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材料制备新技术NewTechnologiesofPreparingMaterials材料科学与工程学院李军2金属粉末的注射成型PowederInjectionMoulding3主要内容金属粉末注射成型的特点金属粉末注射成型的材料金属粉末注射成型的过程金属粉末注射成型的原理金属粉末注射成型的应用4•随着技术进步和创新速度的加快，材料加工技术朝高性能、低成本、短流程、近终成型的方向发展，涌现出不少集设计、制备、加工于一体的新型制备技术，如金属粉末注射成型技术。慢走丝机床精密铸造技术5•粉末注射成形（Powderinjectionmolding,PIM）是传统粉末冶金工艺与现代塑料注射成形工艺相结合而形成的一门新型近终成形技术。•金属粉末注射成型是将金属粉末在模具中快速注射成型，并通过脱脂烧结，快速制造出高密度、高精度、三维形状结构复杂零件的新技术。传统粉末冶金塑料注塑成型6•粉末注射成形是粉末冶金学、金属材料学、塑料成型学和高分子材料学等多学科交叉复合的技术。金属粉末注射成型7•（1）注射成形中，熔融粒料均匀地填充模腔成形，模腔内各点压力基本一致，消除传统粉末冶金压制成形中不可避免的沿压制方向密度梯度问题，一定程度上克服传统粉末冶金存在的密度、组织、性能不均匀现象。粉末注射成形特点金属粉末注射成型制品单向压制Ni粉压坯密度分布8•（2）粉末注射成型能制造传统工艺不能制造的具有复杂形状的零部件。传统粉末成形是外力把粉末压成生坯后烧结，粉末通过颗粒重排、塑性流动而致密化。由于粉末流动性较差，一些具有外部切槽、横孔、盲孔、外螺纹、凹台、表面滚花等形状的零部件，难以一次成形。传统粉末压制成型制品粉末注射成型制品9•PIM用一定比例的高分子粘结剂与金属粉末、陶瓷粉末等制成具有良好流动性的均匀粒料，能像塑料注射一样成形复杂形状的零部件，再经脱脂烧结得到最终产品，如外螺纹、锥形外表面、交叉孔与盲孔，凹台与键销、加强筋板、表面滚花等，这类零件都无法用常规粉末冶金方法得到。金属粉末注射成型复杂件10•（3）PIM可根据零件性能要求进行大范围的成分设计，可制取复合材料零件，充分发挥不同材料的优异性能，适应性广，生产成本低。材料的复合设计11•（4）PIM适合大批量自动化生产。PIM可采用一模多腔模具，成形效率高，模具使用寿命长，更换调整模具快，产品转向周期短。与精密铸造相比，粉末注射成形在提高零件精度，避免成分偏析等问题的同时，大大提高生产率。生产复杂形状零件的数量高于一定值时，PIM会比机加工方法更为经济。12金属粉末注射成型的优势产品规模化生产带来效益13•（5）PIM制造的零件几乎不需要再进行机加工，材料消耗少，利用率可达98%以上。自动化注塑生产车间一角14注塑成型材料•理想的注射成形用金属粉末：粉末颗粒尺寸在0.5-20µm之间，D50在4-6µm之间；粉末颗粒的粒度分布范围处于非常窄或非常宽的范围内，其分布斜率的理想值为2或8；粉末颗粒无团聚现象；粉末颗粒近似为球形、等轴；粉末颗粒致密，内部无孔洞；粉末颗粒环境污染小，表面干净。金属粉末15•氧化还原是一种重要的化学反应法，实际生产中很多粉末是通过氧化还原法来制备的，使用较细、净化的氧化物粉末，在还原性气体如CO、H2等参与下进行热化学反应。注射成形用W粉可用氧化还原制取，将研磨的WO3粉末在干燥H2中还原制得，粉末粒径为2-3µm。H还原得到的W粉16•雾化法是利用高速射流将液态金属粉碎成粉。熔融材料注入喷嘴中，形成液滴喷射出来，击碎熔融金属流的流体可是空气、氮气、氦气、氩气，也可采用水或油。这种方法可将合金化材料制成小颗粒粉末，并且可获得理想的颗粒形状和高的填充密度。注射用雾化不锈钢粉末17•雾化法颗粒形状为球形，粒度分布较宽，具有较高的振实密度。•通过控制工艺条件，可以得到不带附属物和消除内部孔隙的球形粉。雾化球形铁粉：(a)×700(b)×1300)(a)(b18•铁粉、镍粉和钴粉还可采用气相沉积法制取。在加热加压下，粉末与CO生成金属羰基物气体，羰基物冷却成液态，经分级蒸馏、净化、重复加热使液相挥发，分解沉积形成金属粉末。羰基粉末粒径较小，纯度可达99.95%。颗粒形状为近球形或链状。羰基铁粉形貌羰基镍粉形貌19•对脆性材料来说，粉碎研磨是制粉的常用方法。旋转装有一定量硬球和粗粉的容器，粉未经研磨球不断撞击、研磨制得粒度较小的颗粒；粉末粒度越小，所需研磨时间越长；机械粉碎后粉末呈不规则形状，粉末之间尖锐接触导致粉末堆积性和流动性下降，导致粉末注射困难，球磨制粉还有污染问题。球磨后具有尖角的不规则形状SiC粉末形貌20塑料•塑料是以有机高分子化合物为基础，加入若干其他材料(添加剂)制成的固体材料。•高分子化合物是由相对分子量较小的低分子化合物经聚合反应后得到的相对分子量较大的化合物。•不是所有低分子化合物都能成为单体，如食盐、水、甲烷等都不能成为单体，这些化合物的分子处于饱和状态，不能进行聚合反应。•目前可作为单体的低分子化合物主要是含双键的不饱和碳氢化合物。21•高分子化合物的大分子以某种方式(通过范德华力的作用)聚集在一起时，成为各种各样的树脂。线型无定形聚合物：大分子不规则排列在一起，彼此交叉缠绕呈无序排列；存在某些近程有序区域，在微小范围内大分子呈规则排列，但这种有序范围小、数量少，对树脂性能影响不大。线型无定形聚合物的聚集态22•线型无定形聚合物处于不同温度时的力学状态可用形变温度曲线表示。线型无定形聚合物的形变-温度曲线23•Tx-Tg温度范围：高分子聚合物的玻璃态。温度较低，大分子具有的能量较少，大分子链之间的运动不能进行，分子内的链段运动也很难进行，聚合物表现出像玻璃一样的刚硬。聚合物具有较好的力学性能，施加外力产生微小变形，去除外力能恢复原状（普弹形变）。•温度低于Tx时，不仅链段运动不能进行，分子局部的热振动也不能进行，聚合物呈脆性状态。•温度高于Tg时，外力作用下聚合物产生较大变形。24•Tg-Tf温度范围：高分子聚合物的高弹态。温度较高，大分子链能在较大范围内自由地进行链段运动，外力作用下，原来卷曲状的大分子链缓慢伸直，去除外力后大分子链又缓慢恢复成卷曲状，可产生百分之数百的变形量（高弹形变）。产生高弹形变时，大分子链之间没有相对滑动，因此此时的高弹形变是可逆的。25•Tf-Td温度范围：高分子聚合物的粘流态。温度更高，大分子链能更自由地进行链段运动，大分子链之间也能产生相对滑动，外力作用下，高分子产生流动变形（粘流变形）。粘流变形是聚合物中大分子的相对滑动，这种变形是不可逆的，也正是由于这种不可逆变形，才能通过注塑制造各种制品。模塑制造各种塑料制品26•粘流变形伴随着高弹形变。•高弹形变是链段运动，所以注塑时必须将原料加热到足够高的温度，使高弹形变部分得到完全松弛，否则塑料制品会由于高弹形变恢复而产生严重的内应力，导致制品断裂或变形。•粘度是聚合物粘流态的一项重要参数。粘度大的塑料，模塑时难以充型，需要较高的温度和压力才能完成充型，增大生产工艺的复杂性。27•分子结构复杂，相对分子量大的聚合物粘度大，粘流温度高。分子结构复杂，链段运动较因难，分子间相对滑动困难；相对分子量大，聚合物分子链较长，大分子间彼此缠绕点较多，引力也较大，大分子之间滑动困难。•降低粘度方法：降低大分子聚合度(保证力学性能的前提下，采用低分子量或线型结构的树脂)，可降低粘流温度和粘度；注塑时加入增塑剂，也可达到类似目的；提高注塑温度可降低粘度，但粘度太小易产生溢流；温度接近或超过Tf，聚合物易发生分解。28树脂分类•热塑性树脂•受热软化，温度升高至一定数值时呈现粘流态，当温度降低时塑料变得坚硬，再次加热又再变软，冷却后又变硬，可以如此多次反复。•热塑性树脂除能多次反复加热冷却外，还能溶于某些溶剂，这种现象称为可熔可溶。•常用热塑性树脂：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS塑料、聚甲醛、聚酰胺、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯等。29•热固性塑料•第一次受热时软化，冷却固化并呈现刚硬状态；重新加热不再软化，温度超过一定值时发生分解。•固化后的树脂不溶于溶剂，称为不熔不溶。•常用的热固性树脂有酚醛树脂、氨基树脂、环氧树脂和不饱和聚酯等。热固性环氧树脂30•聚乙烯（PE）•低密度聚乙烯(LDPE)：分子量较小，大分子链含有若干短支链，结晶度最小，强度较差，而柔顺性、抗冲击性和透明性较好。•高密度聚乙烯(HDPE)：大分子链支链较少，相对分子量和结晶度较大，柔顺性较差，质地坚硬。31•聚乙烯呈乳白色半透明状态，遇火会燃烧。•聚乙烯分子中只有碳、氢元素，没有极性基团，常温下耐酸、碱，也不易溶有机溶剂，吸水性小，耐蚀性和绝缘性好，是优良的高频电绝缘材料。•LDPE用于制造薄膜，HDPE用于制造日用品、化工设备中耐蚀管道、槽衬和机械零件等。LDPE树脂LDPE树脂薄膜32•聚氯乙烯（PVC）•聚氯乙烯树脂为无色透明体，含有较高的氯，具有耐燃自熄特性。•聚氯乙烯大分子链含有极性氯原子，分子间作用力比聚乙烯大，强度和硬度都比聚乙烯略大。•聚氯乙烯在65-85℃时开始软化，150-170℃呈熔融状态，190℃以上分解并放出有毒的氯化氢。33•聚氯乙烯具有良好的介电性能，可用于制造室温使用的低频电器元件，如民用电器插座、插头和开关等。但随温度上升和频率增高，介电性能变差。•聚氯乙烯具有良好的化学稳定性，能耐许多化学药品腐蚀，常温能耐一定浓度的盐酸、硫酸、硝酸和氢氧化钠，广泛用于制造化工容器和运输管道。PVC树脂及器件34•聚丙烯（PP）•聚丙烯的分子链上每隔一个碳原子就连接一个甲基基团。•聚丙烯的密度为0.90-0.91g/cm3，是常用塑料中密度最小的品种之一。•聚丙烯具有良好的耐热性，在无外力作用环境中150℃也不变形，故聚丙烯可在水中煮沸，制作需经煮沸消毒的医疗器械，如注射针筒等。35•聚丙烯的力学性能如拉伸强度、屈服强度、压缩强度和弹性模量等都优于HDPE，可作机械零件材料，如齿轮、法兰、风扇叶轮和等。•聚丙烯具有良好的绝缘性、化学稳定性和成型工艺性，可制作电器元件、化工管道等。•聚丙烯遇火容易燃烧，使用时应注意。PP树脂及器件36•聚苯乙烯（PS）•聚苯乙烯密度为1.04-1.16g/cm3；•聚苯乙烯主链上带结构庞大的苯环，柔顺性差，质硬脆，抗冲击性差，敲打时发出类似金属的声音。•聚苯乙烯具有良好的可塑流动性及较小的成型收缩率，是成型工艺性最好的塑料品种之一，容易制造形状复杂的制品。•聚苯乙烯遇火会自燃。37•聚苯乙烯无色透明，透光性仅次于有机玻璃，容易着色，常用于制造要求透明或颜色鲜艳的制品，如各种灯罩、光学仪器零件等。•聚苯乙烯具有很小的吸水率，在潮湿环境中形状和尺寸变化很小，适于制造要求尺寸稳定的制品。•聚苯乙烯具有优良的电绝缘性，尤其在高频下介电损耗仍然很小，是优良的高频绝缘材料。PS树脂及器件38•ABS塑料是一种三元共聚物，由丙烯腈(A)、丁二烯(B)和苯乙烯(S)三种单体组成，丙烯腈具有良好的耐蚀性和耐热性；丁二烯具有高韧性和低温弹性；苯乙烯具有良好的成型工艺性、着色性和刚性。•ABS兼有三种组分的优点，而且三种组分的比例可按需要任意调整，使ABS塑料具有所需的性能。39•ABS塑料具有优良的综合性能：力学性能、电绝缘性、化学稳定性、成型工艺性和着色性等都很优良，吸水率也很小。•ABS塑料表面可电镀、喷漆、真空镀膜和绘画。•ABS塑料可制造多种机械零件，在家用电器中也有广泛应用，如家用电器的壳体等。ABS树脂及器件ABS汽车保险杠40•聚酰胺（PA）•大分子链中含有酰胺基团的高分子聚合物制成的塑料总称，包含若干品种。•聚酰胺俗称尼龙(尼龙66纤维织物也称锦纶)。•聚酰胺是最先用作工程塑料的品种之一。锦纶41各种尼龙的性能参数性能/牌号PA6PA66PA11PA12PA46密度（g/m3）1.141.141.041.021.18抗拉强度MPa74805050102伸长率%