MIM技術的發(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品獲得兩項大獎，以及當時Wiech和Rivers先后獲得專利，粉末注射成形才開始轉向以金屬注射成形為主導。在Parmatech公司轉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，建立了MIM生產線。經過近二十年的發(fā)展，2003年全球MIM產品市場總值達到約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品的生產和銷售工作，另外還有約40家MIM粉末供應商，20家MIM喂料供應商。據(jù)統(tǒng)計，全球MIM產業(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注，但目前其工業(yè)規(guī)模與傳統(tǒng)加工技術相比還顯弱小，還有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＰ律腗IM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、研發(fā)設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，許多風險投資也開始涉足MIM行業(yè)?？梢灶A見，MIM將發(fā)展成為21世紀最有前途的零部件制造技術之一。

　　1-3金屬注射成形技術的發(fā)展方向

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

　　金屬注射成形技術經過20余年的發(fā)展，全世界約有500多家公司和研究機構從事金屬注射成形技術方面的工作，產品已應用到各行各業(yè)，包括航空航天、兵器、槍械、移動通訊產品、汽車零部件、辦公機器產品、體閑產品、精密機械部件、醫(yī)療產品、鑰匙、電動工具部件、光纖通訊產品、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、硬質合金、陶瓷等。但是直到2003年底，全球的MIM產品市場總值僅為10億美元，大大低于各種預測數(shù)字，還遠遠沒達到可與機加工、精密鑄造、壓制/燒結等工藝相匹敵的一項加工技術。其主要原因在于金屬注射成形技術通過大量粘結劑的加入和脫除，雖然能解決復雜形狀的問題，但大量粘結劑的加入和脫除使得現(xiàn)有MIM技術局限對不起應用在制備小尺寸、低精度、力學性能不高的產品和材料體系。目前國際范圍內現(xiàn)有金屬注射成形技術只能制備厚度在10mm(且多為5mm)以下，對微觀組織結構和力學性能要求不高，尺寸精度為±0.3%～0.5%的產品，如高速鋼、硬質合金、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劑，粘結劑脫除后燒結類似于傳統(tǒng)粉末冶金的松裝燒結，需采用細粉作為原料，才能滿足致密化要求，導致成本大幅度升高，對于較大尺寸產品若還是只能采用細粉就沒有了競爭力。同時由于產品尺寸上升，脫脂所需時間呈指數(shù)關系增加，且缺陷產生幾率大幅度增加。另外，產品尺寸上升，注射成形過程時間增加，對粘結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技術向較大尺寸發(fā)展的因素。所以MIM技術一直局限于較小尺寸產品。對于尺寸精度，由于MIM工藝過程中存在粘結劑的加入和脫除，粘結劑脫除后燒結產品經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/粘結劑塑化體經歷多次物理和化學狀態(tài)變化，在不同階段易引入不同缺陷，所以MIM技術目前在對缺陷敏感、力學性能要求高的材料體系及產品中應用得較少。

　　但在市場上所需求的各種零部件產品尺寸范圍一般都大于10mm，最小厚度多在10～30mm之間。若MIM產品能達到30mm尺寸范圍，則MIM應用領域將得到極大的拓寬，尤其是在槍械、汽車、精密機械等領域，像沖鋒槍、機槍、火炮、汽車發(fā)動機、機械臂零件等。金屬注射成形技術的±0.3%～0.5%尺寸精度，雖然優(yōu)于精密鑄造產品，但落后于粉末冶金壓制/燒結的機加工。如果能將尺寸提高到±0.1%～0.05%，達到傳統(tǒng)粉末冶金壓制/燒結工藝的尺寸精度，并接近機加工產品的水平，同樣將大大拓展MIM技術的應用領域和生命力。另一方面，目前MIM雖然已應用于各種材料體系，但就市場銷售額來看，絕大部分產品集中在對力學性能要求不高的低合金鋼、不銹鋼產品。以日本的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例，2002年67%的MIM產品為低合金鋼和不銹鋼產品，只有不到15%為Ti合金、高速鋼、硬質合金等對力學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技術在這些材料中應用很少。若能開發(fā)出無缺陷、高性能MIM技術，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的無粘結劑MIM新工藝，只需傳統(tǒng)MIM粘結劑含量的5%，突破了傳統(tǒng)MIM制品的質量和尺寸限制。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，使得產品尺寸精度達到±0.1%。美國賓州大學正在研究硬質合金、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的結合方面，美國和歐洲也正在開展各種工作，如注射成形技術與微波燒結技術的結合，多種材料體系混合注射、注射成形技術與微電子生產技術的結合以及高度自動化控制的化工生產設備的引入等。

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

　　1、 材料體系的多方向拓展

　　注射成形技術是比較理想的、能夠經濟地成形、接近最終需要形狀，燒結后僅需少量或不需要后續(xù)加工的近凈成形技術，這在精密陶瓷的工業(yè)化生產應用中變得愈來愈重要。在精密陶瓷的生產方面主要應用到碳化物、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，從而使得生產效率提高，生產成本大幅度降低。生產成本大幅度降低。

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

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