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金屬或陶瓷粉末注塑成型工藝
使用金屬或陶瓷粉末通過注塑成型工藝生產(chǎn)復雜零件
如今，使用粉末材料的注塑成型技術主要用于制造工業(yè)用復雜組件。 粉末注塑成型是除了其它成型工藝（精密鑄造和軸向或均衡壓制）外的另一種可供選擇的工藝。
近年來，用陶瓷或金屬粉末來制造注塑成型零件的應用領域主要包括汽車工業(yè)、刀具工業(yè)、磁體生產(chǎn)、紡織工業(yè)、鐘表工業(yè)、家居用品、精密工程、醫(yī)療和牙科技術以及陶瓷工業(yè)。
在 ARBURG PIM 實驗室，客戶可以通過實際觀看樣品生產(chǎn)來了解粉末注塑的優(yōu)點。
表1: 金屬和陶瓷組件的典型公差
粉末注塑成型技術使組件的批量生產(chǎn)成為可能，因為采用機械加工或壓制技術進行批量生產(chǎn)已經(jīng)不再是一種經(jīng)濟有效的方式。注塑成型技術使組件的設計和制造過程具有幾乎無限的自由度。
粉末注塑成型制造過程包括成型零件的初始注塑成型、脫脂和燒結。 組件公差由以下重要因素確定：
● 粘合劑含量
● 粉末特性
● 混合過程
● 注塑成型參數(shù)
● 重力變形
● 在燒結托盤上的滑動性能
可用材料范圍廣泛
原則上，所有細顆粒、可燒結的粉末都可以和相應的粘合劑混合并在注塑機上加工。包括氧化陶瓷、金屬、碳化物及氮化物。
由于混合和注塑設備在處理粉末材料的過程中會受到較強磨損，因此建議選擇粒度盡可能小的粉末。 較細的粉末可降低表面粗糙度，從而在加工過程中降低磨損并提高生坯強度。 各種粉末材料的性能范圍如表3中所示。
表2: 在嚴格的公差范圍內的高重復性
粘合劑使粉末可用來注塑
對粘合劑最重要的要求是：脫脂過程中的尺寸穩(wěn)定性、良好的保存特性、不與粉末材料發(fā)生反應、很高的零件強度、良好的脫模特性、熱穩(wěn)定性和在脫脂過程中易于去除并可完全去除。
粘合劑與粉末顆粒之間的粘附力還應盡可能高，以便在注塑過程中增高壓力不會使兩個組份分離，而導致填充的零件不均勻。 為了獲得良好的注塑成型特性并以低收縮率獲得均勻的燒結質量，建議采用球形粉末。
具有最佳配比的粘合劑與粉末
在混合過程中，粘合劑和粉末混合成一種勻質的混合物，即原料。 市場上有出售金屬粉末和陶瓷粉末的原料供貨商。 他們供應的材料品種繁多，并不斷推出新品。
因此，MIM（金屬注塑成型）或 CIM（陶瓷注塑成型）所需的原料都是現(xiàn)成的，可立即用于注塑，而不再需要內部制作。如果可用材料的性能不能充分滿足所需的用途，專業(yè)化的材料供貨商可以開發(fā)并生產(chǎn)客戶需要的特定原料。
注塑成型過程中的加工步驟
用原料（粉末/粘合劑的混合物）制造成型零件的過程與塑料的注塑成型過程相似。
▲ 預塑
在塑化單元中，原料的粘合劑部分會在溫度的作用下熔化。
▲ 注塑
塑料混合物在高壓下被注塑到固定在鎖模裝置中的模具中。 模具保持閉合，同時成型零件硬化。
▲ 開模
在零件冷卻后，噴嘴會通過注塑裝置的移動從模具位置移開。 鎖模裝置打開，注塑成型機的頂針系統(tǒng)會自動頂出成型零件。
▲ 零件脫模
使用機械手系統(tǒng)從模具中脫出易碎的零件而不造成損壞。 在粉末材料的注塑成型時，推薦使用此工藝來保護綠件免受震動或沖擊，從而避免損害成型零件的質量。
及時適量生產(chǎn)
材料和模具的更換可以在不到 20 分鐘之內完成，這使它適用于精益生產(chǎn)(Just-In-Time Production)。 由于具有各種自動化選配件，因此可在無需操作者太多參與的情況下，對由金屬或陶瓷粉末制造的組件實現(xiàn)批量生產(chǎn)。
注塑成型機的結構
傳統(tǒng)螺桿式注塑成型機由鎖模裝置、注塑裝置和控制系統(tǒng)構成。 由兩個半面構成的模具固定在鎖模裝置中。 鎖模裝置本身具有靜止模板（即所謂的固定模板）和可移動范本。 當鎖模裝置合閉以及模具隨之合閉時，即可以注入材料。 當通過打開鎖模裝置而打開模具時，即可將成型零件脫出。
注塑裝置的結構
注塑成型機上的注塑裝置由螺桿（用于進料、壓縮混合料并去除氣泡）、加熱系統(tǒng)（將混合料加熱到一定溫度）和噴嘴（經(jīng)過壓縮和加熱的材料通過該噴嘴在壓力下注塑到模具中）構成。 注塑成型機的所有移動和生產(chǎn)過程都可以通過屏幕控制功能加以協(xié)調控制。 調節(jié)參數(shù)一經(jīng)確定，即可以保存到數(shù)據(jù)媒體上，從而確保了以前使用的生產(chǎn)周期的可重復性。 在生產(chǎn)過程中，可以自動識別并分離不合格零件和合格零件。
注塑模具
塑料注塑成型技術中常用的模具設備（如滑板、抽芯機構、脫螺紋裝置和內部壓力傳感器）也可以用于粉末材料的注塑成型。 不過，由于粉末/粘合劑熔化材料具有研磨性，因此必須保護模具型腔和注塑裝置以防止磨損（例如通過特殊硬化工藝或合金）。
從綠色的成型壓塊中去除粘合劑
在脫脂過程中，粘合劑會通過催化劑、熔解或熱分解作用從綠件中去除。
脫脂過程可以借助于能夠有效加速化學反應順序的適宜爐溫和氛圍來進行。 粘合劑被去除后，成型零件會變成多孔易碎的模型，即所謂的“棕件“。 在此情況下，零件僅通過極少量的殘留粘合劑和范德瓦爾斯力保持穩(wěn)定。 根據(jù)所使用的粘合劑系統(tǒng)，必須按照適用要求對脫脂爐進行專門的調整。
脫脂爐必須具有非常好的氣體循環(huán)特性。唯一的例外是需要在脫脂過程中埋置零件的粘合劑系統(tǒng)。 生成的廢氣必須通過適當?shù)南掠蜗到y(tǒng)進行處理（例如通過二次燃燒或使用催化轉化器）。
形成機械穩(wěn)定的粘合效果
為了牢固地粘合棕色成型壓塊的顆粒，零件需要在更高的溫度中進行燒結（最高達2000℃）。
根據(jù)熔爐環(huán)境條件、溫度-時間曲線及壓力分配情況，該工序類似擠壓燒結部件時所使用的工藝。通過擴散和/或液態(tài)產(chǎn)生以及晶體生長而形成最終的成型件。
注塑成型的燒結零件最高可以達到 99.9%的理論材料密度。 在選擇了適當粉末的情況下，零件可以各向同性地收縮，即在燒結過程中各個方向上的收縮量相等。 燒結零件的特點是具有均勻的特性。 在注塑成型過程中生成的缺陷無法通過燒結進行修復。
在燒結后的改良工序中，大多就只需配合修整或者刃口打磨。在金屬或陶瓷注塑中，精細的粉末及合適的模具表面可以保證極高的表面質量。
為向感興趣的人實際演示粉末材料加工及其所有重要工藝步驟，ARBURG 建立了自己的 PIM 實驗室。
在此，從原料開發(fā)、準備和注塑成型直到成型零件的脫脂和燒結，所有步驟都可以在實驗室條件下進行測試。
ARBURG 的資深專家可以向客戶說明每個循環(huán)步驟細節(jié)，例如，粉末和粘合劑適宜的混合比例、“綠件”生產(chǎn)、后處理方法，以及機器和模具設計。
ARBURG PIM 實驗室
PIM 實驗室可以為客戶開發(fā)并生產(chǎn) 1/2 升左右到 100 升粉末的原料混合物。 為了優(yōu)化原料的進料特性，必要時還可以將原料處理成均質的粒狀物料。
該實驗室裝備有各種必要設備，可以執(zhí)行當前市場上的所有脫脂過程。 對于使用HNO3 和 N2 的催化脫脂，實驗室具有容量為 60 升的爐。 熱脫脂可以在 120 升爐內進行。 爐體使用特殊的循環(huán)氣體系統(tǒng)；可以對所有零件進行均勻的脫脂。
在 Soxlet系統(tǒng)中，還可以使用各種溶劑（丙酮、乙醇等）對綠件進行脫脂。
一臺直徑為 145 mm、有效長度為220 mm 的管式爐可用于燒結。H2、Ar 或N2 以及這些氣體的混合物可用作爐內氣體。
氧化性材料可以在兩端加熱的箱式爐內在氧化性氣體下燒結到 1700℃。 有效容積為 1.2 升。
總結
粉末注塑成型適合于復雜、高精度成型零件的大批量生產(chǎn)；對具有內螺紋、難于加工的底切和不規(guī)則表面的組件實現(xiàn)簡單、自動化的生產(chǎn)，同時保證出色的表面質量。
粉末材料注塑成型的好處包括:
● 批量生產(chǎn)
● 使用傳統(tǒng)工藝無法生產(chǎn)的零件可以一步完成生產(chǎn)
● 實現(xiàn)復雜的成型零件設計
● 可以快速調整生產(chǎn)
● 成型零件表面質量高
● 成型零件尺寸穩(wěn)定性高
● 零件無需費時耗資的再加工
● 可以自動化生產(chǎn)
● 生產(chǎn)基本無浪費
