MIM技術(shù)的發(fā)展史及未來發(fā)展趨勢

　　金屬注射成形最早可溯源于20世紀20年代開始的陶瓷火花塞的粉末注射成形制備，在隨后的幾十年間粉末注射成形主要集中于陶瓷注射成形。直到1979年，由Wiech等人組建的Parmatech公司的金屬注射成形產(chǎn)品獲得兩項大獎，以及當(dāng)時Wiech和Rivers先后獲得專利，粉末注射成形才開始轉(zhuǎn)向以金屬注射成形為主導(dǎo)。在Parmatech公司轉(zhuǎn)讓了他們的幾項專利后，MIM公司紛紛建立起來。1980年Wiech組建了Witec公司，1982年Brunswick公司進入MIM行業(yè)，并收購了Witec公司，其后又逐步注冊了Omark工業(yè)、Remington軍品、Rocky牙科等子公司。1986年，日本Nippon Seison公司引進了Wiech工藝。1990年以色列Metalor2000公司從Parmatech公司引進了Wiech工藝技術(shù)，建立了MIM生產(chǎn)線。經(jīng)過近二十年的發(fā)展，2003年全球MIM產(chǎn)品市場總值達到約10億美元。以地域劃分，美國占了55%，接下來為歐洲和日本。目前全世界共有超過500家公司從事金屬注射成形產(chǎn)品的生產(chǎn)和銷售工作，另外還有約40家MIM粉末供應(yīng)商，20家MIM喂料供應(yīng)商。據(jù)統(tǒng)計，全球MIM產(chǎn)業(yè)的成形能力已超過700臺注射成形機、500臺爐子、300臺混煉機。Marko Maetzig詳細分析了歐洲的情況，歐洲共有120家公司和30家研究機構(gòu)從事MIM方面的工作，擁有250臺注射成形機，年消耗1100噸喂料。歐洲的MIM公司38%來自于傳統(tǒng)的陶瓷行業(yè)，有250臺注射成形機，年消耗1100噸喂料。歐洲的MIM公司38%來自于傳統(tǒng)的陶瓷行業(yè)27%來自于塑料行業(yè)，8%來自于傳統(tǒng)粉末冶金和金屬切削加工行業(yè)，5%來自于鑄造行業(yè)，另有14%為新成立的公司。日本現(xiàn)在共有20～30家MIM公司，日本近幾年MIM市場呈現(xiàn)穩(wěn)定上升趨勢。雖然2001年較2000年有所下降，但總體而言，其銷售總額呈穩(wěn)定增長趨勢。其銷售總額呈穩(wěn)定增長趨勢。

　　MIM經(jīng)歷了一條快速發(fā)展的道路。雖然MIM正引起人們越來越大的關(guān)注，但目前其工業(yè)規(guī)模與傳統(tǒng)加工技術(shù)相比還顯弱小，還有很大的發(fā)展?jié)摿?。新生的MIM工業(yè)還需要我們采取制定工業(yè)標準、加快工業(yè)化、提高從業(yè)者素質(zhì)、研發(fā)設(shè)備以及爭取顧客等一系列的努力來將其發(fā)展壯大。然而，MIM技術(shù)的發(fā)展依然是驚人的并顯現(xiàn)出強大的生命力。圖1。6為近15年及今后10年的MIM銷售統(tǒng)計及預(yù)測圖。從圖中可以看到20世紀90年代MIM年銷售額的平均增長速度達到了22%，預(yù)計今后十年整個市場仍會以20%～30%的速度遞增。隨著工藝不斷完善，金屬注射成形技術(shù)的優(yōu)越性正逐漸顯示出來，將會被越來越多的行業(yè)和客戶所接受，它所帶來的市場份額也正急劇增大。由于市場潛力巨大，許多風(fēng)險投資也開始涉足MIM行業(yè)?？梢灶A(yù)見，MIM將發(fā)展成為21世紀最有前途的零部件制造技術(shù)之一。

　　1-3金屬注射成形技術(shù)的發(fā)展方向

　　金屬注射成形技術(shù)由于采用細小粉末和大量的粘結(jié)劑，其工藝過程和機制與傳統(tǒng)粉末冶金壓制/燒結(jié)工藝相比發(fā)生了巨大的變化，存在粉末/粘結(jié)劑塑化體的流變學(xué)行為、喂料穩(wěn)定流動填充模腔的過程預(yù)測和控制、粘結(jié)劑從成形坯中脫除的物理化學(xué)機制及動力學(xué)、粘結(jié)劑脫除后松散粉末聚集體燒結(jié)至全致密化等等諸多新的基礎(chǔ)理論及實踐問題。這些基礎(chǔ)理論及實踐問題牽涉到粉末科學(xué)、燒結(jié)理論、聚合物科學(xué)、流變學(xué)、表面物理化學(xué)、計算機數(shù)值模擬等多門學(xué)科。

　　金屬注射成形技術(shù)經(jīng)過20余年的發(fā)展，全世界約有500多家公司和研究機構(gòu)從事金屬注射成形技術(shù)方面的工作，產(chǎn)品已應(yīng)用到各行各業(yè)，包括航空航天、兵器、槍械、移動通訊產(chǎn)品、汽車零部件、辦公機器產(chǎn)品、體閑產(chǎn)品、精密機械部件、醫(yī)療產(chǎn)品、鑰匙、電動工具部件、光纖通訊產(chǎn)品、軸承部件、鐘表零部件等。材料體系也非常廣泛，包括不銹鋼、低合金鋼、鎢合金、鈦合金、硬質(zhì)合金、陶瓷等。但是直到2003年底，全球的MIM產(chǎn)品市場總值僅為10億美元，大大低于各種預(yù)測數(shù)字，還遠遠沒達到可與機加工、精密鑄造、壓制/燒結(jié)等工藝相匹敵的一項加工技術(shù)。其主要原因在于金屬注射成形技術(shù)通過大量粘結(jié)劑的加入和脫除，雖然能解決復(fù)雜形狀的問題，但大量粘結(jié)劑的加入和脫除使得現(xiàn)有MIM技術(shù)局限對不起應(yīng)用在制備小尺寸、低精度、力學(xué)性能不高的產(chǎn)品和材料體系。目前國際范圍內(nèi)現(xiàn)有金屬注射成形技術(shù)只能制備厚度在10mm(且多為5mm)以下，對微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能要求不高，尺寸精度為±0.3%～0.5%的產(chǎn)品，如高速鋼、硬質(zhì)合金、鈦合金和陶瓷刀具、刃具等。這主要有以下幾方面的原因。由于MIM過程中加入大量的粘結(jié)劑，粘結(jié)劑脫除后燒結(jié)類似于傳統(tǒng)粉末冶金的松裝燒結(jié)，需采用細粉作為原料，才能滿足致密化要求，導(dǎo)致成本大幅度升高，對于較大尺寸產(chǎn)品若還是只能采用細粉就沒有了競爭力。同時由于產(chǎn)品尺寸上升，脫脂所需時間呈指數(shù)關(guān)系增加，且缺陷產(chǎn)生幾率大幅度增加。另外，產(chǎn)品尺寸上升，注射成形過程時間增加，對粘結(jié)劑流變性能的要求更高，以使其能將粉末迅速帶至模腔的不同部位。以上這些都是制約MIM技術(shù)向較大尺寸發(fā)展的因素。所以MIM技術(shù)一直局限于較小尺寸產(chǎn)品。對于尺寸精度，由于MIM工藝過程中存在粘結(jié)劑的加入和脫除，粘結(jié)劑脫除后燒結(jié)產(chǎn)品經(jīng)歷一個非常大的收縮率(線收縮率10%～20%)，此時各種因素都將影響尺寸精度，所以必須建立起工藝過程參數(shù)對尺寸精度影響的數(shù)學(xué)模型，建立實時監(jiān)控體系。

　　另外，由于MIM工藝過程中粉末/粘結(jié)劑塑化體經(jīng)歷多次物理和化學(xué)狀態(tài)變化，在不同階段易引入不同缺陷，所以MIM技術(shù)目前在對缺陷敏感、力學(xué)性能要求高的材料體系及產(chǎn)品中應(yīng)用得較少。

　　但在市場上所需求的各種零部件產(chǎn)品尺寸范圍一般都大于10mm，最小厚度多在10～30mm之間。若MIM產(chǎn)品能達到30mm尺寸范圍，則MIM應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒌玫綐O大的拓寬，尤其是在槍械、汽車、精密機械等領(lǐng)域，像沖鋒槍、機槍、火炮、汽車發(fā)動機、機械臂零件等。金屬注射成形技術(shù)的±0.3%～0.5%尺寸精度，雖然優(yōu)于精密鑄造產(chǎn)品，但落后于粉末冶金壓制/燒結(jié)的機加工。如果能將尺寸提高到±0.1%～0.05%，達到傳統(tǒng)粉末冶金壓制/燒結(jié)工藝的尺寸精度，并接近機加工產(chǎn)品的水平，同樣將大大拓展MIM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和生命力。另一方面，目前MIM雖然已應(yīng)用于各種材料體系，但就市場銷售額來看，絕大部分產(chǎn)品集中在對力學(xué)性能要求不高的低合金鋼、不銹鋼產(chǎn)品。以日本的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例，2002年67%的MIM產(chǎn)品為低合金鋼和不銹鋼產(chǎn)品，只有不到15%為Ti合金、高速鋼、硬質(zhì)合金等對力學(xué)性能要求高的缺陷敏感型工具類材料。這些工具類材料本身非常難于加工，是MIM非常適用的對象，但由于該類材料對缺陷較為敏感，傳統(tǒng)MIM工藝在各工藝步驟中易于引入各種缺陷，使得到目前為止MIM技術(shù)在這些材料中應(yīng)用很少。若能開發(fā)出無缺陷、高性能MIM技術(shù)，則將極大地擴展MIM材料種類，拓展MIM材料市場。

　　目前國際上也開始注意到現(xiàn)有MIM技術(shù)的局限性，有少數(shù)幾個單位開始分別在某一方面進行研究。如法國Impace公司開發(fā)了一種稱之為Quickset的無粘結(jié)劑MIM新工藝，只需傳統(tǒng)MIM粘結(jié)劑含量的5%，突破了傳統(tǒng)MIM制品的質(zhì)量和尺寸限制。用該工藝使用74μm粒度粉末可制備厚達20mm，重量達800g的制品。美國Thermat公司開發(fā)了PMIM新工藝，使用不同粒度粉末搭配，使得產(chǎn)品尺寸精度達到±0.1%。美國賓州大學(xué)正在研究硬質(zhì)合金、高速鋼和陶瓷刀具的MIM工藝。另外，在注射成形與其他新興的先進技術(shù)的結(jié)合方面，美國和歐洲也正在開展各種工作，如注射成形技術(shù)與微波燒結(jié)技術(shù)的結(jié)合，多種材料體系混合注射、注射成形技術(shù)與微電子生產(chǎn)技術(shù)的結(jié)合以及高度自動化控制的化工生產(chǎn)設(shè)備的引入等。

　　近些年金屬注射成形技術(shù)主要是朝著兩個方向發(fā)展：適用材料體系的擴展，滿足獨特的粘結(jié)劑及脫脂技術(shù)而開發(fā)的高可靠性生產(chǎn)設(shè)備。表現(xiàn)為以下幾個特點：

　　1、 材料體系的多方向拓展

　　注射成形技術(shù)是比較理想的、能夠經(jīng)濟地成形、接近最終需要形狀，燒結(jié)后僅需少量或不需要后續(xù)加工的近凈成形技術(shù)，這在精密陶瓷的工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用中變得愈來愈重要。在精密陶瓷的生產(chǎn)方面主要應(yīng)用到碳化物、金屬陶瓷、無機非金屬陶瓷、氧化物陶瓷、金屬間化合物等方面。

　　以氧化鋯陶瓷光纖插針(ferrules)為例，采用注射成形技術(shù)制備生坯可以大大縮短后續(xù)加工時間。由于在模腔中成形的毛坯已帶有具一定精度的通孔，后續(xù)的研磨工藝減少到擠壓成形的三分之一到四分之一，從而使得生產(chǎn)效率提高，生產(chǎn)成本大幅度降低。生產(chǎn)成本大幅度降低。

　　耐磨工具材料實際在開發(fā)的有Co基合金、W基合金、硬質(zhì)合金、Al2O3-30TiC 復(fù)合切削工具陶瓷、莫萊石(MULLITE)、SiC、Si3N4等。注射成形還應(yīng)用于其他材料，如SiC/Al復(fù)合材料、工具鋼、鈦合金、無磁硬質(zhì)合金、W/Cu合金、稀土永磁材料、KOVAR合金等。

　　磁性材料如軟磁鐵氧體，粘結(jié)永磁(如NdFeB，SmCo等)是運用注射成形技術(shù)的又一個廣闊領(lǐng)域。