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一文了解粉末冶金注射成形技术简介

2019-10-18

转载自:赛亿快速制造

基本概念

粉末注射成形(Powder Injection Molding,简写为PIM)由金属粉末注射成形(Metal Injection Molding,简写为MIM)和陶瓷粉末注射成形(Ceramics Injection Molding,简写为CIM)两部分组成,它是将塑料注射成形技术引入到粉末冶金领域,利用模具型腔使金属、陶瓷粉末成形,经过去除粘结剂和烧结获得致密化成品而形成的一种新型金属、陶瓷零部件制备加工技术。

PIM 的基本工艺步骤是:选取符合PIM 工艺要求的金属或陶瓷粉末和粘结剂,然后在一定温度下将粉末和粘结剂混合成均匀的喂料,经制粒后,在加热塑化状态下(~150°C)用注射成形机注入模具腔内成形而获得成形坯(Green Part),再利用化学或热分解方法脱除成形坯内的粘结剂,最后烧结致密化成为最终成品(White Part)。

与传统工艺相比,PIM 技术具有精度高、组织均匀、性能优异、生产成本低等特点,其产品广泛应用于电子信息工程、生物医疗器械、办公设备、汽车、机械、五金、体育器械、钟表业、兵器及航空航天等工业领域,是小型复杂零部件成形与加工技术的一场革命,被誉为“当今最热门的零部件成形技术”和“21世纪的成形技术”。

工艺流程:

 

 

技术特点和优点
粉末注射成形能像生产塑料制品一样,一次成形生产形状复杂的金属、陶瓷零部件。
适用于制造几何形状复杂、精密度高及具有特殊要求的小零件(0.2~200g)。
可直接成形薄壁结构件,制品形状接近或达到最终产品要求,尺寸公差一般能保持在±0.10%~±0.30%水平。
对于过硬、过脆、难以切削的材料,或原料铸造时有偏析或污染的零件,可降低制造成本。
与传统的机械加工、精密铸造相比,制品内部组织结构更均匀;与传统粉末冶金压制烧结相比,产品性能更优异,尺寸精度高,表面光洁度好(表面粗糙度可达Ra0.80~1.6μm),不必进行再加工或只需少量精加工。
制品的相对密度可达 95%~98%,可进行渗碳、淬火、回火等热处理。
原材料利用率高,生产自动化程度高,工艺简单,可连续大批量规模化生产。生产过程无污染,为清洁生产工艺。
制品微观组织均匀,产品密度、强度、硬度、韧性、塑性等力学性能高。

表1 PIM和其它金属加工方法的比较

表2 PIM和传统粉末冶金的工艺和性能比较

表3 PIM和精密铸造成形能力比较

PIM 技术并非与传统加工方法竞争,而是弥补传统加工方法在技术上的不足或某些零件无法制造的缺陷。

发展概况

现代PIM 技术的研究始于1973 年,Parmatech 公司在美国成立,专门从事PIM 技术的研究和产品开发工作,但当时该项技术还鲜为人知,直到1979 年,该公司两件PIM 产品在国际粉末冶金大会的产品设计大赛中获奖后,才开始受到粉末冶金工业界的关注。到1985 年,美国才向全世界公布这一技术,而在这期间美国国内的PIM 技术得以成熟并迅速发展形成产业化。该项技术向世界披露后得到世界各国政府、学术界、企业界的广泛重视,并投入了大量的人力、物力和财力予以研究开发。美国政府先后拨款数百万美元,在伦塞尔理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute)开展PIM 技术基础理论和应用基础的研究工作。

之后,又在宾州大学(Pennsylvania State University)建立了PIM 专业实验基地,并成立了全美PIM 协会,每年定期举办专门的国际研讨会,以促进该项技术的发展。目前,该协会已吸收了许多国外单位和专家参加,而发展成为一个国际性的学术组织。进入20 世纪90 年代,随着PIM 工艺进一步改进,新材料、新工艺不断涌现,PIM 技术产业化发展非常迅猛。日本1991 年PIM 产品销售额为 27 亿日元,1992 年猛增到46 亿日元,2000 年达到了130 亿日元。德国1993 年PIM 产品销售额比1992 年增长了5 倍。瑞士中高档手表的表壳和表带70%用PIM 工艺制造。美国政府已将该项技术列为美国经济繁荣和国家持久安全起至关重要作用的“国家关键技术”。为了保持美国在该项技术研究与开发方面的优势,1999 年6 月美国国家自然科学基金会和宾州政府联合支持在宾州大学建立了烧结材料工程研究中心,PIM 技术是该中心重点研究的领域之一。

到目前为止,美国、欧洲、日本等十多个国家和地区有一百多家公司从事该工艺技术的产品开发、研制与销售工作。日本在竞争上十分积极,并且表现突出,许多大型株式会社均参与PIM 工业的推广,这些公司包括有太平洋金属、三菱制钢、川崎制铁、神户制钢、住友矿山、精工–爱普生、大同特殊钢等。目前日本有40 多家专业从事PIM 产业的公司,其PIM 工业产品的销售总值早已超过欧洲并直追美国。继日本快速发展之后,中国台湾地区、韩国、新加坡、欧洲和南美的PIM 产业也雨后春笋般发展起来。其中德国的BASF 公司20 世纪90 年代开发出来的Metamold 一步脱脂法是PIM 产业的一个重大突破,该脱脂方法的一个重要特点是采用催化剂脱脂,脱脂时不出现液相,避免了PIM 产品容易发生变形和尺寸精度控制困难等弱点,大大缩短了脱脂时间,从而降低了成本,并且能生产尺寸较大的PIM 零部件,是目前应用于工业生产中最先进的PIM 脱脂方法。据粉末冶金协会粗略统计和预测,全球PIM 产品销售额达到10 亿美元,到2010 年将达到24 亿美元。

中国 PIM 技术的研究始于20 世纪80 年代末,先后有钢铁研究总院、北京科技大学、中南大学、北京有色金属研究总院、北京粉末冶金研究所、广州有色金属研究院等开展了PIM 技术的研究工作。九五期间,在国家“863”计划、国家科技攻关计划、国家军工配套科研计划和国家自然科学基金等计划的资助下,我国突破了PIM 技术的一些难关,取得了一系列创新性成果,形成小批量的工业生产。近年来,国内PIM产业得到迅速发展,国内公司纷纷从国外引进先进的PIM 设备来提升PIM 的制造水平及能力,使得我国的PIM 技术上了一个新台阶。总体而言,我国PIM 技术研究起步晚,产业化进程慢,产业规模小,随着我国经济与社会的快速发展,将会得到充分发展和广泛应用。

需解决的关键问题

我国实现粉末注射成形技术产业化,并保持一定竞争力的关键是要进一步提高产品尺寸精度和质量稳定性,需解决以下关键问题:
因原材料特性变化、工艺参数的波动所带来的产品质量不稳定问题。
关键工艺设备国产化和配套问题。
研究粉末注射成形模具和产品的计算机辅助设计、集成制造、工艺过程在线控制技术,缩短模具制造和产品试制周期,提高生产工艺过程控制的可靠性。
通过引进、消化、吸收国外先进设备,为关键工艺设备的国产化提供设计和制造依据。
开发新的材料体系和新的气/固界面催化反应脱脂技术,扩大粉末注射成形技术的应用领域。

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