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什么是粉末注射成形(PIM)?
2023年03月09日 发布 分类:粉体入门 点击量:1218
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粉末注射成形(PIM)属于净成形工艺,但不是新制造方法。该工艺在20世纪20年代就已经被首次使用,一些当前PIM应用的起源也可以追溯到20世纪60年代。然而,在20世纪90年代之前PIM缺少必要的工业基础,一直没有被广泛地成功应用。最近几十年来,PIM应用的数量和规模加速发展,引起了对该技术的重视。今天,PIM重要的三步工序包括:

1.釆用合适的粉末和高分子材料制造喂料。

2.将喂料注射到根据最终产品设计的模具中。

3.对成形后的粉末进行热处理,除去高分子材料并烧结粉末。

最后一步可以在一道工序中完成,也可以是两个分开的工序,先脱脂去除粘结剂,然后进行烧结。

PIM主要工艺流程

PIM主要工艺流程

在基本形式的PIM中,典型的粉末和塑料的混合比例为将近60%的粉末和40%的粘结剂。上述混合物中含有85%-98%质量比的粉末,取决于粉末和粘结剂的密度。粘结剂通常是在加热过程中软化和熔化的高分子材料。常见的粘结剂是石蜡、聚乙烯或聚丙烯的混合物。粉末通常小于20μm。粉末和粘结剂的混合物称为喂料,喂料的生产是支撑PIM的重要业务。

在注射阶段,粉末-粘结剂喂料在注射机内部被加热至高分子材料熔化。注射机将熔化的高分子和固体粉末的混合物压入模具的型腔。在注射过程中,粉末不会受髙分子熔化的影响,因为最高温度远远低于粉末的熔化温度。受压的喂料在模具的型腔中冷却,高分子此时凝固,粉末颗粒也被在原处冷却。部分高分子材料在脱模后通过加热、溶解、催化等方法被除去,而不改变成形后的粉末,这一工艺称为脱脂。将成形后的粉末加热至烧结温度时,残余的高分子材料会分解掉。

烧结是颗粒结合的过程,当压紧的粉末在加热到原子运动被激活时会自然发生烧结。对于大部分粉末而言,烧结在低于熔点的适当温度开始。零件的致密化是烧结的一个通常结果。相应地,零件的最终尺寸通常比最初的模具型腔的尺寸小大约15%(因为原来被粘结剂所占有的空间消失了)。烧结后的零件中没有原始的粉末和粘结剂所留下的痕迹。因此,PIM产品的性能远远超过高分子材料,可以与其他金属和陶瓷加工方法相匹敌。

成型、脱脂、烧结

从右到左依次为产品的成型、脱脂、烧结状态

PIM的显著特点

粉末注射成形可以生产范围很广的高性能、复杂形状的零件。从本质上讲,这是一种净成形工艺,也就是说只需要通过很少的机加工就可以成形最终的零件。但该工艺唯一的局限性就是能否获得可以烧结成期望性能水平的细粉。PIM产品因为具有高的最终密度,通常在性能上比其他净成形方法优越。

通过PIM加工的材料包括最常用的陶瓷和合金。此外,针对轻质材料、多孔材料、层状结构和功能性结构的广泛应用,也出现了根据需求定制的新材料成分。

PIM的主要优点在于成形零件的形状复杂性、低成本和高性能。最集中的目标区域在三个因素的交汇处。其他的次要的特性也影响着是否决定采用PIM工艺。一些有利的因素包括设备的生产效率高,材料利用率高,表面质量好以及公差精度高。例如,注射零件可以成形内外螺纹,从而省去机加工。此外,锯齿形状、网格图案、零件标识码和徽章等可以直接在注射阶段成形到零件上。PIM可以控制材料的孔隙,甚至分层的孔隙或材料相组织可以设定在零件的指定区域,从而实现用户定制的功能。

PIM与模压比较

粉末注射成形和基于模压的其他方法之间的差别有时会被混淆。模压经常被用于传统的粉末冶金、陶瓷和硬质合金的生产。模压是应用已久的技术,用来成形时材料范围很广——从陶瓷到医药品。模压采用上下冲头将模具中的粉末压制成形,如压制阿司匹林药片。模压通常被用于压制高度低的形状,容易从模具中顶岀的产品。在一些情况下,成形压力可以达到840MPa。然而,由于需要将零件从模具中顶出,所以只能在压制方向存在复杂形状。在与压制垂直的方向上的特征相对较少,甚至这些特征也会受到限制。此外,由于粉末和模具之间存在摩擦力,模压后的粉末内部存在密度梯度。与之相比,PIM的成形压力低而且均匀一致。模压引起的密度梯度会导致烧结过程中的变形,而匀质的PIM坯件在高温烧结致密化后,尺寸是一致的。因此,通过压制粉末成形的零件存在如下缺点:

1.在低温烧结,避免烧结致密化。

2.烧结后常常需要机加工以校正关键尺寸。

3.如果烧结至全致密,尺寸一致性会很差。

4.如果不烧结至全致密,性能会由于空隙而降级。

PIM与注塑关系

注塑是另一种影响着PIM的关键技术。事实上,一旦PIM技术建立后,流行的方式是注塑模具制造商同时开始提供金属和陶瓷模具。PIM的成形机器、模具、甚至注射周期与注塑很相似。许多注塑模具组件被用来演示这些相似性,显然PIM和注塑具有很多共同之处。然而,所有的相似性在注射阶段之后就没有了。塑料件在注射成形后没有如烧结那样的后续操作以及15%左右的尺寸收缩。此外,注塑不像PIM那样,关注在注射之后的工序中材料组成和微观结构的控制。

PIM和注塑的其他差别在性能和经济性方面。对于注塑,树脂是最大的成本因素。然而与之不同的是注射后的脱脂和烧结工序则是PIM重要的成本组成。这使得成本的度量由注塑中的树脂成本转变为PIM中的工艺成本。就应用而言,许多领域同时使用塑料和PIM零件,因此这不是本质上的差别。但在性能方面却是截然不同的,首先是零件的质量。与塑料相比,金属和陶瓷的密度要高得多,并且它们具有塑料所不具备的热、电、磁、力学、磨损和其他方面的性能。事实上,注塑和PIM是相互补充的。P1M仅仅是在低成本的注塑不能获得必需的性能时才被应用。举个例子,常用聚乙烯的有效强度小于20MPa,而PIM钢的强度则高岀20~100倍。仅仅一些纤维增强特殊高分子系统可能达到这一级别的性能。尽管两种技术使用同样的注射机、模具设计方法和注射操作,但是通过PIM制造出的零件的工程特性超过了同时代的塑料所能达到的范围。


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