. 復雜、精密金屬陶瓷零部件成型技術的革命

粉末注射成形技術(Powder injection molding 簡稱PIM)是小型復雜零部件成形與加工工藝的一場革命，近年來得到了世界各工業(yè)發(fā)達國家的高度重視，被國際上譽為"當今最熱門的零部件成形技術"。截至1999年底，全世界約有300家的公司和科研院所從事PIM技術的研究。近幾年來PIM產(chǎn)業(yè)年增長率約為32%。預計到2010年，全球PIM產(chǎn)品總銷售額將達24億美元。我國PIM技術于80年代末90年代初由中南大學粉末冶金研究所率先從事該項技術的研究和開發(fā)，并已開始從事該技術的產(chǎn)業(yè)化工作。

2．粉末注射成形技術原理

金屬、陶瓷粉末注射成形（PIM）是一種新的金屬、陶瓷零部件制備技術。它是將聚合物注射成形技術引入粉末冶金領域而生成的一種全新零部件加工技術（圖1）。

圖1

該技術應用塑料工業(yè)中注射成形的原理，將金屬、陶瓷粉末和聚合物粘結劑混煉成均勻的具有粘塑性的流體，經(jīng)注射機注入模具成型再脫除粘結劑后燒結全致密化而制得各種零部件（圖2）。

圖2  注射成形技術工藝流程圖

3．粉末注射成形技術的特點

PIM作為一種制造高質量精密零件的近凈成形技術，具有常規(guī)粉末冶金和機加工方法無法比擬的優(yōu)勢。PIM能制造許多具有復雜形狀特征的零件：如各種外部切槽，外螺紋，錐形外表面，交叉通孔、盲孔，凹臺與鍵銷，加強筋板，表面滾花等等，具有以上特征的零件都是無法用常規(guī)粉末冶金方法得到的。

由于通過PIM制造的零件幾乎不需要再進行機加工，所以減少了材料的消耗，因此在所要求生產(chǎn)的復雜形狀零件數(shù)量高于一定值時，PIM就會比機加工方法更為經(jīng)濟。

表1 PIM和精密鑄造成形能力的比較

另一個典型的與PIM競爭的工藝是精密鑄造，表1比較了這兩種工藝制造的零件的特點。在許多方面，PIM都具有較大的優(yōu)勢，但這不足以說明全部問題，許多由PIM制造的形狀是其他途徑無法得到的。PIM技術由于采用大量的粘結劑作為增強流動的手段，所以可以像塑料工業(yè)中一樣任意成形各種復雜形狀的金屬零件，這是傳統(tǒng)粉末冶金模壓工藝不可能達到的。而且由于注射成形是一種近凈成形工藝，基本上不需要后續(xù)加工，使零件制造成本大大降低，以前需要幾十道機加工工序的零件可以一次成形獲得。另外，由于注射成形時流動充填模腔的均勻性，使得PIM產(chǎn)品各處密度均勻，避免了PM模壓工藝中不可避免的密度不均勻性，且由于采用細粉，產(chǎn)品燒結后可達到很高的密度。因而，PIM產(chǎn)品的力學性能一般都優(yōu)于模壓和精密鑄造產(chǎn)品。因此，PIM技術被認為是"當今最熱門的零部件成形技術"。

4.PIM工藝的優(yōu)勢

1. 能像生產(chǎn)塑料制品一樣，一次成形生產(chǎn)形狀復雜的金屬、陶瓷等零部件。
2. 產(chǎn)品成本低，光潔度好，精度高（±0.3%～±0.1%），一般無需后續(xù)加工。
3. 產(chǎn)品強度、硬度、延伸率等力學性能高，耐磨性好，耐疲勞，組織均勻。
4. 原材料利用率高，生產(chǎn)自動化程度高，工序簡單，可連續(xù)大批量生產(chǎn)。
5. 無污染，生產(chǎn)過程為清潔工藝生產(chǎn)。

5．PIM技術的適用材料和應用領域

PIM技術的應用始于1973年，當時Weich等人組建了Parmatech公司，但PIM技術還處于萌芽狀態(tài)，鮮為人知。直到1979年，其產(chǎn)品在國際粉末冶金大會產(chǎn)品設計大賽中獲兩項大獎才引起粉末冶金工業(yè)界的重視。從此后，PIM技術的應用得到了飛速的發(fā)展，到1998年底，全球共有300家以上的公司和機構從事PIM技術的研究、開發(fā)、生產(chǎn)和咨詢業(yè)務。預計到本世紀末，PIM技術產(chǎn)品的全球總產(chǎn)值將從1994年的1.5億美元提高到10億美元，而到2010年預計為24億美元（見圖3）。

圖3  注射成形技術市場分析

PIM技術原則上可用于任何能制成粉末的材料，目前應用的PIM材料體系如表2和表3所示，表4為PIM典型產(chǎn)品。

表2  常用PIM材料體系

表3  較新PIM材料體系應用

表4  常用PIM材料體系

其材料典型力學性能如表5所示，其產(chǎn)品力學性能達到甚至超過鍛造件的水平。

表5  幾種粉末注射成形材料的基本性能