PW，用于填充粉末孔隙，降低粘结剂粘度，提高流动性。

硬脂酸锌简称ZS，用于减少聚合物分子间的作用力，起到润滑作用，提高流动性。此外，在粘结剂和金属颗粒之间起桥接作用防止两相分离^[2]。

（6）配比

项目组研制的喂料配比详见表2。按照此配比配制的喂料金属粉末的体积比达到65.0～70.0 %，金属粉末装载量较大。

表2  喂料配比 (%)

2.2  喂料制备的工艺流程

为了确保原料混合均匀，不锈钢粉末先与高分子材料先通过合批机干混，确保充分混匀。再把混匀料装入密炼机，加入石蜡，升温至180～200 ℃，恒温密炼30 min。密炼好的喂料，从密炼机出料口挤出，同时剪切成1～3 mm的颗粒，自然冷却后即可用于注射成形产品生产。喂料制备工艺流程详见图2，自研喂料外观见图3、主要化学成分见表3。

图2  喂料制备工艺流程

图3  自研喂料外观

表3  喂料主要化学成分(%)

为了说明情况，项目组试制自研喂料产品时与市售主流喂料（1^#喂料）进行了对比检测。喂料电镜分析详见图4、图5。

从图4、图5可以看出：（1）与市售喂料相比，自研喂料金属粉末颗粒比较粗，不利于流动性改善，有待于进一步改进；（2）自研喂料金属粉末中间填充着大量高分子材料，对金属粉末颗粒形成了包覆、包镶组织结构，分散性、润湿性均好于1^#喂料。

3  产品试制

3.1  月牙零件情况及注射成形工艺流程

为了验证自研喂料的适用性，项目组采用自研喂料对月牙零件进行了试制。月牙零件材质是316L，主要尺寸要求见图6。月牙模具为“一模四个”，模具设计图见图7。

注射成形工艺简述：喂料装入注射机料筒，在注射机炮筒中加热至180～200 ℃，在此温度下喂料软化，并具有很好的流动性。注射机炮筒中的喂料在110～130 MPa压力下通过射嘴、模具流道等注入模具型腔。同时在模具中成形、冷却后得到注射坯。注射坯转入脱脂炉，在H⁺的作用下聚甲醛POM逐步分解并脱除，脱脂速度约1.0 mm/min，脱脂结束后得到脱脂坯。脱脂坯转入真空烧结炉，按照一定的烧成曲线升温，进一步脱除残余高分子材料，完成金属粉末的烧结、致密化过程后得到成品金属零件。注射成形工艺流程见图8。

图8  注射成形工艺流程

3.2  注射工序

（1）注射工艺参数执行情况

为了验证自研喂料的适用性，项目组采购了两种市售主流喂料进行对比试验，两种喂料分别编为1^#喂料、2^#喂料。注射机主要工艺控制参数执行情况见表4。

表4  注射工艺参数

从表4可以看出：(1)自研喂料注射温度略高、但压力略低、注射速度较快，说明高温下喂料流动性较好；(2)模具温度低5 ℃，自研喂料降温速度略慢。

自研喂料注射时各项控制参数和市售喂料相差不大，没有对注射机参数进行特殊调整，即可满足注射坯尺寸精度和稳定性要求，可实现直接替代市售喂料。

（2）注射坯外观

项目组自研喂料获得的注射坯，外观检测饱满，无流纹、气泡、打不满等缺陷，说明喂料流动性较好、保形性较好。注射坯具有一定强度，说明喂料降温后定型性能较好，有利于加快生产节奏、提高生产效率。注射坯外观详见图9，脱脂坯照片详见图10。

（3）注射坯主要指标对比

项目组对三种喂料生产的注射坯主要尺寸、密度完成情况进行统计对比，结果见表5。

表5  各种喂料注射坯尺寸、密度对比

    从表5可以看出：(1)自研喂料生产的注射坯，长度尺寸极差较小、宽度尺寸极差不大，厚度尺寸极差最小,注射坯尺寸精度控制达到或超过市售喂料；(2)自研喂料注射坯重量极差仅0.009 g，远远低于市售喂料的重量极差，说明自研喂料稳定性、均匀性好于市售喂料。

3.3  脱脂工序

（1）脱脂工艺控制参数

脱脂是将注射成形坯中的高分子材料除去，如果脱脂不完全，将导致器件尺寸超标、变形、开裂等问题。脱脂工序分三个阶段，第一阶段主要是为了形成孔隙方便高分子材料、粘结剂的脱出；第二阶段是大量的粘结剂脱出；第三阶段残余粘结剂的脱出。脱脂前的冲洗主要作用是用氮气排除炉内空气，避免酸雾对零件造成氧化，同时确保脱脂过程设备安全。脱脂后冲洗主要作用是是脱脂完后，保持通入氮气排除炉内残留的硝酸和粘结剂。各种喂料脱脂工艺参数执行情况详见表6。

表6  脱脂工艺参数对比

从表6可以看出：(1)与市售主流喂料相比，自研喂料脱脂时间最短，仅180 min，有利于提高生产效率；(2)自研喂料脱脂温度高10 ℃，说明项目组选用的高分子材料、粘结剂需要在较高温度下才能快速脱除，需要进一步优化。自研喂料的脱脂性能总体好于市售主流喂料。

（2）脱脂效果

项目组对各种喂料的脱脂率进行检测分析。脱脂率按式（2）进行计算。

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

各种喂料的脱脂率完成情况详见表7。

表7  脱脂率对比

    从表7可以看出：自研喂料的脱脂率平均达到7.51 %，脱脂率较高。再保障了较高脱脂率的同时也能确保零件完好的外形尺寸。脱脂前后的零件外观对比详见图9、图10。

3.3  烧结工序

（1）烧成曲线

由于高分子材料、粘结剂大部分被脱除，脱脂坯只能保持外形尺寸，机械强度非常低。烧结工序就是在真空或者惰性气氛下，按照既定的烧成曲线，把疏松的脱脂坯逐步加热到高温。在高温作用下使脱脂坯中的金属粉末颗粒逐步扩散、形成烧结颈、连接、融合、收缩，最后烧结成一个整体，形成致密的组织结构。使烧成品具有足够的机械强度。与此同时，把残留脱脂坯的、起到保形定型作用的高分子材料进一步脱除，确保烧成品内部无残留和好的机械性能。三种喂料的烧结曲线执行情况详见图11。

图11  各种喂料的烧成曲线

各种喂料的烧成曲线大致相同，烧成时间由长到短顺序为：自研喂料（1 000 min）→2^#喂料（990 min）→1^#喂料（970 min）。自研喂料的烧成时间最长，在烧成性能方面还需进一步改进。

（2）烧成品质量

项目组对各种喂料烧成品尺寸完成情况检测、统计如表8。

表8  各种喂料烧成品尺寸完成情况(mm)

从表8可以看出：(1)与市售主流喂料相比，自研喂料烧成品主要尺寸精度控制较好，满足图纸要求；(2)自研喂料在长度、宽度、厚度尺寸极差控制方面比2^#喂料好，但与1^#喂料还有一定差距；(3)自研喂料收缩率与市售喂料相当。

项目组对1^#喂料和自研喂料的烧成品进行了金相分析（金相组织图见图12、图13）。1^#喂料、自研喂料烧成品具有相同的组织结构。奥氏体晶粒粗大晶粒度级别为4级，说明金属粉末经过烧结后已经重熔形成致密的金相结构。晶界、奥氏体内部均匀分布有石墨碳颗粒，这些石墨碳颗粒是脱脂残留物烧结形成的，喂料在无残留、少残留方面还需进一步开展工作。

4  分析与讨论

4.1 金属粉末装载量的控制

喂料中的高分子材料、粘结剂组份主要是为了改善金属粉末流动性，这些组份最终要全部或绝大部分脱除。按脱脂工艺要求，成分比重高，会造成脱脂困难，且在脱脂过程中注射坯容易出现塌陷和变形等缺陷，直接影响到产品的尺寸精度，要尽可能减少高分子材料、粘结剂配入量，提高金属粉末配入量。同时提高金属粉末装载量有利于减少喂料的收缩率，从而提高烧成品尺寸精度。但是金属粉末装载量过高会导致喂料流动性降低，出现注射坯打不满、缺角、流纹、重量偏差等问题。因此，金属粉末装载量按65.0～70.0 %控制。

4.2喂料的稳定性控制

精密器械对零件尺寸的控制要求较高，因此对喂料质量的稳定性提出更高的要求，特别是不同批次之间的稳定性。生产喂料的金属粉末原料、高分子材料、粘结剂、分散剂、润滑剂等原辅料要做好分级质量管理。同时为了防止喂料生产过程中发生偏析的情况，各种原料要先进行预混，再进行密炼。密炼时间要适中，时间短了容易混不匀发生偏析，时间长了容易造成有效组份挥发，影响产品质量。密炼时间按20～30 min控制较为合适。另外，水口料、返回料的使用也要进行分级管理，配用量不能超过20 %。

4.3自研喂料的后续开发

本期自研喂料开发工作存在的主要问题是：（1）所选用的金属粉末颗粒为粒度D50为10.0㎛粒度偏粗，球形度偏差，影响喂料流动性；（2）高分子材料、粘结剂对金属粉末颗粒的润湿性一般，金属粉末颗粒的镶嵌、包覆组织数量还不够多，有待提高；（3）高分子材料脱脂温度比市售喂料脱脂温度高10 ℃，偏高。

因此自研喂料的后续开发需从以下几个方面开展工作：（1）加强金属粉末质量控制，选择粒度更细、球形度更好的金属粉末；（2）加强高分子材料的基础特性研究，改善金属粉末与高分子材料的润湿性、润滑性、分散性；（3）减少高分子材料在烧成品中的残留。

5  结 论

（1）本期自研喂料开发试验获得初步成功，采用自研喂料试制月牙零件时项目组对现有生产工序的主要控制参数进行了小幅调整，并生产出质量较好的月牙零件。充分说明自研喂料可以直接替代市售喂料。

（2）自研喂料在质量稳定性、均匀性方面控制较好，为后续生产零件过程中的尺寸控制、重量偏差控制、收缩率控制奠定了基础。

（3）自研喂料在原辅料的选用方面还需进一步改善。尤其是要选用品质较好、杂质较低的高分子材料产品，以确保金属粉末的高度分散，以及脱脂后无残留、少残留。

参考文献

[1]郑礼清.粉末注射成形催化脱脂研究[D].湖南：中南大学，2009.

[2] 李笃信，曲选辉等.新型PEG基粘结剂的开发[J].粉末冶金材料科学与工程，2000.5（2）：122