金属粉末注射成型：成型工艺中烧结变形的测试评价技术需求

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金属粉末注射成型技术（Metal Powder Injection Molding Technology，简称MIM）是将现代塑料注射成型技术引入粉末冶金领域而形成的一门新型粉末冶金近净形成型技术。注射成形过程中将微细粉末与有机粘结剂均匀混合为具有流变性的喂料，采用注射机注入模腔, 形成坯件，再脱除粘结剂和烧结，使其高度致密成为制品，如图1所示。

 

图1 金属粉末注射成型的金属零部件

金属粉末注射成型工艺流程如图2所示。该工艺技术适合大批量生产小型、精密、形状复杂以及具有特殊性能要求的金属和陶瓷零部件，具有广阔的应用前景和经济价值。

 

图2 粉末注射成型工艺流程示意图

粉末注射成型工艺中采用了大量粉末这就意味着最终成型部件内会含有细小的孔穴，图3所示为粉末注射成型件的典型内部微观结构。粉末颗粒的尺寸会明显影响部件的内部结构性能，如空隙率和晶粒尺寸大小。减小粉末颗粒尺寸可以改善烧结性能，但随之会使得比表面积增大并最终导致氧浓度趋势的增大。

图3 粉末注射成型件典型微观结构图

在粉末注射成型后要进行排胶和烧结工艺处理，在这些处理工艺中散布在粉体颗粒空隙之间的胶粘剂会引起成型件外型的改变，图4所示为粉末注射成型件试样在排胶和烧结前后的外形变化。另外，由于致密性要求烧结要在高温下进行，烧结温度接近熔点，这时就需要考虑重力所带来的蠕变，越是大尺寸的成型部件越是会产生较大的变形，结果就是最终部件所需的尺寸精度就很难保证。在实际生产中，这种高温下蠕变变形所带来的结果就是粉末注射成型工艺仅能用于重量100g以内轻质小尺寸部件的生产。因此，对于较重的大尺寸部件生产中采用粉末注射成型工艺就需要设法抑制这种变形，这是目前粉末注射成型工艺所面临的巨大挑战。

 

图4 排胶和烧结前后的形变

对于轻质小尺寸部件的生产，为得到高精度和高质量的产品，也需要精确掌握这种变形行为的规律，并根据产品最终的特性，来确定烧结工艺参数以及烧结前坯件的几何尺寸。排胶和烧结过程中产品部件收缩规律的获得主要涉及以下两方面内容：

（1）烧结过程中产品部件的收缩并不能仅仅靠取样形式测试的热膨胀系数来准确获得，这主要是由于取样测试热膨胀过程中样品内部传热与产品部件完全不同，通过测试得到的热膨胀系数要预计部件变形量会存在较大误差。最好的方式是在模拟烧结工艺过程中实时测试产品部件的整体变形量，采用准确、可靠、高效的测试以及数值模拟方法，来代替目前热膨胀系数变形计算和基于经验的反复试验法，从而缩短产品的开发周期和费用。

（2）烧结过程中一些产品部件的无支撑部位到一定温度后会由于材料软化受到重力影响而发生下弯变形，如图5所示。针对框状类的产品部件，在烧结后往往会出现部件的侧边会有一定程度内凹或外凸。由此可见重力的影响会使产品部件的收缩产生各向异性并影响到产品部件的最终形状，文献1-10对各种烧结中的重力影响进行了详细描述。总之，所有这些变形是在烧结升温过程中发生的还是在冷却过程中发生，以及发生变形的具体温度和变形量大小是烧结工艺需要了解的重要参数，但这些变形参数则是通过热膨胀系数测试无法获得，只有通过部件的整体测量才能准确了解。

 

图5 烧结过程中重力效应带来的变形

综上所述，针对注射成型烧结过程中产品部件的收缩变形，需要解决以下问题：

1. 直接观测产品部件在烧结过程中的整体尺寸变化规律以及重力影响部件局部下弯变形规律；
2. 采用非接触测量方式，避免接触式测量顶杆加载力对排胶和烧结变形的影响；
3. 采用大面积测量方式，直接测试成型件变形，避免制样的代表性不足；
4. 实现成型件或试样的二维变形同时测量，并具有多点位置变化同时测量功能；
5. 在不同升温制度（如不同升降温速度和不同恒定温度）下观测部件尺寸变化规律；
6. 观测不同气氛（真空、氩气、氮气、氢气等）和不同气压条件对部件尺寸变化规律的影响，以及不同温度区间切换气氛条件和气压恒定对部件尺寸变化规律的影响；
7. 同时具备高精度高温热膨胀系数测试功能。

参考文献

1 Olevsky, E.A. and R.M. German, Effect of gravity on dimensional change during sintering--I. Shrinkage anisotropy. Acta Materialia, 2000. 48(5): p. 1153-1166.

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10 HASHIKAWA R, OSADA T, TSUMORI F, et al. Control the Distortion of the Large and Complex Shaped Parts by the Metal Injection Molding Process[J]. Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy, 2016, 63(7): 473-478.