微小齒輪的金屬粉末注射成型（MIM)技術(shù)

1微小齒輪MIM生產(chǎn)工藝過程及參數(shù)選擇

大批量生產(chǎn)某微小齒輪的工藝參數(shù)及其主要參數(shù)的實(shí)驗(yàn)選擇方法。

2金屬粉末及粘結(jié)劑的選擇
MIM工藝所用金屬粉末顆粒尺寸一般在0.5-20 μm。從理論上講，顆粒越細(xì)，比表面積也越大，易于成型和燒結(jié)。目前生產(chǎn)MIM用粉末的主要方法有:水霧化法、氣體霧化法、撥基法。每種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn):水霧化法是主要的制粉工藝，其效率高、大規(guī)模生產(chǎn)比較經(jīng)濟(jì)，可使粉末細(xì)微化，但形狀不規(guī)則，這有利于保形，可是用粘結(jié)劑較多，影響精度。此外，水與金屬高溫反應(yīng)形成的氧化膜妨礙燒結(jié)。氣體霧化法是生產(chǎn)MIM用粉的主要方法，它生產(chǎn)的粉末為球形，氧化程度低，所需粘結(jié)劑少，成形性好，但價(jià)格高，保形性差。撥基法生產(chǎn)的粉末純度高、粒度極細(xì)，它最適合于MIM ,但僅限于Fe, Ni等粉體，不能滿足材料多品種的要求。為了滿足MIM用粉的要求，許多制粉公司對上述方法進(jìn)行了改進(jìn)，還發(fā)展了微霧化、層流霧化等制粉方法。選用粉末要從MIM技術(shù)、產(chǎn)品形狀、性能、價(jià)格等多方面綜合考慮，現(xiàn)在通常是水霧化粉和氣霧化粉混合使用，前者提高振實(shí)密度后者維持保形性。由于該齒輪使用在腐蝕性的環(huán)境中，故而采用水霧化316L不銹鋼粉末，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為，Cr:17. 0%,N:11.5%, Mo:2.2%,C:不大于0.3%,Fe:69%左右。其物理性質(zhì)如表1。

在MIM中工藝，粘結(jié)劑起著十分重要的作用，它直接影響著混合、注射成形、脫脂等工序，對注射成形坯的質(zhì)量、脫脂及尺寸精度、合金成分等有很大的影響。MIM所使用的粘結(jié)劑包括熱塑性體系、熱固性體系、水溶性體系、凝膠體系及特殊體系，它們各有其優(yōu)缺點(diǎn)，熱塑性粘結(jié)劑體系是MIM粘結(jié)劑的主流和先導(dǎo)，熱固性體系粘結(jié)劑應(yīng)用較少，雖然這類粘結(jié)劑的保形性好，但是脫除比較困難。在此，粘結(jié)劑采用熱塑性粘結(jié)劑，其配方為70%的石蠟和30%高密度聚乙烯。

3混煉、制粒與注射成形
粉末和粘結(jié)劑確定后要進(jìn)行混煉，混煉是一個(gè)復(fù)雜的改善粉末流動性和完成分散的過程。常用的混煉裝置有雙螺桿擠出機(jī)、Z形葉輪混料機(jī)、雙行星混煉機(jī)等，目前正在發(fā)展連續(xù)混煉工藝。混煉時(shí)的加料速率、混煉溫度、轉(zhuǎn)速等都會影響混煉的效果。在此將粉末和粘結(jié)劑按63 : 37的裝載量(體積分?jǐn)?shù))在雙行星混煉機(jī)上混煉1.5 h，混煉溫度為130土10℃，使粉末和粘結(jié)劑充分混合然后在單螺桿擠出裝置上制粒，制粒溫度采用130℃-150℃，螺桿旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為40 r/min。使用TMC60EV型注射機(jī)注射成形。注射成形關(guān)鍵問題之一是有關(guān)成形的各項(xiàng)設(shè)計(jì)，其中包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)。盡管目前生產(chǎn)的產(chǎn)品可從0.003 g-200 g，而且在改進(jìn)精度方面已取得了重要進(jìn)步，然而大多數(shù)設(shè)計(jì)特別是模具設(shè)計(jì)是憑經(jīng)驗(yàn)，缺少可靠的設(shè)計(jì)知識，CAD系統(tǒng)難以很好地應(yīng)用于MIM。現(xiàn)已運(yùn)用塑料模具的原理逐步將MIM的模具標(biāo)準(zhǔn)化，隨著經(jīng)驗(yàn)的積累，模具設(shè)計(jì)和制作的時(shí)間將會大大減少，盡可能多地使用多模腔模具以提高注射效率。

注射成形的目的是獲得所需形狀的無缺陷成形坯，注射缺陷在后續(xù)工藝中不可消除，因此這個(gè)步驟要嚴(yán)格控制。采用超聲檢測技術(shù)可檢測出注射成形坯的內(nèi)部缺陷。注射階段的缺陷控制目前主要還是憑經(jīng)驗(yàn)操作。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，采用計(jì)算機(jī)模擬喂料的注射充模過程，并將其和喂料性能等相聯(lián)系，優(yōu)化注射條件參數(shù)，消除注射缺陷是目前先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段，也是未來的發(fā)展趨勢。國外有報(bào)道將moldflow應(yīng)用于MIM注射過程分析，并取的較好效果，我們也試應(yīng)用該技術(shù)，但發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能很好符合，這方面還有待與進(jìn)一步研究。

4脫脂與預(yù)燒結(jié)
脫脂方法采用熱脫脂，熱脫脂工藝要根據(jù)粘結(jié)劑組元的熱分解特性合理確定，同時(shí)還要防止因?yàn)槊撝俣冗^快，使脫脂坯產(chǎn)生鼓泡、開裂等缺陷。由于不銹鋼粉對含碳量十分敏感，因此要選擇還原性氣氛，防止因粘結(jié)劑分解而產(chǎn)生殘?zhí)迹谑覝氐?00℃的溫度區(qū)內(nèi)主要為石蠟的分解，本工藝過程中粘結(jié)劑中石蠟為最主要的組份，因此為了成功脫除石蠟，加溫速度一般要低于1℃/min。本工藝的脫脂爐內(nèi)是氫氣氣氛，脫脂溫度為200℃以下以0.8℃/min的加熱速度升溫，待溫度達(dá)到200℃時(shí)保溫1.5 h，然后以1.5℃/min的速度升至450℃保溫h，以脫去粘結(jié)劑的聚合物組元高密度聚乙烯，并形成連通孔。450℃以后用4℃/min的速度快速升溫至800℃后保溫45 min，使粘結(jié)劑中的聚合物組份完全分解，并完成脫脂和毛坯的預(yù)燒結(jié)。

5燒結(jié)
燒結(jié)在真空燒結(jié)爐中進(jìn)行，真空度為0.1 Pa,

燒結(jié)過程為:開始以4℃/min的升溫速度升至1000℃，保溫45 min，再以6 ℃/min快速升至燒結(jié)溫度1 380 ±10(℃)，保溫45 min,然后隨爐冷卻至常溫。燒結(jié)溫度應(yīng)盡可能穩(wěn)定，燒結(jié)溫度波動幾十?dāng)z氏度，可導(dǎo)致燒結(jié)密度波動10%，收縮率改變3%。

最終產(chǎn)品的尺寸精度及機(jī)械性能:

成品零件(如圖3)，對與零件一同備制的標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行了金相分析和力學(xué)性能試驗(yàn)。零件的金相組織為純奧氏體，其力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果:屈服強(qiáng)度為220 MPa，拉伸強(qiáng)度為510 MPa，延伸率為45%，

任取10件測得其平均密度為理論密度得98. 8%。基本達(dá)到了理論上的性能指標(biāo)，滿足使用要求。結(jié)構(gòu)及尺寸均滿足精度要求，不需要加工處理。