摘要：粉末注射成形是一种应用金属或者陶瓷粉末制造复杂、精密及近净形状零件的技术，可将传统的多个复杂形状零件组合成单个零件成形，特别适合于大批量制造小型、复杂形状的零部件。本文概述了金属及陶瓷粉末注射成形技术的原理及其工艺流程，并介绍了其主要应用领域和市场发展情况。PIM技术的应用和研究领域空间广阔，未来前景可期。
关键词：注射成形；金属粉末；陶瓷粉末；工艺流程
0 引言
粉末注射成形（Power injection molding, PIM）是一种由金属或者陶瓷粉末制造复杂、精密及近净形状零件的技术，应用金属粉末的是MIM技术，应用陶瓷粉末的是CIM技术[1]。PIM技术的优势在于结合了塑料注射成形和粉末冶金这两种常用成形工艺的优点，即塑料注射成形工艺的设计柔性和粉末冶金工艺的几乎完全不受限的选材范围，这就使得将传统的多个复杂形状零件组合成单个零件成形成为可能[2-4]。此外，PIM技术也克服了典型粉末冶金成形工艺在零件成形尺寸、形状复杂性和生产效率方面的不足，克服了压铸成形在零件机械强度方面的不足[5-6]。
1 PIM技术的应用
PIM技术始于20世纪70年代，近年来，由于工业各领域高性能材料和零部件复杂化、微型化的需求日益迫切，PIM技术也越来越受到关注。PIM成形产品的市场规模已在2007年突破了10亿美元产值，比上世纪90年代增长了6倍左右[7]。这一增长势头还将延续，预计2017全球金属与陶瓷PIM技术市场总产值将达37亿美元[8]。金属粉末注射成形（Metal powder injection molding, MIM）占据了PIM市场中较大的份额，占全球总产量的70%以上[9]。PIM技术已遍及全球，在欧洲，主要应用MIM技术生产各类汽车零部件和消费品（手表和眼镜等），如图1所示；而在北美地区主要应用陶瓷粉末注射成形（Ceramic powder injection molding, CIM），生产产品主要应用在医学和医疗保健领域，如图2所示。此外，亚洲地区，主要是日韩和中国市场，PIM技术应用增长迅速，主要应用领域在消费电子产品和信息技术领域[7]。
图1 金属粉末注射成形产品
Fig.1 Metal powder injection molded parts
图2 陶瓷粉末注射成形产品
Fig.2 Ceramic powder injection molded parts
MIM应用中不锈钢粉末材料约占总份额的一半左右，占主导地位，这反映了很多传统铸造成形方式生产的产品已转由MIM技术来生产，尤其是各种复杂小型精密零件不锈钢零件。其他很多金属粉末材料，诸如铜、镍合金、青铜、钨合金和钛合金等的应用也在不断拓展[7]。另一方面，CIM应用主要是氧化铝、氧化锆、氧化硅或氮化铝粉末制成的产品[10]。
2 PIM工艺过程
PIM成形工艺结合了注塑成形和粉末冶金的工艺特点，先采用类似于传统的注塑成形的工艺过程，应用专用注塑设备和模具来实现高效率的制坯，再应用加热设备实现脱脂和烧结过程[11-12]。完整的PIM工艺过程包含四步：喂料准备，注射成形，脱脂，烧结，工艺流程如图3所示。
图3 PIM主要工艺流程图
Fig.3 Flow chart illustrating the main stages of PIM
2.1 喂料准备
PIM成形的初始材料通常叫做喂料，是一种均匀的球状金属或陶瓷粉末与有机多组分粘接剂组成的混合物，图4所示为BASF公司商用粉末注射喂料颗粒。通常应用混合搅拌设备将粘接剂和粉末均匀地混合在一起，这些设备包括挤出机和搅拌机，图5所示为MIM金属粉末喂料密炼机。混合物再被制成合适形状的颗粒喂料以备装入专用注射成形设备。粘接剂仅仅是粉末的载运介质，并且一旦零件被注射成形了，粘接剂就会在后续的步骤中被移除。
图4 粉末注射喂料颗粒，BASF公司
Fig.4 Pellets of commercially available feedstock material by BASF
2.2 注射成形
注射成形工序基本与传统的塑料注射成形一样，专用注射成形设备也与传统塑料注射成形设备基本相同，仅需对挤出和模具成形零件等关键硬件做些强化处理以满足粉末喂料的特殊压缩率和粘度。注射成形工序的控制对保证零件最终的成形质量和尺寸精度至关重要。PIM技术的设计柔性和灵活性的优势主要是在注射成形中获得的，这依赖于注射模具的复杂性和灵活性。注射成形获得的产品被称为“生坯”（green part），如图6(a)所示，其尺寸大于最终成品零件的尺寸，以抵消烧结过程中的产品的收缩[5]。
图5 MIM金属粉末喂料密炼机
Fig.5 Metal powder feedstock mixer
2.3 脱脂
在烧结前，从生坯中去除粘接剂是非常必要的。脱脂工序是整个PIM技术中最昂贵和耗时的阶段。常用的脱脂方法有三种：热脱脂、溶剂脱脂和催化脱脂，采用哪种脱脂方法取决于粘接剂的构成。
在热脱脂工序中，粘接剂在温度60～600℃范围通过降解、蒸发或湿法萃取等方式来去除。热脱脂所需的时间较长，可以通过使用溶剂来溶解粘接剂中的可溶部分来缩短脱脂时间。溶剂通常为有机溶剂，某些情况下甚至可以使用水作为溶剂，这种方法称为溶剂脱脂[3]。而催化脱脂是通过将特定成分的粘接剂从固态到气态的催化降解来实现，与热脱脂和溶剂脱脂相比，可获得更快去除速度，并且易于操作[13]。
但是，需要注意的是，脱脂工序并非是将粘接剂完全去除作为目的，在所有的脱脂方法中，通常需要保留少量的粘接剂，以形成一个起支撑作用的粘接剂骨架，来给予生坯足够的强度以保持形状直至烧结工序开始，部分脱脂后的零件如图6(b)所示。这个残留的粘接剂支撑骨架常被加热去除，发生在烧结工序的前期，温度区间大约在200～600℃。
2.4 烧结
烧结是PIM的最后一个工序，通过升温促使生坯内部粉末颗粒粘接来获得优异的性能并避免出现粉末团聚。脱脂后的零件，常被称为“熟坯”（brown parts），如图6(c)所示，通常在温度区间1200～1600℃下被烧结成形，温度变化取决于材料的不同[14]。
从微观机理看，由于粉末颗粒间孔隙的逐渐消失，连同相邻粉末微粒之间的生长和强力粘接，导致了产品宏观尺寸的收缩，收缩率通常在14%～20%[15]。因此，生坯通常需要放大体积来补偿烧结时的收缩。PIM成形中采用合适的粉末微粒尺寸可产生理论上高达95%～99.5%的烧结密度，并因此获得优秀的机械性能和耐腐蚀性能，相比于采用压制和烧结的传统粉末冶金工艺优势巨大。
图6 不同阶段的MIM金属粉末注射成形的拉伸试样
Fig.6 Metal powder injection molded tensile test samples
(
a)粉末注射成形后； (b)部分脱脂后；
(c)1250℃， 10h真空烧结后
(a) MIMed; (b) partly dewaxed;
(c) sintered 1250℃, 10 h in vacuum
3 总结
PIM技术非常适用于制造复杂形状的金属和陶瓷产品，它结合了热塑性材料注射成形的设计柔性和粉末冶金的高效率。正是基于这些特性，PIM技术近年来发展日新月异，应用领域不断拓展。但目前PIM技术还相对年轻，需要进一步优化工艺以提高生产效率同时提升最终产品的质量。例如，目前在粘接剂性能领域还有很大的改善空间，使其即具有熔化状态下良好的流动性又具有固态下高的机械性能。粉末材料设计领域也有很大的优化潜力，如对于多相粉末获得最适合的粉末微粒尺寸分布和粒度比。并且，使用纳米粉末微粒可为PIM技术带来很多优势，但如何高效制备这些材料并在成形时避免团聚还有很多需要研究及优化的问题。总之，PIM技术的应用和研究领域空间广阔，未来前景可期。
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Process Principle and Application of Metal and Ceramic Powder Injection Molding
(School of Mechanical Eengineering, Ningbo University of Technology, Ningbo 315016, China)
Abstract: Powder injection molding is an efficient technology for manufacturing complex, precision and near net shape parts using metal and ceramic powder. The traditional multiple complex shape parts can be made combined into a single part,by PIM. Particularly, the PIM technology is suitable for mass production of small, complex shape parts. In this paper, the principle of metal and ceramic powder injection molding technology and its technological process was summarized. And the main application fi elds and market development of PIM technology was introduced. The application and research fi eld of PIM technology is very broad.
Key words: Injection molding; Metal powder; Ceramic powder; Process
本文引用格式：边季峰，周林.金属及陶瓷粉末注射成形工艺原理及应用[J]. 新型工业化，2017，7（10）：39-42.
DOI：10.19335/j.cnki.2095-6649.2017.10.006
基金项目： 浙江省自然科学基金项目（LQ13E050006）；浙江省科技创新活动计划资助项目（2016R424020）。
Citation: BIAN Ji-feng, ZHOU Lin. Process Principle and Application of Metal and Ceramic Powder Injection Molding[J]. The Journal of New Industrialization，2017，7（10）：39-42.
（宁波工程学院机械工程学院，浙江 宁波 315016）
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