金屬注射成形(MIM):

一種制造精密工程零件的競(jìng)爭(zhēng)性工藝

DrGeorg Schlieper et al

(Consultantof EPMA)

摘要:經(jīng)過30多年發(fā)展，金屬注射成形(MIM)已發(fā)展成一種生產(chǎn)小型、精密、復(fù)雜形狀零件的具有競(jìng)爭(zhēng)性的生產(chǎn)工藝。這類零件用常規(guī)金屬工藝生產(chǎn)時(shí)，不但價(jià)格昂貴，而且材料利用率低與生產(chǎn)工藝復(fù)雜、費(fèi)時(shí)。MIM工藝幾乎可用包括金屬、陶瓷、金屬間化合物及復(fù)合材料在內(nèi)的所有材料，生產(chǎn)大量與少量的小型復(fù)雜

形狀零件?，F(xiàn)在。用MIM工藝生產(chǎn)的零件已在諸如汽車、化工、航空航天、事務(wù)機(jī)械、計(jì)算機(jī)硬件、生物一醫(yī)療器械及槍械等產(chǎn)業(yè)部門得到了廣泛應(yīng)用。

關(guān)健詞:金屬注射成形;MIM;小型精密零件

1概述

1.1粉末冶金

MIM是傳統(tǒng)粉末冶金(PM)的發(fā)展，當(dāng)然被認(rèn)為是粉末冶金的一個(gè)分支。標(biāo)準(zhǔn)的粉末冶金工藝是用單軸向壓制，于剛性模具中壓制添加有潤(rùn)滑劑的粉末混合物，壓坯從模具中脫出后，將之進(jìn)行燒結(jié)。

用粉末冶金工藝雖然可以成形十分復(fù)雜的形狀，并經(jīng)常成百萬件的進(jìn)行生產(chǎn)，但是對(duì)于零件形狀卻受到一個(gè)重要限制，即壓制成形后，壓坯必須從陰模型腔中脫出，因此，很明顯，有根切或?qū)褐品较蛴写怪蓖钩霾康牧慵?，就不能壓制成形。用金屬注射成形工藝制造時(shí)，實(shí)質(zhì)上，就消除了這種限制。

1.2金屬注射成形

多年來，我們已經(jīng)知道用注射成形可由許多塑料生產(chǎn)形狀十分復(fù)雜的零件，而且，這些零件到處都是，并且和人們的日常生活密切相關(guān)。這類零件的一個(gè)重要特點(diǎn)是價(jià)格比較便宜?？墒?，對(duì)于許多工程應(yīng)用，這些熱塑性材料都有各自的力學(xué)性能，而且，他們都較軟、強(qiáng)度有限及不耐高溫。

通過用在塑料中添加固體填料一陶瓷或金屬粉末，雖有一些改進(jìn)，但發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)在混合物中金屬或陶瓷粉末占有很高體積百分率時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)真正的突破。從而，研制出了用塑料一黏結(jié)的金屬或陶瓷零件。精心地除去塑料黏結(jié)劑后，遺留下的金屬或陶瓷骨架，雖然易碎，但仍然可以安全地搬運(yùn)，并以和傳統(tǒng)的模壓零件大致相同的方法進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)后零件的密度可高達(dá)95 %(理論密度)，同時(shí)其力學(xué)性能一般都能等同或優(yōu)于傳統(tǒng)的粉末冶金零件。

2 MIM使用的原材料

在傳統(tǒng)的粉末冶金生產(chǎn)工藝中，一般燒結(jié)后零件的尺寸都和壓坯很相近。因此，就不難保證公差緊密?？墒牵饘僮⑸涑尚蔚那闆r卻十分不同。通常，將注射成形狀態(tài)的零件，叫做零件‘生坯’，其黏結(jié)劑的體積含量高達(dá)50%(體積分?jǐn)?shù))，同時(shí)燒結(jié)時(shí)收縮大。因此，對(duì)燒結(jié)工藝的主要要求是，要保證收縮是可控的。在這方面，若混合料制造的合適的話，和常規(guī)粉末冶金工藝相比，MIM的優(yōu)勢(shì)在于，壓坯中金屬的密度是均一的。在這種場(chǎng)合，收縮雖然大，但密度依然是均勻的。這可以消除在模壓零件中由于密度不均勻產(chǎn)生翹曲的可能性。

對(duì)于粉末/黏結(jié)劑混合物，即所謂的‘注射料’，流變性性能最為重要。在成形溫度下，黏度必須使混合物能平穩(wěn)地流人模具，而且，不能有任何偏析，同時(shí)，在成形溫度范圍內(nèi)，要使黏度盡量保持不變。可是，冷卻時(shí)，混合物又必須變成剛性的。

2.1金屬粉末

幾乎任何金屬都能制成適用于MIM的‘適當(dāng)粉末顆粒形狀’。但是，鋁與鎂除外，因?yàn)楦街谄浞勰╊w粒表面的氧化物膜阻礙燒結(jié)。在金屬注射成形中使用的金屬清單中，包括有許多通用的與一些較不常用的金屬與其合金一普通鋼與低合金鋼、不銹鋼、高速鋼、銅基合金、鎳與鉆基高溫合金、鐵、金屬間化合物、難熔金屬及硬質(zhì)合金。從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)來看，最有應(yīng)用前景的是價(jià)格較昂貴的材料。這是因?yàn)楹桶ㄓ星邢骷庸さ目商娲に嚥煌?，MIM工藝實(shí)際上沒有廢料。而對(duì)于價(jià)格較便宜的金屬，廢料較不重要。

圖1.所示為在MIM中應(yīng)用的鐵粉與鋼粉。注射料中金屬占的比例最好是盡量高，粉末顆粒最好是球形或近球形。

a).羰基鐵粉;b)氣霧化17-4 PH粉末;c)水霧化17-4PH粉末

圖1 MIM用的鐵粉與鋼粉

平均粒度與粒度分布也都是重要的。如同眾所周知，和較粗的粉末相比，細(xì)小顆粒粉末較容易燒結(jié)。表I中比較了不同的生產(chǎn)工藝與它們作為MIM用粉末的相對(duì)成本。

表1細(xì)小顆粒生產(chǎn)工藝的比較

理想的MIM粉末應(yīng)如下所示:

為了充填密度高與成本低(成本較低的大顆粒與成本較高的細(xì)小顆粒)，特別配制的粒度分布;

無偏析;

主要是球形(或等軸狀)顆粒;

為避免除去黏結(jié)劑后變形要有足夠高的顆粒間摩擦;

為了快速燒結(jié)，平均粒度要小于20μm

內(nèi)部孔隙中無密實(shí)顆粒;

爆炸與毒性最小;

為了適于與黏結(jié)劑相互作用，顆粒表面要清潔。

2.2 MIM粉末的特性

在粉末冶金中，一般用來表征粉末特性采用的試驗(yàn)方法，諸如篩分析、流速或壓縮性都不適用于MIM粉末。這是因?yàn)镸IM用的粉末的粒度至少比模壓制用的粉末的粒度小一個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于MIM用粉末適用的試驗(yàn)方法有包圍一比表面面積(ISO10070)與重力沉降的測(cè)定(ISO 10076)。這些試驗(yàn)都能表明顆粒的大小與形狀。

關(guān)于表征MIM粉末的粒度分布，推薦的試驗(yàn)方法是激光衍射儀(圖2)。這種檢測(cè)方法的動(dòng)態(tài)范圍大(在1與1000 wm之間)，其很好地覆蓋了MIM所關(guān)心的粒度范圍。圖3所示為生產(chǎn)MIM零件用的氣霧化316L粉末的體積粒度分布的典型曲線。

圖2激光衍射儀示意圖

圖3 MIM粉末(氣霧化316L)的典型粒度分布

2.3黏結(jié)劑

黏結(jié)劑是關(guān)鍵，也有一些人說是注射成形零件成功生產(chǎn)的最關(guān)鍵的因素。大部分黏結(jié)劑都是有機(jī)化合物的混合物，主要成分是天然的蠟或合成的聚合物。為了改變性能，可能添加有其它物質(zhì)。

表2所示為現(xiàn)在MIM用的主要黏結(jié)劑系統(tǒng)。

表2現(xiàn)在MIM用的主要黏結(jié)劑系統(tǒng)

混合是在高溫下進(jìn)行的，這時(shí)黏結(jié)劑為液體，其必須‘潤(rùn)濕’粉末顆粒，形成無任何顆粒團(tuán)的均一混合物。就此而論，組成中往往應(yīng)該包括有表面活性劑?？墒?，在黏結(jié)劑與金屬之間不得產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。進(jìn)一步的要求是，在生產(chǎn)過程中黏結(jié)劑不得惡化。黏結(jié)劑應(yīng)容易從成形的零件中除去。

2.4混合

在常規(guī)粉末冶金中采用的滾筒混料機(jī)，對(duì)于MIM用混合料的混合不適用。對(duì)于MIM用混合料，混合時(shí)需要的是進(jìn)行剪切作用。有幾種不同類型的混料機(jī)可以利用:例如Z型葉片與行星式混料機(jī)。大量生產(chǎn)時(shí)，為保證注射料的均一性，對(duì)于最終的注射料配制，可使用雙螺桿擠壓機(jī)。其主要目的是保證每個(gè)顆粒的整個(gè)表面都涂覆有一層黏結(jié)劑。有時(shí)，為了便于與強(qiáng)化顆粒表面與黏結(jié)劑之間接觸，要將粉末進(jìn)行預(yù)處理。應(yīng)使用盡量少的黏結(jié)劑，粉末的體積分?jǐn)?shù)約為0. 5一0. 7 。

2.5 MIM注射料的特性

為了在材料性能與尺寸精度兩方面都能制造出高質(zhì)量的最終產(chǎn)品，注射料的質(zhì)量必須保持一致性。

鑒于注射料的特性，仍然是一個(gè)比較新的研究領(lǐng)域，將來可能會(huì)開發(fā)出新的與更好的試驗(yàn)方法。

(I)收縮

可將從模具尺寸收縮到MIM零件的最終尺寸，看作是注射料的性能。圖4所示為測(cè)定收縮的試驗(yàn)試樣，其測(cè)量了相互垂直的二個(gè)直徑。

(2)流變性。注射料的黏度是MIM工藝的很重要的性能，其決定了多么好的材料才能被傳送與注射到模具型腔中。

關(guān)于通過孔道或小孔流出，其是一種毛細(xì)管流變儀技術(shù)，黏度低和注射料容易流動(dòng)相關(guān)。最好這種流動(dòng)能反映注射料的固有性能。若就沒有出現(xiàn)壁一滑移性狀的均勻注射料而論，這種流動(dòng)是層流。因此，若關(guān)心表觀剪切速率的范圍大會(huì)影響(表觀)黏度的話，毛細(xì)管流切速率的范圍大會(huì)影響(表觀)黏度的話，毛細(xì)管流變儀是一個(gè)重要工具。

圖4測(cè)量收縮的試樣

對(duì)于注射料適當(dāng)配制特別重要的是臨界裝載量。這是粉末含量的范圍，超出了這個(gè)范圍，相對(duì)黏度將明顯增高。臨界裝載量可用在固定剪切速率下測(cè)定的作為粉末裝載量函數(shù)的黏度來確定。

在聚合物學(xué)科中，在用各種不同的其他技術(shù)研究流變性狀，例如，用控制應(yīng)力與控制應(yīng)變的流變儀?？墒?，他們對(duì)于MIM注射料試驗(yàn)的適用性尚待確認(rèn)。應(yīng)該注意的是，這些比較高級(jí)的方法使著可較深人地了解粉末在注射料中的彌散狀態(tài)，即粉末在黏結(jié)劑中彌散的如何。

對(duì)于注射料供應(yīng)方與MIM零件生產(chǎn)廠家間的聯(lián)系，實(shí)際上，最重要的是需要保證MIM注射料的規(guī)定性能的質(zhì)量。為了容易評(píng)定這些質(zhì)量保證，需要有可靠的、標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量方法。為此，可用ISO 1133中所講的熱塑性塑料的熔體一流動(dòng)指數(shù)(MFI)試驗(yàn)，即熔融物質(zhì)一流動(dòng)速率試驗(yàn)(MFR)或熔體體積一流動(dòng)速率(MVR)試驗(yàn)。其是利用在固定的時(shí)間周期內(nèi)，通過通道的一定數(shù)量注射料的平均值來推導(dǎo)出這個(gè)特性的。測(cè)定的MVR為。cm³/lOmin, MFR為g/lOmin?？梢员O(jiān)控自動(dòng)距離一時(shí)間一測(cè)量(程序，B型)。試驗(yàn)溫度與施加的負(fù)載取決于試驗(yàn)的聚合物材料，即MIM注射料場(chǎng)合的黏結(jié)劑。對(duì)于MIM應(yīng)用，報(bào)告的MFI值應(yīng)包含有關(guān)于使用的裝載量或重量、溫度及試驗(yàn)程序的資料。

3 MIM零件生產(chǎn)過程

3.1注射成形

實(shí)際上，通常用于MIM生產(chǎn)的注射成形機(jī)和在塑料產(chǎn)業(yè)中使用的一樣。MIM用的注射成形機(jī)僅只有一些特殊性能，如像耐磨、螺桿的幾何形狀或注射與排出的特殊控制。這些都取決于加工的注射料。

將注射料擠壓到模具型腔中的螺桿位于加熱的料筒中。為保證加工的條件不變，要精心控制料筒與噴咀的溫度。另外，還要控制模具的溫度，必須合適，以保證壓坯被排出時(shí)堅(jiān)硬。

除了這種叫做高壓注射成形的工藝之外，還在使用中等壓力與低壓力注射成形工藝。

注射壓力較低的好處是，設(shè)備與模具的總投資額較低。注射壓力較低的主要缺點(diǎn)是尺寸的再現(xiàn)性較低。

減低零件單位成本的方法是使用多型腔模具，以使用一次注射可生產(chǎn)幾個(gè)零件。這種方法特別適合于需要的數(shù)量很大的個(gè)別零件。

圖5金屬注射成形(MIM )零件的生產(chǎn)過程

3.2黏結(jié)劑除去

除去MIM零件中的黏結(jié)劑是生產(chǎn)工藝的一個(gè)關(guān)鍵工序，而且是一個(gè)需要精心控制的工序。有幾個(gè)基本工步:

(1).加熱生壓坯，以使聚合物黏結(jié)劑熔化、分解及最終蒸發(fā)。為了避免成形態(tài)零件生坯碎裂，這必須很精心地進(jìn)行，而且，采取在不同溫度下分解或揮發(fā)由幾種成分組成的黏結(jié)劑是有利的。這個(gè)過程一般需要許多小時(shí)。因此，脫翻要用間歇式工藝進(jìn)行。除去黏結(jié)劑所需要的時(shí)間取決于零件壁厚。

(2).使用氣態(tài)硝酸或草酸催化分解甲醛( POM)注射料，可大大縮短除去黏結(jié)劑的時(shí)間和減小零件碎裂的危險(xiǎn)。催化黏結(jié)劑除去與燒結(jié)既可采用間歇式也可采用連續(xù)式設(shè)備(圖6)進(jìn)行。

圖6連續(xù)式脫鉆與燒結(jié)爐

(3).另外一個(gè)可供選擇的除去黏結(jié)劑的工藝是用適當(dāng)溶劑(諸如丙酮，乙醇或己烷)溶解黏結(jié)劑。一些黏結(jié)劑的成分，甚至可溶于水。通常，需要最后用加熱蒸發(fā)除去黏結(jié)劑。

(4)在除去黏結(jié)劑的過程中，壓坯的強(qiáng)度顯著減低，在運(yùn)送叫做‘棕色零件’零件生坯時(shí)，必須十分精心。

3.3燒結(jié)

燒結(jié)是通過加熱，將各個(gè)顆粒焊接在一起和形成最終產(chǎn)品所需要的強(qiáng)度。加熱過程是在可控氣氛爐或真空爐中進(jìn)行的。

MIM零件的燒結(jié)，實(shí)質(zhì)上，和傳統(tǒng)的粉末冶金零件相同。

因?yàn)橹饕菫榱吮苊饨饘傺趸?，采用的氣氛一般都是還原性的。除了保護(hù)金屬外，還原性氣氛的另外的一個(gè)好處是，可還原粉末顆粒表面的氧化物。

由于MIM使用的是較細(xì)小的粉末，這當(dāng)然在MIM零件生產(chǎn)中比在傳統(tǒng)的粉末冶金零件生產(chǎn)中要重要。

使用的燒結(jié)氣氛組成取決于燒結(jié)的金屬。對(duì)于許多金屬，燒結(jié)需要的是僅只含有氫的氣氛，但是在燒結(jié)鋼的場(chǎng)合，碳是一個(gè)重要合金元素，氣氛必須或者是隋性的或者是含有碳化合物或化合物的，以使之與鋼相互平衡，即使鋼既不增碳也不脫碳。

實(shí)際上，在MIM中使用的粉末比在粉末冶金中使用的粉末細(xì)得多，這意味著，由于顆粒的表面能較高，比較容易燒結(jié)。

鑒于‘棕色零件’的孔隙度非常高，因此，燒結(jié)時(shí)收縮很大(見圖7)，同時(shí)為了保持形狀與防止‘坍塌’，必須嚴(yán)格控制燒結(jié)溫度。最終零件的密度接近理論密度，通常大于95%理論密度，同時(shí)力學(xué)性能和組成相同的鑄鍛金屬相近。

圖7‘生坯’、‘棕色零件’及最終MIM零件

3.4燒結(jié)后續(xù)加工

MIM零件的性能，可用許多用于鑄鍛金屬和/或粉末冶金的常用生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)，例如，表面硬化，電鍍等。

MIM零件的表面層往往是完全致密的(見圖8)，因此，殘余的內(nèi)部孔隙度對(duì)于燒結(jié)后續(xù)加工沒有不良影響。

4 MIM產(chǎn)品的力學(xué)性能

4.1拉伸性能一拉伸試驗(yàn)試樣

鑒于MIM零件形狀設(shè)計(jì)的特殊規(guī)則，很明顯，制造的拉伸試樣不需要進(jìn)行切削加工。這在節(jié)省費(fèi)用與技術(shù)兩方面都有明顯好處。因?yàn)镸IM通常是一種最終形或近終形制造工藝，其技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是試驗(yàn)試樣的表面狀態(tài)和MIM零件一樣。這就是為什么MIM產(chǎn)業(yè)在初期階段就開發(fā)出了自己的拉伸試驗(yàn)試樣的幾何形狀。這些所謂的MIMA試樣，都是由美國(guó)金屬注射成形協(xié)會(huì)最早提出與設(shè)計(jì)的，并為ISO 2740標(biāo)準(zhǔn)所采用，規(guī)定為粉末冶金的拉伸試驗(yàn)試樣。

圖8 MIM零件表面區(qū)域的顯微組織

歐洲的MIM零件生產(chǎn)廠家發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的這些試驗(yàn)試樣，為了便于夾緊，在其夾緊的頂端有孔，而這種孔，倘若由于模具充填不均勻形成的焊接線或裂紋，會(huì)超

向于發(fā)生在標(biāo)距長(zhǎng)度以外斷裂，為了避免發(fā)生這種問題，推薦增加的形狀和MIMA的形狀差不多相同，但是在夾緊的頂端沒有孔(見圖9)。

圖9歐洲MIM產(chǎn)業(yè)提出的拉伸試驗(yàn)試樣

（用拉伸試驗(yàn)測(cè)定的力學(xué)性能)

模具的尺寸(標(biāo)距長(zhǎng)度的直徑:5 . 0 mm)都在MIMA的大試樣(標(biāo)距長(zhǎng)度的直徑:5. 82 mm)與MIMA小試樣(標(biāo)距長(zhǎng)度的直徑:3. 8 mm)之間。

三種試樣的幾何形狀都已是公認(rèn)的，并已匯集于ISO 2740中。

4.2 MIM材料的疲勞強(qiáng)度

歐洲MIM產(chǎn)業(yè)致力于按照有限元分析(FEA)與其他設(shè)計(jì)軟件提供給設(shè)計(jì)工程師以全面的材料性能數(shù)據(jù)。這些特性的測(cè)定，特別是疲勞性能，是昂貴與費(fèi)時(shí)間的。因此，迄今沒有幾個(gè)數(shù)據(jù)可用，但是，這些也表明，熱處理的MIM鋼的疲勞性能潛力是大的。

4.3全球粉末冶金性能數(shù)據(jù)庫

2004年，EPMA和MPIF與JPMA一起創(chuàng)辦T網(wǎng)站:http ;//www. pmdatabase. com.是用于了解自己設(shè)計(jì)項(xiàng)目的粉末冶金材料性能的設(shè)計(jì)工程師的標(biāo)準(zhǔn)參考資料。這個(gè)數(shù)據(jù)庫匯集了2007年以后MIM材料的性能，對(duì)于注冊(cè)者可免費(fèi)使用。也可用供應(yīng)商的許多不同的標(biāo)準(zhǔn)與信息搜索材料。

4.4高負(fù)載應(yīng)用的MIM材料

選擇了二種鋼作為可熱處理的高強(qiáng)度材料的代表:沉淀硬化MIM-17-4PH不銹鋼與低合金MIMr4340鋼。后者是常用的淬火一回火熱處理的代表。已經(jīng)證明用MIM工藝生產(chǎn)的這些鋼的高強(qiáng)度潛力，并且，可將其結(jié)果作為開發(fā)高負(fù)載應(yīng)用的基礎(chǔ)。

(1).熱處理

·MIM-17-4P

固溶處理:1 h/1 050℃，在真空中;時(shí)效處理:4h/480℃，在空氣中。

·MIM-4340

正火:20 min/870℃，在真空中;然后，油淬火、回火:2 h/425℃.在空氣中。

(2).疲勞強(qiáng)度

為了使數(shù)據(jù)具有代表性，研究了由幾個(gè)MIM零件制造廠家提供的試驗(yàn)試樣。在頻率20Hz下，用r=0負(fù)載模式(拉一拉試驗(yàn))，進(jìn)行了軸向疲勞試驗(yàn)。按照ISO 2740，采用成形狀態(tài)的拉伸試驗(yàn)試樣(即對(duì)試樣標(biāo)距長(zhǎng)度的表面不進(jìn)行切削加工、磨加工或拋光)。在2x10⁶周下測(cè)定了疲勞極限。MIM-17-4PH得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。曲線表明一些生產(chǎn)廠家的試樣的疲勞壽命比另外一些廠家的長(zhǎng)。預(yù)料通過使制造、表面質(zhì)量及熱處理最佳化.可改進(jìn)疲勞壽命。測(cè)定的疲勞強(qiáng)度的下限為280 MPa

圖10 MIM-17-4PH的軸向疲勞試驗(yàn)曲線(R=0)

MIM-4340材料試樣的表面質(zhì)量高，雖然總孔隙度約為4%，但表面或表面下的孔隙都要很小。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)告，對(duì)于鍛軋的SAE 4340材料，用同樣熱處理的和用平面彎曲進(jìn)行的試驗(yàn)，于106周下的疲勞強(qiáng)度約為“0 MPa.用MIM-4340材料得到的結(jié)果是，疲勞極限約為500 MPa(圖11)。

這些結(jié)果都證明，倘若在MIM零件制造中特別小心的話，MIM材料的疲勞強(qiáng)度是有希望的。為了達(dá)到適當(dāng)?shù)钠谛阅埽ㄗh要特別注意模具處理，例如，模具的分型線(因?yàn)榇蠖鄶?shù)失效都是沿著這條直線發(fā)生的)與高的表面質(zhì)量。

5 MIM的設(shè)計(jì)

5.1 MIM零件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

一般而言，用注射成形可由熱塑性塑料生產(chǎn)的任何形狀，用MIM由金屬也都可以生產(chǎn)，但是，對(duì)于這個(gè)一般原則，在兩種情況下受到限制。

圖11 MIM-4340的軸向疲勞試驗(yàn)曲線(R=0)

圖12所示為收集的一些MIM零件。這些都是MIM零件的形狀復(fù)雜的例子。表3示壓坯的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

注:this一好;Not this一不好。

圖12 MIM零件

5.2模具設(shè)計(jì)

(1)壁厚均勻，去型芯及孔

為了避免變形、內(nèi)應(yīng)力、孔洞、開裂及沉陷、壁厚最好是均一。壁厚的變化還可能引起燒結(jié)時(shí)的收縮改變，從而使著難以控制尺寸。圖13所示為均一與最小壁厚的設(shè)計(jì)例。用來形成均一壁厚的一個(gè)方法是去型芯(見圖13中的例子)，而且，去型芯/最小壁厚，由于可節(jié)省材料與減少加工時(shí)間，還可以減低成本。在一些零件中，用將桿伸長(zhǎng)到模具型腔中成形的增加的孔，容易去型芯。通孔比盲孔容易成形，因?yàn)樾托緱U可在兩端進(jìn)行支撐。

表3壓坯設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

注:this一好;Not this一不好。

制成“D'型橫向孔，使著可封閉模型中的零件。

圖13相互垂直孔的設(shè)計(jì)圖

僅只用一端支撐的芯桿成形的盲孔，由于注射料流入型腔會(huì)使芯桿偏斜而偏心。因此，一般將盲孔的深度限制在芯桿直徑的兩倍?？椎南嗷ゴ怪睍?huì)產(chǎn)生使模具不能封閉或閉合的特殊問題。

改進(jìn)將一個(gè)孔重新設(shè)計(jì)成‘D'型時(shí)，模具較好操作，較穩(wěn)固及飛邊最小。這種結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子見圖12薄壁零件的堅(jiān)固性與強(qiáng)度的另外一種方法用加強(qiáng)肋。加強(qiáng)肋的厚度或?qū)挾炔坏贸^其連接壁的厚度，只要有可能，原則上，要盡量保持壁厚均一。可是，雖然加強(qiáng)肋可增高零件的強(qiáng)度，改進(jìn)材料流動(dòng)及防止加工過程中變形，但是，他們也可能產(chǎn)生翹曲，沉陷及應(yīng)力集中。對(duì)零件設(shè)計(jì)增加加強(qiáng)肋要謹(jǐn)慎，往往在對(duì)最初的模具試樣測(cè)定后再說較好。

在一些零件中，有不同的壁厚是難以避免的。從一種厚度逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗庖环N厚度，可減小應(yīng)力集中與表面外觀(流動(dòng)線)差。圖14所示為推薦的轉(zhuǎn)變比率。另外，為了保證注射料的適當(dāng)充填，模具的澆口應(yīng)位于較大截面處。

圖14壁厚漸變

(2)澆口

注射料是通過一個(gè)叫做‘澆口’的開口進(jìn)人模具型腔的。一般而言，澆口的位置應(yīng)使注射料進(jìn)人模具型腔時(shí)，從厚截面流向窄截面。最好是，從澆口開始的流程應(yīng)沖擊型腔壁或型芯桿，見圖15。一般而言，從薄截面到厚截面的流程，會(huì)在零件表面形成空洞、沉陷、應(yīng)力集中及流線。

許多MIM零件都是用多型腔模具生產(chǎn)的，其中每一個(gè)型腔都必須和其他型腔相同。為了保證零件的可再現(xiàn)性，對(duì)于每一個(gè)型腔的澆口與流道系統(tǒng)都必須精心測(cè)定大小與確定位置，從而使每個(gè)型腔都能以均衡的充填速率、同樣數(shù)量的注射料充填每一個(gè)型腔。鑒于澆口都會(huì)留下痕跡，要根據(jù)零件的功能與外觀，對(duì)澆口的位置進(jìn)行精心選擇。

(3)減小應(yīng)力集中

應(yīng)避免零件內(nèi)部的尖角與切口，因?yàn)樗麄兌紩?huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中。因此，應(yīng)該考慮大的圓角或圓角半徑，他們也都可以改進(jìn)成形時(shí)注射料的流動(dòng)，并有助于零件的脫出。內(nèi)部與外部的圓角半徑都要應(yīng)盡量大，一般都不小于0. 4一0. 8mm.

對(duì)著型芯進(jìn)人厚截面合適澆口

圖15 澆口位置

(4)螺紋設(shè)計(jì)

需要時(shí)內(nèi)部與外部的螺紋都可自動(dòng)成形在零件上，從而不需要用切削加工制作螺紋(見圖16).內(nèi)螺紋一般是使用旋出裝置成形的，但這種方法往往費(fèi)用高。

圖16成形外螺紋

(5)模具分型線

模具的分型線是由模型的對(duì)立面形成的，如圖16所示，是為了使著零件從模型中脫出的半模型分離平面。

(6)根切

根切分為內(nèi)部的與外部的，其往往是零件功能所必須的。根切可能會(huì)增大模具的費(fèi)用與延長(zhǎng)周期，但這決定于零件根切的類型與位置。對(duì)于有‘O’型密封環(huán)的零件，往往規(guī)定有外部根切，其可用對(duì)開型腔模具成形。和有螺紋的零件一樣，在根切的表面上有二條180°分開的分離線，其可能是不適合于‘0’型一環(huán)溝槽的。用可拆分型芯可成形內(nèi)部的根切。大部分MIM零件比較小，不適合使用這種方法，但其他方法可能證明是可行的，如像利用在燒結(jié)以前可以毀壞的特種塑料型芯，或甚至將二個(gè)或多個(gè)MIM零件用燒結(jié)連接在一起。因此，不推薦設(shè)計(jì)有內(nèi)部根切或凹進(jìn)處的MIM零件，但并不是不能生產(chǎn)。

(7)零件從模具型腔中脫出

為了將零件從模具型腔中脫出，零件可能需要有斜度或輕微的錐度。對(duì)于芯桿，也是一樣。而且，其需要隨著成形的孔或凹進(jìn)的深度而增大。當(dāng)需要(脫模)斜度時(shí)，一般角度0. 5° -2°就足夠了。對(duì)于從模型中脫出零件，通常都需要頂桿，和當(dāng)為了使零件的飛邊痕跡最小時(shí)，這些頂桿的良好設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。特別是對(duì)于較軟的注射料，頂桿與零件的接觸面積(相對(duì)于頂桿的直徑)應(yīng)該足夠大，以避免零件局部破裂。

(8)模型充填設(shè)計(jì)

圖17與圖18證明用計(jì)算機(jī)模擬注射成形過程，對(duì)于模型設(shè)計(jì)是有用的。軟件包有，例如SIG-MASOFT? or MOLDFLOW?。圖17與圖18所示零件在高應(yīng)力的關(guān)鍵位置有焊接線。用重新設(shè)計(jì)，可將這種焊接線移動(dòng)到非關(guān)鍵部位。用減小壁厚(圖17)可變更澆口位置與使流動(dòng)偏移。模具設(shè)計(jì)軟件適合于使零件設(shè)計(jì)、模型充填及一個(gè)型腔與多型腔模型的澆口最佳化。

圖17 MoldflowR模擬的模型充填的焊接線的關(guān)鍵位置

5.3 MIM零件的大小

理論上，對(duì)生產(chǎn)的零件的最大尺寸并沒有限制，但經(jīng)濟(jì)方面的考慮限制了現(xiàn)在可行的零件尺寸大小。在這方面有二個(gè)重要因素:

(1).零件較大時(shí)，由于原材料(細(xì)粉)昂貴，而粉末的總成本和零件的重量呈直線性函數(shù)關(guān)系，因此，總成本的比率較高。

圖18 MoldflowR模擬的模型充填的

焊接線的非關(guān)鍵位置

(2)零件的截面越厚，脫戮的時(shí)間就越長(zhǎng)。因此，生產(chǎn)的零件的成本就越高?，F(xiàn)在，好像是將零件厚度限定在約30 mm。

5.4 MIM零件的尺寸精度

在考慮新應(yīng)用時(shí)，最常問的間題之一，是用MIM工藝可達(dá)到的公差是多大?為了對(duì)MIM零件的尺寸精度評(píng)估提供基本數(shù)據(jù)，從幾家歐洲的生產(chǎn)廠家收集了實(shí)際零件的數(shù)據(jù)。

表4所示為根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DIN ISO 2768得到的MIM的數(shù)據(jù)。在MIM中，使設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝最佳化時(shí)，可使一些關(guān)鍵尺寸達(dá)到較好的公差。

在合適的成形條件下，只有關(guān)鍵尺寸才能達(dá)到這些公差。模型的分型線、壁厚的變化及其他因素都對(duì)零件的尺寸精度有不良影響。

表4典型尺寸公差

圖19所示為MIM零件的公差與ISO公差I(lǐng)T7到IT12級(jí)的比較。雖然，二者不一樣，但是在3一35mm之間，MIM零件的公差和IT10級(jí)很相似。小于3 mm時(shí)，MIM比IT10好一些，但大于35 mm時(shí)，和IT10相比差一些。除了尺寸精度外，還要考慮:

·角度的公差

·表面粗糙度

·圓角半徑。

圖19 MIM零件的尺寸公差與ISO級(jí)別

在這里，角度的公差都是± 40＇或者為了改進(jìn)使用性能標(biāo)準(zhǔn)為± 30＇。表面粗糙度決定于材料類型，可能為Ra = 4一20μm。與相當(dāng)粗的霧化鋼粉(例如不銹鋼粉)相比，以粉末粒度小于10μm的撥基鐵粉為基體的MIM材料趨向于表面較光滑。MIM零件的表面粗糙度明顯地比大部分精密鑄造件好。可是，表面粗糙度測(cè)定儀的讀數(shù)可能受殘留孔隙度的影響。測(cè)量表面粗糙度的方法，顧客與賣方雙方必須一致同意。MIM零件的表面粗糙度可用常規(guī)生產(chǎn)工藝來改進(jìn)，諸如磨加工、拋光或研磨。圓角半徑一般至少為0.3 mm。在MIM設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中給出了和圓角半徑相關(guān)的更進(jìn)一步的細(xì)節(jié)。在規(guī)定MIM零件的尺寸公差時(shí)，往往應(yīng)遵守下列的一般標(biāo)準(zhǔn)。

·規(guī)定的公差絕對(duì)不應(yīng)比滿足性能要求與避免后續(xù)加工更精密;

·對(duì)于壁厚變化大的零件不能規(guī)定精密公差;

·零件的幾個(gè)尺寸的精密公差，通常會(huì)導(dǎo)致零件成本增高(后續(xù)加工);

·不能跨過分型線或?qū)τ谟每梢苿?dòng)型芯或滑動(dòng)凸控制的尺寸規(guī)定精密公差。，

5.5與競(jìng)爭(zhēng)性工藝的比較

實(shí)際上，MIM一種大量生產(chǎn)復(fù)雜形狀零件的技術(shù)。倘若形狀容許利用，例如和常規(guī)的壓制一燒結(jié)工藝(及力學(xué)性能合適)生產(chǎn)相比的話，則在大多數(shù)情況下，MIM太昂貴?？墒牵热粜枰膹?fù)雜形狀零件的數(shù)量超過了某一數(shù)量時(shí)，則MIM工藝可能比切削加工的便宜。

其次，零件的大小影響成本，零件越大，越不利。和MIM工藝競(jìng)爭(zhēng)的常規(guī)生產(chǎn)工藝是精密鑄造。表5中對(duì)用這二種工藝生產(chǎn)的零件特性進(jìn)行了比較。就許多特性來看，是MIM領(lǐng)先。許多形狀可用MIM工藝生產(chǎn)，但是不能用其他方法生產(chǎn)。在需要大量小零件的場(chǎng)合和在需要不能鑄造的合金的情況下，和精密鑄造相比，MIM工藝占有優(yōu)勢(shì)。

表5依照成形能力零件制造工藝的比較

6 MIM零件的金相檢驗(yàn)

6.1顯徽鏡檢驗(yàn)MIM零件的制備

(1)目的:這個(gè)準(zhǔn)則的目的，是為用顯微鏡檢驗(yàn)制備MIM零件試樣規(guī)定所必要的操作程序。

(2)要檢驗(yàn)的零件:

零件生坯一對(duì)于發(fā)現(xiàn)試樣的缺陷(裂紋、氣泡、收縮、孔隙度、焊接線等)，零件生坯的金相檢驗(yàn)是有用的。還可以根據(jù)零件的幾何形狀與使用的粉末類型，檢驗(yàn)注射成形用的粉末一黏結(jié)劑混合物的均一性，而且，必要時(shí)，若使用的粉末不均勻，可對(duì)不同的粉末(性能或形狀)進(jìn)行重新配制。

棕色零件一棕色零件由于除去了黏結(jié)劑，因此，很脆弱。若零件中有缺陷，其比較容易沿著這些缺陷破裂。用這種方法，可確定缺陷的位置，和對(duì)破裂截面的檢驗(yàn)可提供缺陷(裂紋、氣泡等)的性質(zhì)的信息。由于表面粗糙，不需要高的放大倍數(shù)。

預(yù)燒結(jié)的零件一倘若黏結(jié)劑很軟或脆弱，就難以順利地制備零件生坯。因此，零件必須進(jìn)行脫戮與燒結(jié)到顆粒之間開始形成燒結(jié)頸。零件的聲音和金屬一樣，但其尺寸大小仍然很接近零件生坯的尺寸(收縮2% - 5% )。零件生坯中的缺陷仍然和預(yù)燒結(jié)零件中的十分相同，而且，比較容易檢驗(yàn)。

燒結(jié)的零件一燒結(jié)零件的金相檢驗(yàn)大多用于查驗(yàn)孔隙度，光潔度及顯微給織。對(duì)于MIM零件的冶金特性來說，金相檢驗(yàn)是重要的。

(3)試樣制備

I)掃描電鏡(SEM )

對(duì)于SEM檢驗(yàn)，往往不需要制備MIM零件。在電子顯微鏡中可使用整個(gè)或破碎的零件，同時(shí)檢驗(yàn)應(yīng)在外表面或破碎截面上進(jìn)行。倘若需要化學(xué)分析時(shí)，特別是半一定量分析時(shí)，則應(yīng)像光學(xué)顯微鏡一樣制備試樣，和分析應(yīng)在拋光的表面上進(jìn)行。

2)光學(xué)金相檢驗(yàn)

A.概述

由于大多數(shù)零件都有薄壁，因此，若不將試樣鑲嵌在適當(dāng)?shù)木酆衔飿渲?，金相檢驗(yàn)幾乎就無法進(jìn)行。檢驗(yàn)的截面最好是試樣最重要的截面。這種截面可能是:

·有缺陷處;

·焊接線;

·偏析處;

·預(yù)計(jì)有特殊信息的任何表面。

倘若沒有特別需要檢測(cè)處，則可將試樣在中間切開，或在任何較方便處切開。

B.零件生坯制備

零件生坯的制備可能變化很大，這決于黏結(jié)劑的性質(zhì)與力學(xué)性能。否則，就應(yīng)將包括被檢驗(yàn)的試樣部分鑲嵌在冷固定樹脂中，最好是用為金相檢驗(yàn)專門設(shè)計(jì)的樹脂。在聚合反應(yīng)完成后，用高速圓盤鋸進(jìn)行切割。

發(fā)現(xiàn)下列條件是有效的:

圓鋸片高強(qiáng)度鋼

直徑:63 mm

厚度:0.3 mm

齒數(shù):128

切割速度(圓周):600 m/min

直線速度:0.3 mm/min

零件生坯試樣不能拋光。在拋光成光滑表面之前，可能會(huì)除掉與破壞勃特別劑，同時(shí)可看到的金屬含有量遠(yuǎn)比實(shí)際的含有量少。檢驗(yàn)應(yīng)直接在切割的表面上進(jìn)行。殘留的粗糙度阻礙使用高的放大倍數(shù)，但可以檢驗(yàn)與分析粉末的形狀與粉末分布。切割時(shí)，一些粉末顆?？赡鼙粡木酆衔锘w中除去，但孔洞清楚地呈黑色，并可用于圖象分析。

C.預(yù)燒結(jié)的與燒結(jié)的零件制備

a.試樣切割

為了防止試樣在切割時(shí)擠壓，變形或損壞，對(duì)于零件的固定要特別小心?？梢杂蒙拜喦懈顧C(jī)，用薄砂輪或輪緣鑲有金剛石的砂輪進(jìn)行切割。切割時(shí)，要充分冷卻，以防止由于過熱結(jié)構(gòu)發(fā)生變化與損壞。

也可用鋸切割。使用標(biāo)準(zhǔn)的鋼鋸，會(huì)留下毛邊和粗糙的與變態(tài)的表面，因此，在以后研磨時(shí)，以除去零點(diǎn)幾毫米。和珠寶商使用的類似精細(xì)片鋸，可能適用于切割MIM試樣。

倘若零件比鑲樣的模具小，可能不需要切割。倘若沒有特定的截面要檢驗(yàn)，可以鑲嵌整個(gè)零件;可是，這需要進(jìn)行充分地研磨加工。

b.鑲樣

對(duì)于金相試樣，最常用的鑲樣方法是熱壓鑲樣。若熱塑性與熱固性樹脂的硬度足夠高與收縮小，則二者都可以用于試樣鑲嵌。可是，零件生坯，預(yù)燒結(jié)

的零件及一些很脆弱的零件都需要冷鑲樣。在真空或加壓氣氛中使鑲樣的樹脂固化可以改進(jìn)預(yù)燒結(jié)試樣的浸透性，從而使MIM零件較好地強(qiáng)化，同時(shí)，由于孔隙度低或孔隙度為零，較容易拋光。

倘若零件要用光學(xué)與電子顯微鏡二種方法進(jìn)行檢驗(yàn)，適于用導(dǎo)電性的樹脂(例如含有碳粉，銀粉或銅粉)。這種導(dǎo)電性鑲樣也用于試樣的電解浸蝕。

試樣在鑲樣樹脂中的位置必須完全固定與記錄。倘若鑲樣的樹脂是透明的，則位置就可以驗(yàn)證，而且，必要時(shí)在完全聚合之前可以校正。倘若樹脂不透明，則最重要的是，在澆注樹脂之前，要確保試樣的位置正確，和保證其仍保持在正確的位置上。為此，可使用特制的穩(wěn)定器。

c.研磨

為了消除掉切割造成的毛邊與結(jié)構(gòu)變化，在最終拋光之前，要將切割表面相當(dāng)厚度的一層用研磨加工除掉。經(jīng)驗(yàn)對(duì)于確定應(yīng)除掉多么厚會(huì)有一些幫助。在世界上研磨后，于低的放大倍數(shù)下檢驗(yàn)表面，對(duì)于結(jié)果的鑒定，有時(shí)是有用的。也可一直研磨到試樣的特定區(qū)域或缺陷。

研磨是試樣制備的關(guān)鍵作業(yè)。研磨不正確，可能會(huì)導(dǎo)致由于塑性變形部分孔隙被封存閉或孔隙被研磨的碎屑充填。

在每一道作業(yè)之后，特別是研研磨之后，對(duì)試樣都要進(jìn)行徹底清清洗。用自來水清洗之后，再用異丙基醇超聲清洗是適宜的。

d.最后拋光

光學(xué)顯微鏡金相需要扁平的鏡面對(duì)面般拋光表面。每一個(gè)金相試樣都要要進(jìn)行拋光，和最后要用粒度6.3μm的金剛石粉粉膏研磨。為防止污染拋光盤，要特別小心。倘若磨料顆粒較小時(shí)，則可能遺留在孔隙中，和落在下一個(gè)盤上。倘若顆粒比孔隙大，則可能堵塞孔隙和將之除掉時(shí)會(huì)擦傷試術(shù)表面。研磨時(shí)，在每一次操作之間都徹底清理試樣是重要的。不能采用電解拋光，因?yàn)槠鋾?huì)影響孔隙邊沿。

(4).檢驗(yàn)

1)光學(xué)顯微鏡

首先，于低的放大倍數(shù)下檢驗(yàn)未浸蝕的試樣，以選擇進(jìn)一步檢驗(yàn)的表面。試樣應(yīng)首先檢驗(yàn)孔隙大小。應(yīng)指出基體中孔隙大小與孔隙分布的均一性。然后，應(yīng)檢驗(yàn)試樣的清潔度。在其他資料中將規(guī)定有孔隙與夾雜的分級(jí)。

檢驗(yàn)是在放大100倍下進(jìn)行的。特別是當(dāng)懷疑金相試樣制備不正確時(shí)，為了在孔隙與夾雜之間進(jìn)行識(shí)別和為了較好地觀察孔隙，可采用較高的放大倍數(shù)。為了確定孔隙大小是否正確，也可另外用金剛石粉進(jìn)行拋光。

為了不同的目的，可采用不同的浸蝕，例如:

·顯示顯微組織;

·識(shí)別特定的相;

·識(shí)別夾雜;

·核驗(yàn)孔隙沒有包藏毛邊或無關(guān)顆粒。

浸蝕是用化學(xué)的或電化學(xué)的方法及化學(xué)試劑進(jìn)行的，這和常規(guī)金相檢驗(yàn)用的相同。表6中列出了這些試劑的清單。

表6最常用的浸蝕劑

2)掃描電鏡

作出了為一種輔助的檢驗(yàn)工具，SEM是很有用的。其可給出關(guān)于零件表面的補(bǔ)充規(guī)充資料，而且是確定夾雜組成的重要工具。可考慮用其鑒定腐蝕的副產(chǎn)品與進(jìn)行材料的化學(xué)分析。

3)圖象分析

特別是對(duì)于說明孔隙(大小測(cè)量，每一單位表面的孔隙數(shù)，大小分布等)，極力推薦圖象分析軟件。在與孔隙分級(jí)相關(guān)的資料中規(guī)定其應(yīng)用。

6.2 MIM零件顯微組織分析

(1)概述

為了進(jìn)行金相檢驗(yàn)，對(duì)于用注射成形(MIM)生產(chǎn)的試樣制備和通常用的金相試樣制備有一些不同。見上面的6.l。

(2)光學(xué)顯微鏡檢驗(yàn)

1)設(shè)備

一臺(tái)能放大約x 50 , x I00 , x 200及x 500倍的，高質(zhì)量的光學(xué)顯微鏡。其需要有測(cè)定尺寸的顯微鏡標(biāo)尺。為了人工測(cè)量尺寸與記錄需要有攝影設(shè)備。使用圖象分析時(shí)，能獲得來自照相機(jī)的數(shù)字圖象和在計(jì)算機(jī)中用專用軟件進(jìn)行處理(見圖20)。

圖20金相檢驗(yàn)用的光學(xué)顯微鏡

2)孔隙度

首先在未浸蝕的試樣上，檢驗(yàn)孔隙度;必要的話，然后，再在浸蝕的試樣上進(jìn)行一次。

A.孔隙分布的檢驗(yàn)

在低的放大倍數(shù)(x 50)下校驗(yàn)孔隙分布。倘若，孔隙度相當(dāng)均勻，則可在表面的部分進(jìn)行檢驗(yàn)與測(cè)量。倘若，在表面某些部分孔隙的密度不同，則應(yīng)分別在每一代表性部分進(jìn)行進(jìn)一步檢驗(yàn)?？紫斗植嫉囊话阏髡锥家涗?例如在試樣的0. 6 mm厚度表面附近的較低孔隙度)。

B.孔隙度的表征

孔隙度的表征應(yīng)在x 100倍下進(jìn)行。要對(duì)檢驗(yàn)的表面進(jìn)行選擇，其要具有典型的代表性，光學(xué)質(zhì)量要好(平滑性、拋光狀態(tài)、沒有劃痕等)。為了確保在制備試樣時(shí)，沒有封閉孔隙，在補(bǔ)充拋光之后，對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行檢驗(yàn)，可能是有益的。

孔隙度的表征應(yīng)包括下列數(shù)據(jù):

孔隙形狀一孔隙形狀是用大多數(shù)孔隙的形狀進(jìn)行評(píng)定的?；蛘哒f是“圓形或球形孔隙”或者是“不規(guī)則孔隙”。當(dāng)孔隙是不規(guī)則形狀時(shí)，需要時(shí)，可增加對(duì)實(shí)際孔隙形狀較多的具體描述。

孔隙的平均大小一平均孔隙直徑是用圖象分析或用足夠多數(shù)量的可見孔隙(>10%總數(shù))的尺寸測(cè)量與計(jì)算平均值得到出的。

孔隙的豐度-一孔隙的豐度是以測(cè)量面積中的孔隙數(shù)量與測(cè)量的總面積間的比率確定的。若用圖象分析時(shí)，這個(gè)值一般叫做“計(jì)數(shù)/面積”。另外，孔隙的面積除以測(cè)量的面積可能是重要的。

a)研究的區(qū)域;b)計(jì)算的較小的區(qū)域;c)非救形孔隙

圖21研究孔隙大小的顯微照片表面

C.人工測(cè)量與計(jì)算的例子。

倘若，研究的面積如圖21(a)所示，則計(jì)算與測(cè)量的實(shí)際方法是，將表面面積劃分為幾個(gè)較小的面積，如像(b)中，然后計(jì)算一個(gè)或幾個(gè)面積中的孔隙數(shù)量。當(dāng)孔隙是二個(gè)不同面積的一部分時(shí)，則應(yīng)僅只計(jì)算面積中的位于其下部右邊的部分。在(c)中，以最小尺寸(a)與最大尺寸(b)間的平均值得出的非球形孔隙的平均直徑。

D.孔隙度的校驗(yàn)

為了顯示材料的顯微組織，需要浸蝕試樣。和以前一樣，用同樣的放大倍數(shù)檢驗(yàn)試樣時(shí)，其應(yīng)顯示出同樣形狀的孔隙、尺寸與變形。

3)清潔度

清潔度是用夾雜的性能、數(shù)量及范圍來表征的。夾雜本質(zhì)上是組成與基體材料不同的、無關(guān)的金屬或非金屬雜質(zhì)。用顯微鏡往往不能區(qū)別夾雜與孔隙。有時(shí)，用放大倍數(shù)高于x 500 倍或更高的放大倍數(shù)可以表明孔隙是真正孔隙還是夾雜。在懷疑的情況下，可采取的第一個(gè)措施是用乙醇與超聲攪拌澈底清洗試樣。使用一些專用的試劑，涂到夾雜上，會(huì)形成和孔隙與基體不同的顏色。

確定夾雜最合適的方法是使用掃描電鏡( SEM )。這個(gè)準(zhǔn)則在下面有一部分專門講到了SEM的應(yīng)用。

在確定夾雜之后，和用對(duì)于孔隙同樣的方法進(jìn)行表征。有的時(shí)候，由于孔隙與夾雜之間的形狀、顏色及外觀差異很小，難以用圖象分析。倘若夾雜的數(shù)量不太大，人工選擇夾雜可能是解決這個(gè)問題的一個(gè)可行的辦法。

4)顯微組織

MIM零件的顯微組織檢驗(yàn)只能用燒結(jié)的零件進(jìn)行。程序和用于其他來源的材料相同，其唯一差別是大部分MIM材料中有小的與均勻的孔隙度(見圖22)。

5)浸蝕

浸蝕用化學(xué)試劑見表7，可從其中選用。因?yàn)闀?huì)浸蝕材料的孔隙度，要特別小心。倘若，液體存留在孔隙中，其可能會(huì)在檢驗(yàn)時(shí)逸出，影響圖象的質(zhì)量，甚至?xí)g設(shè)備，特別翻轉(zhuǎn)的顯微鏡上。

6)檢驗(yàn)

為了校驗(yàn)孔隙度(見上文)，在于x 100倍下第一次檢驗(yàn)后，為了識(shí)別不同的相與為了進(jìn)行金相觀察，要選擇合適的放大倍數(shù)。

7)測(cè)量晶粒大小

需要的話，可測(cè)定晶粒大小。對(duì)于MIM材料，標(biāo)準(zhǔn)ISO 643中描述的程序也是適用的。

圖22用glyceregia試劑浸蝕的MIM316L

不銹鋼的顯微組織

8)a一鐵素體

對(duì)于s一鐵素體要特別注意。這種相在MIM工藝中廣泛應(yīng)用于不銹鋼(例如316L)中。當(dāng)將不銹鋼加熱到足夠高的溫度時(shí)，其會(huì)出現(xiàn)在晶界上。這種相呈很淡的淺藍(lán)色。應(yīng)報(bào)告鐵素體的存在，可以測(cè)定這種相的相對(duì)豐度。

9).缺陷

A.缺陷是一種事故，可能影響零件的外觀，形狀或性能。這包括有注射成形的缺陷(焊接線，充填不完全，沉陷等)，材料的多相性，孔洞及裂紋?？锥幢瓤紫洞蟮枚啵推漭^長(zhǎng)的尺寸有的大于100 μm缺陷是系統(tǒng)的或偶然的。系統(tǒng)的比遠(yuǎn)比偶然的缺陷容易檢驗(yàn)與識(shí)別。

B.缺陷的檢驗(yàn)與表征一零件生坯或燒結(jié)零件表面的缺陷都是可用目測(cè)的。最后，可用放大鏡或顯微鏡進(jìn)行檢驗(yàn)。依據(jù)缺陷的性質(zhì)與大小，可用幾種無損檢驗(yàn)方法進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)于磁性材料中的表面裂紋的顯像，透視試驗(yàn)與磁性探傷法都是有效的。

當(dāng)缺陷位于內(nèi)部時(shí)，較難發(fā)現(xiàn)，除非是懷疑有缺陷或者內(nèi)部的缺陷使外觀產(chǎn)生外部變形。若內(nèi)部的空洞與裂紋足夠大時(shí)，則他們可用X一射線或超聲音響測(cè)深自動(dòng)記錄儀定位。小于1 mm的較小缺陷，可用X一射線顯微層析攝影法檢測(cè)。

對(duì)于零件生坯與棕色零件的缺陷，可用破壞或切斷零件進(jìn)行缺陷的破壞性檢驗(yàn)。對(duì)破壞與切割的截面進(jìn)行檢驗(yàn)，以獲得缺陷的部位與信息。也可用顯微鏡檢驗(yàn)缺陷。除非缺陷的部位是推測(cè)的和缺陷的大小很大或在零內(nèi)伸長(zhǎng)的，試樣通過缺陷斷裂是不可靠的。

(3)掃描電鏡(SEM )

1)設(shè)備

SEM對(duì)于檢驗(yàn)材料是一種很有用的設(shè)備。其是用電子束激發(fā)被檢驗(yàn)的材料，利用材料發(fā)射的二次電子來產(chǎn)生表面的視頻圖象。由于焦距深，通過放大，能很好地確定這種圖象與表明表面的輪廓。SEM一般的放大倍數(shù)為，從x 20到x20000倍。

利用SEM附備的能譜儀(EDS )，利用材料發(fā)射的X一射線的能量，可以分析局部材料的組成。

2)檢驗(yàn)與分析

為了用電子束能誘發(fā)排出電荷，SEM檢驗(yàn)的試樣必須是導(dǎo)電的。倘若，試樣本身不能導(dǎo)電(零件生坯或鑲樣的聚合物)，則必須在檢驗(yàn)以前，將其金屬化。通常使用的是碳或金的一薄層真空鍍層。

和光學(xué)顯微鏡一樣，可在零件表面與截面進(jìn)行檢驗(yàn)。也可以檢驗(yàn)斷裂表面，而且很有用。在將試樣正確插人顯微鏡和將試樣室抽真空后，檢驗(yàn)的程序和光學(xué)顯微鏡很相似。可是，SEM的檢驗(yàn)比光學(xué)顯微鏡簡(jiǎn)便。

孔隙可直接檢測(cè)，并且容易和夾雜進(jìn)行區(qū)別?？斩纯芍苯涌吹?，而且，倘若拋光使孔隙邊緣發(fā)生了變化或變形，也可以看出。用EDS可以檢驗(yàn)夾雜與相。電子發(fā)射圖的檢驗(yàn)可給出局部化學(xué)組成的定性信息。也能進(jìn)行定性或半定量化學(xué)分析。設(shè)備標(biāo)定后，和用光學(xué)顯微鏡同樣的方法，進(jìn)行定量圖象分析。

7 MIM工藝的最近發(fā)展

7.1 2C-MIM

作為制造雙金屬零件的方法，開發(fā)出了2C-MIM ( Two-Component MIM)工藝。2C-MIM工藝的主要優(yōu)勢(shì)是，在一道生產(chǎn)工序中，可將具有不同性能的二種材料直接接合在一起，從而不再需要以后的連接作業(yè)。其可制造的零件范圍包括，從具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的中空零件一直到柔性的能拆卸的組件。

所有研事例的目的都是，在有利的成本下，制造出功能性增強(qiáng)的工程零件。對(duì)于遭受磨損的零件，例如僅只在關(guān)鍵部位，可用較硬或較耐磨的材料來增強(qiáng)，從而對(duì)于一個(gè)別應(yīng)用，就有了一種特制的零件。

設(shè)想有許多重要材料與生產(chǎn)工藝都需要用這種方法生產(chǎn)好的零件。但這并非僅只需要簡(jiǎn)單地了解二種注射料的注射成形性狀。關(guān)鍵是二種材料必須能在同樣的爐子中并在同樣的燒結(jié)氣氛下進(jìn)行燒結(jié)。這是因?yàn)闊Y(jié)時(shí)二個(gè)零件的收縮速率不同，可能會(huì)導(dǎo)致分層與開裂。還有當(dāng)形成有害的相時(shí)，合金化元素也會(huì)沿著邊界擴(kuò)散，這會(huì)減低材料的性能。

通過協(xié)調(diào)加工因素，可使2C-MIM零件的質(zhì)量最佳化。由于其獨(dú)特能力，可使不用任何組裝作業(yè)，就能夠使一個(gè)零件中具有不同的材料性能，因此，2C-MIM工藝一定會(huì)擴(kuò)大MIM產(chǎn)業(yè)的潛在市場(chǎng)。

7.2 μ-MIM

產(chǎn)品與系統(tǒng)都在趨向于微小型化，這意味著復(fù)雜系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)與功能性零件將變得越來越小。不但要使用具有適當(dāng)物理性能的先進(jìn)材料，而且要有微小型化的幾何形狀特征，才能使集成的功能數(shù)量增多。因此，需要開發(fā)制造微型零件或微型結(jié)構(gòu)零件的高度有效的與可靠的方法。用μ-MIM制造的微型結(jié)構(gòu)零件，特別是可用來替代塑料零件，以發(fā)揮諸如力學(xué)強(qiáng)度、耐蝕性或高溫性能等金屬材料的優(yōu)勢(shì)。

這種新制造工藝的成功是基于缺少可替代的μ-MIM。所謂的LIGA技術(shù)(光刻與電鑄的結(jié)合)，通常，僅只適用于2D幾何形狀，而且，在材料選擇方面受到電鑄的限制。其他技術(shù)，如像電化學(xué)微型一制造方法、微型一銑削與微型一磨削技術(shù)都來自硅基的微電子產(chǎn)業(yè)，都具有解決小到1 μm特征的能力。但是，都不大適合于大量生產(chǎn)3D零件。

的確，這些制造工藝大多都太昂貴，現(xiàn)在，用μ-MIM生產(chǎn)的微型零件，其特征大小已可小到5 μm。

為了使性能最佳化，例如依照流動(dòng)性狀或零件保持形狀，開發(fā)出了完全可能用于μ-MIM所需要的亞微米或納米的合用注射料。

一般而言，對(duì)于微型零件來說，MIM可復(fù)制約為平均粒度10倍的特征，這對(duì)于微型零件是特別適用的，倘若要制造較小的特征，就需要使用更細(xì)小的粉末?，F(xiàn)在，可利用的金屬粉末粒度小于1μm。一些粉末的活性太大，以致不能生產(chǎn)該粒度范圍的粉末(例如Ti)，而其他金屬粉末，可用特殊的氣霧化法較容易生產(chǎn)(例如不銹鋼)。

倘若粉末的粒度范圍都在1 wm以下，就應(yīng)使用特殊的注射料組成，以適應(yīng)粉末的大表面面積注射成形與脫黏時(shí)產(chǎn)生的問題。

現(xiàn)在μ-MIM仍然處于研發(fā)階段，大體上在與2C-MIM工藝平行發(fā)展。首先，這二種工藝現(xiàn)在都已用于生產(chǎn)，但形勢(shì)的特點(diǎn)是，都在進(jìn)行技術(shù)推銷和在對(duì)各種各樣的微型零件或微型結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行可行性研究。

在其成功地進(jìn)人市場(chǎng)的路上，初步的競(jìng)爭(zhēng)性研究與開發(fā)目標(biāo)都是關(guān)鍵性工作，但是，只有通過在產(chǎn)業(yè)中圍繞著μ-MIM的可能性，開發(fā)材料與生產(chǎn)工藝，再加上對(duì)工程技術(shù)人員的教育，才能實(shí)現(xiàn)真正的突破。

8總結(jié)

歐洲MIM產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期以來就認(rèn)識(shí)到需要開發(fā)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。歐洲的標(biāo)準(zhǔn)草案就是來自MIMNET的一個(gè)計(jì)劃的產(chǎn)品，EuroMIM組接著將工作集中在了開發(fā)一項(xiàng)MIM材料的ISO標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過和北美(MPIF)與日本(JPMA)的商業(yè)協(xié)會(huì)以及相關(guān)的ISO分會(huì)的一系列會(huì)議與討論，產(chǎn)生了2012年發(fā)布的ISO標(biāo)準(zhǔn)一2012ISO 22068燒結(jié)金屬注射成形材料一規(guī)范。這個(gè)規(guī)范包括有，對(duì)于燒結(jié)金屬注射成形材料的化學(xué)組成和力學(xué)與物理性能的要求。意在于，為設(shè)計(jì)與材料工程師提供只能用金屬注射成形(MIM)工藝制造的零件規(guī)定的材料所需要的資料，但其不能用于用其他粉末冶金工藝(諸如，壓制一燒結(jié)或粉末-鍛造)制造的結(jié)構(gòu)零件。

有許多已有的ISO與EN標(biāo)準(zhǔn)都和MIM相關(guān)，其中包括有:

ISO 2740:燒結(jié)金屬材料(不包括硬質(zhì)合金)一拉伸試樣;

ISO 3369:非滲透性的燒結(jié)金屬材料與硬質(zhì)合金一密度測(cè)定;

ISO 4498:標(biāo)準(zhǔn)草案，燒結(jié)金屬材料(不包括硬質(zhì)合金)一表觀硬度與顯微硬度的測(cè)定(ISO 4498的修定本一1990與ISO 4498一:1981);

ISO 6892:金屬材料一在室溫下的拉伸試驗(yàn);

EN 23954:粉末冶金用的粉末一取樣;

EN 23 369:非滲透性的燒結(jié)金屬材料與硬質(zhì)合金一密度測(cè)定。