MIM技术的发展史及未来发展趋势

MIM技术的发展史及未来发展趋势MIM技术的发展史及未来发展趋势金属注射成形最早可溯源于20世纪20年代开始的陶瓷火花塞的粉末注射成形制备，随后的几十年间粉末注射成形主要集中于陶瓷注射成形。直到1979年，由Wiech等人组建的Parmatech公司的金属注射成形产品获得两项大奖，以及当时Wiech和Rivers先后获得专利，粉末注射成形才开始转向以金属注射成形为主导。在Parmatech公司转让了他们的几项专利后，MIM公司纷纷建立起来。1980年Wiech组建了Witec公司，1982年Brunswick公司进入MIM行业，并收购了Witec公司，其后又逐步注册了Omark工业、Remington军品、Rocky牙科等子公司。1986年，日本NipponSeison公司引进了Wiech工艺。1990年以色列Metalor2000公司从Parmatech公司引进了Wiech工艺技术，建立了MIM生产线。经过近二十年的发展，2003年全球MIM产品市场总值达到约10亿美元。以地域划分，美国占了55%，接下来为欧洲和日本。目前全世界共有超过500家公司从事金属注射成形产品的生产和销售工作，另外还有约40家MIM粉末供应商，20家MIM喂料供应商。据统计，全球MIM产业的成形能力已超过700台注射成形机、500台炉子、300台混炼机。MarkoMaetzig详细分析了欧洲的情况，欧洲共有120家公司和30家研究机构从事MIM方面的工作，拥有250台注射成形机，年消耗1100吨喂料。欧洲的MIM公司38%来自于传统的陶瓷行业，27%来自于塑料行业，8%来自于传统粉末冶金和金属切削加工行业，5%来自于铸造行业，另有14%为新成立的公司。日本现在共有20～30家MIM公司，日本近几年MIM市场呈现稳定上升趋势。虽然2001年较2000年有所下降，但总体而言，其销售总额呈稳定增长趋势。MIM经历了一条快速发展的道路。虽然MIM正引起人们越来越大的关注，但目前其工业规模与传统加工技术相比还显弱小，还有很大的发展潜力。新生的MIM工业还需要我们采取制定工业标准、加快工业化、提高从业者素质、研发设备以及争取顾客等一系列的努力来将其发展壮大。然而，MIM技术的发展依然是惊人的并显现出强大的生命力。图1。6为近15年及今后10年的MIM销售统计及预测图。从图中可以看到20世纪90年代MIM年销售额的平均增长速度达到了22%，预计今后十年整个市场仍会以20%～30%的速度递增。随着工艺不断完善，金属注射成形技术的优越性正逐渐显示出来，将会被越来越多的行业和客户所接受，它所带来的市场份额也正急剧增大。由于市场潜力巨大，许多风险投资也开始涉足MIM行业。可以预见，MIM将发展成为21世纪最有前途的零部件制造技术之一。1-3金属注射成形技术的发展方向金属注射成形技术由于采用细小粉末和大量的粘结剂，其工艺过程和机制与传统粉末冶金压制/烧结工艺相比发生了巨大的变化，存在粉末/粘结剂塑化体的流变学行为、喂料稳定流动填充模腔的过程预测和控制、粘结剂从成形坯中脱除的物理化学机制及动力学、粘结剂脱除后松散粉末聚集体烧结至全致密化等等诸多新的基础理论及实践问题。这些基础理论及实践问题牵涉到粉末科学、烧结理论、聚合物科学、流变学、表面物理化学、计算机数值模拟等多门学科。金属注射成形技术经过20余年的发展，全世界约有500多家公司和研究机构从事金属注射成形技术方面的工作，产品已应用到各行各业，包括航空航天、兵器、枪械、移动通讯产品、汽车零部件、办公机器产品、体闲产品、精密机械部件、医疗产品、钥匙、电动工具部件、光纤通讯产品、轴承部件、钟表零部件等。材料体系也非常广泛，包括不锈钢、低合金钢、钨合金、钛合金、硬质合金、陶瓷等。但是直到2003年底，全球的MIM产品市场总值仅为10亿美元，大大低于各种预测数字，还远远没达到可与机加工、精密铸造、压制/烧结等工艺相匹敌的一项加工技术。其主要原因在于金属注射成形技术通过大量粘结剂的加入和脱除，虽然能解决复杂形状的问题，但大量粘结剂的加入和脱除使得现有MIM技术局限对不起应用在制备小尺寸、低精度、力学性能不高的产品和材料体系。目前国际范围内现有金属注射成形技术只能制备厚度在10mm(且多为5mm)以下，对微观组织结构和力学性能要求不高，尺寸精度为±0.3%～0.5%的产品，如高速钢、硬质合金、钛合金和陶瓷刀具、刃具等。这主要有以下几方面的原因。由于MIM过程中加入大量的粘结剂，粘结剂脱除后烧结类似于传统粉末冶金的松装烧结，需采用细粉作为原料，才能满足致密化要求，导致成本大幅度升高，对于较大尺寸产品若还是只能采用细粉就没有了竞争力。同时由于产品尺寸上升，脱脂所需时间呈指数关系增加，且缺陷产生几率大幅度增加。另外，产品尺寸上升，注射成形过程时间增加，对粘结剂流变性能的要求更高，以使其能将粉末迅速带至模腔的不同部位。以上这些都是制约MIM技术向较大尺寸发展的因素。所以MIM技术一直局限于较小尺寸产品。对于尺寸精度，由于MIM工艺过程中存在粘结剂的加入和脱除，粘结剂脱除后烧结产品经历一个非常大的收缩率（线收缩率10%～20%），此时各种因素都将影响尺寸精度，所以必须建立起工艺过程参数对尺寸精度影响的数学模型，建立实时监控体系。另外，由于MIM工艺过程中粉末/粘结剂塑化体经历多次物理和化学状态变化，在不同阶段易引入不同缺陷，所以MIM技术目前在对缺陷敏感、力学性能要求高的材料体系及产品中应用得较少。但在市场上所需求的各种零部件产品尺寸范围一般都大于10mm，最小厚度多在10～30mm之间。若MIM产品能达到30mm尺寸范围，则MIM应用领域将得到极大的拓宽，尤其是在枪械、汽车、精密机械等领域，像冲锋枪、机枪、火炮、汽车发动机、机械臂零件等。金属注射成形技术的±0.3%～0.5%尺寸精度，虽然优于精密铸造产品，但落后于粉末冶金压制/烧结的机加工。如果能将尺寸提高到±0.1%～0.05%，达到传统粉末冶金压制/烧结工艺的尺寸精度，并接近机加工产品的水平，同样将大大拓展MIM技术的应用领域和生命力。另一方面，目前MIM虽然已应用于各种材料体系，但就市场销售额来看，绝大部分产品集中在对力学性能要求不高的低合金钢、不锈钢产品。以日本的统计数据为例，2002年67%的MIM产品为低合金钢和不锈钢产品，只有不到15%为Ti合金、高速钢、硬质合金等对力学性能要求高的缺陷敏感型工具类材料。这些工具类材料本身非常难于加工，是MIM非常适用的对象，但由于该类材料对缺陷较为敏感，传统MIM工艺在各工艺步骤中易于引入各种缺陷，使得到目前为止MIM技术在这些材料中应用很少。若能开发出无缺陷、高性能MIM技术，则将极大地扩展MIM材料种类，拓展MIM材料市场。目前国际上也开始注意到现有MIM技术的局限性，有少数几个单位开始分别在某一方面进行研究。如法国Impace公司开发了一种称之为Quickset的无粘结剂MIM新工艺，只需传统MIM粘结剂含量的5%，突破了传统MIM制品的质量和尺寸限制。用该工艺使用74µm粒度粉末可制备厚达20mm，重量达800g的制品。美国Thermat公司开发了PMIM新工艺，使用不同粒度粉末搭配，使得产品尺寸精度达到±0.1%。美国宾州大学正在研究硬质合金、高速钢和陶瓷刀具的MIM工艺。另外，在注射成形与其他新兴的先进技术的结合方面，美国和欧洲也正在开展各种工作，如注射成形技术与微波烧结技术的结合，多种材料体系混合注射、注射成形技术与微电子生产技术的结合以及高度自动化控制的化工生产设备的引入等。近些年金属注射成形技术主要是朝着两个方向发展：适用材料体系的扩展，满足独特的粘结剂及脱脂技术而开发的高可靠性生产设备。表现为以下几个特点：1、材料体系的多方向拓展注射成形技术是比较理想的、能够经济地成形、接近最终需要形状，烧结后仅需少量或不需要后续加工的近净成形技术，这在精密陶瓷的工业化生产应用中变得愈来愈重要。在精密陶瓷的生产方面主要应用到碳化物、金属陶瓷、无机非金属陶瓷、氧化物陶瓷、金属间化合物等方面。以氧化锆陶瓷光纤插针（ferrules）为例，采用注射成形技术制备生坯可以大大缩短后续加工时间。由于在模腔中成形的毛坯已带有具一定精度的通孔，后续的研磨工艺减少到挤压成形的三分之一到四分之一，从而使得生产效率提高，生产成本大幅度降低。耐磨工具材料实际在开发的有Co基合金、W基合金、硬质合金、Al2O3-30TiC复合切削工具陶瓷、莫莱石（MULLITE）、SiC、Si3N4等。注射成形还应用于其他材料，如SiC/Al复合材料、工具钢、钛合金、无磁硬质合金、W/Cu合金、稀土永磁材料、KOVAR合金等。磁性材料如软磁铁氧体，粘结永磁（如NdFeB，SmCo等）是运用注射成形技术的又一个广阔领域。2、粘结剂多样化及脱脂技术的多途径化以醋酸纤维酯为基体、聚乙二醇聚合物为基体、丙烯酸聚合物为基体、琼脂为基体的诸多粘结剂体系得到进一步的发展应用。计算机辅助控制热脱脂技术、溶剂脱脂技术、催化脱脂技术，以及冷冻干燥技术、微波辅助干燥技术都被用于粘结剂的脱脂研究。而这些技术的成功应用，一方面极大地缩短了脱脂时间（从数天到几小时），另一方面也实现了对脱脂过程中容易产生易挥发产物的聚合物分解副反应的控制，从而更有效地消除了脱脂过程中缺陷的形成。3、更先进、控制更精确的装备以计算机精密控制注射成形机及相关在线质量监测控制系统的研究和计算机辅助脱脂关键装备技术的开发是目前及今后关注的重点方向。成形设备如粉末同步注射成形机，利用控制协调的双筒注射机生产复合材料零部件。4、企业发展势头良好目前，全球已有500多家颇具规模的以注射成形技术生产近净成形零件的企业，其中很多隶属于国际知名的大企业的子公司。如德国的BASF公司，主要产品是制备完好的可直接注射成形的喂料；美国通用汽车公司成立了注射成形厂来生产汽车需要的精密零部件。日本住友金属、信越化工等公司一直立足于注射成形粘结磁体的生产。而一些基础雄厚的精密陶瓷生产企业也尝到了注射成形技术带来的甜头，因而更多的陶瓷生产厂家将采用注射成形技术生产形状复杂的精密陶瓷零件。可以预见，随着人们对金属注射成形的进一步研究、开发和应用，MIM技术将在不远的将来真正发展为一种可以与机加工、精密铸造、压制/烧结工艺平行发展的一种具有吸引力的近净成形制备技术，会被越来越多的零件设计人员所了解和接受，满足国家通讯、机械、汽车、兵器、医疗、航空航天等行业领域对高性能异形关键精密零部件的需求，将我国的零部件加工制造业提高到一个崭新的水平。1-4小结金属注射成形作为一种制造高质量精密零件的近净成形技术，具有其他加工方法无法比拟的优势。从最早提出金属注射成形这个概念到现在短短二十余年的时间，该技术已经在全球范围内发展为一个初具规模的产业。随着科学技术的不断进步，理论体系的不断完善，该技术必将在更多的行业中得到应用，成为一种类似机加工、精密铸造、粉末冶金模压烧结工艺等为人们所普遍认同的零部件加工手段。