1、粉末注射技术各领域技术是可以相互借鉴的，塑料制品加工技术和金属制品加工技术就 是这种相互借鉴的典范。众所周知，塑 料中的聚四氟乙烯因为熔体黏度过大，无法通过液态进行成型加工，从而借用了金属的粉末冶金烧结技术。这种冷压烧结技术只限于制造形状比较简单的制品。塑料的注射成型工艺具有一次性成型形状复杂制品的能力，而且产品尺寸精度很高，几乎不需要后加工，所以塑料制品代替金属的机械零部件成为近几十年来的一个重要发展，而且这种发展远还没有结束。但是，金属毕竟具有其自身的优点，有一些金属零件(例如强度要求特别高的零件)并不能轻易被塑料所取代。当这些零件形状复杂时，传统金属加工工艺面临很大的困难。塑料注射成型技
2、术的优势给金属制品的制造带来了灵感，将塑料注射成型技术应用于金属粉末制品的成型，诞生了金属注射成型。实际上，几乎所有的粉末(金属的、陶瓷的)经过适当的配料和工艺设计，都可以用注射技术进行成型，因而，把这一类制品的成型归类为粉末注射成型，当注射成型技术应用于陶瓷时，称为陶瓷注射成型。粉末注射成型结合了粉末冶金和塑料注射成型 的优点，开拓了一个新的研究领域。虽然该工艺技术的研究起始于 20 世纪 60 年代，但直到 20 世纪 80 年代中后期才被市场接受。美国、日本和西欧等发达国家和地区率先形成产业规模。现在，这一技术的研究和应用方兴未艾，市场前景也非常广阔，每年以20的速度高速增长。 本文主要
3、从塑料加工成型的角度简要介绍粉末注射成型的工艺特点和主要工艺。一、 粉末注射成型的工艺过程 粉末注射成型工艺过程实际上包括坯料的注射成型和坯料的烧结 2 个部分。完整的工艺过程如图 l 所示。首先，将粉末与起黏结作用的聚合物和石蜡或矿物油进行捏合，混合均匀成为颗粒料，这种颗粒材料具有与塑料一样的可加工性，可以用塑料的注射成型进行加工。注射成型得到的坯料在较低温度下用催化工艺脱除黏结剂，然后在惰性气体保护下进行烧结。最后经过很少的后加工(或不需要后加工) 就可以得到成品。因此，这一工艺有时候也称近终形工艺。1 材料选择 如前所述，粉末注射成型的材料包括无机粉末和黏结剂。理论上，所有市场上可以烧结
4、的粉末都可以用于粉末注射 。常用的粉末有 F e 合金、F e N i 合金、不锈钢、K o v a r 合金、w 合金、钛合金、 、镍基合金、硬质合金、永磁合金及氧化铝、氮化硅、氧化锆等陶瓷材料。但是，选择什么粉末进行加工，依赖于制 品对性能的要求；另一方面，粉末的细度对和产品的性能都有影响。与传统粉末冶金所用的粉末相比，粉末注射成型所用的粉末更细一些(表 2)。通常用于注射成型的粉末的粒径为：碳化物 1 u m ，金属，氧化物，瓷粉。粉末颗粒太粗还会造成设备的磨损和制品被设备磨损物所污染。选择粉末时，还应该考虑如下要求： ( 1 ) 不需要太多的聚合物就具有很好的注射成型流动性； ( 2
5、) 烧结活性高 ( 可以在较低温度下烧结) ； ( 3 ) 收缩率恒定。 作为黏结剂的材料主要有聚合物、增塑剂、偶联剂这 3 个组分。聚合物是黏结剂中的主要组分，常用聚烯烃和聚甲醛：增塑剂主要提高材料的加工流动性，常用石蜡、石蜡油等；偶联剂主要使粉末更好地分散到聚合物基体中。所选择的黏结剂必须满足以下要求：( 1 ) 注射所得的坯料具有足够的强度； ( 2 ) 不易析出于模具表面，容易脱模； ( 3 ) 具有足够的流动性。 国外有公司供应混配好的黏结剂，可以适应 多种粉末，例 N C l a r i a n t 公司的 Licomont EK 583，这种黏结剂里含有聚合物蜡、水溶性和非水溶性
6、的组分，在脱黏工艺中也能够完全脱除，无需添加脱黏催化剂。国内也有人进行了黏结剂的配制研究，例如中南大学的实验表明，离现象，不能用于注射成形。P W E V A 系喂料流动性能好，但脱脂保形性较差。P W H D P E 系喂料与 P W E V A 系比较，其脱脂保形性较好，但流动性能较差。在此基础上，提出了多聚合物组元石蜡基黏结剂体系设计思想及 M I M 喂料综合流变学因子判据 采用 P E H D 和 E V A 组合作为黏结剂的聚合物组元得到的多聚合物组元石蜡基黏结剂 P w H D P E E V A 具有最佳的流变学性能和最佳的脱脂保形性，其最终产品力学性能和收缩各向同性性能也是最
7、好的。 2 配料 ( 捏合) 这是将粉末与黏结剂进行混合制备成为可以用于注射成型的颗粒材料的过程。实际上，从塑料加工的角度看，这一过程实际上就是塑料的制造过程。因此，将粉末配制成为注射成型的原料，实际上就是高填充的塑料。配料实际上要考虑相互矛盾的两个方面：从注射加工来说，因为材料必须具备比较好的流动性，则填充料越少越好；从最终制品的要求来说，则希望聚合物越少越好。对于氧化铝粉，黏结剂的质量含量约 15 ；对不锈钢粉末，黏结剂质量含量约 6。如此大的差别主要是由于氧化铝粉和不锈钢粉的密度不同。配料操作主要考虑如下几个方面：(1) 破坏粉末颗粒的团聚结构； (2) 湿润粉末颗粒的表面，从而改变其表
8、面张力； (3) 用聚合物覆盖被湿润的粉末表面； (4) 制得可以供注塑机使用的粒料。物料的均匀性对粉末注射是重要前提条件，因此，必须使用高效率的混合设备。市场上也有混合好的、可供注射成型用的粒料，如 B A S F 公司的粉末注射成型料( C a t a m o l d ) 在欧洲市场就占有一定市场份额，也有的粉末生产企业也进入配料领域直接供应粉末注射料。3 注射成型 粉末注射成型料实际上就是高填充的热塑性塑料，因此，其成型的基本原理与热塑性塑料注射成型是一样的。理论上可以用普通注射机和模具进行粉末注射成型。但是，由于材料的特殊性，粉末注射成型的工艺和设备要求仍然具有自身特点。首先，高填充塑
9、料往往流动性较差，因而，粉末注射的工艺必须注意到这一点。通常，注射成型时的机筒温度、模具温度、注射压力都 比较高。机筒温度一般在 150 200 ， 注射压力 30 150 M P a ，模具温度为 50 70 。对于金属粉末注射，由于物料的热导率比较大，物料很容易冷却，因而模具温度要更高一些，甚至高 140 。如果模具温度太低，转角处的熔体会过快冷却而容易发生欠注的问题。充填时间一般控制在 0.5 1.0 s，注射速度一般为 10 30 ms ，典型的注射压力曲线如图 2 所示。 另外，高填充塑料对设备的磨损比较大，因而注塑机的有关部件如机筒、螺杆以及注射模具都要使用耐磨损材料制备，这使得设
10、备比较昂贵。粉末注射成型的模具设计时，流道尺寸应该适当放大，流道尽可能短，从而降低压力损失。浇口的设计与普通注射成型的设置原则相同，即应该保证型腔的均匀充填和压力降尽可能低。 4 脱黏 脱除黏结剂是一个非常重要的工艺步骤。操作不当将引起制品开裂。可以通过加热和(或 ) 催化裂解方式使黏结剂裂解成为气体而除去。如前所述，黏结剂有聚合物、增塑剂和偶联剂组成，这些有机化合物一般在 500 之前都会分解成为气体。通常的加热温度为 50 40 0 。催化脱黏可以在更低的温度 下进行。例如使用 B A S F 的注射成型料在催化剂作用下并在氮气气氛中于 1l0一 140 脱除黏结剂，所用的催化剂为气态硝酸
11、，用量为百分之几。黏结剂分解产生的气体导入到焚烧炉中烧掉。制品中黏结剂的脱除是由里及外逐渐进行的，因而不会在坯料内部产生压力。BA S F 的催化脱黏工艺的速度达到 2 mmh ，比传统脱黏工艺大约快 10 倍，可以进行连续化生产。也有使用溶剂抽提与加热相结合的工艺进行脱黏的。有的使用了水溶性聚合物作为黏结剂的体系，溶剂就是水。脱黏以后的半成品多孔、易碎，因此运输时必须特别小心。 5 烧结 烧结之前坯料仅仅具有一定的形状，只有通过烧结才能赋予制品强度等最终的性能。烧结在高温烧结炉内进行，烧结温度略低于粉末的熔点。对于金属，烧结必须在惰性气体保护下进行，陶瓷( 氧化物) 的烧结可以在空气中进行。
12、烧结之前的坯料多孔，烧结以后必须是致密的，坯料中的孔隙在烧结过程被填充，因而烧结伴随着体积的收缩。体积收缩量一般小于 1 注射模具的设计也必须考虑这种收缩。烧结必须有适当的升温和降温速度。二、粉末注射成型的优缺点粉末注射成型的突出优点是可以成型形状比较复杂的小型制品。表 3 比较了粉末注射成型与其他金属零件制造工艺的特点。与普通塑料注射成型相比，粉末注射成型的成本还是非常高的。从成本、工艺和研发等方面考察，该技术还存在以下主要问题 ： ( 1 ) 模具成本很高，尤其对于大批量生产，模具需要高硬耐磨材料制造； ( 2 ) 材料成本很高； ( 3 ) 配料成本也很高； ( 4 ) 工艺步骤多、过程要求高； ( 5 ) 每一个产品都需要较长的研发过程，包括使用试验模具进行调整，最后才制造正式模具进行批量生产。因为用硬金属制造 的模具几乎不能进行修改。
